CN112577939A - 一种激光扫描成像仪光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光扫描技术领域，具体公开了一种激光扫描成像仪光学系统，光学系统设置在所述激光扫描成像仪的机械扫描装置上，包括：多个光学模块、分光装置及扫描头；扫描头滑动设置在X轴导轨上；多个光学模块分别固定设置在X轴导轨一端或两端；分光装置设置在X轴导轨上，并位于光学模块及扫描头之间。本发明光学系统中，每个光学模块到扫描头为一个扫描通道，通过分光装置实现对各个扫描通道上的激光及荧光的分配，满足了多通道检测的要求，而且，不会导致扫描的图像时亮时暗，能实现高精度大范围的荧光成像，更好的应用于生物医疗和生命科学研究。

Description

一种激光扫描成像仪光学系统

技术领域

本发明涉及激光扫描技术领域，尤其涉及到一种激光扫描成像仪光学系统。

背景技术

激光共聚焦扫描成像仪光学系统采用共聚焦的光学结构，它每次采集1个像素，通过XY平面扫描即可采集整个平面的图像信息。它可以满足多种类型生物分子样品的成像需求。可成像的样品类型包括：蛋白凝胶、琼脂糖凝胶、凝胶三明治、杂交膜、96孔板、植物组织、动物组织切片等，样品中设置有荧光物质，荧光物质会被激光激发出荧光，激发出的荧光再由光学系统转化为电信号以使激光扫描成像仪进行成像处理。激光共聚焦扫描成像仪应用范围广，但由于此设备涉及光学、机械、电子、软件等多种学科，技术门槛高，当前市场上同类产品很少，而且，现有的激光共聚焦扫描成像仪是对整个光学系统进行滑动扫描，存在如下缺点，缺点一：滑动扫描的光学系统质量大，导致扫描过程有很大的晃动，对整机结构的刚度要求更高，因为结构精度影响光学系统收集光信号的效率，如果结构刚度不够，扫描的图像就会时亮时暗。缺点二：由于光学系统的检测电路部分与扫描部分是相互绑定在一起的，增加了光学系统整体结构的复杂度，不便于后期更换维护。

发明内容

本发明实施例提供一种激光扫描成像仪光学系统，用以解决现有技术中激光扫描成像仪的光学系统整体滑动扫描时，存在因晃动大而导致扫描的图像时亮时暗的问题。

依据本发明实施例的一个方面，提供一种激光扫描成像仪光学系统，所述光学系统设置在所述激光扫描成像仪的机械扫描装置上，所述机械扫描装置包括X轴导轨、Y轴导轨及Z轴导轨，所述X轴导轨滑动设置在所述Y轴导轨及所述Z轴导轨上；所述光学系统包括：

多个光学模块、分光装置及扫描头；所述扫描头滑动设置在所述X轴导轨上；多个所述光学模块分别固定设置在所述X轴导轨一端或两端；所述分光装置设置在所述X轴导轨上，并位于所述光学模块及所述扫描头之间；不同所述光学模块用于提供不同工作波长的激光并将激光激发出的荧光转化为电信号，所述扫描头用于将所述激光聚焦到待扫描样品表面并收集和准直激光激发出的荧光；所述分光装置用于将多个所述光学模块提供的激光分别反射进所述扫描头，并将所述扫描头收集和准直的荧光分别反射进所述光学模块。

本发明实施例的有益效果为：在本发明光学系统中，每个光学模块到扫描头为一个扫描通道，通过分光装置实现对各个扫描通道上的激光及荧光的分配，满足了多通道检测的要求，而且，在对待扫描样品进行扫描时，由于扫描运动部分只有中间的扫描头，扫描头质量小，能够在机械扫描装置的带动下沿X轴导轨高速往返扫描，从而实现对样品的快速扫描，扫描时晃动小，不会导致扫描的图像时亮时暗。多个光学模块分居X轴导轨端侧，多个光学模块及扫描头在机械扫描装置的带动下能够整体沿Y轴缓慢移动，增大了扫描视场的面积。每个光学模块发出的激光波长可以各不相同，扫描头将多种波长的激光会聚在样品上，并接收不同激光激发出的多种荧光，能实现高精度大范围的荧光成像，以使系统能够更好的应用于生物医疗和生命科学研究。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进：

可选的，所述光学模块的光路结构包括激光光路及荧光光路，所述激光光路依次设置激光器及二向色滤光片，所述激光器发出的激光通过所述二向色滤光片反射出所述光学模块，反射出的激光由所述分光装置反射进所述扫描头；

