CN105675541B - 一种具有轴向高分辨率的反射式共聚焦系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有轴向高分辨率的反射式共聚焦系统，其具有照明光路和成像光路，在照明光路上设有激光器和用于将所述光源发射的光聚焦到待测对象上的成像光学系统，在成像光路上设有接收自待测对象上射回并穿过同样成像光学系统的图像检测器；所述成像光学系统沿激光路径依次设有半反半透镜、检流计振镜组、二分之一波片和四分之一波片，其中，所述二分之一波片仅遮挡激光的一半光路；其中，所述激光器和成像光学系统之间设有第一偏振片，所述成像光学系统和图像检测器设有与第一偏振片偏振方向相同的第二偏振片。本发明能够去除杂散光对成像质量的影响，从而显著提高共焦成像的轴向分辨率和层析能力。

Description

一种具有轴向高分辨率的反射式共聚焦系统
技术领域
本发明涉及显微光学领域的共聚焦显微镜。更具体地说，本发明涉及一种具有轴向高分辨率的反射式共聚焦系统。
背景技术
反射式共聚焦系统是近代最先进的细胞生物医学分析仪器之一，可对样品的轴向进行光学层析，从而获得200～350μm深度细胞水平的活体图像，重构出样品的三维图像。该系统成像最接近组织病理学，不仅可观察固定的细胞、组织切片，还可对活细胞的结构、分子、离子进行实时动态地观察和检测。其中，系统轴向分辨率是最重要的指标，它直接关系到系统的测量精度。
共焦显微镜在皮肤科临床检测上的应用研究已有十几年，现有提高系统轴向分辨率的方法主要有：(1)对常规激光反馈实验中的探测技术进行改进，用渥拉斯顿棱镜把垂直偏振光分开探测；(2)用双频激光器中产生的偏振态相互垂直的o光和e光作为反馈光代替了传统的单一光的反馈；(3)用双频激光器中产生的o光或e光作为反馈光；(4)照明光路中，用狭缝机构挡住激光器出光口处一半激光，在PBS棱镜后放置四分之一波片，成像光路中，在探测器前端放置另一狭缝机构，挡住一半的杂散光。
但在以上对系统的改进中，方法(1)需要分开探测偏振光，成像光路过于复杂，且对探测器要求较高；方法(2)和(3)需要用到双频激光器，成本较高，还涉及反馈系统，技术复杂；方法(4)对机械狭缝的制造精度和运动精度要求较高，且只有一半激光进入物镜光瞳，实现共焦点扫描技术难度较大。
发明内容
本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。
本发明还有一个目的是提供一种具有轴向高分辨率的反射式共聚焦系统，其能够去除杂散光对成像质量的影响，从而显著提高共焦成像的轴向分辨率和层析能力。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种具有轴向高分辨率的反射式共聚焦系统，其具有照明光路和成像光路，在照明光路上设有激光器和用于将所述光源发射的光聚焦到待测对象上的成像光学系统，在成像光路上设有接收自待测对象上射回并穿过同样成像光学系统的图像检测器；
所述成像光学系统沿激光路径依次设有半反半透镜、检流计振镜组、二分之一波片和四分之一波片，其中，所述二分之一波片仅遮挡激光的一半光路，即仅激光光路上的一半激光经过二分之一波片改变偏振方向，另一半激光不改变偏振方向继续前行；
其中，所述激光器和成像光学系统之间设有第一偏振片，所述成像光学系统和图像检测器设有与第一偏振片偏振方向相同的第二偏振片。
优选的是，其中，还包括：
物镜，其设于所述四分之一波片和待测对象之间，用以将激光聚焦于待测对象表面。
优选的是，其中，还包括：
针孔透镜，其设于所述第二偏振片和图像探测器之间，所述针孔透镜具有聚焦透镜和位于所述聚焦透镜焦点处的针孔，提高成像的对比度和清晰度。
