CN109211855B - 多光束多光子显微成像装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多光束多光子显微成像装置，包括：光源模块，用于产生能用于多光子激发的激光；分束器，用于产生分布在一条直线上的多束呈等角间距的激光；共振‑振镜扫描头，共振扫描头和振镜扫描头的扫描方向相互垂直且多束激光的排列方向与振镜扫描头的扫描方向一致；聚焦模块，用于将经过共振‑振镜扫描头出射的激光转换为等间距的聚焦光斑照射至样本，以激发荧光或多光子高阶谐波信号；成像模块，用于收集荧光或多光子高阶谐波信号进行成像。本发明提供的一种多光束多光子显微成像装置，采用分布在一条直线上的多束激光，且多束激光的排列方向与振镜扫描头的扫描方向一致，从而实现多光束同时对样本扫描，提高了成像速度。

Description

多光束多光子显微成像装置

技术领域

本发明涉及光学技术领域，更具体地，涉及一种多光束多光子显微成像装置。

背景技术

随着科学技术的发展，光学显微成像技术已经成为生物学、医学及其相关交叉学科研究中重要的技术和测量手段。由于光学显微成像技术具有无损伤、非侵入性、快速获取等特点，非常适合于活细胞和生物组织以及非生物体系的成像，具有其它技术无法替代的优势。因此，近年来光学显微成像技术一直是技术发展的前沿与热点，并不断取得新的发展与突破，其发展趋势是更高的空间分辨率、更快的速度以及动态生物信息获取等。

现有技术中提供了多种聚焦照明扫描成像方法，但成像时间分辨率较低，无法观察活细胞和组织中毫秒级及亚毫秒级的生物化学动力学过程，比如神经元活动、钙信号的波动与激发、神经递质分泌的分子机制等。

因此，如何实现快速成像，以获取更高的时间分辨率，是目前亟待解决的问题。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺陷，本发明提供一种多光束多光子显微成像装置。

本发明提供一种多光束多光子显微成像装置，包括：

光源模块，用于产生能用于多光子激发的激光；

分束器，用于将所述激光转化为分布在一条直线上的多束呈等角间距的激光；

共振-振镜扫描头，包括沿激光光路方向依次设置的共振扫描头和振镜扫描头，所述共振扫描头和振镜扫描头的扫描方向相互垂直且所述多束激光的排列方向与所述振镜扫描头的扫描方向一致；

聚焦模块，用于将经过所述共振-振镜扫描头出射的激光转换为等间距的聚焦光斑并照射至样本，以激发荧光或产生多光子高阶谐波信号；

成像模块，用于收集所述荧光或多光子高阶谐波信号进行成像。

优选地，所述聚焦模块包括沿激光光路方向依次设置的第一扫描透镜、第一成像透镜、二向色镜、物镜。

优选地，所述成像模块包括沿探测光路方向依次设置的所述物镜、反射单元、第二成像透镜和相机；其中，反射单元用于反射所述荧光或多光子高阶谐波信号。

优选地，所述反射单元包括所述二向色镜。

优选地，在聚焦模块中，还包括至少一个中继光路，所述中继光路用于调整激光的光束直径。

优选地，所述分束器包括沿激光光路方向依次设置的透镜单元、光整形元件以及所述第二扫描透镜。

优选地，所述透镜单元用于使强度呈高斯分布的激光转化为强度呈线状分布的激光。

优选地，所述光整形元件和所述第二扫描透镜的组合用于将所述强度呈线状分布激光转化为分布在一条直线上的多束呈等角间距的激光。

本发明提出的一种多光束多光子显微成像装置，通过一个共振-振镜扫描头，采用分布在一条直线上等角间距的多束激光，并且使多束激光的排列方向与所述振镜扫描头的扫描方向一致，从而实现多束激光同时对样本进行扫描，大大提高了成像速度。

