CN104390943B - 一种同时获得外观图像和元素分布影像的显微成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种同时获得外观图像和元素分布影像的显微成像系统，主要包括：激光器，其发射短脉冲激光信号；照明光源，其发射可见光信号；折射反射光路，其中包过多个透射反射镜，以使所述激光器和照明光源发出的光信号均竖直向下传播；物镜，其位于所述折射反射光路的下方，竖直向下传播的光信号穿过所述物镜，照射在物镜下方的待检测物体上；移动机构，其移动所述光信号或移动所述待检测物体，使得所述光信号遍历所述待检测物体的所有部分。本发明将LIBS分析技术与激光扫描共聚焦技术有机结合，采用光谱显微成像技术实现对待测样品的逐点扫描，实现了一种同时获得外观图像和元素分布影像的显微成像系统。

Description

一种同时获得外观图像和元素分布影像的显微成像系统

技术领域

本发明涉及一种显微光学成像技术，特别涉及一种同时获得外观图像和元素分布影像的显微成像系统。

背景技术

高分辨显微光学成像技术是人们从宏观转向微观，在细胞分子水平实时动态揭示生命的构成和调控机制，获得一系列原创性科学发现，实现生命科学与物理、化学等学科的全面交叉融合的重要手段。从最早的常规显微镜到现在的超级显微镜，如超分辨显微镜、双光子显微镜以及隧道扫描显微镜等，可以说每一项新成像技术的出现都具有里程碑式的意义。随着激光技术的出现，将光与物质相互作用应用于显微成像和材料分析，不但可以大大地提高光学显微技术的空间分辨率，更可以实现被测物组分和结构的检测，同时还可以进行三维成像。

目前报道的非线性光学成像技术如多光子荧光成像、二次谐波及三次谐波成像等，都出现了很好的应用实例。不过多光子荧光技术大多数情况需要注入荧光标记物，而二次谐波和三次谐波成像也由于其对被测物非线性性质的特殊要求，应用范围受到了极大影响。

激光诱导击穿光谱(LIBS)是目前公认的一种重要的新型分析技术。这种技术对被测样品的前期准备要求低，适用范围广，损伤小等特点。但传统LIBS需要使用相对复杂的光谱分析系统，测试数据量大，处理时间长；而且，其光谱分析系统的灵敏度一旦不足，需要依靠增加激发光的光强来提高等离子体信号强度，在增加待测物体损伤的同时，大大降低了空间分辨率。因此在显微成像方面，LIBS的应用有很大的局限性。

正因为LIBS技术的局限性，本发明结合LIBS分析技术与激光扫描共聚焦技术，实现了一种既可以获得外观图像又可以观察待测物体的元素分布的新型显微成像系统，该系统结构简单，便于操作。

发明内容

本发明针对上述局限性，将LIBS分析技术与激光扫描共聚焦技术有机结合，采用光谱显微成像技术实现对待测样品的逐点扫描，实现了一种同时获得外观图像和元素分布影像的显微成像系统。该技术适用于生物医学分析、材料分析、土壤分析及大气分析等各个领域。

本发明的一个目的在于，提供一种叠加在激光扫描共聚焦显微镜基础上的元素分布扫描镜，以最大限度地降低成本。

本发明的另一个目的在于，提供一种光路简单的元素分布扫描镜，在探测到物体内元素分布的同时，还能够展示物体的表面影像，实现两者的结合。

为实现上述目的以及一些其它的目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种同时获得外观图像和元素分布影像的显微成像系统，包括：

激光器1，其发射短脉冲激光信号；

照明光源12，其发射可见光信号；

折射反射光路，其中包括多个透射反射镜，以使所述激光器1和照明光源12发出的光信号均竖直向下传播；

物镜5，其位于所述折射反射光路的下方，竖直向下传播的光信号穿过所述物镜5，照射在物镜下方的待检测物体上；

移动机构，其移动所述光信号或移动所述待检测物体，使得所述光信号遍历所述待检测物体的所有部分；

其中，所述短脉冲激光信号激发所述待检测物体产生等离子体，且所述照明光源12的可见光信号经过所述待检测物体反射后返回通过物镜，并到达图像处理器8，得到待检测物体的外观图像；且所述激光器1的短脉冲激光信号经过所述待检测物体反射后返回通过物镜，并穿过中阶梯光栅14，生成分光光谱，通过凹面镜6汇聚后，到达光电探测器15，其通过探测分光光谱中的电磁波强度确定待检测物体的元素分布影像。