所述荧光光路依次设置所述二向色滤光片、聚焦单元及光电传感器；所述分光装置反射入所述光学模块的荧光通过所述二向色滤光片透射后由所述聚焦单元聚焦入所述光电传感器。

本发明实施例采用上述可选方案的有益效果为：光学模块用于提供激光并将激光激发出的荧光转化为电信号，光学模块里的激光器可以根据用户的实际需求进行定制，确保激光器出射的激光波长与样品中的荧光物质的激发效率匹配，光电传感器使用雪崩二极管APD和/或光电倍增管PMT，其采集的荧光的光信号与样品中荧光物质的浓度成正比，以使本发明光学模块拥有高灵敏度和大线性动态范围。光学模块发出的激光经分光装置反射后与X轴导轨平行，以便将平行激光射入与光学模块在同一直线上的扫描头中，因此，由于光学模块和扫描头之间是平行光路，光学模块和扫描头是相互独立的，光电传感器位于光学模块内，所以用户需要更换光学模块时不用再重调光路，还能根据实际需求定制所需的光学模块或光学模块的数量，以便在需要时能够自行更换或维护。而且，由于平凸透镜的NA值较高，在焦点处的光斑较小(小于10μm)，所以可以实现很高的分辨能力，因此，在使用机械扫描装置使光学系统在沿XY平面扫描时，即可兼顾高分辨能力与大视场。

可选的，所述扫描头包括沿激光传播路线依次设置的第一扫描反射镜和多个扫描透镜，和/或，第二扫描反射镜和多个所述扫描透镜，所述扫描透镜的数量与所述光学模块的数量一致；

所述分光装置反射进所述扫描头的激光，通过所述第一扫描反射镜和/或所述第二扫描反射镜分别反射入相应激光传播路线上的所述扫描透镜中，各个所述扫描透镜将激光聚焦到所述待扫描样品表面，以使所述激光将所述待扫描样品中的荧光物质激发出荧光；

各个所述扫描透镜将激光激发出的荧光收集并准直，准直后的荧光由所述第一扫描反射镜和/或所述第二扫描反射镜反射进所述分光装置，由所述分光装置将荧光反射进相应的所述光学模块的荧光光路中。

本发明实施例采用上述可选方案的有益效果为：扫描运动部分的扫描头结构简单质量小，能够在机械扫描装置的带动下沿X轴导轨高速往返扫描，从而实现对样品的快速扫描，往返扫描时晃动小，不会导致扫描的图像时亮时暗。而且，扫描透镜的数量能够根据用户所需的光学模块的数量增加或者减少，结构简单、质量小，易于后期的更换和维护。

可选的，所述分光装置包括光路反射镜组，所述光路反射镜组内的每个光路反射镜分别位于每个所述光学模块和所述扫描头之间。

本发明实施例采用上述可选方案的有益效果为：通过设置在各个扫描通道上的光路反射镜实现了对激光和荧光的分光反射。

可选的，扫描透镜采用双胶合消色差透镜，用于将所述光学模块发出的激光汇聚到一个焦点上；多个所述双胶合消色差透镜分别活动设置在所述扫描头内，以使所述双胶合消色差透镜的位置能够沿各自所在的激光传播路线上下调节，以将不同所述光学模块发出的激光的焦点调节至同一焦点平面。

本发明实施例采用上述可选方案的有益效果为：双胶合消色差透镜将光学模块射出的激光汇聚到一个焦点上，且能通过调节各个双胶合消色差透镜的位置使不同扫描通道上的激光处于同一焦点平面。

可选的，所述Z轴导轨为沿Z轴方向设置在所述机械装置上的丝杠，所述丝杠一端与所述机械装置内设置的电机转动连接；所述扫描头还包括透镜连接部，多个所述扫描透镜分别沿各自所在的激光传播路线活动设置在所述透镜连接部上，所述丝杠另一端与所述透镜连接部固接，所述透镜连接部上设置的多个所述扫描透镜在所述电机的转动下随所述丝杠沿Z轴方向移动。

本发明实施例采用上述可选方案的有益效果为：各个扫描头透镜随Z轴导轨(丝杠)在Z轴方向移动，使得多个扫描透镜之间的焦点平面可以沿Z轴方向微调，以消除尺寸公差和色差带来的焦平面不重合的影响，微调后所有光路可以同时使焦点平面与待扫描样品表面重合，实现对样品的高精度扫描。

可选的，所述激光器上安装有发射透镜，所述发射透镜用于将所述激光器发出的激光进行准直；

所述激光器和所述二向色滤光片之间还设置有激发光滤光片，用于对被所述发射透镜准直后的激光进行过滤。

本发明实施例采用上述可选方案的有益效果为：采用发射透镜对激光器发出的激光进行准直。激发光滤光片具有很高的截止深度，一般不低于OD6，能够过滤掉波长偏离较大的激光，从而除去了影响图像质量的激光中的噪声因素，提高了扫描成像仪的图像质量。

