CN111722407A - 一种提高荧光收集率的显微镜成像系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光学成像技术领域，具体为一种提高荧光收集率的显微镜成像系统及方法，该系统包括：准直透镜，用于准直来自激光输入光纤输出的激光并输出激光信号；多维扫描器，用于改变激光信号的入射角度使激光信号扫描实验样品，还用于区分激光信号和非线性光学信号，并根据非线性光学信号输出内部电信号；物镜，用于输出来自多维扫描器的激光信号使实验样品产生非线性光学信号，并输出非线性光学信号；外部光电检测器，用于收集实验样品产生的非线性光线信号，并输出外部电信号。采用本方案能够减少光学成像设备中的元件数量，缩小光学成像设备的体积，并获得提高荧光收集率，获得更好的光学成像效果。

Description

一种提高荧光收集率的显微镜成像系统及方法

技术领域

本发明涉及光学成像技术领域，具体为一种提高荧光收集率的显微镜成像系统及方法。

背景技术

在激光扫描及光学成像领域中，如条码阅读器，激光扫描显微镜和激光雷达(LIDAR)等，往往需要扫描器将光束的方向进行快速改变，照射到实验样品上，实验样品的反射光或背向散射光或激发出的发射光经透镜收集后，由光电检测器完成光电转换最终实现检测。常用的扫描器有检流计振镜，共振扫描器(例如Cambridge Technology公司和Electro-Optical Products Corp.公司的产品)，多面体(Polygon)扫描器，基于各种驱动原理的微机电系统(Microelectromechnical Systems，MEMS)扫描器等。常用的光电检测器包括光电二极管、光电三极管、光电真空管和固态光电检测器等。这种基于光源-扫描器-透镜(可选)-实验样品—透镜-扫描器(可选)-光电检测器方案的系统结构，对于某些对设备体积要求非常高的应用来说，结构过于复杂，体积庞大，并且无法通过缩小全部元件的方法来缩小系统的体积。如微型激光雷达模块，微型扫描显微镜(包括超紧凑台式扫描显微镜，手持式扫描显微镜，实验动物头戴式扫描显微镜和内窥镜等)(以下简称微型成像探头)等，

因此，亟需一种能够将减少上述方案中的器件(光学元件)的数量的显微镜成像系统。

发明内容

本发明意在提供一种提高荧光收集率的显微镜成像系统，以解决上述技术问题。

本发明提供基础方案：一种提高荧光收集率的显微镜成像系统，包括：

准直透镜，用于准直来自激光输入光纤输出的激光并输出激光信号；

还包括：

多维扫描器，用于反射来自准直透镜的激光信号，还用于改变激光信号的入射角度使激光信号扫描实验样品，还用于区分激光信号和非线性光学信号，并根据非线性光学信号输出内部电信号；

物镜，用于输出来自多维扫描器的激光信号使实验样品产生非线性光学信号，并输出非线性光学信号。

基础方案的工作原理及有益效果：激光输入光纤输出激光至准直透镜上，激光经准直透镜准直后获得成平行光，将此时的平行光称为激光信号，然后将激光信号输出至多维扫描器上，多维扫描器根据激光信号的入射角度反射至物镜，物镜将来自多维扫描器的激光信号汇聚或照射到实验样品上，经实验样品反射非线性光学信号或激发实验样品产生非线性光学信号，此时反向透过物镜的混合光包括非线性光学信号和激光信号，经过物镜的非线性光学信号和激光信号至多维扫描器上，非线性光学信号经多位扫描器转换为内部电信号，通过对内部电信号进行放大处理便能获得显微镜成像的图像。

多维扫描器除了反射激光信号、区分激光信号和非线性光学信号以外，还能改变激光信号的入射角度，当线扫描时，多维扫描器能够在一个维度改变激光信号的入射角度，当点扫描时，多维扫描器能够在两个维度改变激光信号的入射角度，从而实现对实验样品进行扫描，达到显微镜成像的目的。

进一步，所述多维扫描器包括第一驱动器，所述第一驱动器驱使多维扫描器改变角度。有益效果：通过第一驱动器实现在一个方向上改变激光信号的入射角度，从而实现线扫描的显微镜成像。