优选的是，一种同时获得外观图像和元素分布影像的显微成像系统，所述折射反射光路包括：

第一半透半反镜，其与水平方向呈45度角设置，所述激光器1发射的短脉冲激光信号沿水平方向入射所述第一半透半反镜，取其反射的竖直向下的短脉冲激光信号；

第二半透半反镜，其与水平方向呈135度角设置，第一半透半反镜反射的短脉冲激光信号透过第二半透半反镜继续竖直向下传播，且照明光源12从与所述激光器1相反的一侧沿水平方向入射所述第二半透半反镜，取其反射的竖直向下的可见光信号，照明光源12的入射点与所述短脉冲激光信号的穿透点相同；

由此，短脉冲激光信号和可见光信号均变成竖直向下传播的光信号。

优选的是，一种同时获得外观图像和元素分布影像的显微成像系统，所述折射反射光路还包括：

第三半透半反镜，其与水平方向呈45度角设置，竖直向下传播的光信号透过第三半透半反镜继续向下传播，且可见光信号在待检测物体上的反射光返回通过第三半透半反镜，取其反射光，而短脉冲激光信号在待检测物体上的反射光返回第三半透半反镜，取其透射光，以将照明光源12和激光器1的返回光路区分开。

优选的是，一种同时获得外观图像和元素分布影像的显微成像系统，

所述移动机构为沿X，Y，Z三向移动的移动架，其设置在所述待检测物体的下方，带动所述待检测物体移动，以实现遍历。

优选的是，一种同时获得外观图像和元素分布影像的显微成像系统，

所述移动机构为扫描振镜17，其设置在所述第三半透半反镜与物镜5之间，通过改变竖直向下传播的光信号的角度，以实现遍历。

优选的是，一种同时获得外观图像和元素分布影像的显微成像系统，还包括：

成像透镜9，其设置在照明光源的返回光路上，用于汇聚通过第三半透半反镜的可见光中的反射光；

图像处理器8，其设置在所述成像透镜9的焦距处，并将汇聚的可见光信号转化为电信号，对图像进行处理。

优选的是，一种同时获得外观图像和元素分布影像的显微成像系统，还包括：

信号放大器16，其与所述光电探测器通讯连接，用于放大电信号。

优选的是，一种同时获得外观图像和元素分布影像的显微成像系统，还包括：

计算机2，用于收集和分析信号放大器和图像处理器的电信号，进行显示和分析图像。

优选的是，一种同时获得外观图像和元素分布影像的显微成像系统，还包括：

步进电机7，其与所述计算机2线路连接，用于控制所述中阶梯光栅14的转动。

本发明公开的一种同时获得外观图像和元素分布影像的显微成像系统的有益效果至少包括：将LIBS分析技术与激光扫描共聚焦技术有机结合，采用光谱显微成像技术实现对待测样品的逐点扫描，实现了一种同时获得外观图像和元素分布影像的显微成像系统。

附图说明

图1为本发明一实施例所述的一种同时获得外观图像和元素分布影像的显微成像系统示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

如附图1所示，本发明公开了一种同时获得外观图像和元素分布影像的显微成像系统，即既能够展示物体的外观影像，又能够反映出物体内各种元素的分布状况。例如对铁皮进行检测，在展示其细微影像的同时，还反应出该铁皮内包含内的铬元素、碳元素、氧化铁化合物等的含量及分布。所述显微成像系统包括：

激光器1，其发射出短脉冲激光信号。短脉冲激光打到待分析物质的某一位置处时，能够在该位置激发物体产生等离子体。而通过等离子对该短脉冲激光产生的反射光进行分光，得到反射光的光谱之后，又能够通过分析光谱而得到物质在被扫描位置处的元素成分。因此，只要让短脉冲激光逐行扫描待分析物质的所有位置，就能得到所有位置处的元素成分，将位置关系和相应的元素成分绘制成图表，就能够的得到待测物体的元素分布图。