附图说明

图1为本发明一实施例的多光束多光子显微成像装置结构示意图；

图2为本发明实施例的分束器装置结构示意图；

图3为本发明实施例的共振-振镜扫描头装置结构示意图；

图4为本发明一实施例的多束激光扫描示意图；

图5为本发明另一实施例的多束激光扫描示意图；

图6为本发明另一实施例的多光束多光子显微成像装置结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

应当清楚，除非另有说明，本文中使用的技术术语或科学术语为本领域技术人员所理解的通常意义。

本发明为解决目前光学扫描显微成像技术中成像速度较慢的缺陷，通过采用分布在一条直线上的多束激光，并提出了一种共振-振镜扫描头扫描方式，即使该分布在一条直线上的多束激光的排列方向与共振-振镜扫描头中振镜扫描头的扫描方向一致，从而实现多束激光同时对样本进行扫描，大大提高了成像速度。

图1为本发明一实施例的多光束多光子显微成像装置结构示意图，如图1所示，包括：

光源模块100，用于产生能用于多光子激发的激光。

需要说明的是，光源模块包括能用于多光子激发的激光器，通过能用于多光子激发的激光器产生激光。在一个具体的实施例中，可采用飞秒激光器产生激光。

分束器101，用于将激光转化为分布在一条直线上的多束呈等角间距的激光。

需要说明的是，本发明实施例的分束器101用于接收一束激光，分束器101约束该束激光只在一个维度上扩束，并通过对光的调制获得分布在一条直线上的多束呈等角间距的激光。

共振-振镜扫描头102，包括沿激光光路方向依次设置的共振扫描头和振镜扫描头，共振扫描头和振镜扫描头的扫描方向相互垂直且多束激光的排列方向与振镜扫描头的扫描方向一致。

需要说明的是，共振-振镜扫描头中的共振扫描头以固定频率(即共振频率)扫描，振镜扫描头的扫描频率可以根据实际需求进行控制。共振-振镜扫描头102对入射的多束呈等角间距的激光进行扫描，通过控制共振-振镜扫描头102的扫描方向，改变多束呈等角间距的激光的出射方向。从而当共振-振镜扫描头102的角度偏转时，出射的多束呈等角间距的激光也随之发生偏转，进而实现对样本的各部分扫描。

聚焦模块103，用于将经过共振-振镜扫描头102出射的激光转换为等间距的聚焦光斑并照射至样本，以激发荧光或多光子高阶谐波信号。

需要说明的是，共振-振镜扫描头102的出射光经过聚焦模块103，实现等角间距的激光向等间距的聚焦光斑的转化，以保证照射至样本的聚焦光斑为等间距的；从而，当共振-振镜扫描头102的扫描方向改变时，多束等间距的激光能够刚好无重复地扫描完样本的待测区域。多束等间距的激光扫描样本激发出荧光或多光子高阶谐波信号。样本可以由探针、荧光蛋白、量子点、纳米荧光粒子等荧光物质进行染色或标记，包括活体样本、固定生物样本或其他非生命体系样本；以及多光子非标记高阶谐波以用于成像。

成像模块104，用于收集荧光或多光子高阶谐波信号进行成像。

需要说明的是，样本激发的荧光或多光子高阶谐波信号经过成像模块104，将光信号转化为电信号并进行图像复原等处理，从而完成多光子显微成像。

相较于现有技术采用单束激光，本发明实施例提供的一种多光束多光子显微成像装置，采用了分布在一条直线上的多束激光，并且通过特定的设置方式，使多束激光的排列方向与振镜扫描头的扫描方向一致，从而实现多束激光同时对样本进行扫描，大大提高了时间分辨率。

基于上述实施例的内容，作为一种可选的实施例，本发明实施例中的分束器101包括沿激光光路方向依次设置的透镜单元、光整形元件以及第二扫描透镜，透镜单元用于使高斯分布的激光转化为线状分布的激光，光整形元件和扫描透镜用于将一束线状分布的激光转化为多束呈等角间距的激光。

具体的，透镜单元可以包括沿激光光路方向依次设置的柱面透镜和透镜。一束强度呈高斯分布的激光通过柱面透镜和透镜，转化为一束强度呈线状分布激光。该束激光通过光整形元件，可以转化为分布在一条直线上的多束呈等间距的聚焦光束。其中，光整形元件可以是微透镜阵列、空间光调制器、数字微透镜或衍射光学元件等。多束呈等间距的聚焦光束经过扫描透镜，转化为分布在一条直线上的多束呈等角间距的激光。