进一步，所述多维扫描器还包括第二驱动器，所述第一驱动器设于第二驱动器上，所述第二驱动器驱使多维扫描器改变角度，所述第二驱动器与所述第一驱动器驱使多维扫描器改变角度的方向不同。有益效果：通过第二驱动器实现在另一个方向上改变激光信号的入射角度，从而使得多维扫描器能够实现在两个不同的方向上改变激光信号的入射角度，当两个方向的夹角为90度时，从而实现二维扫描的显微镜成像。

进一步，所述多维扫描器还包括超薄片，所述超薄片上镀有光学薄膜，所述光学薄膜用于反射来自准直透镜的激光信号，并透过来自物镜的非线性光学信号。有益效果：通过光学薄膜反射激光信号，并透过非线性光学信号，从而实现改变激光信号的光路，以及区分激光信号和非线性光学信号。

进一步，所述光学薄膜包括二向色镜薄膜和滤光薄膜，所述光学薄膜用于反射来自准直透镜的激光信号，并透过经实验样品激发的非线性光学信号。有益效果：当来自物镜的激光信号和实验样品产生的非线性光学信号具有不同波长时，光学薄膜包括二向色镜薄膜和滤光薄膜，从而反射或过滤长波长的激光信号，并透过短波长的非线性光线信号，进而实现区分激光信号和非线性光学信号。

进一步，所述光学薄膜包括偏振分光薄膜和滤光薄膜，所述光学薄膜用于反射来自准直透镜的激光信号，并透过经实验样品反射的非线性光学信号，所述激光信号和非线性光学信号分别为S线偏振光和P线偏振光。有益效果：当来自物镜的激光信号和实验样品产生的非线性光学信号具有相同波长时，无法根据波长区分激光信号和非线性光学信号，因此光学薄膜包括偏振分光薄膜和滤光薄膜，从而反射S线偏振光并透过P线偏振光，S线偏振光即可认为是激光信号，P线偏振光即可认为是非线性光线信号，进而实现区分激光信号和非线性光学信号。

进一步，所述多维扫描器还包括内部光电检测器，所述内部光电检测器用于将来自光学薄膜的非线性光学信号转换为内部电信号，并输出内部电信号。有益效果：内部光电检测器将非线性光学信号转换为内部电信号，通过对内部电信号进行放大处理，从而实现显微镜成像。

进一步，还包括：外部光电检测器，用于收集实验样品产生的非线性光线信号，并输出根据非线性光学信号转换的外部电信号。有益效果：由于位置、角度等各种关系，实验样品产生的非线性光线信号大部分经过物镜，少部分无法被物镜所收集，而是被外部光电检测器收集，外部光电检测器将来自实验样品的非线性光学信号转换为外部电信号，通过结合外部电信号和内部电信号使得收集的非线性光学信号更多，即荧光光子收集率更高，使获得的显微成像的图像效果更好。

进一步，所述外部光电检测器包括感光层和滤光层，所述滤光层用于滤除来自实验样品的激光信号，并透过非线性光学信号，所述感光层用于将来自滤光层的非线性光学信号转换为外部电信号，并输出外部电信号。有益效果：滤光层相当于光学薄膜的作用，对于物镜收集不到的非线性光学信号能够被外部光电检测器收集，并通过感光层将收集的非线性光学信号转换为外部电信号，从而使得显微成像的效果更好。

本发明意在还提供一种提高荧光收集率的显微镜成像方法，包括以下步骤：

将实验样品置于检测位；

将激光照射到准直透镜，经准直透镜准直输出激光信号；

激光信号经多维扫描器反射，并经过物镜照射在实验样品上，实验样品被激发产生非线性光学信号，非线性光学信号经过物镜照射在多维扫描器上，多维扫描器根据非线性光学信号生成内部电信号；

在非线性光学信号经过物镜的同时，外部光电检测器收集非线性光学信号生成外部电信号；

根据内部电信号和外部电信号生成实验样品的检测图像。

有益效果：通过结合外部电信号和内部电信号使得收集的非线性光学信号更多，即荧光光子收集率更高，使获得的显微成像的图像效果更好。

附图说明

图1为本发明一种提高荧光收集率的显微镜成像系统实施例一多位扫描器的结构示意图；

图2为本发明一种提高荧光收集率的显微镜成像系统实施例一的结构示意图；

图3为本发明一种提高荧光收集率的显微镜成像系统实施例二的结构示意图；

图4为本发明一种提高荧光收集率的显微镜成像系统实施例三的结构示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细说明：

