CN109307930B - 采用两种不同声速的声光偏转器组合进行二维高速扫描成像的双光子显微镜 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用两种不同声速的声光偏转器组合进行二维高速扫描成像的双光子显微镜，包括高速扫描单元，所述高速扫描单元包括沿光路依次设置的三棱镜、竖直轴光偏转器和水平轴声光偏转器，其中，竖直轴光偏转器和水平轴声光偏转器的声速不相等。本发明使用快声速声光偏转器(声速大于3000m/s)进行快轴扫描，使用慢声速声光偏转器(声速小于1000m/s)进行慢轴扫描；两种声光偏转器协同完成二维的高速激光扫描，最终能在250×40图像像素下实现10000帧每秒的成像速度。本发明可应用于激光扫描显微成像、激光显示与记录系统、激光打印、激光加工等领域，具有很好的应用前景。

Description

采用两种不同声速的声光偏转器组合进行二维高速扫描成像 的双光子显微镜

技术领域

本发明涉及激光扫描技术领域，特别涉及一种采用两种不同声速的声光偏转器组合进行二维高速扫描成像的双光子显微镜。

背景技术

随着生物领域神经科学研究的发展,神经科学家对神经元及其突起的功能研究越来越多。特别是神经元的突起，如树突、轴突，负责神经元信号的传入传出功能，是构成神经回路的重要组成部分。

神经突起的特点是形状细长，并且功能响应速度快。为了更好地研究神经突起的功能，神经科学家们对激光扫描显微成像速度的要求越来越高，希望能更准确的记录神经突起的功能活动信号。

在文献“Chen X,et al.LOTOS-based two-photon calcium imaging ofdendritic spines in vivo.Nat Protoc.2012,7(10):1818-29.”中提出了一种使用慢声速声光偏转器(AOD)和检流计镜(Galvo)作为扫描器组合的双光子显微镜，实现了在250×80图像像素下实现1000帧每秒的成像速度，成功记录了神经元树突和树突棘的钙功能信号。该方法一方面利用了声光偏转器扫描速度快的特点；一方面针对树突细长的形状特点，不采用行列相等的正方形二维扫描方式，而采用行列不相等的长方形二维扫描方式，即采用 250×80像素，让树突条沿着长边进行成像，减少了无用的扫描时间。

钙功能信号虽然能间接反映神经膜电位变化，但直接反映膜电位变化的电压敏感染料测量神经突起活动更准确，响应速度也更快，这就对成像速度提出了更高的要求，最好能达到5000～10000帧每秒的成像速度。

由于声光偏转器的扫描速度受限于渡越时间，或者说是由其晶体材料的声速(声波传播速度)决定的；声速越快，扫描速度越快，但扫描范围会越小。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种用两种不同声速的声光偏转器组合进行二维高速扫描成像的双光子显微镜。本发明提出了一种采用两种不同声速的声光偏转器组合进行二维高速扫描成像的双光子显微镜，用快声速声光偏转器替代慢声速声光偏转器，用慢声速声光偏转器替代机械式检流计镜galvo，最终能在250×40图像像素下实现 10000帧每秒的成像速度。

本发明采用的技术方案是：一种采用两种不同声速的声光偏转器组合进行二维高速扫描成像的双光子显微镜，包括高速扫描单元，所述高速扫描单元包括沿光路依次设置的三棱镜、竖直轴光偏转器和水平轴声光偏转器，其中，竖直轴光偏转器和水平轴声光偏转器的声速不相等。

优选的是，所述竖直轴光偏转器和水平轴声光偏转器中的一个为快声速声光偏转器，其声速大于3000m/s；另一个为慢声速声光偏转器，其声速小于1000m/s。

优选的是，所述竖直轴光偏转器为快声速声光偏转器，水平轴声光偏转器为慢声速声光偏转器。

优选的是，所述竖直轴光偏转器为慢声速声光偏转器，所述水平轴声光偏转器为快声速声光偏转器。

优选的是，还包含飞秒激光器、扩束器、光强调制器、光学透镜组、物镜、二向色片、滤光片、荧光探测器及电控组件。

优选的是，所述飞秒激光器产生的飞秒激光，通过所述扩束器进行光斑扩束，再通过所述光强调制器对激光强度进行调节，然后通过所述高速扫描单元进行高速的二维扫描，再进入所述光学透镜组，再透射所述二向色片后通过所述物镜将飞秒激光聚焦在样品里，激发出荧光信号；产生的荧光通过所述二向色片反射、滤光片过滤与飞秒激光分离，最终进入所述荧光探测器转换成电流信号；

