CN111751340B - 光束复用共聚焦成像装置及成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光束复用共聚焦成像装置及成像方法，成像装置包括光源单元，输出包含n种波长的激光合束或n种波长的子光束，n≥2；二色分光单元，设有m个二色分光镜和荧光发射滤色片，用于透射激光光束，反射荧光光束，且m＝n；子光束操纵单元，用于实现所述子光束之间相对角度的操纵与改变；扫描单元，设置在子光束操纵单元与显微镜物镜之间用于引导光束；荧光探测单元，设有k个荧光探测器用于接收所述二色分光单元反射的荧光光束，且k＝n，以及控制与信息处理单元。本发明的光束复用共聚焦成像装置可以兼顾扫描速度快及可以操纵改变多光束在样本表面形成照明聚焦点的相对位置。

Description

光束复用共聚焦成像装置及成像方法

技术领域

本发明属于光学技术领域，尤其涉及一种光束复用共聚焦成像装置及成像方法。

背景技术

在生物科学领域，共聚焦显微镜成像技术的应用越来越广泛。共聚焦是通过与显微镜物镜共轭的位置设置照明小孔与成像小孔，减小样本上被照明的激发区域，并阻挡来自样本焦面之外的杂光，可以取得增强衬度与提高分辨能力等优势，具备光学切片成像的能力。然而由于小孔的存在，共聚焦显微镜同时只能对样本上一个点成像，如要获取二维、三维信息，需要通过样本表面的二维扫描、甚至移动焦面来实现。目前常用的扫描方式包括单光束和多光束扫描两种。

单光束扫描是通过偏摆平面镜实现一束激光在样本上的XY二维扫描，扫描速度受限于偏摆镜的偏摆的频率。另一方面，单光束扫描方式在进行多通道成像(不同荧光染料的同时成像)时，无法从根本上避免两种及以上的荧光染料荧光光谱相互交叠现象，这使得多通道成像需要按照时序依次进行，从而也可限制成像速度。

多光束扫描可通过旋转盘方式实现，旋转盘扫描方式可以实现同时多光束照射到样本上，相比于单光束可以提升扫描速度，但是多个光束在样本上的距离不能改变，因此无法实现感兴趣区域的缩放和平移成像等功能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光束复用共聚焦成像装置及成像方法，解决现有技术中扫描速度慢、多光束在样本上距离不能改变的问题。

为实现上述目的，本发明提供一种光束复用共聚焦成像装置，包括：

光源单元，用于输出包含n种波长的激光合束或n种波长的子光束，n≥2；

二色分光单元，设有m个二色分光镜和荧光发射滤色片，用于透射激光光束，反射荧光光束，且m＝n；

子光束操纵单元，用于实现所述子光束之间相对角度的操纵与改变；

扫描单元，设置在所述子光束操纵单元与显微镜物镜之间用于引导光束；

荧光探测单元，设有k个荧光探测器用于接收所述二色分光单元反射的荧光光束，且k＝n；

以及控制与信息处理单元。

根据本发明的一个方面，所述光源单元输出包含n种波长的激光合束时，所述光束复用共聚焦成像装置还包括子光束生成单元，用于将所述光源单元输出的激光合束按照能量或按照激光合束包含的波长成分分成n束子光束，n≥2。

根据本发明的一个方面，所述子光束生成单元包括光纤分束器和/或分束镜将所述光源单元输出的激光合束按照能量分成n束子光束。

根据本发明的一个方面，所述子光束生成单元包括光纤波分复用器和/或二色分光镜将所述光源单元输出的激光合束按照波长成分分成n束子光束。

根据本发明的一个方面，所述子光束操纵单元用于将光束输出改变为光纤端口输出，并控制所述光纤端口的相对位置。

根据本发明的一个方面，所述光纤端口与所述荧光样本物侧焦面光学共轭。

根据本发明的一个方面，所述子光束操纵单元包括与子光束数目一致的光纤耦合透镜、光纤、光束操纵机械结构以及准直透镜；

所述光纤端口固定在所述光束操纵机械结构上，所述光束操纵机械结构用于操纵改变所述光纤端口的相对位置以实现子光束之间相对角度的操纵与改变。

根据本发明的一个方面，所述光束操纵机械结构包括定位盘以及支撑在所述定位盘上与定位盘中心重合的驱动盘，所述定位盘上等间隔设有多个定位直槽，所述驱动盘上设有与所述定位直槽相对应的弧形驱动槽，所述光纤端口固定在所述弧形驱动槽与所述定位直槽相交处。

