CN107703614A - 激光输出设备和荧光显微镜 - Google Patents

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吴宗斌
许阳月
王宏达
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Abstract

本申请公开了一种激光输出设备，其包括振镜(20)、振镜驱动控制器(46)、光电检测器(28)和反馈控制单元(48)。反馈控制单元(48)的输入端与光电检测器(28)连接，输出端与振镜驱动控制器(46)连接，反馈控制单元根据从光电检测器接收到的光电流向振镜驱动控制器发送控制信号，其中，振镜(20)、光电检测器(28)和反馈控制单元(48)构成闭环扫描控制系统。本申请还公开了一种荧光显微镜，其包括激光输出设备和显微镜单元(5)，从激光输出设备输出的激光光束能够进入显微镜单元，以使样品受激发而发射出荧光。本申请能够解决激光输出设备长期使用过程中由于光束漂移导致的稳定性较差的技术问题。

Description

激光输出设备和荧光显微镜
技术领域
本申请涉及一种激光输出设备和荧光显微镜，属于光学仪器技术领域。
背景技术
荧光显微镜使人们看到了无法用肉眼观察到的微生物以及生物体内的微结构，是人类伟大发明之一。荧光显微镜不仅应用于生物学领域，在医学、物理学、化学等其它领域的应用也很广泛，已经成为人们了解世界不可缺少的工具。
激光由于单色性好，功率高，使用寿命长，已成为荧光显微镜的主要光源。作为提供能量的激光输出设备，光束的略微漂移都会导致入射光的偏移，进入显微镜单元后能量会呈现指数衰减，这就限制了激光输出设备的使用。此外，光束调试过程过于专业，需专业人士完成校准工作，大大增加了设备的使用难度，故提供一种高稳定性的激光输出设备成为了使用者的理想选择。
发明内容
本发明的目的在于提供一种激光输出设备，其能够解决激光输出设备长期使用过程中由于光束漂移导致的稳定性较差的技术问题，能够实现激光光束传播过程中的功率损失最小化。
本发明的另一目的在于提供一种荧光显微镜，其能够抑制由于激光输出设备的光束漂移导致的进入显微镜单元的光束能量衰减的情况发生。
根据本申请的一个方面，提供了一种激光输出设备，包括用于产生激光光束的激光光源，其特征在于，所述激光输出设备还包括：振镜，所述振镜具有旋钮，通过转动所述旋钮能够实现所述振镜的扭转，所述振镜包括反射镜，所述反射镜用于改变入射至所述反射镜的激光光束的传播方向；振镜驱动控制器，所述振镜驱动控制器根据控制信号驱动所述振镜的旋钮进行扭转，进而带动所述反射镜转动；光电检测器，所述光电检测器用于检测所述激光输出设备在预定方向上输出的激光光束的光强，并将接收到的光强信息转变成光电流，从而检测激光光束的位置信息；反馈控制单元，所述反馈控制单元的输入端与所述光电检测器连接，所述反馈控制单元的输出端与所述振镜驱动控制器连接，所述反馈控制单元根据从所述光电检测器接收到的光电流向所述振镜驱动控制器发送控制信号，其中，所述振镜、所述光电检测器和所述反馈控制单元构成闭环扫描控制系统。
当激光输出设备在长期使用过程中光束发生轻微漂移时，光电检测器接收到的光电流将发生变化。反馈控制单元会根据光电流的变化而向振镜驱动控制器发送相应的控制信号，由振镜驱动控制器控制振镜进行转动，从而将光电流调整为正常值。因此，振镜、光电检测器和反馈控制单元构成闭环扫描控制系统，能够解决激光输出设备长期使用过程中由于光束漂移导致的稳定性较差的技术问题，实现激光输出设备在长期使用过程中光束零偏移，同时实现激光光束传播过程中的功率损失最小化。
优选地，所述激光光源为多个，对于每一个所述激光光源各配置一个所述振镜。
优选地，所述振镜上固定有反射镜，用于改变入射至反射镜的激光光束的传播方向。
优选地，所述激光输出设备包括光束分离部件，所述光束分离部件用于从激光输出设备的激光光束中分离出一部分光束，并且分离出的光束输入至所述光电检测器。进一步优选地，所述光束分离部件为二向色镜。