可选的，所述聚焦单元包括平凸透镜，且所述平凸透镜和所述光电传感器之间设置有孔径为0.02-1mm的带孔平面，用于过滤荧光中的杂散光；

所述平凸透镜和所述带孔平面之间设置有发射光滤光片，用于滤除聚焦为小光斑的荧光中的激光。

本发明实施例采用上述可选方案的有益效果为：带孔平面能够滤除聚焦为小光斑的荧光之外的杂散光，从而除去了影响图像质量的荧光中的杂散光这一噪声因素，进一步提高了扫描成像仪的图像质量。发射光滤光片也具有很好的截止深度，大于OD6，能够滤除荧光中混杂的绝大部分激光，进一步提高了扫描成像仪的图像质量。

可选的，所述光学模块还包括设置在所述二向色滤光片和所述平凸透镜之间的荧光反射镜，所述荧光反射镜用于将所述二向色滤光片透射的荧光反射进所述平凸透镜；所述荧光反射镜、所述第一扫描反射镜、所述第二扫描反射镜及所述光路反射镜均为如下反射镜中的一种或多种：镀铝反射镜、镀银反射镜及镀金反射镜。

本发明实施例采用上述可选方案的有益效果为：由于激光和荧光都是可见光或近红外光，因此，为镀铝反射镜或镀银反射镜或镀金反射镜的荧光反射镜、第一扫描反射镜、第二扫描反射镜及光路反射镜都可实现对激光或荧光的反射。

可选的，不同所述光学模块中的所述激光器分别选用与不同荧光物质激发光谱相匹配的激光器。

本发明实施例采用上述可选方案的有益效果为：通过将不同光学模块中的激光器分别选用与不同荧光物质激发光谱相匹配的激光器，如，样品中的荧光物质需要被近红外激光激发，则将一个光学模块中的激光器选用近红外激光器，同理，另外几个光学模块中的激光器可分别选用绿色激光器、蓝色激光器及红色激光器，当样品为同样需要被红色激光激发的Phosphor荧光粉储能屏时，即可直接打开红色激光器所在的红色激光扫描通道进行扫描，当一个样品中同时存在三种荧光物质时，就打开三个分别与三种荧光物质的激发光谱相匹配的激光器。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本发明一实施例提供的一种多通道激光扫描成像仪光学系统的结构示意图；

图2为本发明一具体实施例中多通道激光扫描成像仪光学系统扫描时的光路示意图；

图3为本发明一具体实施例中一光学模块的激光器为雪崩二极管APD时，该光学模块的光路结构示意图；

图4为图3中有荧光反射镜时，该光学模块的光路结构示意图；

图5为本发明一具体实施例中一光学模块的激光器为光电倍增管PMT时，该光学模块的光路结构示意图；

图6为图5中有荧光反射镜时，该光学模块的光路结构示意图；

图7为本发明一具体实施例中光学系统寻找扫描样品平面时的信号强度示意图。

图中：1-光学模块，11-激光器，12-二向色滤光片，13-荧光反射镜，14-平凸透镜，15-雪崩二极管APD，16-光电倍增管PMT，17-激发光滤光片，18-带孔平面，19-发射光滤光片；

2-光路反射镜；

3-扫描头，31-第一扫描反射镜，32-第二扫描反射镜，33-扫描透镜，34-透镜连接部；

4-X轴导轨，5-Y轴导轨，6-样品，71-绿色激光通道R，72-近红外激光通道N，73-蓝色激光通道B，74-R&P通道。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

本发明第一实施例，请参见图1，提供一种激光扫描成像仪光学系统，光学系统设置在激光扫描成像仪的机械扫描装置上，机械扫描装置包括X轴导轨4、Y轴导轨5及Z轴导轨，X轴导轨4滑动设置在Y轴导轨5及Z轴导轨上。请参见图1，光学系统包括：多个光学模块1、分光装置及扫描头3，扫描头3滑动设置在X轴导轨4上。本实施例中有四个光学模块1，四个光学模块1分别固定设置在X轴导轨4两端，一端两个光学模块1。分光装置设置在X轴导轨4上，并位于光学模块1及扫描头3之间。四个光学模块1分别用于提供不同工作波长的激光并将激光激发出的荧光转化为电信号，扫描头3用于将激光聚焦到待扫描样品6表面并收集和准直激光激发出的荧光，分光装置用于将多个光学模块1提供的激光分别反射进扫描头3，并将扫描头3收集和准直的荧光分别反射进光学模块1。本发明实施例提供的光学系统中，每个光学模块1到扫描头3为一个扫描通道，因此，本实施例有四个扫描通道，通过分光装置实现了对各个扫描通道上的激光及荧光的分配，满足了多通道检测的要求，而且，在对待扫描样品6进行扫描时，由于扫描运动部分只有中间的扫描头3，扫描头3质量小，能够在机械扫描装置的带动下沿X轴导轨4高速往返扫描，从而实现对样品6的快速扫描，扫描时系统晃动小，不会导致扫描的图像时亮时暗。多个光学模块1分居X轴导轨4端侧，多个光学模块1、分光装置及扫描头3在机械扫描装置的带动下整体沿Y轴缓慢移动，增大了扫描视场的面积。每个光学模块1发出的激光波长可以各不相同，扫描头3将多种波长的激光会聚在样品6上，并接收不同激光激发出的多种荧光，实现了高精度大范围的荧光成像，使系统能够更好的应用于生物医疗和生命科学研究。