照明光源12，其发射出可见光信号，用于照射待测物体。同样，照明光源一次照射待测物体上的一个位置点，得到该位置点的反射光，利用反射光对这个位置点进行成像。之后通过移动待测物体本身或通过移动照明光源的照射角度，使得照明光源12遍历待测物体上的每一个位置点，直到最后获得了待测物体所有位置的图像。最后将位置关系和相应的图像绘制成图表，就能够得到其外观图像。

折射反射光路，其中包括多个透射反射镜，以使所述激光器1和照明光源12发出的光信号均竖直向下传播，正好可以正入射进物镜。在折射放射光路中，本领域技术人员可以根据光路的基础知识，设置透射反射镜，使得最终所述激光器1和照明光源12发出的光信号均竖直向下传播即可。并且最好是使得所述激光器1和照明光源12发出的光信号沿相同的路径传播，这样待检测物体上的某个位置点同时获得光照和短脉冲激光。

在本发明的一个优选实例中，所述折射放射光路可以包括：

第一半透半反镜，其与水平方向呈45度角设置，所述激光器1发射的短脉冲激光信号沿水平方向入射所述第一半透半反镜，取其反射的竖直向下的短脉冲激光信号；

第二半透半反镜，其与水平方向呈135度角设置，第一半透半反镜反射的短脉冲激光信号透过第二半透半反镜继续竖直向下传播，且照明光源12从与所述激光器1相反的一侧沿水平方向入射所述第二半透半反镜，取其反射的竖直向下的可见光信号，照明光源12的入射点与所述短脉冲激光信号的穿透点相同；

由此，短脉冲激光信号和可见光信号均变成竖直向下传播的光信号。

所述折射反射光路还包括：第三半透半反镜，其与水平方向呈45度角设置，竖直向下传播的光信号透过第三半透半反镜继续向下传播，且可见光信号在待检测物体上的反射光返回通过第三半透半反镜，取其反射光，而短脉冲激光信号在待检测物体上的反射光返回第三半透半反镜，取其透射光，以将照明光源12和激光器1的返回光路区分开；

物镜5，其位于所述折射反射光路的下方，竖直向下传播的光信号穿过所述物镜5，照射在物镜下方的待检测物体上；

移动机构，其通过微移扫描振镜17来改变竖直向下传播的光信号的角度或沿X，Y，Z三向移动移动架来移动所述待检测物体。也可以同时采用两者，通过两者的紧密配合，使得所述光信号遍历所述待检测物体的所有部分；

进一步地，一种同时获得外观图像和元素分布影像的显微成像系统，还包括：

成像透镜9，其设置在照明光源的返回光路上，用于汇聚通过第三半透半反镜的可见光中的反射光。

图像处理器8，其设置在所述成像透镜9的焦距处，并将汇聚的可见光信号转化为电信号，实现图像的获取、存储、传输、处理和复现。

进一步地，一种同时获得外观图像和元素分布影像的显微成像系统，还包括：

信号放大器16，其与所述光电探测器通讯连接，用于放大所述光电探测器所转化出的电信号。

进一步地，一种同时获得外观图像和元素分布影像的显微成像系统，还包括：

计算机2，用于收集和分析信号放大器和图像处理器的电信号，并根据电信号绘制成其外观成像以及其元素分布影像。

进一步地，一种同时获得外观图像和元素分布影像的显微成像系统，还包括：

步进电机7，其与计算机2线路连接，用于控制中阶梯光栅14的转动。

进一步地，一种同时获得外观图像和元素分布影像的显微成像系统，构成四条光路：

第1条光路：由照明光源12发出的照明光，经过第二半透半反镜11反射后进入物镜5，聚焦在待检测物体3；

第2条光路：待检测物体3反射的照明光沿照明光的反方向传播，再被物镜5收集后，依次经过第三半透半反镜10、成像透镜9及图像处理器8，通过计算机2实现观察待检测物体的外观图像；

