CN107219618B - 激光阵列扫描成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及扫描成像技术，提供一种激光阵列扫描成像系统，显微成像装置以及信号接收装置，还包括激光阵列产生装置，所述激光阵列产生装置包括接收准直后激光的相位板以及与所述相位板配合聚焦形成激光阵列的第一聚焦透镜，所述显微成像装置包括聚焦激光阵列至样品上的透镜组件以及反射携带样品信息的激光阵列二向色镜，所述信号接收装置包括接收所述二向色镜反射后激光阵列的第二聚焦透镜以及收集所述第二聚焦透镜透射光信号的探测器。本发明中通过利用相位板的激光阵列快速扫描成像技术，因其无损探伤、高分辨率、高成像速度、高性噪比以及三维层析探测的综合优势，在生物快速实时成像，活细胞检测等方面均有重要的应用价值和市场推广潜力。

Description

激光阵列扫描成像系统

技术领域

本发明涉及扫描成像技术，尤其涉及一种激光阵列扫描成像系统。

背景技术

显微镜作为人类历史上最伟大的发明之一，是人类进入原子时代的标志。显微镜的出现把人类带入到了一个微观的世界，人们借助显微镜能够观察到各种各样的微小的动物，植物乃至细胞组织结构。

而光学显微成像技术由于其无损、高分辨、应用简单等优点在近年来受到了越来越多的研究人员的关注。显微成像已成为生物学尤其是神经科学研究者中的重要技术，但其成像速度受到传统的单像素逐点扫描成像的限制，难以满足神经科学快速实时成像的需求。

常见的扫描成像方式有三种：(1)二维平移台(2)振镜扫描(3)空间光调制器。第一种方式是将物体固定在二维平移台上，二维平移台带动成像物体往复来回运动，进而进行单像素逐点扫描成像，成像速度比较低，通常需要数秒甚至数分钟来成一幅图像，远远不能满足快速成像的需要；第二种方式采用双轴振镜成像，这种方式也是使用最为普遍的，扫描的主要原理是通过正交的双轴振镜快速偏折射实现激发光光束的快速的x、y方向扫描，该扫描技术的扫描速度小于每秒10帧，不能满足快速实时成像的需求；第三种方式采用空间光调制器来调节空间光的相位，进而使得空间光进行偏折，从而单像素逐点扫描快速成像，使用高速空间光调制器扫描可以达到每秒30帧的成像速率，已经能够实现视频速度，这种方式存在一个严重的不足，虽然成像速率很高，但是相应地，激发光在每个像素点停留的时间太短，使图像的信噪比降低。

通过对以上三种常用的扫描方式的分析，高信噪比和快速成像不能同时满足的原因为：目前，对成像物体进行单像素点逐一二维扫描，从而导致成像耗时长(数秒，数分钟甚至数小时)、扫描成像区域小(亚毫米量级)。提高扫描速度要牺牲图像信噪比为前提，保证图像信噪比就要牺牲成像速度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种激光阵列扫描成像系统，旨在用于解决现有的成像系统中信噪比较低的问题。

本发明是这样实现的：

本发明实施例提供一种激光阵列扫描成像系统，显微成像装置以及信号接收装置，还包括激光阵列产生装置，所述激光阵列产生装置包括接收准直后激光的相位板以及与所述相位板配合聚焦形成激光阵列的第一聚焦透镜，所述显微成像装置包括聚焦激光阵列至样品上的透镜组件以及反射携带样品信息的激光阵列二向色镜，所述信号接收装置包括接收所述二向色镜反射后激光阵列的第二聚焦透镜以及收集所述第二聚焦透镜透射光信号的探测器。

进一步地，所述透镜组件包括接收所述第一聚焦透镜形成的激光阵列的第三聚焦透镜以及接收所述第三聚焦透镜透射光信号且聚焦激光阵列至样品上的第四聚焦透镜，所述二向色镜位于所述第三聚焦透镜至所述第四聚焦透镜之间的光路上，且所述第三聚焦透镜与所述第四聚焦透镜之间的光轴与所述二向色镜之间具有倾斜角。

进一步地，所述倾斜角为45度，所述第二聚焦透镜垂直于所述第三聚焦透镜。

进一步地，所述激光阵列产生装置还包括准直镜，且激光束经所述准直镜透射至所述相位板上。

进一步地，所述相位板上设置有若干厚区以及若干薄区，且所述厚区所述薄区相间设置。

进一步地，激光束透射所述厚区与透射所述薄区之间的相位差为π。

进一步地，还包括数据处理装置，用于将所述探测器采集到的光信号恢复出所述样品的图像。

进一步地，所述探测器位于所述第二聚焦透镜的焦平面处。

进一步地，所述探测器为CCD或者COMS。

进一步地，应用在扫描近场显微镜、受激辐射光淬灭显微镜、光激活定位显微镜、随机光学定位重构显微镜、结构照明显微镜、双光子显微镜、单光子荧光显微镜、多光子显微镜、光学相干显微镜、共聚焦显微镜和拉曼显微镜上。