根据本发明的一个方面，任意两子光束相对位置与所述定位盘和驱动盘之间旋转角度满足关系式：

其中为任意两个光纤之间的相对位置，k为正的实常数，θ为定位盘和驱动盘之间的旋转角度，/>为任意对应两个光纤之间的相对位置方向上的单位矢量。

根据本发明的一个方面，所述弧形驱动槽中心线满足关系式：

其中l为弧形驱动槽中心线上任一点与驱动盘中心轴线的距离，h为正的实常数；为驱动盘旋转到所选任一点的旋转角度。

本发明还提供一种利用上述光束复用共聚焦成像装置的成像方法，包括：

光源单元输出包含n种波长的激光合束经自子光束生成单元生成n束子光束至二色分光单元，或光源单元输出n种波长的子光束至二色分光单元，n≥2；

之后子光束进入子光束操纵单元，耦合进n根光纤中，光纤端口固定在光束操纵机械结构上，通过控制与信息处理单元控制光束操纵机械结构改变光纤端口的相对位置，以操纵改变子光束的相对角度；

然后经过准直透镜、经扫描单元后入射到物镜上，经过物镜会聚在荧光样本表面不同位置；

荧光样本上的荧光染料在照明光束的作用下发出荧光，不同位置发出的荧光经过物镜和扫描单元后逆着照明光束方向进入子光束操纵单元，并分别被耦合进入光纤；

光束从光纤出射后逆着照明光束方向进入二色分光单元，经反射后通过荧光发射滤色片进入荧光探测单元；荧光探测单元中含有光电倍增管(PMT)，即荧光探测器，光电倍增管探测到的荧光信号被荧光探测单元中的信号处理电路转化为数字信号后送入控制与信息处理单元，控制与信息处理单元将接受到的荧光信号处理后得到共聚焦显微图像。

本发明的子光束操纵单元可以操纵改变个光纤端口之间的相对位置，由于光纤端口与荧光样本物侧焦面共轭，从而可以实现样表面n个照明聚焦点之间相对距离的操纵及改变。子光束操纵单元可以通过改变光纤端口的相对位置，使得样本表面上n个照明聚焦点之间的间隔发生变化，n个照明聚焦点两两之间距离的改变配合扫描单元中偏摆镜摆动幅度的变化，可以实现样本成像区域的光学缩放，通过改变对偏摆镜施加的预置偏置角度，实现样本成像区的平移。

本发明的光束复用共聚焦成像装置，对于按激光束所包含波长成分分束产生n个子光束的情况，由于各个子光束之间波长不同，可以实现不同荧光染料的同时成像，即实现了多通道并行成像即实现了多通道并行成像。由于荧光探测单元设有与n个子光束对应的K个荧光探测器，避免了不同荧光染料荧光发射光谱的交叠(bleed through)。对于按照能量分束产生n个子光束的情况，n个子光束可以同时产生n个照明聚焦点。n个照明会聚焦同时扫描的情况下，相同时间内扫描过区域面积为单光束扫描区域的n倍，将共聚焦显微成像的速度提高了n倍。

附图说明

图1是示意性表示根据本发明一种实施方式的光束复用共聚焦成像装置的组成结构示图；

图2示意性表示根据本发明第二种实施方式的光束复用共聚焦成像装置的组成结构示图；

图3示意性表示根据本发明的子光束操纵单元的结构原理图；

图4示意性表示子光束在荧光样本上产生照明聚焦点的排布方式一；

图5示意性表示子光束在荧光样本上产生照明聚焦点的排布方式二；

图6示意性表示子光束在荧光样本上产生照明聚焦点的排布方式三；

图7示意性表示本发明子光束操纵单元将与子光束相对应的照明聚焦点位置改变的示图；

图8示意性表示本发明的扫描单元在荧光样本上扫描成像示图；

图9示意性表示根据本发明的光束操纵机械结构的定位盘结构图；

图10示意性表示根据本发明的光束操纵机械结构的驱动盘结构图；

图11示意性表示根据本发明的光束操纵机械结构的结构图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式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发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员而言，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。

