CN107290050A - 一种可用于光谱分析的多点扫描共聚焦成像系统 - Google Patents

Abstract

一种可用于光谱分析的多点扫描共聚焦成像系统，主要应用于生物医学显微成像领域和材料研究，通过使用单列排列的针孔和两个转轴相互垂直的扫描振镜逐列扫描样品，以实现三维共聚焦成像；同时通过色散元件在与针孔阵列排列垂直的方向上将光束按波长分散，用面阵检测器获取每列共聚焦图像的光谱图像，然后通过计算机重组为完整的、可用于光谱分析的共聚焦图像。

Description

一种可用于光谱分析的多点扫描共聚焦成像系统

技术领域

本发明涉及一种可用于光谱分析的多点扫描共聚焦成像系统，特别涉及用于样品三维共聚焦成像的光谱分析。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。

背景技术

随着光谱分析在细胞生物学研究应用的开展，科学家迫切需要在获取高分辨率的共聚焦图像时，同时获得图像中每一位点的光谱信息。但是，目前只有逐点扫描的单点扫描共聚焦成像系统能通过色散元件，一次获取一个位点的光谱图像，然后逐点扫描样品以获取完整的、带有光谱信息的共聚焦图像，成像非常耗时。因此，单点扫描共聚焦成像系统难以应用于多点获取成像。

而对于多点扫描的转盘共聚焦成像系统，由于数量巨大的针孔为二维排列的阵列，系统只能通过液晶滤光镜等滤光元件逐次透过不同波长的光，然后通过计算机重组，以获取完整的、带有光谱信息的共聚焦图像。因此，用于光谱分析的转盘共聚焦成像系统会损失大量的光信号，光谱分辨率越高损失越大。

发明内容

本发明的目的，是使用单列排列的针孔和两个转轴相互垂直的扫描振镜逐列扫描样品，以实现三维共聚焦成像；同时通过色散元件在与针孔阵列排列垂直的方向上将光束按波长分散，用面阵检测器获取每列共聚焦图像的光谱图像，然后通过计算机重组为完整的、可用于光谱分析的共聚焦图像。

本发明的目的是通过以下的技术方案实现的：

如图1所示，一种可用于光谱分析的多点扫描共聚焦成像系统，包括：光源1，线性照明器(包括第一凸柱面镜2和第二凸柱面镜3)，激发滤光镜4，二色分光镜5，激发微透镜阵列6，针孔阵列7，第一远心成像透镜组8，第一扫描振镜9，第二远心成像透镜组10，第二扫描振镜11，显微镜12，变倍微透镜阵列组13，色散元件14，面阵检测器15，控制器16(未画出)和计算机17(未画出)。其特征在于：

