CN111722387A - 一种光学反射镜及激光扫描共聚焦显微镜 - Google Patents

Abstract

本发明涉及显微物镜光学检测技术领域，特别涉及一种光学反射镜及激光扫描共聚焦显微镜。包括：支架、第一转动框、第二转动框和镜面，所述支架为框架结构，所述第一转动框设在所述支架内，所述第一转动框与所述支架转动连接，所述第一转动框在所述支架内转动具有第一转动轴线；所述第二转动框设在所述第一转动框内，所述第二转动框与所述第一转动框转动连接，所述第二转动框在所述第一转动框内转动具有第二转动轴线；所述第一转动轴线与所述第二转动轴线具有预设角度的夹角；所述镜面设在所述第二转动框内。双轴转动的反射镜使扫描光路简单、结构紧凑、图像畸变小和光毒性小，可实现高采集图像帧频和无视场衰减的共聚焦图像采集。

Description

一种光学反射镜及激光扫描共聚焦显微镜

技术领域

本发明涉及显微物镜光学检测技术领域，特别涉及一种光学反射镜及激光扫描共聚焦显微镜。

背景技术

激光扫描共聚焦显微镜(Confocal laser scanning microscope，LSCM)以光学共焦成像原理与数字图像技术为基础，结合了传统光学显微镜和电子扫描显微镜的优点，生成高分辨的三维显微图像，近年来，在生命科学研究和医疗健康等诸多领域获得了广泛应用。但是，目前商用的LSCM生成一帧512×512分辨率的图像，需要用时50至100毫秒，已经无法满足生命科学研究中对于快速显微成像的需求，如神经细胞在放电活跃的过程中爆发出的短暂的钙离子浓度高峰是快速动态变化的过程，其时间尺度远在1毫秒以下，有些事件仅持续几个微秒，因此神经网络三维成像受限于共聚焦显微镜的扫描速度，难以分辨快速神经响应过程。

现有的LSCM的成像系统中，采用X轴和Y轴两个机械振镜实现二维激光扫描成像，系统的成像速度主要受限于X轴机械振镜的扫描速度。机械振镜存在转动惯量大等固有因素，即使以谐振状态驱动，频率也远低于10kHz，成为进一步提高LSCM的成像速度的技术瓶颈。机械振镜除扫描速度的问题外，在LSCM系统中还存在以下问题：(1)机械振镜只能提供一维的扫描，进行二维扫描成像需要不少于两个机械振镜配合使用，分别进行X轴和Y轴扫描，增加成像系统的体积；(2)双镜扫描导致两个振镜无法同时位于显微镜的后焦面上，从而存在像差和枕形畸变，减小成像系统的视场；(3)机械振镜无法实现镜面与转轴完全共面，从而存在成像系统的抵消像差。