所述光学透镜组包括沿光路依次设置的第一透镜和第二透镜，所述光学透镜组高速扫描单元与物镜在光学上形成共轭关系。

优选的是，所述三棱镜的底面与水平面成一个夹角θ，且θ满足：

其中，f_c1和v₁分别是竖直轴声光偏转器的中心频率和声速；f_c2和v₂分别是水平轴声光偏转器的中心频率和声速。

优选的是，还包括用于安装所述三棱镜的可调安装座，所述可调安装座上设有安装斜面，所述三棱镜通过其底面设置在所述安装斜面上，所述安装斜面与水平面之间的夹角为θ。

优选的是，所述可调安装座的底部设置有调节板，所述调节板的底部设置有底板，所述底板与调节板的一端之间设置有调节组件，所述底板与调节板的另一端通过铰链连接；

所述调节组件包括固接于所述底板上的螺母座、配合穿设在所述螺母座上开设的螺母孔内的丝杆、与所述丝杆的一端连接的转盘及与所述丝杆另一端连接的楔形块；所述楔形块内开设有阶梯孔，所述丝杆另一端连接有用于插设在所述阶梯孔内的顶球。

优选的是，所述阶梯孔包括由外向内依次开设的用于供所述丝杆穿过的小孔段和用于容纳所述顶球的大孔段，所述丝杆与小孔段之间留有间隙，且所述顶球的直径介于所述小孔段和大孔段的直径之间，以使所述顶球及与所述顶球连接的丝杆的一端可旋转设置在所述阶梯孔内；

所述调节板的侧部开设有与所述楔形块配合的楔形槽；所述调节板的侧部还开设有弹簧槽，所述弹簧槽内设置有上端与所述调节板连接且下端与所述底板连接的弹簧。

本发明的有益效果是：本发明的采用两种不同声速的声光偏转器组合进行二维高速扫描成像的双光子显微镜使用快声速声光偏转器(声速大于3000m/s)进行快轴扫描，使用慢声速声光偏转器(声速小于1000m/s)进行慢轴扫描；两种声光偏转器协同完成二维的高速激光扫描；与现有技术相比，本发明用快声速声光偏转器替代慢声速声光偏转器，用慢声速声光偏转器替代机械式检流计镜galvo，最终能在250×40图像像素下实现10000帧每秒的成像速度。本发明可应用于激光扫描显微成像、激光显示与记录系统、激光打印、激光加工等领域，具有很好的应用前景。

附图说明

图1为本发明的高速扫描单元的结构示意图；

图2为本发明的采用两种不同声速的声光偏转器组合进行二维高速扫描成像的双光子显微镜的结构示意图；

图3为本发明的可调安装座的结构示意图；

图4为本发明的可调安装座的剖视结构示意图；

图5为本发明的调节组件的结构示意图；

图6为本发明的可调安装座的侧视示意图。

附图标记说明：

1—高速扫描单元；2—飞秒激光器；3—扩束器；4—光强调制器；5—光学透镜组；6—物镜；8—荧光探测器；9—电控组件；11—三棱镜；12—竖直轴光偏转器；13—水平轴声光偏转器；20—飞秒激光；30—可调安装座；31 —底板；32—调节组件；33—螺母座；34—丝杆；35—转盘；36—楔形块； 37—阶梯孔；38—顶球；50—第一透镜；51—第二透镜；71—二向色片；72 —滤光片；300—调节板；301—安装斜面；302—楔形槽；303—弹簧槽；304 —弹簧；330—螺母孔；370—小孔段；371—大孔段；

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

如图1-2所示，本实施例的一种采用两种不同声速的声光偏转器组合进行二维高速扫描成像的双光子显微镜，其特征在于，包括高速扫描单元1，高速扫描单元1包括沿光路依次设置的三棱镜11、竖直轴光偏转器12和水平轴声光偏转器13，其中，竖直轴光偏转器12和水平轴声光偏转器13的声速不相等。

竖直轴光偏转器12和水平轴声光偏转器13中的一个为快声速声光偏转器，其声速大于3000m/s；另一个为慢声速声光偏转器，其声速小于1000m/s。两种声光偏转器协同完成二维的高速激光扫描。高速扫描单元1能以10000 帧每秒的速度完成250×40像素的二维高速扫描。

本发明采用单个三棱镜11补偿该异种声光偏转器组合的空间色散，与以往的单棱镜补偿方法不同的是：棱镜的排放即不是平行于水平面，也不是与水平面成标准的45度夹角，而是与水平面成一个与两个声光偏转器参数相关的夹角θ(如图1中，三棱镜11的三角形的底面与水平面之间的夹角为θ)，且θ满足：

