CN111880300A - 基于虚拟狭缝的线扫描共焦显微装置 - Google Patents

Abstract

激光共聚焦线扫描测量显微装置常用于生物成像、工业检测，具有快速便捷、简单易实现的特点。本发明针对共焦线扫描显微镜成像质量低、光利用率低等问题，进行改进。以往线扫描共焦显微采用狭缝照明与狭缝探测，在光源后面加入狭缝产生线型光，将线型光成像到物体上照明物体的线型区域，同过对线型区域物点的同时探测，实现线探测。而探测光信号同样采用狭缝进行光滤波，对离焦光进行抑制。光通过两个狭缝后，光强削减了很多，因而实际探测中，对光源强度和探测器灵敏度有较高要求。为此，在本发明中利用虚拟狭缝和柱面镜同时代替了两个物理狭缝的功能。柱面镜和狭缝的引入能降低对器件要求，同时简化装置，使装置小型化成为可能，扩大运用范围。

Description

基于虚拟狭缝的线扫描共焦显微装置

技术领域：

本发明涉及一种快速生物医学成像及工业检测的基于虚拟狭缝的线扫描共焦显微镜，属于共焦显微领域。在生物医学领域，对于高速动态成像的要求较大。且对成像设备的体积、成本也有很大的要求。本发明介绍了一种具有高分辨率的线扫描高速成像方法，该装置使用虚拟狭缝在保持以往装置分辨率同时简化了装置，可使装置小型化，可用于手持式实时检测及动态成像。

背景技术：

共焦显微镜具有无接触，高精度，高对比度，以及深度成像能力，使其在生物组织成像中有相对于普通显微来说更好的成像效果。单点共焦显微方法经过多年，已经取得长足的发展，但受限于扫描方式，扫描速度，其成像速度一般小于 5帧。为了改善成像速度，将并行扫描技术和共焦显微技术进行了结合，能同时实现高速和高精度成像，线扫描共焦显微技术便是其中一种。

线扫描共焦显微技术在过内外都有许多研究，以往的线扫描显微技术，包括吴开杰、李刚等人在2002年撰写的《基于线扫描激光共焦显微镜的研究》中，提出了用柱透镜代替圆透镜的共焦线扫描测量方法。该方法能有效改善以往由狭缝和圆形光学器件组成的共焦装置中光斑分布不均匀的问题，并且柱透镜的使用使得横向测量范围有了很大提升。但该装置轴向响应曲线在焦平面附近很平缓，且柱透镜只能对一维方向进行放大成像，未成像的方向信号互相串扰，导致成像质量差，不能直接用于样品检测。

本发明中的激光线扫描共焦显微镜，依旧利用圆透镜成像特性。圆透镜能对处于物像共轭的点物成近似点像，所以能对物体进行光学分辨率以内的光学目标成像。再利用柱面镜的单方面聚光特性，使平行光源自动聚焦为线状光源，对比狭缝产生的光源，光利用率有很大提升。同时，利用CCD作为探测器，可利用 CCD微小像素尺寸这一特点，用数字控制方法，实现物理狭缝对离焦信号的抑制作用。

发明内容：

为了解决以往线扫描显微镜成像时，在非扫描方向信号相互串扰引起的成像模糊以及线共焦成像物理狭缝的安装问题。本发明提出了一种基于虚拟针孔的共焦线扫描方法，该发明主要方法是对照明结构、成像结构、以及探测结构进行改进。照明结构里用柱面镜产生线型光，并通过成像光路照射到物体表面线性区域。线型光具有一定宽度，其宽度与同等放大倍数物镜下衍射极限艾里斑直径大致相同，可实现物体表面光斑由中间至两边逐渐衰弱的强度照射。该光强分布下照射经成像结构后，可获得垂直于线型光方向的分辨率提升。成像结构采用普通成像方式，即现为物镜和普通圆透镜组合而成的显微，通常显微镜可以选择一级和多级放大，根据需求可以自行选择放大级数。成像结构和照明结构中使用共同的物镜，所以，线共焦和点共焦一样都需要对离焦信号进行抑制。所以，以往在探测器前面添加物理狭缝进对非焦平面信号进行阻挡，而后大面积探测器再对通过狭缝后的信号进行光照强度积分。在这里，我们将探测结构进行简化，用数字处理的方法，将CCD的一列作为探测器，以虚拟狭缝的方式实现物理狭缝的功能。运用虚拟狭缝可以同时对离焦信号进行抑制以及对达到探测器信号进行强度量化。使用该技术有许多优势，第一，运用CCD作为探测器可以在没有扫描成像的情况下对物体表面进行离焦成像可以很方便对感兴趣区域进行寻找。第二，在共焦系统中往往很难调到共焦状态，特别是想获得清楚图像需要使物体表面处于物镜聚焦平面，而探测器则处于和物距共轭的像平面。这使物体和探测器需要同时调整位置，且没有可用于表征调整适合度的参数，这给调节带来很大难度。但用CCD 的动态摄像功能可以对物体表面特征进行观测，为调节的方向提供参考。第三， CCD可以直接反应来自物体表面光强度，便于对光源强度进行调节。