光源1发射的光经过所述线性照明器变为线性准直光；

激发滤光镜4透过特定波段的所述线性准直光，截至其它波段的光；

二色分光镜5反射所述特定波段的线性准直光，透过其它波段的光；

激发微透镜阵列6为单列排列，排列方向与所述线性准直光的方向重合；

针孔阵列7为单列排列，位于激发微透镜阵列6的焦平面，与激发微透镜阵列6一一对应；

第一远心成像透镜组8为1倍倍率，物焦面位于针孔阵列7，像焦面与第二远心成像透镜组10的物焦面重合；

第一扫描振镜9位于第一远心成像透镜组8的中心，旋转轴与针孔阵列6的排列方向平行或垂直；

第二远心成像透镜组10为1倍倍率，物焦面与第一远心成像透镜组8的像焦面重合，像焦面与显微镜12的成像焦面重合；

第二扫描振镜11位于第二远心成像透镜组10的中心，旋转轴与第一扫描振镜9的旋转轴垂直；

变倍微透镜阵列组13为单列排列，与激发微透镜阵列6一一对应，将经过激发微透镜阵列6的光束的半径变小；或者将经过激发微透镜阵列6的光束聚焦于面阵检测器15；

色散元件14将透过变倍微透镜阵列组13的光在空间上按波长分散成为多条光束，其色散方向与变倍微透镜阵列组13的排列方向垂直；

面阵检测器15的像素排列边分别与变倍微透镜阵列组13的排列方向和色散元件14的色散方向重合；

控制器16(未画出)控制光源1的开关、第一扫描振镜9和第二扫描振镜11的摆动、面阵检测器15的开关；

计算器17(未画出)作为控制器16(未画出)的上位机，以及将面阵检测器15检测到的信号重组为包含光谱信息的共聚焦图像。

其中，色散元件是棱镜14或光栅18(图2所示)。

所述线性照明器由焦点重合、汇聚方向相互垂直的第一凸柱面镜2、第二凸柱面镜3组成；或者如图3和图4所示由准直镜19，焦点和汇聚方向重合的第一柱面镜20、第二凸柱面镜3组成，第一柱面镜20为凹柱面镜或凸柱面镜；或者如图5所示由准直镜19、第一直角棱镜21、第二直角棱镜22组成。

本发明的优点如下：

1、本发明通过单列排列的针孔和两个转轴相互垂直的扫描振镜逐列扫描样品，共聚焦成像速度快。

2、本发明通过色散元件在与针孔阵列垂直的方向上对光束色散，可同时获得多个点位的共聚焦图像的光谱信息。

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：系统的扫描成像方式

图面说明：

1——光源；2——第一凸柱面镜；3——第二凸柱面镜；4——激发滤光镜；5——二色分光镜；6——激发微透镜阵列；7——针孔阵列；8——第一远心成像透镜组；9——第一扫描振镜；10——第二远心成像透镜组；11——第二扫描振镜；12——显微镜；13 ——变倍微透镜阵列；14——棱镜；15——面阵检测器；18——光栅；19——准直镜；20——第一柱面镜；21——第一直角棱镜；22——第二直角棱镜；23——样品。

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：

计算机17(未画出)发送信号给控制器16(未画出)，控制光源1发出发散光，同时控制检测器13开始曝光。

第一凸柱面镜2在与激发微透镜阵列6垂直的方向上将发散光汇聚为平行光，然后第二凸柱面镜3在与激发微透镜阵列6平行的方向上将发散光汇聚为平行光，得到与激发微透镜阵列6平行的线性平行光。线性平行光透过激发滤光镜4被二色分光镜5反射，经过激发微透镜阵列6聚焦穿过针孔阵列7。然后，再经过第一远心成像透镜组8、第一扫描振镜9、第二远心成像透镜组10、第二扫描振镜11和显微镜12投射照明位于显微镜12焦面上的样品23。样品23返回来的光经过显微镜12、第二远心成像透镜组10、第二扫描振镜11、第一元远心成像透镜组8、第一扫描振镜9、针孔阵列7、激发微透镜阵列6、二色分光镜5和变倍微透镜阵列组13到达棱镜14，变倍微透镜阵列组13的作用是将激发微透镜阵列6准直的大直径光束变倍为小直径的准直光束。棱镜14将小直径准直光束在与变倍微透镜阵列组13垂直的方向上按波长分散至面阵检测器15。面阵检测器15同时获取多个点位的光谱图像。检测器15结束曝光，并将第一位列图像传输给计算机17(未画出)，完成第一位列共聚焦光谱成像。如图6a所示。

控制器16(未画出)控制光源1关闭，然后控制所述第一扫描振镜9摆动至下一位置，进行第二位列成像……直至完成所有位列成像。如图6b所示。

控制器16(未画出)控制光源1关闭，然后控制所述第一扫描振镜9复位，并控制所述第二扫描振镜摆动至下一位置，重复以上操作，完成所有行列成像。如图6c和图6d所示。

计算机17(未画出)将所有图像重组为带有光谱信息的共聚焦图像。

实施例2

图2是与本发明相关的第二种多点扫描共聚焦成像系统的部分示意图，其和实施例1的主要区别如下：使用光栅18替代棱镜14分光。

实施例3

图3是与本发明相关的第二种多点扫描共聚焦成像系统的部分示意图，其和实施例1的主要区别如下：光源1发射的光有准直镜19准直，然后由短焦距的第一凸柱面镜20汇聚，再由长焦距的第二凸柱面镜3准直。