本实施例中，扫描头3与多个光学模块1的出光口均朝向待扫描样品6，扫描头3分别与多个光学模块1的光路相互平行，由于扫描头3与光学模块1为单独的结构未绑定在一起，各个光学模块1和扫描头3始终在一条直线上，且由于各个光学模块1和扫描头3之间均是平行光路，各个扫描通道上的激光及荧光是通过分光装置进行分配的，因此，扫描头3在不同位置对光学模块1没有影响，客户可以自由定制和更换光学模块1，更换光学模块1时不用再重调光路，后期更换维护便利。

本发明实施例中，请参见图3和图5，光学模块1的光路结构包括激光光路及荧光光路，激光光路依次设置激光器11及二向色滤光片12，扫描时，光学模块1的激光器11发出的激光通过二向色滤光片12反射出光学模块1，反射出的激光由分光装置反射进扫描头3。本实施例中的聚焦单元包括平凸透镜14，光电传感器包括雪崩二极管APD15和光电倍增管PMT16，用于将荧光的光信号转化为电信号。具体地，设置在X轴导轨4左端的两个光学模块1的光电传感器均为雪崩二极管APD15，设置在X轴导轨4右端的两个光学模块1的光电传感器均为光电倍增管PMT16，荧光光路依次设置二向色滤光片12、平凸透镜14及光电传感器，分光装置反射入光学模块1的荧光通过二向色滤光片12透射后由平凸透镜14聚焦入光电传感器。

优选的，光学模块1还包括设置在二向色滤光片12和平凸透镜14之间的荧光反射镜，则，请参见图4和图6，荧光光路依次设置二向色滤光片12、荧光反射镜13、平凸透镜14及光电传感器，分光装置反射入光学模块1的荧光通过二向色滤光片12透射后由荧光反射镜13反射入平凸透镜14，再由平凸透镜14聚焦入光电传感器。本实施例中，由于激光和荧光都是可见光或近红外光，因此荧光反射镜13采用镀铝反射镜或镀银反射镜或镀金反射镜即可对荧光进行反射。激光光路及荧光光路共用二向色滤光片12，二向色滤光片12用于反射激光、透射荧光，荧光反射镜13用于将二向色滤光片12透射的荧光反射入平凸透镜14，平凸透镜14将荧光聚焦为小光斑并射入光电传感器。

本发明实施例中的光学模块1用于提供激光并将激光激发出的荧光转化为电信号，光学模块1里的激光器11可以根据用户的实际需求进行定制，确保激光器11出射的激光波长与样品6中的荧光物质的激发效率匹配，也就是说，不同光学模块1中的激光器11分别选用与不同荧光物质激发光谱相匹配的激光器11，每个光学模块1中的二向色滤光片12、发射光滤光片19及激发光滤光片17的工作波长与激光器的发射波长匹配，且，当样品6为Phosphor荧光粉储能屏时，所述光学模块1中的所述二向色滤光片12及所述发射光滤光片19的工作波长还需与所述Phosphor荧光粉储能屏的激发光谱相匹配。由此，通过将不同光学模块1中的激光器11分别选用与不同荧光物质激发光谱相匹配的激光器11，如，样品中的荧光物质需要被近红外激光激发，则将一个光学模块中的激光器选用为近红外激光器，同理，另外几个光学模块中的激光器可分别选用绿色激光器、蓝色激光器及红色激光器，当样品为同样需要被红色激光激发的Phosphor荧光粉储能屏时，即可直接打开红色激光器所在的红色激光扫描通道进行扫描，当一个样品中同时存在三种荧光物质时，就打开三个分别与三种荧光物质的激发光谱相匹配的激光器11。由于选用红色激光器的光学模块1还能对Phosphor荧光粉储能屏进行扫描，因此，选用红色激光器的光学模块1中的二向色滤光片12和发射光滤光片19的工作通带设置为两个通带，由此，既能收集通常红色激光器激发的波长较长的荧光，又能收集储能屏发出的波长较小的光。

具体地，本发明实施例中的激光器11采用电功率为5-50mW的激光二极管，激光二极管活动设置在光学模块1的激光光路上，以实现对激光二极管俯仰和偏摆角度的调节，系统中每个光路上的光学模块1中的激光器11都选用与荧光物质激发光谱相匹配的激光二极管，以达到最大的光谱利用率。采用的激光二极管体积小，发出的激光被准直后能量集中，出射波长可根据用户需求进行定制选择。且由于激光二极管的的俯仰和偏摆角度可以调节，确保了激光的光轴和系统的光轴重合。

