CN107490566A - 基于二元光学元件的艾里光束光片照明显微成像装置 - Google Patents

Abstract

一种基于二元光学元件的艾里光束光片照明显微成像装置，包括激光器，沿激光器的激光输出方向依次是扩束准直镜组、二元光学元件、柱面镜和待测样品，在待测样品的正上方是显微镜，该显微镜的输出端接计算机的输入端，本发明采用艾里光束光片照明，不但能有效限制激发区域，减少光毒性对样品的影响，而且提高了轴向分辨率、扩大有效视场范围。该装置具有结构简单、轴向分辨率高、成本较低、视场范围大等优点。

Description

基于二元光学元件的艾里光束光片照明显微成像装置

技术领域

本发明涉及光学显微，特别是一种基于二元光学元件的艾里光束光片照明显微成像装置。

技术背景

光片照明在生物显微中的重要应用。光片照明荧光显微技术作为一种非侵入性的显微成像方法，其在生物分子检测方面是一种不可或缺的技术。光片荧光显微技术的思路是采用一薄层光片照明样品，只激发样品的一个薄层，使其发出荧光，探测器从照明面的垂直方向采集荧光。光片照明荧光显微技术弥补了共聚焦荧光显微技术和双光子荧光显微技术的缺点，其优点具有如下几点：①在总成像时间一定时，侧面照明的荧光信号高；②由于暴露的样品少，所以光毒性和光漂白性弱；③成像速率快。因此，这种技术适用于深层成像透明组织和整个有机体的三维成像。

传统的照明方式采用的是高斯光束光片照明，高斯光束轮廓只在焦点处厚度最薄，束腰两侧的光束厚度会增大，因此，视场的大小比较受局限，另外光片的厚薄对分辨率也有影响。为了解决高斯光束光片存在的问题，后来科学家们提出了可以使用贝塞尔光束代替高斯光束。贝塞尔光束是一种无衍射光束，其截面轮廓远小于高斯光束的截面轮廓，而且贝塞尔光束进行传播时的轮廓和光强都不变。由于无法产生理想的贝塞尔光片，实际中大多使用的是贝塞尔-高斯光束，所以光片的厚度也是不均匀的。在视场较大时，单光子光片使用贝塞尔-高斯函数时，会使得光漂白性大大增加。

艾里光束光片照明与前两种光片照明相比具有很多优势。艾里光束是一种无衍射光束，在一定传播范围内，这种光束横截面的光强分布基本保持不变。艾里光束除了无衍射特性之外还有自弯曲特性和自愈的奇异特性。由于其无衍射特性，利用艾里光束形成片状光照明样品成像可以在很长一段范围内保持成像的最佳轴向分辨率，从而扩大视场范围。

在先技术中，发明专利“一种基于光片照明的免标记细胞检测装置及方法”(发明专利号：CN106520535A)，提出了一种检测装置和检测方法，该检测装置采用高斯型光片照明的显微镜，实现了单个微粒或细胞的形态显微成像；发明专利“艾里光束光片和艾里光束光片显微镜”(发明专利号：CN106537221A)，提出了一种基于艾里光束光片照明的显微镜系统。上述发明具有一定的优点，但是还存在一些不足：发明专利“一种基于光片照明的免标记细胞检测装置及方法”采用高斯光束光片照明的方式，样品的移动实现了样品的全幅面扫描检测，由于高斯光束只在束腰处的厚度最薄，在束腰两侧厚度增加，因此采用高斯光束光片照明的系统的视场过小，不利于检测；发明专利“艾里光束光片和艾里光束光片显微镜”是一种基于艾里光束光片照明的显微镜，该系统易于产生像差、球差等，还需要后续光路来进行补偿，使得系统结构比较复杂。

发明内容

本发明的目的在于克服上述在先技术中的不足，提供一种基于二元光学元件的艾里光束光片照明显微成像装置，该装置具有结构简单、轴向分辨率高、成本较低、视场范围大等优点。

本发明的技术解决方案如下：

一种基于二元光学元件的艾里光束光片照明显微成像装置，包括激光器，其特点在于沿激光器的激光输出方向依次是扩束准直镜组、二元光学元件、柱面镜和待测样品，在待测样品的正上方是显微镜，该显微镜的输出端接计算机的输入端，所述的二元光学元件将输入光转换为双艾里光束，艾里光束入射到柱面镜上，柱面镜将其转换为艾里光束光片；所述的待测样品通过固定器固定在一位移台上，该位移台能沿光束垂直方向移动，艾里光束光片从侧面照射所述的待测样品。

在所述的待测样品之前的光路上设有可插入光路的挡板。

本发明基于二元光学元件的艾里光束光片照明显微成像装置的工作过程如下：

(1)将激光器输出的扫描激光进行扩束和准直；

(2)经过准直后的扫描激光投射在二元光学元件上，二元光学元件将激光转换为艾里光束；

(3)艾里光束经过柱面镜形成艾里光束光片；

(4)艾里光束光片投射在样品上，激发样品产生荧光，使用位移台上下移动样品，对样品整体进行扫描；

(5)所述的显微镜探测收集样品被艾里光束光片激发的荧光并曝光成像；

(6)使用计算机对图像进行分析。

本发明的有益效果为：

(1)本发明的激发光源采用的是光片照明方式，高质量的光片照明可以限制激发区域，避免了同时激发其他样品引起的干扰，成像信噪比比较高，光片厚度比较灵活、位置易于控制，可以对样品进行快速定位和扫描，减少光毒性的影响；

