CN107037016A - 一种共聚焦光学扫描仪 - Google Patents
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Abstract
一种主要应用于生物医学显微成像领域和材料研究和集成电路芯片检测成像的共聚焦光学扫描仪，在不改变显微镜物镜和样品位置的情况下，通过沿光轴移动针孔和XY扫描振镜之间的一个动态聚焦透镜，改变透过针孔、经XY振镜反射的光束的发散角，以实现对样品的三维扫描成像，获取三维共聚焦图像。
Description
技术领域
本发明涉及一种共聚焦光学扫描仪，特别涉及用于样品的三维扫描成像的共聚焦成像系统。本发明主要应用于生物医学显微成像领域，也可用于材料研究和集成电路芯片检测成像。
背景技术
随着细胞生物学研究的深入，荧光显微镜成像的应用越来越普遍，共聚焦显微成像更是受到广泛的重视。但是，目前的共聚焦成像系统都只能通过在垂直方向上改变显微镜物镜的位置，或者改变样品的位置，以实现对样品的三维扫描成像。这两种调焦机构都无法避免焦平面的漂移，难以稳定地、长时间地对同一焦面的样品成像。
发明内容
本发明的目的，是在不改变激光扫描共聚焦显微镜的物镜或样品位置的情况下，即固定显微镜物镜和样品位置，实现对样品的快速三维扫描成像，以及实现对样品的多焦面同时扫描成像。
本发明的目的是通过以下的技术方案实现的：
如图1所示，一种共聚焦光学扫描仪，包括：一个光源1，一个准直镜2，一个激发滤光镜3，一个二色分光镜4，一个汇聚透镜5，一个针孔6，一个动态聚焦透镜7，一组XY扫描振镜8，一个远心扫描透镜9，一个发射滤光镜10，一个成像透镜11、一个检测器12和计算机17(未画出)，用以和显微镜(包括套管透镜13-a和物镜13-b)一起对样品14进行三维共聚焦扫描成像：其特征在于：
所述光源1发射的光经过所述准直镜2和所述激发滤光镜3后形成短波长的、准直的照明光；
所述二色分光镜透4过短波长的光，反射长波长的光；
所述汇聚透镜5将所述照明光汇聚，并穿过所述针孔6；
所述针孔6位于所述汇聚透镜的焦点，其直径可变，直径始终等于所述物镜13-b的衍射极限；
所述动态聚焦透镜7可沿光轴前后移动，使穿过所述针孔6的所述照明光变为汇聚、准直或发散中的任意一种形式的激发光；
所述激发光经过所述XY扫描振镜8、所述远心扫描透镜9和所述显微镜13，激发位于所述显微镜上的样品14；
所述发射滤光镜10透过所述样品14发射的荧光，并截至其它波段的杂散光；
所述成像透镜11将透过所述发射滤光镜10的荧光汇聚于所述检测器12；
所述检测器12将所述样品14发射的荧光信号转换为电信号；
所述计算机17控制所述光源1的开关，所述动态聚焦透镜7沿光轴移动以选择扫描所述样品14的指定层面，所述XY扫描振镜8摆动以逐点扫描所述样品14，并将所述检测器15得到电信号还原为图像。
本发明的优点如下：
1、本发明通过移动动态聚焦透镜7实现选择扫描焦平面，相比传统共聚焦显微镜移动物镜或样品的方式更简单、快捷。
2、本发明的动态聚焦透镜7移动方向为水平方向，避免了传统共聚焦显微镜垂直调焦机构的焦面漂移问题，提高了成像稳定性。
3、本发明可通过并联使用两套扫描仪，以实现对样品14的多焦面同时扫描成像。
附图说明
图1：本发明的第一种实施例的示意图
图2：本发明的第二种实施例的示意图
图3：本发明的第三种实施例的示意图
图4：本发明的第四种实施例的示意图
图5：本发明的第五种实施例的示意图
图6：本发明的第六种实施例的示意图
图面说明：
1——光源；2——准直镜；3——激发滤光镜；4——二色分光镜；5——汇聚透镜；6——针孔；7——动态聚焦透镜；8——XY扫描振镜；9——远心扫描透镜；10——发射滤光镜；11——成像透镜；12——检测器；13a——套筒透镜；13b——物镜；14——样品；15——全反镜；16——合束镜。