作为本申请的一种实施方式，所述激光光源为多个，所述激光输出设备还包括激光汇集单元，所述激光汇集单元用于将多个所述激光光源产生的光束进行同轴合束，形成合束激光。
优选地，所述激光汇集单元包括平行排列的多个二向色镜，多个所述激光光源产生的激光光束分别平行地入射至各所述二向色镜，各所述二向色镜选择性地反射与其对应的激光光源产生的激光光束并且透射其他激光光源产生的激光光束，从而将多个所述激光光源产生的光束进行同轴合束。
优选地，激光汇集单元还包括与各所述激光光源一一对应的多个扩束镜，所述扩束镜用于在将多个所述激光光源产生的光束进行同轴合束之前对多个所述激光光源产生的光束扩束。
作为本申请的一种实施方式，所述激光输出设备还包括光纤准直单元，光纤准直单元包括光纤和准直器，所述光纤接收入射的激光光束，所述准直器将激光光束进行准直处理后输出。
优选地，在所述光纤之前设置有激光耦合单元，所述激光耦合单元包括依次设置的汇聚镜和耦合器，所述汇聚镜用于将较宽的激光光束聚焦成较细的激光光束，所述耦合器用于将激光光束耦合至所述光纤中。
根据本申请的又一个方面，提供了一种荧光显微镜，所述荧光显微镜包括上述激光输出设备和显微镜单元，从所述激光输出设备输出的激光光束能够进入所述显微镜单元，以使样品受激发而发射出荧光。
由于荧光显微镜的激光输出设备采用了闭环扫描控制系统，实现激光输出设备在长期使用过程中光束零偏移，所以根据本申请的荧光显微镜能够抑制由于激光输出设备的光束漂移导致的进入显微镜单元的光束能量衰减的情况发生。
附图说明
图1为根据本发明的荧光显微镜的一个实施例的示意图，其中主要示出了荧光显微镜的激光输出设备。
图2为图1所示荧光显微镜的显微镜单元的示意图。
图3为根据本发明的荧光显微镜的另一实施例的示意图，其中主要示出了荧光显微镜的激光输出设备。
部件和附图标记列表：
10-激光器；20-振镜；21-电动反射镜架；22-反射镜；24-扩束镜；26-二向色镜；27-作为光束分离部件的二向色镜；28-光电检测器；30-汇聚镜；32-耦合器；40-光纤；42-准直器；46-振镜驱动控制器；48-反馈控制单元；5-显微镜单元；50-样品；51-二向色镜；52-样品台；53-物镜；61-反射镜；62-聚焦镜；63-CCD检测器；64-滤光片。
具体实施方式
下面结合实施例详述本申请，但本申请并不局限于这些实施例。
实施例1
图1和图2示出了根据本发明的荧光显微镜的一个实施例，其中图1主要示出了荧光显微镜的激光输出设备；图2为图1所示荧光显微镜的显微镜单元的示意图。
如图1和图2所示，根据本发明的荧光显微镜包括激光输出设备和显微镜单元，其中，激光输出设备输出的激光光束进入显微镜单元，以使显微镜单元中的样品受激发而发射出荧光。
如图1所示，根据本发明的激光输出设备包括用于产生激光光束的激光光源。在本实施例中，激光光源包括五个激光器10，五个激光器10发射出平行的五束激光光束，各激光器10发射出的激光的波长分别为：405nm，488nm，532nm，561nm，647nm。当然，可以根据具体使用需求选择不同波长、功率、调制速度的激光器。激光器10的类型可以选择气体激光器、固体激光器或半导体激光器等。在本实施例中，五个激光器10为同一类型的激光器。优选地，五个激光器10发射的激光光束的直径彼此接近，从而有利于将激光光束耦合到后续将具体说明的光纤40中。
在本实施例中，如图1所示，激光输出设备还包括五个振镜20，对于每一个激光光源各配置一个振镜20。各振镜20具有旋钮(未示出)，通过转动该旋钮能够实现振镜20的扭转。每一个振镜20上均固定一个反射镜22，反射镜22用于改变入射至该反射镜的激光光束的传播方向。此外，激光输出设备还包括振镜驱动控制器46，该振镜驱动控制器46能够根据控制信号驱动五个振镜20的旋钮进行扭转，进而带动所述反射镜22转动，从而改变入射至反射镜22的激光光束的传播方向。
根据本发明的激光输出设备设置有光电检测器28，该光电检测器28用于检测激光输出设备在预定方向上输出的激光光束的光强并将接收到的光强信息转变成光电流，从而检测激光光束的位置信息。