优选的是，其中，所述激光器输出线偏光光源，以保证系统的分辨率和信噪比。
优选的是，其中，所述物镜的数值孔径大于1.4，以保证成像的清晰度。
优选的是，其中，所述针孔的直径为0.8～1.2倍艾里斑直径，保证共焦成像的高分辨率和层析能力。
优选的是，其中，所述半反半透镜与激光路径呈45°设置，当激光器发射的激光信号沿水平方向入射所述半反半透镜，取其反射激光信号；自待测物体反射回来的激光再透过所述半反半透镜继续沿原光路方向传播，并经聚焦透镜聚焦于针孔处被图像检测器检测。
本发明至少包括以下有益效果：
本发明利用同向偏振片组合及复合波片组合，通过光学偏振的方法有效去除了杂散光对成像质量的影响，显著提高了共焦系统的轴向分辨率和层析能力；
此外，本发明操作简单，设计巧妙，系统稳定性好，较高的轴向分辨率可实现对细胞内器官等细微结构的精确定位，提高生物样本层析成像、图像三维重建、皮肤组织分层成像等领域的技术，从而更好的研究生命过程和疾病发生机理。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1为本发明的一个实施例中具有轴向高分辨率的反射式共聚焦系统的结构示意图；
图2a为本发明的另一个实施例中激光照明光路的示意图；
图2b为本发明上述实施例中有用光成像光路的示意图；
图2c为本发明上述实施例中杂散光成像光路的示意图。
图中：1、激光器，2、第一偏振片，3、半反半透镜，4、检流计振镜组，5、二分之一波片，6、四分之一波片，7、物镜，8、待测对象，9、第二偏振片，10、针孔透镜，11、图像检测器，→代表激光照明光路，代表成像光路，代表激光器发射的光源，代表X向光，代表Y向光。
具体实施方式
下面结合附图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。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
图1、图2a、图2b和图2c示出了根据本发明的一种实现形式，其具有照明光路和成像光路，在照明光路上设有激光器1和用于将所述光源发射的光聚焦到待测对象上的成像光学系统，在成像光路上设有接收自待测对象上射回并穿过同样成像光学系统的图像检测器11；
所述成像光学系统沿激光路径依次设有半反半透镜3、检流计振镜组4、二分之一波片5和四分之一波片6，其中，所述二分之一波片5仅遮挡激光的一半光路；
其中，所述激光器和成像光学系统之间设有第一偏振片2，所述成像光学系统和图像检测器设有与第一偏振片偏振方向相同的第二偏振片9。
在这种技术方案中，参照图2a，照明光路上：
激光器1发射激光，第一偏振片2和第二偏振片9的偏振方向相同，在本实例中设定为同为X向，激光经过第一偏振片后选通经过X向光，再经过半反半透镜和检流计振镜组，将方形的二分之一波片放置于光路系统中，且仅挡住上半部分激光光斑，因此透过二分之一波片的光斑变成Y向光，下半部分激光光斑还是X向光，然后再通过四分之一波片，X向光和Y向光都变成圆偏光到达待测对象表面；
成像光路上：
有用光成像光路：参照图2b，照明时的上Y向光和下X向光在待测对象表面反射回去翻转变成上X向光和下Y向光，再通过四分之一波片，由于此时X向光和Y向光共往返两次经过四分之一波片，其偏振方向发生变化，所以通过四分之一波片后，上半部分X向光变成Y向光，下半部分Y向光变成X向光，再继续前行通过置于光路上半部分的二分之一波片，Y向光又变成X向光，此时整个光斑都为X向光；