说明书附图中的附图标记包括：激光输入光纤1、准直透镜2、柱状透镜3、多维扫描器4、第一驱动器41、第二驱动器42、内部光电检测器43、超薄片44、光学薄膜45、物镜5、外部光电检测器6、实验样品7。

实施例一

一种提高荧光收集率的显微镜成像系统，包括激光输入光纤1、准直透镜2、多维扫描器4、物镜5。

如附图1所示，多维扫描器4包括第一驱动器41、第二驱动器42、超薄片44和内部光电检测器43，第一驱动器41固定在第二驱动器42上，第一驱动器41上依次固定有内部光电检测器43、超薄片44，超薄片44远离内部光电检测器43的一侧镀有光学薄膜45，光学薄膜45包括二向色镜薄膜和滤光薄膜，其中滤光薄膜位于二向色镜薄膜与超薄片44之间。

第一驱动器41、第二驱动器42可采用现有的检流计振镜、共振扫描器、多面体扫描器、微机电系统扫描器中的一种，在本实施例中优选为微机电系统扫描器。可直接将第一驱动器41设置在第二驱动器42上，也可通过深反应离子刻蚀技术掏空第二驱动器42的中心，使得第二驱动器42的中心位置镂空，将第一驱动器41置于第二驱动器42的镂空内。第一驱动器41使多维扫描器4在一个方向上转动，第二驱动器42使多维扫描器4在另一个方向上转动，两个方向之间的夹角为90度，即第一驱动器41和第二驱动器42在两个方向上改变多维扫描器4的角度。

内部光电检测器43可采用光电二极管、光电三极管、光电倍增管、电荷耦合器件等能够将光学信号转换为电信号的器件，在本实施例中优选为光电二极管。光学薄膜45、超薄片44、内部光电检测器43的横截面图形为轴对称的多边形、圆形、椭圆形中的一种，在本实施例中第一驱动器41优选为圆形，第二驱动器42优选为方形。

在本实施例中，物镜5优选为高色射物镜5，采用低阿贝数材料制成的部件。

感光层可采用一个感光元件，感光元件优选为单一的大面积雪崩二极管，大面积雪崩二极管的形状为圆形的环状结构，可经过机械钻孔或腐蚀加工获得。感光层也可采用若干感光元件，感光元件优选为若干常规尺寸的雪崩二极管，雪崩二极管以物镜5本体为中心周向分布。在本实施例中，感光层优选为采用若干感光元件，即采用若干雪崩二极管，感光层用于收集物镜5接收不到的非线性光学信号。

由于感光层为雪崩光电二极管，其带有内部增益的元件，使用时驱动电压高达数百至2000伏特，因此滤光层、感光层外包覆有保护层，通过保护层的设置防止对其他元件造成损坏。保护层的材质为可透射可见光波长的绝缘材料，在本实施例中绝缘材料优选为光学玻璃。保护层的底面与实验样品7靠近或接触，保护层的底面镀有防反射光学镀膜，用于提高荧光光子的透射率，即提高非线性光学信号的透射率。

如附图2所示，激光输入光纤1输出激光至准直透镜2，准直透镜2将激光准直为平行光，即激光信号。多维扫描器4，用于反射来自准直透镜2的激光信号，并输出激光信号至物镜5上。物镜5用于将来自多维扫描器4的激光信号汇聚到实验样品7上，实验样品7激发产生非线性光学信号，被实验样品7激发的非线性光学信号由于角度问题，一部分被物镜5收集。

物镜5收集的信号包括激光信号和非线性光学信号，由于激光信号和非线性光学信号的波长不同，使得激光信号被二向色镜薄膜过滤，非线性光学信号透过二向色镜薄膜，经过滤光薄膜、超薄片44照射到内部光电检测器43上转换为内部电信号。最后将内部电信号送至外部放大电路和计算机进行处理，还可通过计算机控制第一驱动器41和第二驱动器42转动，从而改变激光信号的入射角度，从而实现对实验样品7进行点扫描，对全部扫描的内部电信号进行处理即可得到最终的显微镜成像的检测图像。