此外，根据本发明的激光输出设备还包括反馈控制单元48，该反馈控制单元48的输入端与光电检测器28连接，反馈控制单元48的输出端与振镜驱动控制器46连接，反馈控制单元48根据从光电检测器28接收到的光电流向振镜驱动控制器46发送控制信号，振镜驱动控制器46根据接收的控制信号驱动五个振镜20的旋钮进行扭转，进而带动反射镜22转动。因此，振镜20、光电检测器28和反馈控制单元48构成闭环扫描控制系统。
在本实施例中，根据本发明的激光输出设备还包括激光汇集单元，激光汇集单元用于将五个激光器10产生的光束进行同轴合束，形成合束激光。如图1所示，激光汇集单元包括五个二向色镜26。
五个二向色镜26平行地排列，五个激光器10产生的激光光束分别平行地入射至各二向色镜26，各二向色镜26选择性地反射与其对应的激光器10产生的激光光束并且透射其他激光器10产生的激光光束，从而将入射至二向色镜26的五束平行光束进行同轴合束。
此外，激光汇集单元还包括与各激光光源一一对应的五个扩束镜24，该扩束镜24用于在将多个所述激光光源产生的光束进行同轴合束之前对多个所述激光光源产生的光束扩束。由于不同激光器10的发散角不同，会导致输出激光光束的大小略微存在差异，需要通过扩束镜24完成对激光光束大小的校正，使得不同波长的激光光束具有相同的大小。
如图1所示，激光输出设备还包括光纤准直单元。光纤准直单元包括光纤40和准直器42，光纤40用于接收入射的激光光束，准直器42将激光光束进行准直处理后输出至后续显微镜单元5。
此外，在光纤40之前设置有激光耦合单元，该激光耦合单元用于将激光光束耦合至光纤40中。激光耦合单元包括汇聚镜30和耦合器32，汇聚镜30用于将较宽的激光光束聚焦成较细的激光光束。优选地，耦合器32包括X轴、Y轴以及Z轴三个方向的精确调节旋钮θx、θy、θz(图中未示出)，耦合器32用于将激光光束耦合至光纤40中。
此外，如图1所示，在五个二向色镜26和汇聚镜30之间还设置有作为光束分离部件的一个二向色镜27，该二向色镜27用于从激光输出设备的激光光束中分离出一部分光束，并且分离出的光束输入至所述光电检测器28。
下面将详细说明显微镜单元5的构造。
如图2所示，显微镜单元还包括二向色镜51，该二向色镜51选择性地反射从激光输出设备输出的激光光束，并且能够透过待检测样品50受激发而发射的荧光。显微镜单元还包括样品台52，该样品台52用于承载有待检测的样品50。该二向色镜51能够将准直器42传输来的激光光束反射至样品台52承载的样品50上。此外，在样品台52与二向色镜51之间设置有物镜53，该物镜53用于将二向色镜51反射的激光光束会聚到待检测样品50上。
此外，显微镜单元5包括荧光成像模块。该荧光成像模块包括反射镜61，反射镜61用于反射待检测样品50发射的穿过物镜53和二向色镜51的荧光。荧光成像模块还包括聚焦镜62和CCD检测器63。经反射镜61反射的荧光再经过聚焦镜62聚焦后进入CCD检测器63，由CCD检测器63检测荧光的光强信息。
此外，如图2所示，在二向色镜51与荧光成像模块的反射镜61之间设置有多个滤光片64，该滤光片64用于过滤不需要的杂光，使得只有荧光能够进入荧光成像模块。
下面，具体说明本实施例的荧光显微镜的工作原理。
首先，调节五个激光器10的输出功率，使五个激光器10发射平行的五束激光光束。优选地，激光器10通常具有数字调制和模拟调试功能，可以通过上位机软件快速开/关激光器10以及调节激光器10的功率大小。
然后，激光器10发射出的激光分别入射至对应的振镜20、扩束镜24和二向色镜26，通过调节反射镜22和二向色镜26的旋钮能够改变光束的传播方向，使五束激光合束后同轴输出。
合束激光到达作为光束分离部件的一个二向色镜27后，分解成两束光。其中一束光输入至光电检测器28，光电检测器28将这一束激光光束的光强信息转变成光电流，从而检测合束激光位置信息。反馈控制单元48将根据从所述光电检测器28接收到的光电流向所述振镜驱动控制器46发送控制信号。
另一束光进入激光耦合单元。较宽的激光光束被汇聚镜30聚焦成较细的激光光束，然后，较细的激光光束进入耦合器32。耦合器32具有三维调节旋钮，通过调节该三维调节旋钮能够精准调节激光光束与光纤40的对接。