杂散光成像光路：激光聚焦于样品表面后，在进行轴向层析的过程中，表面组织会产生杂散光，并且杂散光的偏振状态不发生改变，杂散光中的离焦光线可被共焦针孔所摒弃，但其中的线性X向杂散光和Y向杂散光可到达图像检测器，并在像面上产生附加的光强分布，从而降低了像面的对比度，限制了系统分辨率的提高。在本实例中，参照图2c，反射回来的杂散光上半部分杂散光光斑为线性X向光，下半部分为线性Y向光，经过四分之一波片变成圆偏光，不改变偏振态，再经过二分之一波片后上半部分光斑变为Y向光，因此整个杂散光光斑都为Y向光。
由于半反半透镜后方的第二偏振片的偏振方向与第一偏振片相同，能选通X向光，过滤Y向光，因此成像光路中的有用光能够透过，杂散光会被抑制，最终共焦成像的轴向分辨率和层析能力会大大提高。
在另一种实例中，还包括：物镜7，其设于所述四分之一波片6和待测对象8之间，用以将激光聚焦于待测对象表面。
在另一种实例中，还包括：针孔透镜10，其设于所述第二偏振片9和图像检测器11之间，所述针孔透镜具有聚焦透镜和位于所述聚焦透镜焦点处的针孔。
上述方案中，所述激光器输出线偏光光源，以保证系统的分辨率和成像效果。
上述方案中，所述物镜的数值孔径大于1.4，以保证成像的清晰度。
上述方案中，所述针孔的直径为0.8～1.2倍艾里斑直径，保证共焦成像的高分辨率和层析能力。
上述方案中，所述半反半透镜与激光路径呈45°设置，当激光器发射的激光信号沿水平方向入射所述半反半透镜，取其反射激光信号；自待测物体反射回来的激光再透过所述半反半透镜继续沿原光路方向传播，并经聚焦透镜聚焦于针孔处被图像检测器检测。
这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的。对本发明的具有轴向高分辨率的反射式共聚焦系统的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。
如上所述，本发明利用同向偏振片组合及复合波片组合，通过光学偏振的方法有效去除了杂散光对成像质量的影响，显著提高了共焦系统的轴向分辨率和层析能力，且本发明操作简单，设计巧妙，较高的轴向分辨率可实现对细胞内器官等细微结构的精确定位，促进了生物样本层析成像、图像三维重建、皮肤组织分层成像等领域的技术，从而更好的研究生命过程和疾病发生机理。
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 (7)

1.一种具有轴向高分辨率的反射式共聚焦系统，其具有照明光路和成像光路，其特征在于，在照明光路上设有激光器和用于将所述激光器发射的光聚焦到待测对象上的成像光学系统，在成像光路上设有接收自待测对象上射回并穿过同样成像光学系统的图像检测器；
所述成像光学系统沿激光路径依次设有半反半透镜、检流计振镜组、二分之一波片和四分之一波片，其中，所述二分之一波片仅遮挡激光的一半光路；
其中，所述激光器和成像光学系统之间设有第一偏振片，所述成像光学系统和图像检测器设有与第一偏振片偏振方向相同的第二偏振片。
2.如权利要求1所述的具有轴向高分辨率的反射式共聚焦系统，其特征在于，还包括：
物镜，其设于所述四分之一波片和待测对象之间。
3.如权利要求1所述的具有轴向高分辨率的反射式共聚焦系统，其特征在于，还包括：
针孔透镜，其设于所述第二偏振片和图像探测器之间，所述针孔透镜具有聚焦透镜和位于所述聚焦透镜焦点处的针孔。
4.如权利要求1所述的具有轴向高分辨率的反射式共聚焦系统，其特征在于，所述激光器输出线偏光光源。
5.如权利要求2所述的具有轴向高分辨率的反射式共聚焦系统，其特征在于，所述物镜的数值孔径大于1.4。
6.如权利要求3所述的具有轴向高分辨率的反射式共聚焦系统，其特征在于，所述针孔的直径为0.8～1.2倍艾里斑直径。
7.如权利要求1所述的具有轴向高分辨率的反射式共聚焦系统，其特征在于，所述半反半透镜与激光路径呈45°设置。
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