其中，f_c1和v₁分别是竖直轴声光偏转器的中心频率和声速；f_c2和v₂分别是水平轴声光偏转器13的中心频率和声速。两种声光偏转器有不同的参数，需要的色散补偿量也不同，所以三棱镜11与水平面成一个夹角θ，能正好补偿两个声光偏转器的色散。

在一种实施例中，竖直轴光偏转器12为负责快轴扫描的快声速声光偏转器，水平轴声光偏转器13为负责慢轴扫描的慢声速声光偏转器。

在另一种实施例中，竖直轴光偏转器12为负责慢轴扫描的慢声速声光偏转器，水平轴声光偏转器13为负责快轴扫描的快声速声光偏转器。

本发明的采用两种不同声速的声光偏转器组合进行二维高速扫描成像的双光子显微镜，还包含飞秒激光器2、扩束器3、光强调制器4、光学透镜组 5、物镜6、二向色片71、滤光片72、荧光探测器8及电控组件9。电控组件 9的功能包括：对各器件进行供电和驱动、发送控制信号和采集图像信号、运行上位机软件等。

在一种实施例中，参照图2，飞秒激光器2产生的飞秒激光，通过扩束器3进行光斑扩束，再通过光强调制器4对激光强度进行调节，然后通过高速扫描单元1进行高速的二维扫描，再进入光学透镜组5，再透射二向色片 71后通过物镜6将飞秒激光聚焦在样品里，激发出荧光信号；产生的荧光通过二向色片71反射、滤光片72过滤与飞秒激光分离，最终进入荧光探测器8转换成电流信号；

光学透镜组5包括沿光路依次设置的第一透镜50和第二透镜51，光学透镜组5高速扫描单元1与物镜6在光学上形成共轭关系。

在一种实施例中，本发明还包括用于安装三棱镜11的可调安装座30，可调安装座30上设有安装斜面301，三棱镜11通过其底面设置在安装斜面 301上，安装斜面301与水平面之间的夹角为θ。可调安装座30的安装斜面 301倾角可调节，以保证三棱镜11的底面与水平面之间的夹角为θ。

其中，可调安装座30的底部设置有调节板300，调节板300的底部设置有底板31，底板31与调节板300的一端之间设置有调节组件32，底板31与调节板300的另一端通过铰链连接；调节组件32包括固接于底板31上的螺母座33、配合穿设在螺母座33上开设的螺母孔330内的丝杆34、与丝杆34 的一端连接的转盘35及与丝杆34另一端连接的楔形块36；楔形块36内开设有阶梯孔37，丝杆34另一端连接有用于插设在阶梯孔37内的顶球38。

其中，阶梯孔37包括由外向内依次开设的用于供丝杆34穿过的小孔段 370和用于容纳顶球38的大孔段371，丝杆34与小孔段370之间留有间隙，且顶球38的直径介于小孔段370和大孔段371的直径之间，以使顶球38及与顶球38连接的丝杆34的一端可旋转设置在阶梯孔37内；

调节板300的侧部开设有与楔形块36配合的楔形槽302；调节板300的侧部还开设有弹簧304槽303，弹簧304槽303内设置有上端与调节板300 连接且下端与底板31连接的弹簧304。

三棱镜11的底面与水平面之间的夹角需保证为θ，安装斜面301与水平面之间的夹角为θ，当可调安装座30水平安装时，能保证三棱镜11的底面与水平面之间的夹角为θ。但当可调安装座30安装无法保证水平，或θ的值需要调整时，通过调节组件32可实现可调安装座30的安装斜面301倾角的调节，以调节三棱镜11的底面与水平面之间的夹角。具体的，参照图3、4、 5和6：当需要调高可调安装座30的左端以调大安装斜面301的倾角时，先旋转转盘35带动丝杆34旋转，由于螺母固定，丝杆34的另一端向右直线移动，通过丝杆34活动端上的顶球38推动楔形块36向右移动，楔形块36向右抵入楔形槽302内，楔形块36将调节板300顶起，使可调安装座30的左端向上微位移，从而抬高可调安装座30的左端，安装斜面301的倾角增大；当需要调低可调安装座30的左端时，反向转动转盘35，通过丝杆34活动端上的顶球38拉动楔形块36向左移动，楔形块36从楔形曹内向外移动，使可调安装座30在自身重力作用和弹簧304弹力作用下向下微位移，从而调低可调安装座30的左端。通过丝杆34与螺母配合，将丝杆34旋转转换成楔形块 36的水平运动，再通过楔形块36与楔形曹配合，将楔形块36的大水平位移转换成楔形曹处的可调安装座30的微垂直位移，从而能实现可调安装座30垂直位移的精确调节，以精确调节安装斜面301的倾角，保证设置在安装斜面301的上的三棱镜11的底面与水平面的夹角满足设计需求。弹簧304用于提供回程弹力，拉动调节板300向下移动。其中，通过扩大行程比，能提高调节精度；楔形块36的倾斜度越低，调节组件32的调节精度越高。顶球38 的表面和大孔段371的内壁上均设置有聚四氟乙烯层，以提高光滑度和耐磨性能。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节。