通过光纤40输出的激光进入准直器42，准直器42将激光光束进行准直处理后输出至显微镜单元5。显微镜单元5可以根据实际需求进行选择匹配。准直器42输出的激光进入显微镜单元5后，光束走向如图2所示，首先通过二向色镜51将激光反射到载有样品50的样品台52上，反射的激光在到达样品台52之前经由物镜53会聚到样品50上，样品50受激而发射出荧光。发射的荧光透射通过二向色镜51，经由滤光片64过滤后，再经由反射镜61反射而进入CCD检测器63成像。
在激光光束的传播过程中，需要调节各光学元件使得激光照到所经光学元件的中心位置，以使激光不偏出各光学元件的主光轴。
本实施例的荧光显微镜设置有反馈控制单元48，该反馈控制单元48根据从光电检测器28接收到的光电流向振镜驱动控制器46发送控制信号，振镜驱动控制器46根据接收的控制信号驱动振镜20的旋钮进行扭转，进而带动所述反射镜22转动。因此，当激光输出设备在长期使用过程中光束发生轻微漂移时(例如，由于外界环境的震动和硬件本身受环境的影响产生应力作用，长时间使用激光输出设备时合束光会出现漂移的现象)，光电检测器28接收到的光电流强度将发生变化，从而检测出合束激光的位置变化。反馈控制单元48会根据光电流的变化而向振镜驱动控制器46发送相应的控制信号，由振镜驱动控制器46控制振镜进行转动，以将光电流调整为正常值。因此，振镜20、光电检测器28和反馈控制单元48构成闭环扫描控制系统，能够解决激光输出设备长期使用过程中由于光束漂移导致的稳定性较差的技术问题，实现激光输出设备在长期使用过程中光束零偏移，能够实现激光光束传播过程中的功率损失最小化。
实施例2
下面将结合图3说明根据本发明的荧光显微镜的另一实施例，其中图3主要示出了荧光显微镜的激光输出设备。在实施例2中，与实施例1中相同的部件被赋予相同的附图标记，在此不做赘述，仅说明实施例2与实施例1的不同之处。
如图3所示，振镜20由电动反射镜架21取代，反射镜22固定在电动反射镜架21上。电动反射镜架21能够被调节转动，从而带动反射镜22转动，进而精确调节从各激光器10发出的激光光束的传播方向。五个激光器10发出的激光光束在被各反射镜22反射后，继续沿相同的方向传播，形成平行的五束激光光束。
与实施例1相比，实施例2的调节精度略低，响应速度略慢，但是成本相对较低。
变型例
本发明不限于上述实施例1和实施例2，根据不同的应用场景可以具有不同的变型例。
虽然实施例1和实施例2结合荧光显微镜说明了激光输出设备，但是不应理解为本发明的激光输出设备只能够应用于荧光显微镜。只要所述激光输出设备包括：用于产生激光光束的激光光源；振镜20，所述振镜20上固定反射镜22，该反射镜22用于改变入射至反射镜的激光光束的传播方向；振镜驱动控制器46，该振镜驱动控制器46根据控制信号驱动振镜20的扭转，进而带动反射镜22转动；光电检测器28，该光电检测器28用于检测激光输出设备在预定方向上输出的激光光束的光强并将接收到的光强信息转变成光电流，从而检测激光光束的位置信息；反馈控制单元48，该反馈控制单元48的输入端与光电检测器28连接，该反馈控制单元48的输出端与振镜驱动控制器46连接，反馈控制单元48根据从光电检测器28接收到的光电流向振镜驱动控制器46发送控制信号，其中，振镜20、光电检测器28和反馈控制单元48构成闭环扫描控制系统，则该激光输出设备即落入本发明的保护范围。根据本发明的激光输出设备可以应用于全内角反射荧光显微镜、激光共聚焦荧光显微镜、超分辨荧光显微镜等显微成像装置中，除此以外，根据本发明的激光输出设备可以应用于其他需要高稳定性激光输出设备的场合。
虽然实施例1和实施例2只说明了激光光源具有五个激光器10的情况，但是本发明不限于此。例如，激光光源可以具有两个、三个等多个激光器10，这时激光汇集单元相应地具有两个、三个等多个二向色镜，以将多个激光器10产生的光束进行同轴合束。此外，激光光源可以仅具有一个激光器10，这时可以省略激光汇集单元，经由振镜20反射的激光光束可以通过反射镜反射至激光耦合单元或者直接进入激光耦合单元。