光电传感器使用雪崩二极管APD15和光电倍增管PMT16，雪崩二极管APD15和光电倍增管PMT16采集的荧光的光信号与样品6中荧光物质的浓度成正比，以使本发明光学模块1拥有高灵敏度和大线性动态范围。光学模块1发出的激光经分光装置反射后与X轴导轨4平行，以便将平行激光射入与光学模块1在同一直线上的扫描头3中，因此，由于光学模块1和扫描头3之间是平行光路，光学模块1和扫描头3是相互独立的，光电传感器位于光学模块1内，使得扫描部分扫描头3的质量减少了、结构也更加简单，所以用户需要更换光学模块1时不用再重调光路，还能根据实际需求定制所需的光学模块1或光学模块1的数量，以便在需要时能够自行更换或维护。而且，由于平凸透镜14的NA值较高，在焦点处的光斑较小(小于10μm)，所以可以实现很高的分辨能力，因此，在使用机械扫描装置使光学系统在沿XY平面扫描时，即可兼顾高分辨能力与大视场。

本发明实施例中，请参见图2，扫描头3包括沿激光传播路线依次设置的第一扫描反射镜31和第一扫描反射镜31前的两个扫描透镜33，和第二扫描反射镜32和第二扫描反射镜32前的两个扫描透镜33，本实施例中，第一扫描反射镜31和第二扫描反射镜32均采用镀铝反射镜或镀银反射镜或镀金反射镜，扫描透镜33的数量与光学模块1的数量一致，均为四个。X轴导轨4左边两个光学模块1发出的激光，由分光装置反射进扫描头3，扫描头3通过第一扫描反射镜31将X轴导轨4左边两个扫描通道的两种激光分别反射入相应激光传播路线上的扫描透镜33中，扫描头3通过第二扫描反射镜32将X轴导轨4右边两个扫描通道的两种激光分别反射入相应激光传播路线上的扫描透镜33中，各个扫描透镜33将激光聚焦到待扫描样品6表面，以使激光将待扫描样品6中的荧光物质激发出荧光。然后，各个扫描透镜33将激光激发出的荧光收集并准直，准直后的荧光由第一扫描反射镜31和第二扫描反射镜32分别反射进分光装置，由分光装置将荧光反射进相应的光学模块1的荧光光路中。

本发明实施例扫描运动部分的扫描头3结构简单质量小，能够在机械扫描装置的带动下沿X轴导轨4高速往返扫描，从而实现对样品6的快速扫描，往返扫描时晃动小，不会导致扫描的图像时亮时暗。而且，扫描透镜33的数量能够根据用户所需的光学模块1的数量增加或者减少，结构简单、质量小，易于后期的更换和维护。

请参见图2，本发明实施例中，分光装置包括光路反射镜组，光路反射镜组内的每个光路反射镜2分别位于每个光学模块1和扫描头3之间，由于激光和荧光都是可见光或近红外光，因此，光路反射镜2可以选择镀铝反射镜、镀银反射镜及镀金反射镜中的一种或多种，即可实现对激光和荧光进行分光反射。

本发明实施例中，扫描透镜33采用双胶合消色差透镜，用于将光学模块1发出的激光汇聚到一个焦点上，多个双胶合消色差透镜分别活动设置在扫描头3内，以使双胶合消色差透镜的位置能够沿各自所在的激光传播路线上下调节，以将不同光学模块1发出的激光的焦点调节至同一焦点平面。本发明实施例采用双胶合消色差透镜将光学模块1射出的激光汇聚到一个焦点上，且能通过调节各个双胶合消色差透镜的位置使不同扫描通道上的激光处于同一焦点平面。

本发明实施例中，Z轴导轨为沿Z轴方向(Z轴方向为垂直于X轴导轨和Y轴导轨的方向)设置在机械装置上的丝杠，丝杠一端与机械装置内设置的电机转动连接(由于机械装置为现有技术中激光扫描成像仪的机械装置，该机械装置对本领域技术人员来说是清楚明白的，所以在此未对丝杠和电机进行图示)。扫描头3还包括透镜连接部34，多个扫描透镜33分别沿各自所在的激光传播路线活动设置在透镜连接部34上，具体的，四个扫描透镜33可分别通过螺栓、螺钉等螺纹结构的连接件转动连接在透镜连接部34上，出厂前就可通过调节将各个扫描透镜33转动连接在透镜连接部上的螺栓，来把四个扫描透镜33的焦点平面校准到同一平面，使用过程中即可无需再对螺栓进行调节进而校准四个扫描透镜33的焦点平面，丝杠另一端与透镜连接部34固接，透镜连接部34上设置的四个扫描透镜33在电机的转动下随丝杠沿Z轴方向移动。因此，本发明实施例中的各个扫描头透镜能够随Z轴导轨(即丝杠)在Z轴方向移动，使得多个扫描透镜之间的焦点平面可以沿Z轴方向微调，以消除尺寸公差和色差带来的焦平面不重合的影响，微调后所有光路可以同时使焦点平面与待扫描样品表面重合，实现对样品的高精度扫描。