本发明实施例提供的一种多光束多光子显微成像装置，通过将单光束的激光进行分束，利用多束光实现对样本的并行扫描，提高了扫描的速度。

基于上述实施例的内容，作为一种可选的实施例，本发明实施例中的聚焦模块103包括沿激光光路方向依次设置的第一扫描透镜、第一成像透镜、二向色镜、物镜。

需要说明的是，分布在一条直线上的多束呈等间距的聚焦光束转化为分布在一条直线上的多束呈等角间距的激光后，入射至共振-振镜扫描头，其排列方向刚好与共振-振镜扫描头中共振扫描头的扫描方向垂直，与振镜扫描头的扫描方向一致，并且多束激光在共振-振镜扫描头的几何中心位置重叠。因此，无需调节共振扫描头的扫描频率，就可以实现快速的扫描成像；并且通过控制振镜扫描头，使得多光束刚好无重复地完成视场扫描。

从共振-振镜扫描头出射的多束等角间距激光，穿过第一扫描透镜后，转化为多束等间距聚焦光束，再经过第一成像透镜和物镜，照射至样本上，激发样本荧光或多光子高阶谐波信号。其中，二向色镜位于第一成像透镜和物镜之间，用于透过入射的多束等角间距激光，并反射样本的荧光或多光子高阶谐波信号。该二向色镜可以是长通的二向色镜，也可以是短通的二向色镜，本发明仅为了说明二向色镜由此带来光路方向上的改变的效果，而对二向色镜的类型、型号等不作限定。

本发明实施例提供的一种多光束多光子显微成像装置，通过采用多束激光进行扫描，且多束激光的排列方向与共振-振镜扫描头中共振扫描头的扫描方向垂直，与振镜扫描头的扫描方向一致，从而大大提高了视场扫描速度。

基于上述实施例的内容，作为一种可选的实施例，本发明实施例中的成像模块104包括沿探测光路方向依次设置的物镜、反射单元、第二成像透镜和相机。其中，反射单元用于反射荧光或多光子高阶谐波信号；反射单元包括二向色镜。

需要说明的是，样本接收入射的多束等间距聚焦光斑后，激发荧光或多光子高阶谐波信号，荧光或多光子高阶谐波信号沿探测光路方向，依次经过物镜和反射单元，穿过第二成像透镜后入射至相机并成像。在本发明的多光束多光子显微成像装置中，添加反射镜或者更改反射镜与其他元件的先后位置顺序均在本发明要求的保护范围之内。

相机将荧光的光学信号或多光子高阶谐波信号转化为电信号，从而实现样本的多光子显微成像。

本发明实施例提供的一种多光束多光子显微成像装置，采用分布在一条直线上的多束呈等角间距的激光，并配合共振-振镜扫描头，使多束呈等角间距的激光的排列方向与振镜扫描头的扫描方向一致来进行扫描，无需控制共振扫描头的扫描频率，提高了扫描速度，从而提高成像速度；同时采用高速相机成像，实现高速成像。

基于上述实施例的内容，作为一种可选的实施例，本发明实施例在分束器和物镜之间，还包括至少一个中继光路，中继光路用于调整激光的光束直径。

需要说明的是，在多束激光从分束器出射后，一直到入射至物镜之前的任意位置，均可以加入中继光路，例如在共振扫描头和振镜扫描头之间，或物镜和成像透镜之间等。本发明实施例在任何的准直光路中加入中继光路，均在本发明的保护范围之内。

图2为本发明实施例的分束器装置结构示意图，如图2所示，包括沿激光光路方向依次设置的柱面透镜201、透镜202、光整形元件203和第二扫描透镜204，其中：

一束激光通过柱面透镜201和透镜202，使该激光的强度由高斯分布转化为线状分布，从而使得激光只在一个维度上扩束。该束激光通过光整形元件203，得到分布在一条直线上的多束呈等间距的聚集光束。其中，光整形元件203可以是微透镜阵列、空间光调制器、数字微透镜或衍射光学元件等，多光束为一维阵列，例如，1x5、1x16或1x50等，相应的激光的数量可为5束、16束或50束等。需要说明的是，此处提及的阵列规格仅作为举例，而不限制范围。多束呈等间距的聚焦光束经过第二扫描透镜204，第二扫描透镜204使该激光的每一束重叠到第二扫描透镜204的焦点处，从而获得多束呈等角间距的激光。