根据本发明的激光输出设备能够解决激光输出设备长期使用过程中由于光束漂移导致的稳定性较差的技术问题，实现激光输出设备在长期使用过程中光束零偏移，能够实现激光光束传播过程中的功率损失最小化。
根据本发明的荧光显微镜能够抑制由于激光输出设备的光束漂移导致的进入显微镜单元的光束能量衰减的情况发生。
以上所述，仅是本申请的几个实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。

Claims (10)

1.一种激光输出设备，包括用于产生激光光束的激光光源，其特征在于，所述激光输出设备还包括：
振镜(20)，所述振镜具有旋钮，通过转动所述旋钮能够实现所述振镜的扭转，所述振镜(20)包括反射镜(22)，所述反射镜(22)用于改变入射至所述反射镜的激光光束的传播方向；
振镜驱动控制器(46)，所述振镜驱动控制器根据控制信号驱动所述振镜(20)的旋钮进行扭转，进而带动所述反射镜(22)转动；
光电检测器(28)，所述光电检测器用于检测所述激光输出设备在预定方向上输出的激光光束的光强并将接收到的光强信息转变成光电流，从而检测激光光束的位置信息；
反馈控制单元(48)，所述反馈控制单元的输入端与所述光电检测器(28)连接，所述反馈控制单元的输出端与所述振镜驱动控制器(46)连接，所述反馈控制单元(48)根据从所述光电检测器(28)接收到的光电流向所述振镜驱动控制器(46)发送控制信号；
其中，所述振镜(20)、所述光电检测器(28)和所述反馈控制单元(48)构成闭环扫描控制系统。
2.根据权利要求1所述的激光输出设备，其特征在于，所述激光光源为多个，对于每一个所述激光光源各配置一个所述振镜(20)。
3.根据权利要求1所述的激光输出设备，其特征在于，所述振镜(20)上固定了反射镜(22)，用于改变入射至反射镜的激光光束的传播方向。
4.根据权利要求1所述的激光输出设备，其特征在于，所述激光输出设备包括光束分离部件(27)，所述光束分离部件用于从激光输出设备的激光光束中分离出一部分光束，并且分离出的光束输入至所述光电检测器。
5.根据权利要求4所述的激光输出设备，其特征在于，所述光束分离部件(27)为二向色镜。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的激光输出设备，其特征在于，所述激光光源为多个，所述激光输出设备还包括激光汇集单元，所述激光汇集单元用于将多个所述激光光源产生的光束进行同轴合束，形成合束激光。
7.根据权利要求6所述的激光输出设备，其特征在于，所述激光汇集单元包括平行排列的多个二向色镜(26)，多个所述激光光源产生的激光光束分别平行地入射至各所述二向色镜，各所述二向色镜选择性地反射与其对应的激光光源产生的激光光束并且透射其他激光光源产生的激光光束，从而将多个所述激光光源产生的光束进行同轴合束。
8.根据权利要求6所述的激光输出设备，其特征在于，激光汇集单元还包括与各所述激光光源一一对应的多个扩束镜(24)，所述扩束镜(24)用于在将多个所述激光光源产生的光束进行同轴合束之前对多个所述激光光源产生的光束扩束。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的激光输出设备，其特征在于，所述激光输出设备还包括光纤准直单元，光纤准直单元包括光纤(40)和准直器(42)，所述光纤(40)接收入射的激光光束，所述准直器将激光光束进行准直处理后输出；
优选地，在所述光纤之前设置有激光耦合单元，所述激光耦合单元包括依次设置的汇聚镜(30)和耦合器(32)，所述汇聚镜(30)用于将较宽的激光光束聚焦成较细的激光光束，所述耦合器(32)用于将激光光束耦合至所述光纤中。
10.一种荧光显微镜，其特征在于，所述荧光显微镜包括：
根据权利要求1至9中任一项所述的激光输出设备；
显微镜单元(5)，从所述激光输出设备输出的激光光束能够进入所述显微镜单元，以使样品(50)受激发而发射出荧光。
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