具体实施方式
下面结合附图和实施例进一步描述本发明。
实施例1
图1是与本发明相关的第一种共聚焦光学扫描仪的示意图，工作模式如下：
如图1-a所示，计算机17控制动态聚焦透镜7至指定位置打开光源1，光源1发射的光经过准直镜2准直为准直光，再经过激发滤光镜3选择合适的波段，得到激发光；激发光透过二色分光镜4，经汇聚透镜5汇聚透过针孔6，再经过动态聚焦透镜7、XY扫描振镜8、远心扫描透镜9、套筒透镜3a和物镜13b，激发样品14；样品14发射的荧光原路返回至二色分光镜4，然后反射透过发射滤光镜10，由成像透镜11汇聚于检测器12；检测12将荧光信号转换为电信号传至计算机17。第一点成像完成
计算机17关闭光源，并图像分辨率要求控制XY扫描振镜8摆动，以使针孔6在样品14的投影位移。然后，计算机17再次打开光源，完成第二点成像。如此循环，直至完全扫描样品14的指定焦面，完成第一焦平面成像。
如图1-b所示，计算机17控制动态聚焦透镜7沿光轴移动，然后完成第二焦平面成像。
如图1-c所示，计算机17控制动态聚焦透镜7沿光轴移动，然后完成第三焦平面成像。
计算机17将所有图像重构为三维图像，以完成三维共聚焦成像。
实施例2
图2是是与本发明相关的第二种共聚焦光学扫描仪的示意图，其与实施例1的区别具体如下：针孔6沿光轴前后移动，动态聚焦透镜7的位置固定不变，使穿过所述针孔6的所述照明光变为汇聚、准直或发散中的任意一种形式的激发光，以实现不同焦平面的扫描成像。
实施例3
图3是是与本发明相关的第三种共聚焦光学扫描仪的示意图，其与实施例1的区别具体如下：通过一个全反镜15和合束镜16，将两组相同的，具有光源1、准直镜2、激发滤光镜3、二色分光镜4、汇聚透镜5、针孔6、动态聚焦透镜7、XY扫描振镜8、发射滤光镜10、成像透镜11和检测器12的光路结构的光路重合，然后通过远心扫描振镜9同时导入显微镜(包括套筒透镜13a和物镜13b)，同时扫描不同或相同视野下的不同或相同焦平面的样品14。
实施例4
图4是是与本发明相关的第四种共聚焦光学扫描仪的示意图，其与实施例1的区别具体如下：通过一个全反镜15和分光镜16，将两组相同的，具有光源1、准直镜2、激发滤光镜3、二色分光镜4、汇聚透镜5、针孔6、动态聚焦透镜7、发射滤光镜10、成像透镜11和检测器12的光路结构的光路重合，然后由一组XY振镜反射，经远心扫描振镜9同时导入显微镜(包括套筒透镜13a和物镜13b)，同时扫描相同视野的不同或相同焦平面的样品14。
实施例5
图5是是与本发明相关的第五种共聚焦光学扫描仪的示意图，其与实施例1的区别具体如下：有一个主光路结构，包含一个光源1，一个准直镜2，一个激发滤光镜3，一个二色分光镜4，一个汇聚透镜5，一个针孔6，一个动态聚焦透镜7，一组XY扫描振镜8，一个远心扫描透镜9，一个发射滤光镜10，一个成像透镜11、一个检测器12和计算机17(未画出)；一个副光路结构，包含光源1、汇聚透镜5、激发滤光镜3、针孔6、动态聚焦透镜7、一组XY扫描振镜8；副光路结构的光路通过一个全反镜和一个合束镜与主光路结构的光路重合，然后通过远心扫描振镜9同时导入显微镜，以在三维共聚焦成像的基础上实现三维定点光激活。
实施例6
图6是是与本发明相关的第六种共聚焦光学扫描仪的示意图，其与实施例1的区别具体如下：有一个主光路结构，包含一个光源1，一个准直镜2，一个激发滤光镜3，一个二色分光镜4，一个汇聚透镜5，一个针孔6，一个动态聚焦透镜7，一组XY扫描振镜8，一个远心扫描透镜9，一个发射滤光镜10，一个成像透镜11、一个检测器12和计算机17(未画出)；一个副光路结构，包含光源1、汇聚透镜5、激发滤光镜3、针孔6、动态聚焦透镜7、XY扫描振镜8；副光路结构的光路通过一个全反镜和一个合束镜与主光路结构的光路重合，然后通过远心扫描振镜9同时导入显微镜，以在三维共聚焦成像的基础上实现三维定点光激活。