本发明实施例提供的一种多光束多光子显微成像装置，通过将单光束的激光进行分束，从而实现多光束并行扫描，提高了扫描的速度。可以理解的是，本发明实施例的分束器仅作为一个具体实施例的举例，而不限制分束器的范围。

图3为本发明实施例的共振-振镜扫描头装置结构示意图，如图3所示，使用共振-振镜扫描头扫描多束激光。其中，共振-振镜扫描头包含一个共振扫描头301和一个振镜扫描头302，且共振扫描头301和振镜扫描头302的扫描方向相互垂直。多束激光的排列方向与振镜扫描头302的扫描方向一致。图中对于多束激光仅示意性地画了三束，应当清楚并不限定多束激光的数量，在实际应用中可以根据实际需要进行更改。本领域技术人员可以很清楚地获知，共振扫描头只能以固定的频率即共振频率进行扫描。而在本发明实施例中，多束激光入射至共振扫描头301，其排列方向刚好与共振扫描头301的扫描方向垂直，与振镜扫描头302的扫描方向一致，并且多束激光在共振-振镜扫描头的几何中心位置重叠。因此，无需调节共振扫描头301的扫描频率，就可以实现快速的扫描成像；并且通过控制振镜扫描头302的扫描方式，使得多光束刚好无重复地扫描完视场。视场扫描速度等于单光束扫描速度乘以多光束的光束数目。由于多束激光的扫描中，振镜扫描头302的最大扫描角度是单光束扫描中的振镜扫描头的1/N，因此，对于相同的视场，多光束扫描的速度是单光束扫描速度的N倍，其中，N为激光束数目。

本发明实施例提供的一种多光束多光子显微成像装置，通过多束激光的扫描，并且对多束激光设置特定的排列方向，使得共振-振镜扫描头能够直接通过控制振镜扫描头来进行扫描，相较于现有技术的单光束扫描显著地提高了扫描的速度，从而提高了成像的时间分辨率。

图4为本发明一实施例的多束激光扫描示意图，如图4所示，横向方向为共振扫描头的扫描方向，竖直方向为多束激光的排列方向和振镜扫描头的扫描方向。

本领域技术人员可以很清楚地获知，共振扫描头只能以固定的频率即共振频率进行扫描。而在本发明实施例中，多束激光入射至共振扫描头，其排列方向刚好与共振扫描头的扫描方向垂直，与振镜扫描头的扫描方向一致，并且多束激光在共振-振镜扫描头的几何中心位置重叠。因此，无需调节共振扫描头的扫描频率，就可以实现快速的扫描成像；并且通过控制振镜扫描头的扫描方式，使得多光束刚好无重复地扫描完视场。视场扫描速度等于单光束扫描速度乘以多光束的光束数目。由于多束激光的扫描中，振镜扫描头的最大扫描角度是单光束扫描中的振镜扫描头的1/N，因此，对于相同的视场，多光束扫描的速度是单光束扫描速度的N倍；其中，N为激光束数目。

在该扫描方式中，激光始终处于发射状态，称为双向扫描方式。

图5为本发明另一实施例的多束激光扫描示意图，如图5所示，虚线则表示激光处于关闭状态，称为单向扫描方式。图中其余部分和图4对应，且单向扫描方式的原理与双向扫描方式的原理类似，具体原理请参照上文描述，此处不再赘述。

图6为本发明另一实施例的多光子显微成像装置结构示意图，如图6所示，包括沿激光光路方向依次设置的光源模块600,分束器601、共振-振镜扫描头602、第一扫描透镜603、第一成像透镜604、二向色镜605、物镜606，激光沿激光光路方向依次通过上述器件，照射至样本，同时激发样本荧光或多光子高阶谐波信号，荧光或多光子高阶谐波信号通过沿探测光路方向依次设置的物镜606、反射单元607、第二成像透镜608，通过相机609收集荧光或多光子高阶谐波信号，将荧光或多光子高阶谐波信号转化为电信号，并生成图像。其中，反射单元607包括二向色镜605。由于二向色镜拥有对一定波长的光透过、对另一些波长的光反射的特点，因此通过设置二向色镜以改变荧光或多光子高阶谐波信号的方向。反射镜可以有多个，因此在此图上没有具体画出。