(2)本装置使用的是艾里光束光片，艾里光束光片与高斯光束光片和贝塞尔光束光片相比，艾里光束光片在更长的距离内横截面、光强保持不变，因此具有视场大，分比率高、能量强等优点，解决了其他系统中的一些缺陷；

(3)本发明产生艾里光束的方法是使用一个二元光学元件，二元光学元件与其他系统中使用的空间光调制器相比，制作工艺更简单，造价比较低，更容易获得，体积小，使得系统更加简单；

(4)本发明可采用两种工作方式，一种是单艾里光束光片显微成像，另外一种是双艾里光束光片显微成像，使得本发明的使用范围更加广泛；

附图说明

图1是本发明实施例1基于二元光学元件的双艾里光束光片照明显微成像装置的光路图；

图2是本发明实施例2单艾里光束光片照明显微成像装置的光路图；

图3是二元光学元件示意图；

图4是艾里光束光片示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明做进一步的说明。

图1是本发明实施例1基于二元光学元件的双艾里光束光片照明显微成像装置的光路图，本发明基于二元光学元件的艾里光束光片照明显微成像装置，包括激光器1，沿激光器1的激光输出方向依次是扩束准直镜组2、二元光学元件3、柱面镜4和待测样品5，在待测样品5的正上方是显微镜6，该显微镜6的输出端接计算机7的输入端，所述的二元光学元件将输入光转换为双艾里光束，艾里光束入射到柱面镜上，柱面镜将其转换为艾里光束光片；所述的待测样品5通过固定器固定在一位移台上，该位移台能沿光束垂直方向移动，艾里光束光片从侧面照射所述的待测样品5。

所述的显微镜，捕获光片照明样品后样品发出的荧光，并且曝光成像，输入计算机，对捕获的信息进行分析。

实施例1的参数如下：

所述激光器1用于发射高斯光束，采用488nm激光器，与其他实例中也可采用He-Ne激光器等；所述扩束准直透镜组2用于对于高斯光束进行扩束和准直，其焦距为200mm，通光孔径为30mm，当然与其他实施例中可使用其他参数的扩束准直镜；所述二元光学元件尺寸是20mm×20mm，其中二元光学元件上有20个周期的相位图形，如图3所示，三次位相系数取5，倾斜位相因子为10，此二元光学元件的工作波长为400nm-700nm；所述柱面镜的焦距f＝40mm，横截尺寸为25，数值孔径为0.3；所述系统产生的艾里光束的光片显微镜的视场范围达到0.3178mm；

实施例1的工作过程：

激光器1发出的激光光束经过扩束准直镜组2对激光进行扩束和调整方向，并通过二元光学元件3对高斯光束进行相位调制，使高斯光束变为艾里光束，艾里光束经过柱面镜4形成很薄的艾里光束光片。

照明光片从待测样品的侧面照射样品，从而激发待测样品，固定器用于将待测样品固定在位移台上，位移台带动样品在垂直方向上精确移动。

待测样品5被艾里光束光片激发后，样品产生荧光，发出的荧光被显微镜6检测和收集，曝光成图像并记录下来。

记录下来的图像信息被传输到计算机7，对捕获的图像信息进行分析、计算。

图2所示的是本发明实施例2单艾里光束光片照明扫描显微成像装置，它与图1的区别是有挡板。

实施例2具体包括以下过程：

实施例2与实施例1唯一的不同之处，就是在光片照射样品的时候用一个挡板挡住其中一束光片，其他过程和实施例1完全相同。单艾里光束光片照明可以在双艾里光束光片照明的基础上，使光毒性和光漂白性进一步降低，而且使用单艾里光束光片照明操作更加简单。

实验表明，本发明采用的艾里光束光片照明方式不但能有效限制激发区域，减少光毒性对样品的影响，而且提高了轴向分辨率、扩大了有效视场范围。

Claims (2)

1.一种基于二元光学元件的艾里光束光片照明显微成像装置，包括激光器(1)，其特征在于沿激光器(1)的激光输出方向依次是扩束准直镜组(2)、二元光学元件(3)、柱面镜(4)和待测样品(5)，在待测样品(5)的正上方是显微镜(6)，该显微镜(6)的输出端接计算机(7)的输入端，所述的二元光学元件将输入光转换为双艾里光束，艾里光束入射到柱面镜上，柱面镜将其转换为艾里光束光片；所述的待测样品(5)通过固定器固定在一位移台上，该位移台能沿光束垂直方向移动，艾里光束光片从侧面照射所述的待测样品(5)。

2.根据权利要求1所述的基于二元光学元件的艾里光束光片照明显微成像系统，其特征在于在所述的待测样品(5)之前的光路上设有可插入光路的挡板(8)。