实施例7
本发明相关的第七种共聚焦光学扫描仪，其与实施例3的区别具体如下：针孔6沿光轴前后移动，动态聚焦透镜7的位置固定不变，使穿过所述针孔6的所述照明光变为汇聚、准直或发散中的任意一种形式的激发光，以实现不同焦平面的扫描成像。
实施例8
与本发明相关的第八种共聚焦光学扫描仪，其与实施例4的区别具体如下：针孔6沿光轴前后移动，动态聚焦透镜7的位置固定不变，使穿过所述针孔6的所述照明光变为汇聚、准直或发散中的任意一种形式的激发光，以实现不同焦平面的扫描成像。
实施例9
与本发明相关的第九种共聚焦光学扫描仪，其与实施例5的区别具体如下：针孔6沿光轴前后移动，动态聚焦透镜7的位置固定不变，使穿过所述针孔6的所述照明光变为汇聚、准直或发散中的任意一种形式的激发光，以实现不同焦平面的扫描成像。
实施例10
与本发明相关的第十种共聚焦光学扫描仪，其与实施例6的区别具体如下：针孔6沿光轴前后移动，动态聚焦透镜7的位置固定不变，使穿过所述针孔6的所述照明光变为汇聚、准直或发散中的任意一种形式的激发光，以实现不同焦平面的扫描成像。
Claims (10)
1.一种共聚焦光学扫描仪，包括：一个光源，一个准直镜，一个激发滤光镜，一个二色分光镜，一个汇聚透镜，一个针孔，一个动态聚焦透镜，一组XY扫描振镜，一个远心扫描透镜，一个发射滤光镜，一个成像透镜、一个检测器和一个计算机，用以和显微镜一起对样品进行三维共聚焦扫描成像，其特征在于：
所述光源发射的光经过所述准直镜和所述激发滤光镜后形成短波长的、准直的照明光；
所述二色分光镜透过短波长的光，反射长波长的光；
所述汇聚透镜将所述照明光汇聚，并穿过所述针孔；
所述针孔位于所述汇聚透镜的焦点，其直径可变，直径始终等于所述显微镜物镜的衍射极限；
所述动态聚焦透镜可沿光轴前后移动，使穿过所述针孔的所述照明光变为汇聚、准直或发散中的任意一种形式的激发光；
所述激发光经过所述XY扫描振镜、所述远心扫描透镜和所述显微镜，激发位于所述显微镜上的样品；
所述发射滤光镜透过所述样品发射的荧光，并截至其它波段的杂散光；
所述成像透镜将透过所述发射滤光镜的荧光汇聚于所述检测器；
所述检测器将所述样品发射的荧光信号转换为电信号；
所述计算机控制所述光源的开关，所述动态聚焦透镜沿光轴移动以选择扫描所述样品的指定层面，所述XY扫描振镜摆动以逐点扫描所述样品，并将所述检测器得到电信号还原为图像。
2.根据权利要求1所述的一种共聚焦光学扫描仪，其特征在于：通过一个全反镜和合束镜，将两组相同的，具有光源、准直镜、激发滤光镜、二色分光镜、汇聚透镜、针孔、动态聚焦透镜、XY扫描振镜、发射滤光镜、成像透镜和检测器的光路结构的光路重合，然后通过所述远心扫描透镜同时导入所述显微镜，同时扫描不同或相同视野下的不同或相同焦平面的所述样品。
3.根据权利要求1所述的一种共聚焦光学扫描仪，其特征在于：通过一个全反镜和合束镜，将两组相同的，具有光源、准直镜、激发滤光镜、二色分光镜、汇聚透镜、针孔、动态聚焦透镜、发射滤光镜、成像透镜和检测器的光路结构的光路重合，然后由一组所述XY振镜反射，经所述远心扫描透镜同时导入所述显微镜，同时扫描相同视野下的不同或相同焦平面的所述样品。
4.根据权利要求2所述的一种共聚焦光学扫描仪，其特征在于：有一个主光路结构，包含一个光源，一个准直镜，一个激发滤光镜，一个二色分光镜，一个汇聚透镜，一个针孔，一个动态聚焦透镜，一组XY扫描振镜，一个远心扫描透镜，一个发射滤光镜，一个成像透镜、一个检测器和一个计算机；一个副光路结构，包含光源、汇聚透镜、激发滤光镜、针孔、动态聚焦透镜、一组XY扫描振镜；副光路结构的光路通过一个全反镜和一个合束镜与主光路结构的光路重合，然后通过所述远心扫描透镜同时导入显微镜。