为了更清楚的阐述，本申请还公开一种提高荧光收集率的显微镜成像方法，包括以下步骤：

将实验样品7置于检测位，检测位指物镜5下方或物镜5可监测到的位置。

通过激光输入光纤1输出激光至准直透镜2上，经准直透镜2准直输出平行光至多维扫描器4上，平行光即激光信号。

激光信号经多维扫描器4反射至物镜5上，激光信号经过物镜5照射至实验样品7上，实验样品7被激发产生非线性光学信号照射至物镜5上。

经过物镜5的非线性光学信号照射到多维扫描器4上，多维扫描器4根据非线性光学信号转换为内部电信号。

全部的内部电信号经过放大、处理生成最终实验样品7的检测图像。

实施例二

本实施例与实施例一的不同之处在于：如附图3所示，一种提高荧光收集率的显微镜成像系统，还包括外部光电检测器6。外部光电检测器6包括由上至下依次设置的滤光层、感光层，其中滤光层为能够透射可见光波长的绝缘材料制作的滤光片，滤光片用于过滤长波长的激光信号，并透过短波长的非线性光学信号。

被实验样品7激发的非线性光学信号由于角度问题，一部分被物镜5收集，另一部分被外部光电检测器6收集。外部光电检测器6收集的激光信号和非线性光学信号透过保护层照射到滤光层上，激光信号被滤光层过滤掉，非线性光学信号透过滤光层照射到感光层上转换为外部电信号。最后将内部电信号和外部电信号送至外部放大电路和计算机进行处理，还可通过计算机控制第一驱动器41和第二驱动器42转动，从而改变激光信号的入射角度，从而实现对实验样品7进行点扫描，对全部扫描的内部电信号和外部电信号进行处理即可得到最终的显微镜成像的检测图像。

一种提高荧光收集率的显微镜成像方法，

实验样品7被激发产生非线性光学信号照射至物镜5的同时，照射至外部光电检测器6上

经过物镜5的非线性光学信号照射到多维扫描器4上的同时，光电检测器根据非线性光学信号转换为外部电信号。

全部的内部电信号和外部电信号经过放大、处理生成最终实验样品7的检测图像。

实施例三

本实施例与实施例二的不同之处在于：如附图4所示，还包括柱状透镜3，柱状透镜3位于准直透镜2与多位扫描器之间，柱状透镜3用于将来自准直透镜2的激光信号聚焦成线状焦点的激光信号，并输出激光信号至多维扫描器4上。

其中，多维扫描器4不包括第二驱动器42，多维扫描器4只实现在一个方向上改变来自准直透镜2的激光信号的入射角度。

物镜5用于将激光信号聚焦在实验样品7上形成扫描线，扫描线的移动方向与多维扫描器4改变入射角度的方向相同。

激光输入光纤1输出激光至准直透镜2，准直透镜2将激光准直为平行光，即激光信号。柱状透镜3用于将来自准直透镜2的激光信号聚焦成线状焦点的激光信号，多维扫描器4用于反射来自柱状透镜3的激光信号，并输出激光信号至物镜5上。物镜5用于将来自多维扫描器4的激光信号聚焦在实验样品7上形成扫描线，实验样品7激发产生非线性光学信号，被实验样品7激发的非线性光学信号由于角度问题，一部分被物镜5收集，另一部分被外部光电检测器6收集。

物镜5收集的信号包括激光信号和非线性光学信号，由于激光信号和非线性光学信号的波长不同，使得激光信号被二向色镜薄膜过滤，非线性光学信号透过二向色镜薄膜，经过滤光薄膜、超薄片44照射到内部光电检测器43上转换为内部电信号。外部光电检测器6收集的激光信号和非线性光学信号透过保护层照射到滤光层上，激光信号被滤光层过滤掉，非线性光学信号透过滤光层照射到感光层上转换为外部电信号。最后将内部电信号和外部电信号送至外部放大电路和计算机进行处理，还可通过计算机控制第一驱动器41转动，从而改变激光信号的入射角度，从而实现对实验样品7进行线扫描，对全部扫描的内部电信号和外部电信号进行处理即可得到最终的显微镜成像的检测图像。

实施例四

本实施例与实施例二的不同之处在于：将二向色镜薄膜替换为偏振分光薄膜。

当激光信号和非线性光学信号的波长相同时，二向色镜薄膜无法区分，因此通过偏振分光薄膜进行区分。

激光输入光纤1输出激光至准直透镜2，此时的激光为S线偏振光，即后续的激光信号也为S线偏振光，准直透镜2将激光准直为平行光，即激光信号。多维扫描器4，用于反射来自准直透镜2的激光信号，并输出激光信号至物镜5上。物镜5用于将来自多维扫描器4的激光信号汇聚到实验样品7上，实验样品7反射激光信号得到非线性光学信号，即后续的非线性光线信号为P线偏振光，被实验样品7反射的非线性光学信号由于角度问题，一部分被物镜5收集，另一部分被外部光电检测器6收集。