在上述实施例的基础上，多光子激光通过光调制器，以控制多光子激光的强度。其中，光调制器可以为普克尔盒。通过普克尔盒对多光子激光进行快速调制，以保证激光的强度与共振-振镜扫描头相匹配。多光子激光经过分束器，转化为分布在一条直线上的多束呈等角间距的激光(为了表述简便，以下简称一维多束激光)。一维多束激光通过到共振-振镜扫描头602后，穿过第一扫描透镜603和第一成像透镜604，并穿过二向色镜605，入射至物镜606，聚焦于样本上，从而对样本进行扫描。

在一维多束激光扫描样本时，样本多点同时激发荧光或多光子高阶谐波信号，并将荧光或多光子高阶谐波信号反射。反射的荧光或多光子高阶谐波信号沿着探测光路方向，通过同一个物镜606，然后通过反射单元607；其中，反射单元607包括激光光路上的二向色镜605。根据前述二向色镜的特点，在探测光路上，二向色镜605将荧光或多光子高阶谐波信号反射，从而改变荧光或多光子高阶谐波信号的方向。改变方向后的荧光或多光子高阶谐波信号通过第二成像透镜608，聚焦到相机609上。相机609将荧光或多光子高阶谐波信号的光学信号转化为电信号，从而生成样本图像。

本发明实施例提供的一种多光束多光子显微成像装置，通过采用了分布在一条直线上的多束激光，并且使用共振-振镜扫描头，使该多束激光的排列方向与共振-振镜扫描头中振镜扫描头的扫描方向一致，从而实现多束激光同时对样本进行扫描，大大提高了成像速度。

应该清楚，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

另外，本领域内的技术人员应当理解的是，在本发明的申请文件中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本发明的说明书中，说明了大量具体细节。然而应当理解的是，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。类似地，应当理解，为了精简本发明公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。

然而，并不应将该公开的方法解释呈反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种多光束多光子显微成像装置，其特征在于，包括：

光源模块，用于产生能用于多光子激发的激光；

分束器，用于将所述激光转化为分布在一条直线上的多束呈等角间距的激光；

共振-振镜扫描头，包括沿激光光路方向依次设置的共振扫描头和振镜扫描头，所述共振扫描头和振镜扫描头的扫描方向相互垂直且所述多束激光的排列方向与所述振镜扫描头的扫描方向一致，所述多束激光在所述共振-振镜扫描头的几何中心位置重叠；

聚焦模块，用于将经过所述共振-振镜扫描头出射的激光转换为等间距的聚焦光斑并照射至样本，以激发荧光或产生多光子高阶谐波信号；

成像模块，用于收集所述荧光或多光子高阶谐波信号进行成像。

2.根据权利要求1所述的多光束多光子显微成像装置，其特征在于，所述聚焦模块包括沿激光光路方向依次设置的第一扫描透镜、第一成像透镜、二向色镜、物镜。

3.根据权利要求2所述的多光束多光子显微成像装置，其特征在于，所述成像模块包括沿探测光路方向依次设置的所述物镜、反射单元、第二成像透镜和相机；其中，反射单元用于反射所述荧光或多光子高阶谐波信号。

4.根据权利要求3所述的多光束多光子显微成像装置，其特征在于，所述反射单元包括所述二向色镜。

5.根据权利要求2所述的多光束多光子显微成像装置，其特征在于，在聚焦模块中，还包括至少一个中继光路，所述中继光路用于调整激光的光束直径。

6.根据权利要求2所述的多光束多光子显微成像装置，其特征在于，所述分束器包括沿激光光路方向依次设置的透镜单元、光整形元件以及第二扫描透镜。

7.根据权利要求6所述的多光束多光子显微成像装置，其特征在于，所述透镜单元用于使强度呈高斯分布的激光转化为强度呈线状分布的激光。

8.根据权利要求6所述的多光束多光子显微成像装置，其特征在于，所述光整形元件和所述第二扫描透镜的组合用于将所述激光转化为分布在一条直线上的多束呈等角间距的激光。

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