本发明具有以下有益效果：

本发明的成像系统中，射至相位板上的激光束预先被准直，且由于相位板不同位置厚度存在差异，使得透射相位板的激光束具有相位差，而存在相位差的激光束通过第一聚焦透镜聚焦形成激光阵列，而通过显微成像装置的透镜组件则可以将激光阵列聚焦至样品上，而二向色镜则将携带有样品信息的激光阵列反射至信号接收装置的第二聚焦透镜，而探测器则可以采集具有样品信息的激光阵列。在上述成像过程中，通过利用相位板的激光阵列快速扫描成像技术，因其无损探伤、高分辨率、高成像速度、高性噪比以及三维层析探测的综合优势，在生物快速实时成像，活细胞检测等方面均有重要的应用价值和市场推广潜力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例提供的激光阵列扫描成像系统的结构示意图；

图2为图1的激光阵列扫描成像系统的相位板的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1，本发明实施例提供一种激光阵列扫描成像系统，包括显微成像装置1、信号接收装置2以及激光阵列产生装置3，激光束先进入激光阵列产生装置3，然后经显微成像装置1进入信号接收装置2内，其中显微成像装置1内设置有样品13，激光束聚焦至样品13上后，激光束内携带有样品信息，而信号接收装置2则是用于收集具有样品信息的激光束。具体地，激光阵列产生装置3包括相位板31以及第一聚焦透镜32，准直后的激光束透射相位板31后形成具有相位差的激光束，而该激光束在透射第一聚焦透镜32后在第一聚焦透镜32的焦平面处形成激光阵列，显微成像装置1包括透镜组件11以及二向色镜12，一般还应设置有样品放置区，将样品13放置样品放置区后，透镜组件11接收激光阵列产生装置3发出的激光阵列，然后将激光阵列聚焦至该样品13上，通过激光阵列对样品13进行扫描，使得激光阵列携带有样品信息，二向色镜12将该携带有样品信息的激光阵列的特定波段反射至信号接收装置2内，而信号接收装置2包括第二聚焦透镜21以及探测器22，其中第二聚焦透镜21接收二向色镜12反射的激光束，将探测器22设置于第二聚焦透镜21的焦平面处，探测器22可接收第二聚焦透镜21产生的携带样品信息的激光阵列。本发明中，准直后的激光束先透射相位板31形成具有相位差的激光束，该激光束透射第一聚焦透镜32后在第一聚焦透镜32的焦平面处形成激光阵列，激光阵列进入透镜组件11后，使得激光阵列聚焦于样品13上，起到对样品13进行阵列扫描的作用，将扫描速度提高两个数量级，激光阵列激发样品13产生携带具有样品信息的激光阵列，且通过二向色镜12将激光阵列反射到第二聚焦透镜21，且在第二聚焦透镜21的焦平面处形成携带样品信息的激光阵列，激光阵列被探测器22收集。上述成像过程中利用相位板31的激光阵列快速扫描成像技术，因其无损探伤、高分辨率、高成像速度、高性噪比以及三维层析探测的综合优势，在生物快速实时成像，活细胞检测等方面均有重要的应用价值和市场推广潜力。对于探测器22可以采用CCD(相机)或者COMS(RAM芯片)，可以收集携带样品信息的激光阵列。其中，激光阵列产生装置3还包括准直镜，且激光器发出的激光束经准直镜后透射至相位板31上，即沿激光束的发射方向，准直镜、相位板31以及第一聚焦透镜32依次设置，使得激光束被准直后垂直透射相位板31。