物镜5收集的信号包括激光信号和非线性光学信号，由于激光信号和非线性光学信号的波长不同，使得激光信号被偏振分光薄膜过滤，非线性光学信号透过偏振分光薄膜，经过滤光薄膜、超薄片44照射到内部光电检测器43上转换为内部电信号。外部光电检测器6收集的激光信号和非线性光学信号透过保护层照射到滤光层上，激光信号被滤光层过滤掉，非线性光学信号透过滤光层照射到感光层上转换为外部电信号。最后将内部电信号和外部电信号送至外部放大电路和计算机进行处理，还可通过计算机控制第一驱动器41和第二驱动器42转动，从而改变激光信号的入射角度，从而实现对实验样品7进行点扫描，对全部扫描的内部电信号和外部电信号进行处理即可得到最终的显微镜成像的检测图像。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (10)

1.一种提高荧光收集率的显微镜成像系统，包括：

准直透镜，用于准直来自激光输入光纤输出的激光并输出激光信号；

其特征在于，还包括：

多维扫描器，用于反射来自准直透镜的激光信号，还用于改变激光信号的入射角度使激光信号扫描实验样品，还用于区分激光信号和非线性光学信号，并根据非线性光学信号输出内部电信号；

物镜，用于输出来自多维扫描器的激光信号使实验样品产生非线性光学信号，并输出非线性光学信号。

2.根据权利要求1所述的一种提高荧光收集率的显微镜成像系统，其特征在于：所述多维扫描器包括第一驱动器，所述第一驱动器驱使多维扫描器改变角度。

3.根据权利要求2所述的一种提高荧光收集率的显微镜成像系统，其特征在于：所述多维扫描器还包括第二驱动器，所述第一驱动器设于第二驱动器上，所述第二驱动器驱使多维扫描器改变角度，所述第二驱动器与所述第一驱动器驱使多维扫描器改变角度的方向不同。

4.根据权利要求3所述的一种提高荧光收集率的显微镜成像系统，其特征在于：所述多维扫描器还包括超薄片，所述超薄片上镀有光学薄膜，所述光学薄膜用于反射来自准直透镜的激光信号，并透过来自物镜的非线性光学信号。

5.根据权利要求4所述的一种提高荧光收集率的显微镜成像系统，其特征在于：所述光学薄膜包括二向色镜薄膜和滤光薄膜，所述光学薄膜用于反射来自准直透镜的激光信号，并透过经实验样品激发的非线性光学信号。

6.根据权利要求4所述的一种提高荧光收集率的显微镜成像系统，其特征在于：所述光学薄膜包括偏振分光薄膜和滤光薄膜，所述光学薄膜用于反射来自准直透镜的激光信号，并透过经实验样品反射的非线性光学信号，所述激光信号和非线性光学信号分别为S线偏振光和P线偏振光。

7.根据权利要求6所述的一种提高荧光收集率的显微镜成像系统，其特征在于：所述多维扫描器还包括内部光电检测器，所述内部光电检测器用于将来自光学薄膜的非线性光学信号转换为内部电信号，并输出内部电信号。

8.根据权利要求1所述的一种提高荧光收集率的显微镜成像系统，其特征在于，还包括：外部光电检测器，用于收集实验样品产生的非线性光线信号，并输出根据非线性光学信号转换的外部电信号。

9.根据权利要求8所述的一种提高荧光收集率的显微镜成像系统，其特征在于：所述外部光电检测器包括感光层和滤光层，所述滤光层用于滤除来自实验样品的激光信号，并透过非线性光学信号，所述感光层用于将来自滤光层的非线性光学信号转换为外部电信号，并输出外部电信号。

10.一种提高荧光收集率的显微镜成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

将实验样品置于检测位；

将激光照射到准直透镜，经准直透镜准直输出激光信号；

激光信号经多维扫描器反射，并经过物镜照射在实验样品上，实验样品被激发产生非线性光学信号，非线性光学信号经过物镜照射在多维扫描器上，多维扫描器根据非线性光学信号生成内部电信号；

在非线性光学信号经过物镜的同时，外部光电检测器收集非线性光学信号生成外部电信号；

根据内部电信号和外部电信号生成实验样品的检测图像。

Images