发明内容

本发明要解决的技术问题是现有的激光扫描共聚焦显微镜的成像系统成像速度慢，成像质量差的问题。

为解决上述技术问题，第一方面，本申请实施例公开了一种光学反射镜，包括：支架、第一转动框、第二转动框和镜面，

所述支架为框架结构，所述第一转动框设在所述支架内，所述第一转动框与所述支架转动连接，所述第一转动框在所述支架内转动具有第一转动轴线；

所述第二转动框设在所述第一转动框内，所述第二转动框与所述第一转动框转动连接，所述第二转动框在所述第一转动框内转动具有第二转动轴线；

所述第一转动轴线与所述第二转动轴线具有预设角度的夹角；

所述镜面设在所述第二转动框内。

进一步的，所述镜面与所述第二转动框转动连接，所述镜面在所述第二转动框内转动具有第三转动轴线，所述第三转动轴线与所述第二转动轴线共线。

进一步的，所述光学反射镜还包括加强框，所述加强框与所述第二转动框转动连接，所述镜面设置在所述加强框上。

进一步的，所述镜面包括基体和光学反射层，所述光学反射层设在所述基体上。

进一步的，所述预设角度为90°。

进一步的，所述支架和所述第一转动框之间设有位置反馈结构；和/或，

所述第二转动框与所述镜面之间设有所述位置反馈结构。

进一步的，所述第一转动框内设有第一驱动线圈；和/或，

所述第二转动框内设有第二驱动线圈。

第二方面，本申请实施例公开了一种激光扫描共聚焦显微镜，包括：光源机构、扫描机构和探测机构，

所述扫描机构分别与所述光源机构和所述探测机构连接；

所述扫描机构中设有如上所述的光学反射镜。

进一步的，所述扫描机构还包括第一透镜和第二透镜，所述第一透镜和所述第二透镜的焦距相等，且所述第一透镜与所述第二透镜之间的距离为两倍焦距。

进一步的，所述探测机构包括探测器，所述探测器为单光子探测器。

采用上述技术方案，本申请实施例所述的光学反射镜及激光扫描共聚焦显微镜具有如下有益效果：

本申请实施例所述的光学反射镜，将镜面可在第二转动框内转动，第二转动框又能够在支架内转动，从而在激光扫描过程中实现反射镜的X向和Y向转动。双轴转动的反射镜使扫描光路简单、结构紧凑、图像畸变小和光毒性小，可实现高采集图像帧频和无视场衰减的共聚焦图像采集。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请一个实施例的光学反射镜正面结构示意图；

图2为本申请一个实施例的光学反射镜背面结构示意图；

图3为本申请一个实施例的激光扫描共聚焦显微镜结构示意图；

图4为本申请一个实施例的激光扫描共聚焦显微镜的光路图；

图5为本申请一个实施例的扫描模块结构示意图；

以下对附图作补充说明：

1-扫描机构；10-光学反射镜；101-支架；102-第一转动框；103-第二转动框；104-加强框；105-镜面；106-第一转轴；107-第二转轴；108-第三转轴；20-第一透镜；30-第二透镜；40-物镜；201-探测器；202-针孔；203-成像透镜；204-滤光片；205-二向色镜；3-激光机构；4-采集控制终端。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本申请至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含的包括一个或者更多个该特征。而且，术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

目前商用的LSCM系统成像速度主要受限于X轴机械振镜的扫描速度，生成一帧512×512分辨率的图像，需要用时50至100毫秒，虽然可以对静态或低速过程进行观测，却无法对毫秒量级的快速过程进行捕捉和观测，已经无法满足生命科学研究中快速过程的实时成像和分析。

如图1和图2所示，本申请实施例提供了一种光学反射镜10，包括：支架101、第一转动框102、第二转动框103和镜面105，支架101为框架结构，第一转动框102设在支架101内，第一转动框102与支架101转动连接，第一转动框102在支架101内转动具有第一转动轴线；第二转动框103设在第一转动框102内，第二转动框103与第一转动框102转动连接，第二转动框103在第一转动框102内转动具有第二转动轴线；第一转动轴线与第二转动轴线具有预设角度的夹角；镜面105设在第二转动框103内。

本申请实施例所述的光学反射镜10，将镜面105可在第二转动框103内转动，第二转动框103又能够在支架101内转动，从而在激光扫描过程中实现反射镜的X向和Y向转动。双轴转动的反射镜使扫描光路简单、结构紧凑、图像畸变小和光毒性小，可实现高采集图像帧频和无视场衰减的共聚焦图像采集。