在针对本发明的实施方式进行描述时，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”所表达的方位或位置关系是基于相关附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，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纵，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细地描述，实施方式不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施方式。

如图1所示，本发明的光束复用共聚焦成像装置包括光源单元1、二色分光单元3、子光束操纵单元4、扫描单元5和荧光探测单元6和控制与信息处理单元7。

结合图1所示，本发明的光源单元1用于输出包含n波长的激光合束或输出n种波长子光束。当光源单元1输出的为激光合束时，本发明的光束复用共聚焦装置还包括子光束生成单元2，用于将光源单元1输出的激光合束按照能量或者按照激光合束所包含的波长成分分成n束子光束，n≥2。子光束生成单元2可以设置光纤分束器和/或分束镜将光源单元输出的激光合束按照能量分成n束子光束。此外，子光束成单元还可以设置光纤波分复用器和/或二色分光镜将光源单元输出的激光合束按照波长成分分成n束子光束。经过子光束生成单元2分成n束子光束之后进入到二色分光单元3中。当然，根据本发明的构思，本发明的光源单元1可以输出n种波长子光束直接到二色分光单元3，不用过经过子光束生成单元2，也就是说，在此种实施方式中，不需要设置子光束生成单元2。

二色分光单元3中设有m个二色分光镜和荧光发射滤色片，用于透射激光光束，反射荧光光束。当然，根据本发明的构思，二色分光单元3还可以设置为透射荧光光束，反射激光光束。在本发明中，二色分光单元3中的二色分光镜和荧光发射滤色片的设置数量与子光束生成单元2输出的子光束的数量相同，即m＝n，每一个二色分光镜对应一个子光束。

子光束操纵单元4可以实现子光束之间相对角度的改变，根据本发明的一种实施方式，子光束之间相对角度的改变是通过光束的输出方式改变为光纤端口输出、操纵和改变光纤端口相对位置实现的。结合图1和图4-6所示，在本发明中，光纤端口与荧光样本物侧焦面共轭，从而可以在荧光样本表面形成多个照明聚焦点，照明聚焦点在样本的排布形式包括但不限于图4中9个照明聚焦点以3x3规则矩阵排布(n＝9)，图5中4个照明聚焦点分别位于同一正方形的四个顶点上(n＝4)，图6中4个照明聚焦点位于同一直线上，并且相邻照明聚焦点之间间距相等。

本发明的子光束操纵单元4可以操纵改变n个光纤端口之间的相对位置，由于光纤端口与荧光样本物侧焦面共轭，从而可以实现样品表面n个照明聚焦点之间相对距离的操纵与改变。如图7所示，图中n＝4，子光束操纵单元4可以通过改变光纤端口的相对位置，使得样本表面上4个照明聚焦点之间的间隔发生变化，n个照明聚焦点两两之间距离的改变配合扫描单元5中偏摆镜摆动幅度的变化，可以实现样本成像区域的光学缩放，通过改变对偏摆镜施加的预置偏置角度，实现样本成像区的平移。

如图3所示，本发明子光束操纵单元4通过改变光纤端口的相对位置来改变子光束之间的相对角度，子光束操纵单元4包括与子光束数目一致的光纤耦合透镜、光纤、光束操纵机械结构以及准直透镜，工作原理如下：以4束子光束为例(n＝4)，4束子光束从子光束生成单元2出射后进入子光束操纵单元4，子光束操纵单元4首先将4束子光束分别耦合进入4根光纤中，进而形成光纤端口输出。4根光纤的输出端口固定在子光束操纵单元4的光束操纵机械结构上，通过控制与信息处理单元控制该机械结构改变4根光纤输出端口的位置，子光束操纵单元4中在该机械结构之后设有准直透镜，光纤端口位于准直透镜的焦平面上，准直透镜将多个子光束弯折，使得各个子光束相交于扫描单元5的对应位置(所谓相应位置，是指使得扫描单元不产生渐晕的位置)。4束子光束经过扫描单元5后入射到物镜上，并经过物镜会聚到荧光样本表面不同位置上，例如图5所示。