5.根据权利要求3所述的一种共聚焦光学扫描仪，其特征在于：有一个主光路结构，包含一个光源，一个准直镜，一个激发滤光镜，一个二色分光镜，一个汇聚透镜，一个针孔，一个动态聚焦透镜，一个远心扫描透镜，一个发射滤光镜，一个成像透镜、一个检测器和一个计算机；一个副光路结构，包含光源、汇聚透镜、激发滤光镜、针孔、动态聚焦透镜；副光路结构的光路通过一个全反镜和一个合束镜与主光路结构的光路重合，然后由所述一组XY振镜反射，经所述远心扫描透镜同时导入所述显微镜。
6.一种共聚焦光学扫描仪，包括：一个光源，一个准直镜，一个激发滤光镜，一个二色分光镜，一个汇聚透镜，一个针孔，一个动态聚焦透镜，一组XY扫描振镜，一个远心扫描透镜，一个发射滤光镜，一个成像透镜、一个检测器和一个计算机，用以和显微镜一起对样品进行三维共聚焦扫描成像，其特征在于：
所述光源发射的光经过所述准直镜和所述激发滤光镜后形成短波长的、准直的照明光；
所述二色分光镜透过短波长的光，反射长波长的光；
所述汇聚透镜将所述照明光汇聚，并穿过所述针孔；
所述针孔位于所述汇聚透镜的焦点，其直径可变，直径始终等于所述显微镜物镜的衍射极限；且所述针孔可沿光轴方向前后移动；
所述动态聚焦透镜位置不变；当所述针孔沿光轴前后移动时，所述动态聚焦透镜使穿过所述针孔的所述照明光变为汇聚、准直或发散中的任意一种形式的激发光；
所述激发光经过所述XY扫描振镜、所述远心扫描透镜和所述显微镜，激发位于所述显微镜上的样品；
所述发射滤光镜透过所述样品发射的荧光，并截至其它波段的杂散光；
所述成像透镜将透过所述发射滤光镜的荧光汇聚于所述检测器；
所述检测器将所述样品发射的荧光信号转换为电信号；
所述计算机控制所述光源的开关，所述动态聚焦透镜沿光轴移动以选择扫描所述样品的指定层面，所述XY扫描振镜摆动以逐点扫描所述样品，并将所述检测器得到电信号还原为图像。
7.根据权利要求6所述的一种共聚焦光学扫描仪，其特征在于：通过一个全反镜和合束镜，将两组相同的，具有光源、准直镜、激发滤光镜、二色分光镜、汇聚透镜、针孔、动态聚焦透镜、XY扫描振镜、发射滤光镜、成像透镜和检测器的光路结构的光路重合，然后通过所述远心扫描透镜同时导入所述显微镜，同时扫描不同或相同视野下的不同或相同焦平面的所述样品。
8.根据权利要求6所述的一种共聚焦光学扫描仪，其特征在于：通过一个全反镜和合束镜，将两组相同的，具有光源、准直镜、激发滤光镜、二色分光镜、汇聚透镜、针孔、动态聚焦透镜、发射滤光镜、成像透镜和检测器的光路结构的光路重合，然后由一组所述XY振镜反射，经所述远心扫描透镜同时导入所述显微镜，同时扫描相同视野下的不同或相同焦平面的所述样品。
9.根据权利要求7所述的一种共聚焦光学扫描仪，其特征在于：有一个主光路结构，包含一个光源，一个准直镜，一个激发滤光镜，一个二色分光镜，一个汇聚透镜，一个针孔，一个动态聚焦透镜，一组XY扫描振镜，一个远心扫描透镜，一个发射滤光镜，一个成像透镜、一个检测器和一个计算机；一个副光路结构，包含光源、汇聚透镜、激发滤光镜、针孔、动态聚焦透镜、一组XY扫描振镜；副光路结构的光路通过一个全反镜和一个合束镜与主光路结构的光路重合，然后通过所述远心扫描透镜同时导入显微镜。
10.根据权利要求8所述的一种共聚焦光学扫描仪，其特征在于：有一个主光路结构，包含一个光源，一个准直镜，一个激发滤光镜，一个二色分光镜，一个汇聚透镜，一个针孔，一个动态聚焦透镜，一个远心扫描透镜，一个发射滤光镜，一个成像透镜、一个检测器和一个计算机；一个副光路结构，包含光源、汇聚透镜、激发滤光镜、针孔、动态聚焦透镜；副光路结构的光路通过一个全反镜和一个合束镜与主光路结构的光路重合，然后由所述一组XY振镜反射，经所述远心扫描透镜同时导入所述显微镜。
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