本申请实施例中，该光学反射镜10通过微机电系统技术(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)工艺进行批量制造，该反射镜结构可以为对称结构，也可以为非对称机构。如图1所示，支架101作为该光学反射镜10的固定接口，支架101上设有连接结构，用于跟其他装置连接。支架101为封闭的框架结构，第一转动框102设在框架内，第一转动框102通过第一转轴106与支架101连接，可选的，支架101的内侧设置两个第一转轴106，两个第一转轴106在支架101上的位置相对，即两个第一转轴106的中心线共线，该共线的中心线即为第一框架相对支架101转动的第一转轴106线。第一转轴106与该支架101是一体结构，也可以独立设置。可选的，第一转轴106的一端与之间固定，另一端与第一转动框102铰接，也可以是一端与第一转动框102固定，一端与支架101铰接。第二转动框103设在第一转动框102内，第一转动框102通过第二转轴107与第二转动框103连接，可选的，第一转动框102的内侧设置两个第二转轴107，两个第二转轴107在支架101上的位置相对，即两个第二转轴107的中心线共线，该共线的中心线即为第二框架相对第一转动框102转动的第二转轴107线。相应地，第二转轴107的具体连接方式可参考第一转轴106。镜面105设在第二转动框103内，可选的，镜面105与第二转动框103固定连接或可转动连接。该光学反射镜10结构第二转动框103转动带动镜面105转动，第一转动框102转动又带动第二转动框103转动，且第一转动轴线与第二转动轴线不共线，从而实现光学反射镜10在两个平面内的扫描。相比于传统的多个反射镜组合的机械振镜，本申请实施例提供的MEMS微镜的转动惯量小，震动频率更高，因此可以实现更加快速的扫描。

镜面105与第二转动框103转动连接，镜面105在第二转动框103内转动具有第三转动轴线，第三转动轴线与第二转动轴线共线。

如图1所示，本申请实施例中，镜面105设在第二转动框103内，镜面105框通过第三转轴108与第二转动框103连接，可选的，第二转动框103的内侧设置两个第三转轴108，两个第二转轴107在支架101上的位置相对，即两个第三转轴108的中心线共线，该共线的中心线即为镜面105相对第二转动框103转动的第三转轴108线，该第三轴线与第二轴线共线。在反射镜转动过程中，第一转动框102和第二转动框103在各自的转动平面内转动，由于第三转动轴线与第二转动轴线共线，第二转动框103转动时会带动镜面105转动，从而实现镜面105与第二转动框103的谐振，谐振能使镜面105的转动频率更高。通过测试数据，该MEMS微镜谐振频率可达25KHz以上，远大于机械振镜的频率。

光学反射镜10还包括加强框104，加强框104与第二转动框103转动连接，镜面105设置在加强框104上。

如图1所示，本申请实施例中，加强框104用于加强镜面105的强度，加强框104能够抑制镜面105在高频振动下的动态形变。可选的，加强框104为周向设置在镜面105边沿的加强环。在一些实施例中，加强框104也可以为带有凹槽的加强板，镜面105设置在凹槽内。

镜面105包括基体和光学反射层，光学反射层设在基体上。

本申请实施例中，镜面105包括基体和光学反射层，可选的，光学反射层设置在基体上，可选的，光学反射层粘附在基体上，基体与光学反射层之间设置至少一层粘附层。在一些实施例中，光学反射层为增镀在基体上的金属反射膜，可选的，该光学反射结构的基体材料为硅、碳化硅、金刚石等；可选的，光学反射层的材料为金、银、铝等。该光学反射层对入射激光光束的反射率在97％～100％之间。

预设角度为90°。

本申请实施例中，第一转动轴线与第二转动轴线之间的夹角优选为90°，第一转动框102在水平面内转动，第二转动框103在竖直面内转动，从而实现镜面105绕X轴或Y轴进行轴向振动，产生对激光光束的偏转，从而使激光光束对特定的区域进行行扫描和列扫描。

支架101和第一转动框102之间设有位置反馈结构；和/或，第二转动框103与镜面105之间设有位置反馈结构。

本申请实施例中，光学反射镜10内设有用来解析镜面105位置的位置反馈结构，该位置反馈结构设在支架101和第一转动框102之间，以及第二转动框103与镜面105之间。可选的，位置反射结构设在第一转轴106和第二转轴107上，位置反馈结构为位置传感器。在一些实施例中，位置反馈结构还可以是MEMS技术，在第一转轴106和第二转轴107上通过离子改性产生的一个具有压阻效应区域，该区域可以把旋转梁的应力通过电压信号的形式测量出来，从而实现对镜面105位置进行解析。