结合图9-11所示，根据本发明的一种实施方式，光束操纵机械结构包括定位盘和驱动盘，定位盘和驱动盘叠加在一起且中心对准。定位盘包括正交方向上的四个定位直槽。驱动盘圆周方向90度旋转对称，设有4个弧形驱动槽。定位盘和驱动盘叠加在一起之后，定位直槽和弧形驱动槽相交确定4点，4根光纤即被定位在这4点之上。围绕共同中心轴旋转时，弧形驱动槽和定位直槽相交确定的4点会沿着定位直槽直线运动，按照此方式实现4根光纤输出端口相对位置的操纵改变。

根据本发明的一种实施方式，驱动盘上的弧形驱动槽优选为螺旋线型驱动槽，如此设置，可以线性改变子光束之间的相对角度。

为了使得4根光纤相对位置Δr与定位盘和驱动盘之间旋转角度θ的线性关系，需要满足以下关系：

其中为任意两个光纤之间的相对位置；k为正的实常数；θ为定位盘和驱动盘之间的旋转角度；/>为任意对应两个光纤之间的相对位置方向上的单位矢量。

为了实现以上关系，驱动盘上的弧形驱动槽中心线需满足以下关系：

其中l为弧形驱动槽中心线上任一点与驱动盘中心轴线的距离；h为正的实常数；为驱动盘旋转到所选任一点的旋转角度。

本发明的荧光探测单元6设有k个荧光探测器用于接收二色分光单元3反射的荧光光束。具体来说，荧光探测单元6中的荧光探测器的设置数量与子光束的数量相同，即k＝n。子光束经过扫描单元在样本表明形成多个照明聚焦点，进而样本发出荧光依次进入扫描单元5、子光束操纵单元4、二色分光单元3，在二色分光单元3中被反射至荧光探测单元6。

本发明的光束复用共聚焦成像装置，对于按激光束所包含波长成分分束产生n个子光束的情况，由于各个子光束之间波长不同，可以实现不同荧光染料的同时成像，即实现了多通道并行成像，由于荧光探测单元6设有与n个子光束对应的K个荧光探测器，避免了不同荧光染料荧光发射光谱的交叠(bleed through)。对于按照能量分束产生n个子光束的情况，n个子光束可以同时产生n个照明聚焦点。n个照明会聚焦同时扫描的情况下，相同时间内扫描过区域面积为单光束扫描区域的n倍，将共聚焦显微成像的速度提高了n倍。以采用8kHz共振扫描器的单光束扫描共聚焦成像系统为例，可以实现512x512分辨率图像的约30帧/秒的成像速度，采用9子光束的光束复用共聚焦显微成像方法后，成像速度将提升到约270帧/秒。

本方的光束复用共聚焦成像装置还包括控制与信息处理单元7，控制与信息处理单元7将接受到的荧光信号处理后得到共聚焦显微图像。控制与信息处理单元7对光源出射光束强度进行控制，对子光束操纵单元4进行控制，以实现子光束操纵单元中光纤输出端口位置按照成像需要进行变化。控制信号处理单元7号对扫描单元5进行控制，以实现按照成像需要对样本的扫描。

本发明还提供一种利用上述光束复用共聚焦成像装置的成像方法，包括：光源单元输出包含n种波长的激光合束经自子光束生成单元生成n束子光束至二色分光单元，或光源单元输出n种波长的子光束至二色分光单元，n≥2。之后子光束进入子光束操纵单元，耦合进n根光纤中，光纤端口固定在光束操纵机械结构上，通过控制与信息处理单元控制光束操纵机械结构改变光纤端口的相对位置，以操纵改变子光束的相对角度。然后经过准直透镜、经扫描单元后入射到物镜上，经过物镜会聚在荧光样本表面不同位置。荧光样本上的荧光染料在照明光束的作用下发出荧光，不同位置发出的荧光经过物镜和扫描单元后逆着照明光束方向进入子光束操纵单元，并分别被耦合进入光纤。光束从光纤出射后逆着照明光束方向进入二色分光单元，经反射后通过荧光发射滤色片进入荧光探测单元；荧光探测单元中含有光电倍增管(PMT)，即荧光探测器，光电倍增管探测到的荧光信号被荧光探测单元中的信号处理电路转化为数字信号后送入控制与信息处理单元，控制与信息处理单元将接受到的荧光信号处理后得到共聚焦显微图像。