本发明实施例中，激光器11上安装有发射透镜，发射透镜用于将激光器11发出的激光进行准直。

请参见图3-6，由于扫描噪声是影响图像质量的重要因素，为了屏蔽这些噪声，首先，激光器11和二向色滤光片12之间还设置有激发光滤光片17，用于对被发射透镜准直后的激光进行过滤。激发光滤光片17具有很高的截止深度，一般不低于OD6，能够过滤掉波长偏离较大的激光，从而除去了影响图像质量的激光中的噪声因素，提高了扫描成像仪的图像质量。其次，光学模块1的平凸透镜14和光电传感器之间设置有孔径为0.02-1mm的带孔平面18，用于过滤荧光中的杂散光。带孔平面18能够滤除聚焦为小光斑的荧光之外的杂散光，从而除去了影响图像质量的荧光中的杂散光这一噪声因素，进一步提高了扫描成像仪的图像质量。此外，平凸透镜14和带孔平面18之间设置有发射光滤光片19，用于滤除聚焦为小光斑的荧光中的激光，发射光滤光片19也具有很好的截止深度，大于OD6，能够滤除荧光中混杂的绝大部分激光，进一步提高了扫描成像仪的图像质量。

本发明第二实施例，本发明实施例是在上述实施例的基础上，结合附图1-7介绍的一个本发明的应用实例。

本发明应用实施例的激光扫描成像仪光学系统，在一台激光扫描成像仪的机械扫描装置上安装了四个光学模块1和一个扫描头3，一个光学模块1到扫描头3位一个扫描通道，即本发明应用实施例的激光扫描成像仪具有四个扫描通道。每个光学模块1包含1个激光器11，一个检测器，一个二向色滤光片12，一个发射光滤光片19，一个平凸透镜14，一个荧光反射镜13，一个激发光滤光片17，以及一个带孔平面13。

光学模块1的激光器11为根据用户定制通道灵活组装的激光二极管，激光二极管的出射波长与样品6中的荧光物质的激发效率相匹配。检测器为光电传感器，具体地，位于扫描头3左边两个光学模块1的光电传感器使用雪崩二极管APD15，位于扫描头3右边两个光学模块1的光电传感器使用光电倍增管PMT16，雪崩二极管APD15和光电倍增管PMT16所采集的光信号与样品6中荧光物质的浓度成正比，因此可以确保本光学系统拥有高灵敏度和大线性动态范围。

作为激发光光源的激光二极管的电功率为5-50mW，具有体积小，准直后能量集中的优点。由于荧光的波长大于激光波长，所以二向色滤光片12可以反射激发光、透射荧光。由于扫描中的噪声是影响激光扫描成像仪图像质量的重要因素，因此，为了屏蔽这些噪声，一方面在雪崩二极管APD15和光电倍增管PMT16前均加装了一个0.02-1mm的带孔平面13，以滤除被平凸透镜14聚焦为一个焦点的荧光之外的杂散光。另一方面在激光二极管前安装激发光滤光片17，在光电传感器(雪崩二极管APD15和光电倍增管PMT16)前还安装发射光滤光片19，激发光滤光片17和发射光滤光片19都有很高的截止深度，一般不低于OD6(10^{^-6}倍)。

由于平凸透镜14的NA值较高，在焦点处的光斑较小(小于10μm)，所以可以实现很高的分辨能力。使用机械扫描装置使光学系统在沿XY平面扫描时即可兼顾高分辨能力与大视场。

本应用实施例中，四个光路反射镜2分别位于每个光学模块1与扫描头3之间，光路反射镜2可以为镀铝反射镜、镀银反射镜及镀金反射镜中的一种或多种，光路反射镜2用于将光学模块1发出的激光反射进扫描头3，并将扫描头3收集和准直的荧光反射进光学模块1，扫描时，运动的部分只有中间的扫描头3，包含透镜和反射镜，具体地，包括沿各个扫描通道的激光传播路线依次设置的第一扫描反射镜31、第二扫描反射镜32和四个扫描透镜33。扫描头3的结构简单、质量轻便，能够沿X轴导轨4对样品6进行高速往返扫描。四个光学模块1分居扫描头3的两侧，然后四个光学模块1和扫描头3整体在机械扫描装置的带动下沿Y轴导轨5缓慢移动，由于扫描头3与光学模块1之间是平行光路，光学模块1和扫描头3始终在一条直线上，扫描头3在不同位置对光学模块1没有影响。