附图说明

图1为圆透镜的聚焦示意图，1为光束，2为透镜，如图，平行光汇聚为一个点。

图2为柱透镜的聚焦示意图，1为光束，2为柱透镜，平行光束汇聚为一条线。

图3为基于虚拟狭缝的激光共焦线扫描测量装置示意图。1为样品，2为物镜，3 为扫描振镜，4为管镜，5为柱面镜，6为扩束器，7为激光光源，8为分光器， 9为管镜，10为CCD。

具体实施方式

以下结合图3对本发明实施实例进行详细的描述。

本发明的简单结构图如3所示，激光器7发出的激光经准直扩束系统6后变成稳定均匀的圆形光束，圆形光束经柱面镜5后在一个方向聚焦并在柱面镜焦平面形成一个线形光。线形光经过由管镜4和物镜2组成的照明光路后照射到样品 1的线型区域。物体上的反射光经物镜和另一管镜9组成的收集光路后成像到探测器10表面。照明光路和探测光路共用一个物镜，通过分束器8将两个光路的光分开，到达探测器后的光被CCD接收。扫描振镜3安装在了物镜入瞳前方2cm 处以实现在样品表面垂直于线型光方向的快速一维扫描。扫描振镜一般使用电流驱动，在高速振镜扫描下，返回的记录着样品不同位置的形貌的光信号被CCD 同时探测，通过信号处理将多列信号拼接成二维图像。

在探测结构中，CCD被直接作为探测器，无需再安装物理狭缝。在以往物理狭缝的使用中，需要对线型光、狭缝、线性大面积探测器同时进行对准，所以对准上有一定难度，并且狭缝会产生衍射现象，使得信号光的能量减弱许多，导致光利用率的下降。而在我们的发明中，通过选择合适的CCD，使CCD的像元尺寸足够小，通常小于1个艾里斑大小，由此直接将每一个像元作为一个方形针孔，对光信号进行积分，同时，离焦信号强度会在像元上迅速下降，所以，该像元也有对离焦信号的抑制作用。

每一个像元只对物面上一个微小区域进行探测，而CCD一列的众多像素元则对线型光照射的整个样品表面进行同时成像，同时众多像元可以看作是对信号的采样，越小的像元对应着越大的采样率。当满足奈奎斯特采样时，便可实现对光信号的完整采样。

以上所述仅为本发明的实施例,并非因此限制本发明的专利范围,凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效装置或等效方法变换,或直接或间接运用在其他相关的技术领域,均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (6)

1.基于虚拟狭缝的共焦线扫描显微镜，该装置包括器件激光器、扩束系统、柱面镜、第一管镜、分束器、振镜、物镜、第二物镜、CCD相机；各器件的安装位置如下：激光器后依次接扩束系统、柱面镜、第一管镜、分束器；在分束器后光路分为两路，其中一路光向样品方向传播，另一路向探测器传播，在前一路中，分束器后再放置振镜、物镜、样品；在往探测器方向的光路中，分束器后依次接管镜、CCD相机。

2.根据权利要求1所述的一种基于虚拟狭缝的线扫描共焦显微装置，其主要特征包括使用柱面镜形成线型光，并且用第一管镜和物镜组成的照明光路将线型光投影到样品表面，照射在样品表面的线型区域。

3.根据权利要求1所述的一种基于虚拟狭缝的线扫描共焦显微装置，其主要特征包括，照明光路和成像光路都使用无限距结构，即光源、样品表面、探测器分别位于第一管镜、物镜、第二管镜的焦平面处。

4.根据权利要求1所述的一种基于虚拟狭缝的线扫描共焦显微装置，其主要特征包括，在物镜前焦平面附近安装一维度扫描振镜，并且振镜越靠近物镜前表面越好；其中，振镜的扫描方向垂直于线型光方向。

5.根据权利要求1所述的一种基于虚拟狭缝的线扫描共焦显微装置，其一重要特征是使用CCD相机直接作为探测器，在CCD前面无需再安装物理狭缝，利用CCD像元的微尺寸以满足物理狭缝的作用；可选用CCD面上的一列或多列来对光信号进行积分量化，具体选择列数由物镜大数值孔径(NA)以及成像体统的整体放大倍数决定；CCD的类型包括面阵CCD，线阵CCD，以及在两者之间的多列CCD。

6.一种基于虚拟狭缝的线扫描共焦显微装置，其特征包括以下步骤：

(1)固体激光器发出的激光经准直扩束器后以圆形平行光入射到柱面镜表面；

(2)经过柱面镜后的光斑在传播方向上由圆形逐渐变为椭圆形最后在柱面镜焦平面形成线型光；

(3)线型光经过管镜后在一个方向再次准直，并在另一个方向开始聚焦，并且到达振镜表面后变为扫描光；

(4)扫描光在样品表面随着物镜的偏转而移动，并由物面散射；返回的携带着物体表面信息的光被物镜收集，并由第二管镜聚焦在CCD像面；

(5)返回信号光照射在CCD多列像元上，每列像元都会对光信号进行积分量化，但只取其中心一列强度较大的作为结果；振镜每扫描一次，读取相机信号一次，最终将多列信号拼接在一起形成二维图像。

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