以下例举两个实施例对本发明的光束复用共聚焦成像装置及成像方法进行说明。

实施例1

结合图2所示，光源单元1输出光束由两种以上波长的激光合束产生。激光光束进入子光束生成单元2后，被3个立方分光镜按照能量均分为4个子光束。4个子光束进入二色分光单元3。二色分光单元3包含4个相同的二色分光镜以及4个相同的荧光发射滤色片。4束子光束从子光束生成单元出射后进入子光束操纵单元4，子光束操纵单元首先将4个子光束耦合进入4根光纤中。子光束操纵单元中含有操纵子光束的机械结构，4根光纤的输出端口固定在子光束操纵单元中的机械结构上，由机械结构改变4根光纤输出端口的位置。之后4根光纤输出的光束经过准直透镜后被准直为4束准直光。4束准直光经过扫描单元后入射到物镜上，并经过物镜会聚到样本表面不同位置上。

接着荧光样本上的荧光染料在照明光束的作用下发出荧光，样本上4个位置发出的荧光经过物镜和扫描单元5后逆着照明光束方向进入子光束操纵单元4，并分别被耦合进入4根光纤。光束从光纤出射后逆着照明光束方向进入二色分光单元3。4个荧光光束在二色分光单元中分别被4个二色分光镜反射后通过荧光发射滤色片，随后进入荧光探测单元6。荧光探测单元中含有4只光电倍增管(PMT)，即荧光探测器，4只光电倍增管探测到的荧光信号被荧光探测单元中的信号处理电路转化为数字信号后送入控制与信息处理单元7。控制与信息处理单元7将接受到的荧光信号处理后得到共聚焦显微图像。

本实施例中子光束生成单元对于照明激光光束进行了分束，同时会有4个照明会聚点照射在样本面上。4个照明会聚点在扫描单元5的作用下对样本进行二维扫描，如图8中(a)示图所示。由于本实施例中二色分光单元3和荧光探测单元6的设置，本实施例描述的光束复用共聚焦显微成像装置可以对4束激光进行反射和探测。相比于常用的单光束扫描方法，本实施例描述的光束复用共聚焦显微成像装置将能够节省3/4的扫描时间。

实施例2

光源单元1输出光束由两种以上波长的激光合束产生，激光合束进入子光束生成单元后，被3个二色分光镜按照激光波长分为4个子光束。4个子光束进入二色分光单元3。二色分光单元3包含4个不同的二色分光镜以及4个不同的荧光发射滤色片。4个二色分光镜与4个荧光发射滤色片的特性决定于观察研究所用的4种荧光染料。

特别地，如图2所示，组成光源不同波长的激光成分可以不进行合束，略过子光束生成单元2后直接接入二色分光单元3。二色分光单元3中的二色分光镜与荧光发射滤色片和与之对应的激光波长、荧光染料特性相一致。

按照上述布置，使得4束准直光经过扫描单元后入射到物镜上，并经过物镜会聚到样本面不同位置上，然后样本上的荧光染料在照明光束的作用下发出荧光。由于不同子光束波长不同，4个照明会聚点将分别有1种荧光染料被激发，并各自发出荧光。4个照明会聚点在扫描单元5的作用下对样本进行二维扫描，如图8中(b)示图所示。

接着4个荧光光束在二色分光单元3中分别被4个不同的二色分光镜反射后通过前述4个荧光发射滤色片，随后进入荧光探测单元6。荧光探测单元中含有4个光电倍增管(PMT)，4只光电倍增管探测到的4种荧光信号被荧光探测单元中的信号处理电路转化为数字信号后送入控制与信息处理单元7。控制与信息处理单元将接受到的荧光信号处理后分别得到4种荧光染料的共聚焦显微图像。

由上述两个实施例可知，本发明的光束复用共聚焦成像装置及成像方法，可以同时对多种荧光染料进行成像。同一位置不同荧光染料不同时被激发，即使不同荧光染料的发射光谱有交叠，也不影响每种荧光染料荧光信号强度的探测。相比于常用的单光束扫描方法，本实施例描述的光束复用共聚焦显微成像装置将能够节省3/4的扫描时间，且避免了不同荧光染料之间的发射光谱交叠。

以上所述仅为本发明的一个实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种光束复用共聚焦成像装置，其特征在于，包括：