Claims (7)

1.一种采用两种不同声速的声光偏转器组合进行二维高速扫描成像的双光子显微镜，其特征在于，包括高速扫描单元，所述高速扫描单元包括沿光路依次设置的三棱镜、竖直轴声光偏转器和水平轴声光偏转器，其中，竖直轴声光偏转器和水平轴声光偏转器的声速不相等；

该采用两种不同声速的声光偏转器组合进行二维高速扫描成像的双光子显微镜还包含飞秒激光器、扩束器、光强调制器、光学透镜组、物镜、二向色片、滤光片、荧光探测器及电控组件；

所述飞秒激光器产生的飞秒激光，通过所述扩束器进行光斑扩束，再通过所述光强调制器对激光强度进行调节，然后通过所述高速扫描单元进行高速的二维扫描，再进入所述光学透镜组，再透射所述二向色片后通过所述物镜将飞秒激光聚焦在样品里，激发出荧光信号；产生的荧光通过所述二向色片反射、滤光片过滤与飞秒激光分离，最终进入所述荧光探测器转换成电流信号；

所述光学透镜组包括沿光路依次设置的第一透镜和第二透镜，所述光学透镜组使高速扫描单元与物镜在光学上形成共轭关系；

所述三棱镜的底面与水平面成一个夹角θ，且θ满足：

其中，f_c1和v₁分别是竖直轴声光偏转器的中心频率和声速；f_c2和v₂分别是水平轴声光偏转器的中心频率和声速。

2.根据权利要求1所述的采用两种不同声速的声光偏转器组合进行二维高速扫描成像的双光子显微镜，其特征在于，所述竖直轴声光偏转器和水平轴声光偏转器中的一个为快声速声光偏转器，其声速大于3000m/s；另一个为慢声速声光偏转器，其声速小于1000m/s。

3.根据权利要求2所述的采用两种不同声速的声光偏转器组合进行二维高速扫描成像的双光子显微镜，其特征在于，所述竖直轴声光偏转器为快声速声光偏转器，水平轴声光偏转器为慢声速声光偏转器。

4.根据权利要求2所述的采用两种不同声速的声光偏转器组合进行二维高速扫描成像的双光子显微镜，其特征在于，所述竖直轴声光偏转器为慢声速声光偏转器，所述水平轴声光偏转器为快声速声光偏转器。

5.根据权利要求1所述的采用两种不同声速的声光偏转器组合进行二维高速扫描成像的双光子显微镜，其特征在于，还包括用于安装所述三棱镜的可调安装座，所述可调安装座上设有安装斜面，所述三棱镜通过其底面设置在所述安装斜面上，所述安装斜面与水平面之间的夹角为θ。

6.根据权利要求5所述的采用两种不同声速的声光偏转器组合进行二维高速扫描成像的双光子显微镜，其特征在于，所述可调安装座的底部设置有调节板，所述调节板的底部设置有底板，所述底板与调节板的一端之间设置有调节组件，所述底板与调节板的另一端通过铰链连接；

所述调节组件包括固接于所述底板上的螺母座、配合穿设在所述螺母座上开设的螺母孔内的丝杆、与所述丝杆的一端连接的转盘及与所述丝杆另一端连接的楔形块；所述楔形块内开设有阶梯孔，所述丝杆另一端连接有用于插设在所述阶梯孔内的顶球。

7.根据权利要求6所述的采用两种不同声速的声光偏转器组合进行二维高速扫描成像的双光子显微镜，其特征在于，所述阶梯孔包括由外向内依次开设的用于供所述丝杆穿过的小孔段和用于容纳所述顶球的大孔段，所述丝杆与小孔段之间留有间隙，且所述顶球的直径介于所述小孔段和大孔段的直径之间，以使所述顶球及与所述顶球连接的丝杆的一端可旋转设置在所述阶梯孔内；

所述调节板的侧部开设有与所述楔形块配合的楔形槽；所述调节板的侧部还开设有弹簧槽，所述弹簧槽内设置有上端与所述调节板连接且下端与所述底板连接的弹簧。