第3条光路：短脉冲激光器1输出的激光脉冲经过第一半透半反镜13的反射后进入物镜5，经该物镜聚焦后照射到待检测物体3；

第4条光路：激光激发待检测物体3产生的等离子体辐射光沿激发光相反的方向传播，经物镜5收集，通过第一半透半反镜13和中阶梯光栅14，生成分光光谱，通过凹面镜6汇聚到高灵敏光电探测器15，转化为电信号，再通过信号放大器16放大电信号，并传输给计算机2，从而观察待检测物体的元素分布。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (5)

1.一种同时获得外观图像和元素分布影像的显微成像系统，其特征在于，包括：

激光器(1)，其发射短脉冲激光信号；

照明光源(12)，其发射可见光信号；

折射反射光路，其中包括多个透射反射镜，以使所述激光器(1)和照明光源(12)发出的光信号均竖直向下传播；

物镜(5)，其位于所述折射反射光路的下方，竖直向下传播的光信号穿过所述物镜(5)，照射在物镜下方的待检测物体上；

移动机构，其移动所述光信号或移动所述待检测物体，使得所述光信号遍历所述待检测物体的所有部分；

其中，所述短脉冲激光信号激发所述待检测物体产生等离子体，且所述照明光源(12)的可见光信号经过所述待检测物体反射后返回通过物镜，并到达图像处理器(8)，得到待检测物体的外观图像；且所述激光器(1)的短脉冲激光信号经过所述待检测物体反射后返回通过物镜，并穿过中阶梯光栅(14)，生成分光光谱，通过凹面镜(6)汇聚后，到达光电探测器(15)，其通过探测分光光谱中的电磁波强度确定待检测物体的元素分布影像；

所述折射反射光路包括：

第一半透半反镜，其与水平方向呈45度角设置，所述激光器(1)发射的短脉冲激光信号沿水平方向入射所述第一半透半反镜，取其反射的竖直向下的短脉冲激光信号；

第二半透半反镜，其与水平方向呈135度角设置，第一半透半反镜反射的短脉冲激光信号透过第二半透半反镜继续竖直向下传播，且照明光源(12)从与所述激光器(1)相反的一侧沿水平方向入射所述第二半透半反镜，取其反射的竖直向下的可见光信号，照明光源(12)的入射点与所述短脉冲激光信号的穿透点相同；

由此，短脉冲激光信号和可见光信号均变成竖直向下传播的光信号；

所述折射反射光路还包括：

第三半透半反镜，其与水平方向呈45度角设置，竖直向下传播的光信号透过第三半透半反镜继续向下传播，且可见光信号在待检测物体上的反射光返回通过第三半透半反镜，取其反射光，而短脉冲激光信号在待检测物体上的反射光返回第三半透半反镜，取其透射光，以将照明光源(12)和激光器(1)的返回光路区分开；

成像透镜(9)，其设置在照明光源的返回光路上，用于汇聚通过第三半透半反镜的可见光中的反射光；

图像处理器(8)，其设置在所述成像透镜(9)的焦距处，并将汇聚的可见光信号转化为电信号，对图像进行处理；

所述移动机构为沿X，Y，Z三向移动的移动架，其设置在所述待检测物体的下方，带动所述待检测物体移动，以实现遍历。

2.如权利要求1所述的同时获得外观图像和元素分布影像的显微成像系统，其特征在于，所述移动机构为扫描振镜(17)，其设置在所述第三半透半反镜与物镜(5)之间，通过改变竖直向下传播的光信号的角度，以实现遍历。

3.如权利要求2所述的同时获得外观图像和元素分布影像的显微成像系统，其特征在于，还包括：

信号放大器(16)，其与所述光电探测器通讯连接，用于放大电信号。

4.如权利要求3所述的同时获得外观图像和元素分布影像的显微成像系统，其特征在于，还包括：

计算机(2)，用于收集和分析信号放大器和图像处理器的电信号，进行显示和分析图像。

5.如权利要求4所述的同时获得外观图像和元素分布影像的显微成像系统，其特征在于，还包括：

步进电机(7)，其与所述计算机(2)线路连接，用于控制所述中阶梯光栅(14)的转动。