光源单元(1)，用于输出包含n种波长的激光合束或n种波长的子光束，n≥2；

二色分光单元(3)，设有m个二色分光镜和荧光发射滤色片，用于透射激光光束，反射荧光光束，且m＝n；

子光束操纵单元(4)，用于实现所述子光束之间相对角度的操纵与改变；

扫描单元(5)，设置在所述子光束操纵单元(4)与显微镜物镜之间用于引导光束；

荧光探测单元(6)，设有k个荧光探测器用于接收所述二色分光单元(3)反射的荧光光束，且k＝n；

以及控制与信息处理单元(7)；

所述子光束操纵单元(4)用于将光束输出改变为光纤端口输出，并控制所述光纤端口的相对位置；

所述子光束操纵单元(4)包括与子光束数目一致的光纤耦合透镜、光纤、光束操纵机械结构以及准直透镜；

所述光纤端口固定在所述光束操纵机械结构上，所述光束操纵机械结构用于操纵改变所述光纤端口的相对位置以实现子光束之间相对角度的操纵与改变；

所述光束操纵机械结构包括定位盘、与定位盘中心重合的驱动盘，所述定位盘上等间隔设有多个定位直槽，所述驱动盘上设有与所述定位直槽相对应的弧形驱动槽，所述光纤端口固定在所述弧形驱动槽与所述定位直槽相交处。

2.根据权利要求1所述的光束复用共聚焦成像装置，其特征在于，所述光源单元(1)输出包含n种波长的激光合束时，所述光束复用共聚焦成像装置还包括子光束生成单元(2)，用于将所述光源单元(1)输出的激光合束按照能量或按照激光合束包含的波长成分分成n束子光束，n≥2。

3.根据权利要求2所述的光束复用共聚焦成像装置，其特征在于，所述子光束生成单元(2)包括光纤分束器和/或分束镜将所述光源单元(1)输出的激光合束按照能量分成n束子光束。

4.根据权利要求2所述的光束复用共聚焦成像装置，其特征在于，所述子光束生成单元(2)包括光纤波分复用器和/或二色分光镜将所述光源单元(1)输出的激光合束按照波长成分分成n束子光束。

5.根据权利要求1所述的光束复用共聚焦成像装置，其特征在于，所述光纤端口与荧光样本物侧焦面光学共轭。

6.根据权利要求1-5任一项所述的光束复用共聚焦成像装置，其特征在于，任意两子光束相对位置与所述定位盘和驱动盘之间旋转角度满足关系式：

其中为任意两个光纤之间的相对位置，k为正的实常数，θ为定位盘和驱动盘之间的旋转角度，/>为任意对应两个光纤之间的相对位置方向上的单位矢量。

7.根据权利要求5所述的光束复用共聚焦成像装置，其特征在于，所述弧形驱动槽中心线满足关系式：

其中l为弧形驱动槽中心线上任一点与驱动盘中心轴线的距离，h为正的实常数；为驱动盘旋转到所选任一点的旋转角度。

8.一种利用权利要求1-7任一项所述的光束复用共聚焦成像装置的成像方法，包括：

光源单元输出包含n种波长的激光合束经自子光束生成单元生成n束子光束至二色分光单元，或光源单元输出n种波长的子光束至二色分光单元，n≥2；

之后子光束进入子光束操纵单元，耦合进n根光纤中，光纤端口固定在光束操纵机械结构上，通过控制与信息处理单元控制光束操纵机械结构改变光纤端口的相对位置，以操纵改变子光束的相对角度；

然后经过准直透镜、经扫描单元后入射到物镜上，经过物镜会聚在荧光样本表面不同位置；

荧光样本上的荧光染料在照明光束的作用下发出荧光，不同位置发出的荧光经过物镜和扫描单元后逆着照明光束方向进入子光束操纵单元，并分别被耦合进入光纤；

光束从光纤出射后逆着照明光束方向进入二色分光单元，经反射后通过荧光发射滤色片进入荧光探测单元；荧光探测单元中含有光电倍增管(PMT)，即荧光探测器，光电倍增管探测到的荧光信号被荧光探测单元中的信号处理电路转化为数字信号后送入控制与信息处理单元，控制与信息处理单元将接受到的荧光信号处理后得到共聚焦显微图像。