因此，本应用实施例的光学系统不仅具有高灵敏度，高动态范围，高对比度，扫描时间短，多检测通道。而且相对于现有的产品运动部分质量小(晃动小，可以快速扫描)，用户可以自由定制和更换光学模块1。

参见图2-4，本应用实施例的光学系统共有五个扫描通道，包括：R(红色)、G(绿色)、B(蓝色)、N(近红外)和P(phosphor荧光粉储能屏)等扫描通道，由于Phosphor荧光粉储能屏P也需要红色激光激发，所以红外激光通道R与Phosphor荧光粉储能屏通道P合并的R&P通道74为选用红外激光器的光学模块1所在的通道，为R&P通道74的光学模块1中的二向色滤光片12和发射光滤光片19的工作通带passband的数量需定制为两个。因此，本实施例中的光学系统可同时扫描4个通道G+N+B+R/P，即绿色激光通道R71(此通道的光学模块1中的激光器11选用绿色激光二极管)、近红外激光通道N72(此通道的光学模块1中的激光器11选用近红外激光二极管)、蓝色激光通道B73(此通道的光学模块1中的激光器11选用蓝色激光二极管)及R&P通道74(此通道的光学模块1中的激光器11选用红色激光二极管)。

扫描样品6时，各个扫描通道的光学模块1的工作状态如下：

各光学模块1的激光光路的工作流程为，软件和控制电路控制激光二极管打开(软件和控制电路打开激光二极管的技术为本领域技术人员公知的技术)，激光二极管发出的光经过发射透镜准直后通过激发光滤光片17过滤掉波长偏离较大的激光光线，然后经过二向色滤光片12反射出光学模块1，反射出光学模块1的准直激光光线经光路反射镜2反射后与X轴导轨4平行，绿色激光通道R71和近红外激光通道N72中的激光经第一扫描反射镜31反射后变为竖直方向，经过相应的扫描透镜33聚焦到样品6的表面，蓝色激光通道B73及R&P通道74中的激光经第二扫描反射镜32反射后变为竖直方向，经过相应的扫描透镜33聚焦到样品6的表面。

各扫描通道的激光器11的具体波长可以根据用户需求定制，每个通道都选用与荧光物质激发光谱接近的激光器11，以达到最大的光谱利用率。激光从激光器11中发出，为了保证激光的光轴和系统的光轴重合，激光器11的俯仰和偏摆角度可以调节。在激光器11前加装了一个通带passband滤光片(即激发光滤光片17)，可以使各个通道的激光波长更纯净。

为了让不同波长的激光能汇聚到同一个焦点上，扫描透镜33为双胶合消色差透镜。双胶合消色差透镜的上下位置可以适当调节，使所有通道的激光焦点处于同一平面，同时扫描透镜33可以在机械扫描装置的带动下沿Z轴导轨移动，以使各个焦点所处的焦点平面与样品6的平面重合。

样品6中的荧光物质被激光激发出荧光，荧光由扫描透镜33收集和准直，各激光通道上的准直荧光分别经由第一扫描反射镜31和第二扫描反射镜32反射后进入相应激光通道上的光路反射镜2，由光路反射镜2反射进相应的光学模块1中的荧光光路对荧光进行处理，此时，光学模块1的荧光光路的工作流程为，首先，透过二向色滤光片12射入荧光反射镜13，荧光反射镜13反射进平凸透镜14聚焦为一个小光斑，通过调节荧光反射镜13的俯仰和偏摆，将荧光小光斑移动至带孔平面18的孔中心，荧光光线穿过带孔平面18上的小孔后，左边两个光学模块1中的荧光打在雪崩二极管APD15上，右边两个光学模块1中的荧光打在光电倍增管PMT16上，荧光信号被转换为电信号。

为了滤除较强的激光的干扰，在带孔平面18的小孔前加装了一个通带passband的发射光滤光片19，它具有很好的截至深度大于OD6，能够将荧光中混杂的激光绝大部分滤除。

扫描前，还需寻找扫描平面：由于只有当样品6处于激光焦点处时信号强度最大，所以每次扫描前先在Z轴导轨的方向上通过机械扫描装置带动光学系统寻找样品6所在的平面。当机械扫描装置中的电机带动光学系统中的扫描透镜33沿Z轴导轨移动时，信号强度会有一个峰值(如图7所示)，然后把扫描透镜33移动到峰值位置开始扫描，由于光学模块1和扫描透镜33之间是准直光路，所以当用户更换光学模块1时不用再重调系统光路，这样，用户就可以定制需要的光学模块1，然后需要时自行更换。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质(如ROM/RAM、磁碟、光盘)中，包括若干指控制用以使得一台终端(可以是手机，计算机，服务器，空调器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (10)

1.一种激光扫描成像仪光学系统，所述光学系统设置在所述激光扫描成像仪的机械扫描装置上，所述机械扫描装置包括X轴导轨、Y轴导轨及Z轴导轨，所述X轴导轨滑动设置在所述Y轴导轨及所述Z轴导轨上；其特征在于，所述光学系统包括：