实施例4

图4是与本发明相关的第二种多点扫描共聚焦成像系统的部分示意图，其和实施例1的主要区别如下：光源1发射的光有准直镜19准直，然后由短焦距的第一凹柱面镜20发散，再由长焦距的第二凸柱面镜3准直。

实施例5

图5是与本发明相关的第二种多点扫描共聚焦成像系统的部分示意图，其和实施例1的主要区别如下：光源1发射的光有准直镜19准直，然后由第一直角棱镜21和第二直角棱镜22先后折射。

Claims (6)

1.一种可用于光谱分析的多点扫描共聚焦成像系统，包括：光源，线性照明器，激发滤光镜，二色分光镜，激发微透镜阵列，针孔阵列，第一远心成像透镜组，第一扫描振镜，第二远心成像透镜组，第二扫描振镜，显微镜，变倍微透镜阵列组，色散元件，面阵检测器，控制器和计算机。其特征在于：

所述光源发射的光经过所述线性照明器变为线性准直光；

所述激发滤光镜透过特定波段的所述线性准直光，截至其它波段的光；

所述二色分光镜反射所述特定波段的线性准直光，透过其它波段的光；

所述激发微透镜阵列为单列排列，排列方向与所述线性准直光的方向重合；

所述针孔阵列为单列排列，位于所述激发微透镜阵列的焦平面，与所述激发微透镜阵列一一对应；

所述第一远心成像透镜组为1倍倍率，物焦面位于所述针孔阵列，像焦面与所述第二远心成像透镜组的物焦面重合；

所述第一扫描振镜位于所述第一远心成像透镜组的中心，旋转轴与所述针孔阵列的排列方向平行或垂直；

所述第二远心成像透镜组为1倍倍率，物焦面与所述第一远心成像透镜组的像焦面重合，像焦面与所述显微镜的成像焦面重合；

所述第二扫描振镜位于所述第二远心成像透镜组的中心，旋转轴与所述第一扫描振镜的旋转轴垂直；

所述变倍微透镜阵列组为单列排列，与所述激发微透镜阵列一一对应，将经过所述激发微透镜阵列的光束的半径变小；

所述色散元件将透过所述变倍微透镜阵列组的光在空间上按波长分散成为多条光束，其色散方向与所述变倍微透镜阵列组的排列方向垂直；

所述面阵检测器的像素排列边分别与所述变倍微透镜阵列组的排列方向和所述色散元件的色散方向重合；

所述控制器控制所述光源的开关、所述第一扫描振镜和第二扫描振镜的摆动、所述面阵检测器的开关；

所述计算器作为所述控制器的上位机，以及将所述面阵检测器检测到的信号重组为包含光谱信息的共聚焦图像。

2.根据权利要求1所述的一种可用于光谱分析的多点扫描共聚焦成像系统，其特征在于：所述的色散元件是棱镜或光栅。

3.根据权利要求1或2任意一项所述的一种可用于光谱分析的多点扫描共聚焦成像系统，其特征在于：所述线性照明器由焦点重合、汇聚方向相互垂直的第一凸柱面镜、第二凸柱面镜组成。

4.根据权利要求1或2任意一项所述的一种可用于光谱分析的多点扫描共聚焦成像系统，其特征在于：所述线性照明器由准直镜，焦点和汇聚方向重合的第一柱面镜、第二凸柱面镜组成，所述第一柱面镜是凹柱面镜或第二凸柱面镜。

5.根据权利要求1或2任意一项所述的一种可用于光谱分析的多点扫描共聚焦成像系统，其特征在于：所述线性照明器由准直镜、第一直角棱镜、第二直角棱镜组成。

6.根据权利要求1至5任意一项所述的一种可用于光谱分析的多点扫描共聚焦成像系统，其特征在于：所述变倍微透镜阵列组将经过所述激发微透镜阵列的光束聚焦于所述面阵检测器。