如图2所示，第一转动框102内设有第一驱动线圈；和/或，第二转动框103内设有第二驱动线圈。

本申请实施例中，第一转动框102和第二转动框103可以通过压电驱动或电磁驱动的方式进行轴向振动。如图2所示，第一转动框102内设有第一驱动线圈，第二转动框103内设有第二驱动线圈，然后再对该光学反射镜10施加磁场，当线圈内通电时，第一驱动线圈和第二驱动线圈会受到洛伦兹力，从而实现第一转动框102和第二转动框103的转动，进而带动镜面105谐振。在一些实施例中，磁场的方向平行于支架101所在的平面，且与第一转动轴线和第二转动轴线成45°角，施加的磁场在水平和垂直方向各有相同分量，第一驱动线圈施加第一转动框102垂直扫描的力矩，同样第二驱动线圈施加第二转动框103水平扫描的力矩，微镜的第一驱动线圈和第二驱动线圈由独立电路控制振动频率从而实现二维扫描。通过改变驱动线圈内的输入电流，实现光学反射镜10的轴向振动具有相应的信号特征，如三角信号、锯齿信号、正弦信号等。

本申请实施例所述的光学反射镜10，通过MEMS技术制备，采用体硅工艺制作和电磁驱动，通过调节控制电路，能够实现该光学反射镜10的绕X轴的轴向振动频率介于50Hz–200kHz之间，绕Y轴的轴向振动介于1KHz–100kHz之间。相比于传统的机械振镜，本申请实施例所述的光学反射镜10的转动惯量小，谐振频率更高，所以可以实现更加快速的扫描。

如图3和图4所示，一种激光扫描共聚焦显微镜，包括：光源机构3、扫描机构1和探测机构，扫描机构1分别与光源机构3和探测机构连接；扫描机构1中设有如上所述的光学反射镜10。

本申请实施例中，激光扫描共聚焦显微镜包括光学反射镜10，关于光学反射镜10的具体实施方式，请参见上文描述光学反射镜10的所有方式。图4为本申请实施例所述提供的激光扫描共聚焦显微镜工作时的光路图，激光扫描共聚焦显微镜包括激光激发光路和探测成像光路，如图4所示，激光激发光路上沿激光路径依次为光源机构3、扫描机构1、二向色镜205和物镜40；在探测成像光路上沿成像光线路径依次为物镜40、二向色镜205、滤光片204、成像透镜203、针孔202和探测器201。激光扫描共聚焦显微镜还包括采集和控制终端，采集控制终端4用于采集探测器201的图像信号以及控制光源机构3和扫描机构1，以及对数据的采集和处理。

本申请实施例所述的激光扫描共聚焦显微镜，采用高频谐振的MEMS微镜作为LSCM的光束扫描元件，实现同轴二维快速激光扫描，扫描512×512分辨率的图像用时小于20毫秒。相比于传统的机械振镜，MEMS微镜的转动惯量小，谐振频率更高。

如图5所示，扫描机构1还包括第一透镜20和第二透镜30，第一透镜20和第二透镜30的焦距相等，且第一透镜20与第二透镜30之间的距离为两倍焦距。

本申请实施例中，扫描机构1包括光学反射镜10、第一透镜20和第二透镜30。第一透镜20为扫描透镜，第二透镜30为套筒透镜。入射到光学反射镜10的激光光束，通过微镜镜面105反射进入第一透镜20和第二透镜30组成的远心光路，实现与LSCM的系统焦距匹配。光学反射镜10在与激光镜面105反射法线正交的平面二维振动，实现激光光束的二维扫描。