再次参见图1，优化上述实施例，透镜组件11包括第三聚焦透镜111以及第四聚焦透镜112，其中第三聚焦透镜111可以接收第一聚焦透镜32形成的激光阵列，而第四聚焦透镜112则是用于接收第三聚焦透镜111透射的激光信号且在样品13上聚焦形成激光阵列，样品13位于第四聚焦透镜112的焦平面上，通过第三聚焦透镜111与第四聚焦透镜112的配合作用使得激光阵列扫描样品13，将上述的二向色镜12设置于第三聚焦透镜111与第四聚焦透镜112之间的光路上，且该光路对应的光轴与二向色镜12之间具有倾斜角。本实施例中，经激光阵列生成装置调制后的激光阵列进入第三聚焦透镜111；经第三聚焦透镜111后的激光再经第四聚焦透镜112形成激光阵列，聚焦于样品13上，对样品13进行阵列扫描，激光阵列激发样品13产生携带样品信息的激光阵列；携带样品信息的激光阵列背向散射透过第四聚焦透镜112，经二向色镜12反射到第二聚焦透镜21上以在焦平面处形成激光阵列。当然，二向色镜12倾斜设置，则主要是用于调节二向色镜12的反射角，方便反射后的激光束可射入信号接收装置2内，且方便信号接收装置2位置的安放。优选地，上述的倾斜角为45度，则第二聚焦透镜21应垂直于第三聚焦透镜111。

参见图1以及图2，进一步地，细化相位板31的结构，相位板31上设置有若干厚区311以及若干薄区312，且各厚区311与各薄区312相间设置，即每一厚区311的相邻区间均为薄区312，使得相邻两个区间均存在相位差，进而可以使得透射至第一聚焦透镜32的激光束可以形成激光阵列。相位板31通过刻蚀等技术途径，在透明光学材料上加工出具有两种厚度的区域，使指定波长的光在通过这两种区域时的相位差为，激光阵列的薄区312与厚区311可以采用类似于棋盘的结构形式，加工简单，实现简单，成本比较低，可以提高激光焦斑空间强度分布对称性。具体地，在激光透射相位板31的厚区311与薄区312之间的相位差为π。

进一步地，成像系统还应包括有数据处理装置，探测器22收集的光信号传输至数据处理装置内，而通过数据处理装置可以将携带有样品信息的光信号恢复为样品13的图像。本实施例中，数据处理装置包括计算机，计算机用于将采集到的携带样品信息的光波信号恢复出成像样品13的图像。而上述结构的成像系统可应用在扫描近场显微镜(SNOM)、受激辐射光淬灭显微镜(STED)、光激活定位显微镜(PLAM)、随机光学定位重构显微镜(STORM)、结构照明显微镜(SIM)、双光子显微镜(TPEF)、单光子荧光显微镜(OPEF)、多光子显微镜(MPM)、光学相干显微镜(OCT)、共聚焦显微镜(CLSM)和拉曼显微镜(SRS)上。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种激光阵列扫描成像系统，显微成像装置以及信号接收装置，其特征在于：还包括激光阵列产生装置，所述激光阵列产生装置包括接收准直后激光的相位板以及与所述相位板配合聚焦形成激光阵列的第一聚焦透镜；

所述相位板上设置有若干厚区以及若干薄区，且所述厚区所述薄区相间设置，激光束透射所述厚区与透射所述薄区之间的相位差为π；

所述激光阵列产生装置还包括准直镜，且激光束经所述准直镜透射至所述相位板上；

所述显微成像装置包括聚焦激光阵列至样品上的透镜组件以及反射携带样品信息的激光阵列二向色镜，所述信号接收装置包括接收所述二向色镜反射后激光阵列的第二聚焦透镜以及收集所述第二聚焦透镜透射光信号的探测器，所述探测器位于所述第二聚焦透镜的焦平面处；

所述透镜组件包括接收所述第一聚焦透镜形成的激光阵列的第三聚焦透镜以及接收所述第三聚焦透镜透射光信号且聚焦激光阵列至样品上的第四聚焦透镜，所述二向色镜位于所述第三聚焦透镜至所述第四聚焦透镜之间的光路上，且所述第三聚焦透镜与所述第四聚焦透镜之间的光轴与所述二向色镜之间具有倾斜角；

所述倾斜角为45度，所述第二聚焦透镜垂直于所述第三聚焦透镜；

准直后的激光束先透射相位板形成具有相位差的激光束，该激光束透射第一聚焦透镜后在第一聚焦透镜的焦平面处形成激光阵列，激光阵列进入透镜组件后，使得激光阵列聚焦于样品上。

2.如权利要求1所述的激光阵列扫描成像系统，其特征在于：还包括数据处理装置，用于将所述探测器采集到的光信号恢复出所述样品的图像。

3.如权利要求1所述的激光阵列扫描成像系统，其特征在于：所述探测器为CCD或者COMS。

4.如权利要求1所述的激光阵列扫描成像系统，其特征在于：应用在扫描近场显微镜、受激辐射光淬灭显微镜、光激活定位显微镜、随机光学定位重构显微镜、结构照明显微镜、双光子显微镜、单光子荧光显微镜、多光子显微镜、光学相干显微镜、共聚焦显微镜和拉曼显微镜上。