多个光学模块、分光装置及扫描头；所述扫描头滑动设置在所述X轴导轨上；多个所述光学模块分别固定设置在所述X轴导轨一端或两端；所述分光装置设置在所述X轴导轨上，并位于所述光学模块及所述扫描头之间；不同所述光学模块用于提供不同工作波长的激光并将激光激发出的荧光转化为电信号，所述扫描头用于将所述激光聚焦到待扫描样品表面并收集和准直激光激发出的荧光；所述分光装置用于将多个所述光学模块提供的激光分别反射进所述扫描头，并将所述扫描头收集和准直的荧光分别反射进所述光学模块。

2.如权利要求1所述的激光扫描成像仪光学系统，其特征在于，所述光学模块的光路结构包括激光光路及荧光光路，所述激光光路依次设置激光器及二向色滤光片，所述激光器发出的激光通过所述二向色滤光片反射出所述光学模块，反射出的激光由所述分光装置反射进所述扫描头；

所述荧光光路依次设置所述二向色滤光片、聚焦单元及光电传感器；所述分光装置反射入所述光学模块的荧光通过所述二向色滤光片透射后由所述聚焦单元聚焦入所述光电传感器。

3.如权利要求2所述的激光扫描成像仪光学系统，其特征在于，所述扫描头包括沿激光传播路线依次设置的第一扫描反射镜和多个扫描透镜，和/或，第二扫描反射镜和多个所述扫描透镜，所述扫描透镜的数量与所述光学模块的数量一致；

所述分光装置反射进所述扫描头的激光，通过所述第一扫描反射镜和/或所述第二扫描反射镜分别反射入相应激光传播路线上的所述扫描透镜中，各个所述扫描透镜将激光聚焦到所述待扫描样品表面，以使所述激光将所述待扫描样品中的荧光物质激发出荧光；

各个所述扫描透镜将激光激发出的荧光收集并准直，准直后的荧光由所述第一扫描反射镜和/或所述第二扫描反射镜反射进所述分光装置，由所述分光装置将荧光反射进相应的所述光学模块的荧光光路中。

4.如权利要求1-3任一所述的激光扫描成像仪光学系统，其特征在于，所述分光装置包括光路反射镜组，所述光路反射镜组内的每个光路反射镜分别位于每个所述光学模块和所述扫描头之间。

5.如权利要求3所述的激光扫描成像仪光学系统，其特征在于，扫描透镜采用双胶合消色差透镜，用于将所述光学模块发出的激光汇聚到一个焦点上；多个所述双胶合消色差透镜分别活动设置在所述扫描头内，以使所述双胶合消色差透镜的位置能够沿各自所在的激光传播路线上下调节，以将不同所述光学模块发出的激光的焦点调节至同一焦点平面。

6.如权利要求5所述的激光扫描成像仪光学系统，其特征在于，所述Z轴导轨为沿Z轴方向设置在所述机械装置上的丝杠，所述丝杠一端与所述机械装置内设置的电机转动连接；所述扫描头还包括透镜连接部，多个所述扫描透镜分别沿各自所在的激光传播路线活动设置在所述透镜连接部上，所述丝杠另一端与所述透镜连接部固接，所述透镜连接部上设置的多个所述扫描透镜在所述电机的转动下随所述丝杠沿Z轴方向移动。

7.如权利要求2所述的激光扫描成像仪光学系统，其特征在于，所述激光器上安装有发射透镜，所述发射透镜用于将所述激光器发出的激光进行准直；

所述激光器和所述二向色滤光片之间还设置有激发光滤光片，用于对被所述发射透镜准直后的激光进行过滤。

8.如权利要求2所述的激光扫描成像仪光学系统，其特征在于，所述聚焦单元包括平凸透镜，且所述平凸透镜和所述光电传感器之间设置有孔径为0.02-1mm的带孔平面，用于过滤荧光中的杂散光；所述平凸透镜和所述带孔平面之间设置有发射光滤光片，用于滤除聚焦为小光斑的荧光中的激光。

9.如权利要求8所述的激光扫描成像仪光学系统，其特征在于，所述光学模块还包括设置在所述二向色滤光片和所述平凸透镜之间的荧光反射镜，所述荧光反射镜用于将所述二向色滤光片透射的荧光反射进所述平凸透镜；

所述荧光反射镜、所述第一扫描反射镜、所述第二扫描反射镜及所述光路反射镜均为如下反射镜中的一种或多种：镀铝反射镜、镀银反射镜及镀金反射镜。

10.如权利要求2所述的激光扫描成像仪光学系统，其特征在于，不同所述光学模块中的所述激光器分别选用与不同荧光物质激发光谱相匹配的激光器。

Images