探测机构包括探测器201，探测器201为单光子探测器201。

本申请实施例中，由于快速LSCM的结果是单个像元停留的时间段，相应接收到的荧光信号就弱，因此需要提高荧光探测系统的信噪比。针对快速激光扫描存在曝光率减少的问题，本申请实施例采用高灵敏的探测器201和微弱荧光测试技术，提高成像系统的信噪比。可选的，采用单光子探测器201SNPAD，与现有的激光扫描共聚焦显微镜采用电子倍增管PMT相比，采用高灵敏度探测器201，灵敏度大大提高，可达到光子计数的水平，低噪声前放电路以及小波变换滤波处理技术，提高荧光信号采集的信噪比。

本申请实施例所述的激光扫描共聚焦显微镜，采用高频谐振的MEMS微镜作为LSCM的光束扫描元件，实现同轴二维快速激光扫描，扫描512×512分辨率的图像用时小于20毫秒。相比于传统的机械振镜，MEMS振镜的转动惯量小，谐振频率更高，所以可以实现更加快速的扫描。采用远心光路设计，实现扫描微镜与LSCM的光学F数匹配。针对快速激光扫描存在曝光率的减少的问题，采用高灵敏的探测器201和微弱荧光测试技术，提高成像系统的信噪比。通过以上方式，突破传统LSCM的速度极限，实现快速生命科学过程的三维成像。

以上所述仅为本申请的较佳实施例，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光学反射镜，其特征在于，包括：支架(101)、第一转动框(102)、第二转动框(103)和镜面(105)，

所述支架(101)为框架结构，所述第一转动框(102)设在所述支架(101)内，所述第一转动框(102)与所述支架(101)转动连接，所述第一转动框(102)在所述支架(101)内转动具有第一转动轴线；

所述第二转动框(103)设在所述第一转动框(102)内，所述第二转动框(103)与所述第一转动框(102)转动连接，所述第二转动框(103)在所述第一转动框(102)内转动具有第二转动轴线；

所述第一转动轴线与所述第二转动轴线具有预设角度的夹角；

所述镜面(105)设在所述第二转动框(103)内。

2.根据权利要求1所述的光学反射镜，其特征在于，所述镜面(105)与所述第二转动框(103)转动连接，所述镜面(105)在所述第二转动框(103)内转动具有第三转动轴线，所述第三转动轴线与所述第二转动轴线共线。

3.根据权利要求2所述的光学反射镜，其特征在于，所述光学反射镜还包括加强框(104)，所述加强框(104)与所述第二转动框(103)转动连接，所述镜面(105)设置在所述加强框(104)上。

4.根据权利要求3所述的光学反射镜，其特征在于，所述镜面(105)包括基体和光学反射层，所述光学反射层设在所述基体上。

5.根据权利要求1或4所述的光学反射镜，其特征在于，所述预设角度为90°。

6.根据权利要求5所述的光学反射镜，其特征在于，所述支架(101)和所述第一转动框(102)之间设有位置反馈结构；和/或，

所述第二转动框(103)与所述镜面(105)之间设有所述位置反馈结构。

7.根据权利要求6所述的光学反射镜，其特征在于，所述第一转动框(102)内设有第一驱动线圈；和/或，

所述第二转动框(103)内设有第二驱动线圈。

8.一种激光扫描共聚焦显微镜，其特征在于，包括：光源机构(3)、扫描机构(1)和探测机构，

所述扫描机构(1)分别与所述光源机构(3)和所述探测机构连接；

所述扫描机构(1)中设有权利要求1-7任一项所述的光学反射镜(10)。

9.根据权利要求8所述的激光扫描共聚焦显微镜，其特征在于，所述扫描机构(1)还包括第一透镜(20)和第二透镜(30)，所述第一透镜(20)和所述第二透镜(30)的焦距相等，且所述第一透镜(20)与所述第二透镜(30)之间的距离为两倍焦距。

10.根据权利要求9所述的激光扫描共聚焦显微镜，其特征在于，所述探测机构包括探测器(201)，所述探测器(201)为单光子探测器(201)。

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