CN112858247A - 一种多色显微镜激发光源 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多色显微镜激发光源，多色显微镜激发光源包括多色激光光源组件、光路组件和自动校准单元，多色激光光源组件包括多台单色激光器，每一台单色激光器能够产生特定波长的单色激光，光路组件包括分光路组件，其中，分光路组件对应于每一台单色激光器设置，分光路组件设置在其相应的单色激光器的激光输出光路上，用于校准单色激光器的激光出射方向、筛选所需波长的激光、以及控制筛选得到的激光按照预设方向出射，获得合束光；总光路组件设置在分光路组件的出射光路上，用于接收合束光，并按照预设比例对合束光进行分光，自动校准单元用于根据单色激光的光斑中心相对于合束光的设定光斑中心的位置偏差，调节并控制相应单色激光的传播方向。由于本发明通过设置位置传感探测器，探测合束激光的同心性，同时利用电动驱动器和控制器主动校正偏离同心的光束，因此本发明具有自动校准功能。

Description

一种多色显微镜激发光源
技术领域
本发明涉及显微镜光源技术领域，特别是关于一种多色显微镜激发光源。
背景技术
荧光显微镜是一类对特定样本使用荧光蛋白或分子标记后，利用特定波长激发光照射样品，使样品发出荧光，然后对其标记物成像的光学显微成像技术。荧光显微镜有高灵敏、专一性等特性，可用于研究细胞内物质的吸收、运输和化学物质的分布及定位等。
在超分辨显微镜中，激光从光源出射后，经过光束整形与调制，最后通过物镜照射到样本上。当前主要的超分辨显微成像技术包含：SIM、STED、PALM/STROM等都需拍摄多张原始图像重构出超分辨图像，为提高成像速度，需要光源具有较高的调制速率和较高的光束稳定性。
现有多色合束激光光源通常为合束后自由空间输出或者耦合到光学中输出，仅依靠系统中光学器件自身的稳定性实现激光输出的稳定性，但该稳定性通常会收到灰尘、气流和振动等影响。同时，光源系统进入显微镜光路中，很容易在调整中因为误触而使合束激光发生偏离。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多色显微镜激发光源来克服或至少减轻现有技术的上述缺陷中的至少一个。
为实现上述目的，本发明提供一种多色显微镜激发光源，所述多色显微镜激发光源包括多色激光光源组件、光路组件和自动校准单元，所述多色激光光源组件包括多台单色激光器，每一台单色激光器能够产生特定波长的单色激光，所述光路组件包括分光路组件，其中，所述分光路组件对应于每一台单色激光器设置，所述分光路组件设置在其相应的单色激光器的激光输出光路上，用于校准单色激光器的激光出射方向、筛选所需波长的激光、以及控制筛选得到的激光按照预设方向出射，获得合束光；所述总光路组件设置在所述分光路组件的出射光路上，用于接收所述合束光，并按照预设比例对所述合束光进行分光，所述自动校准单元用于根据单色激光的光斑中心相对于所述合束光的设定光斑中心的位置偏差，调节并控制相应单色激光的传播方向。
进一步地，每一套分光路组件包括固定反射镜、可调反射镜和二向色镜；其中，所述固定反射镜和可调反射镜共同用于将校准单色激光器的激光出射方向，按照预设方向投射到所述二向色镜，所述二向色镜用于筛选所需波长的单色激光，并按照预设传播方向出射；所述自动校准单元包括电动驱动器和位置探测传感器，其中：所述位置探测传感器用于测量单色激光的光斑中心的位置，所述电动驱动器用于根据单色激光的光斑中心相对于所述设定光斑中心的位置偏差，将所述可调反射镜的反射面角度调节至使对应的单色激光的光斑中心与所述设定光斑中心的位置偏差小于阈值。
进一步地，所述设定光斑中心为所述位置探测传感器的探测面的中心位置。
进一步地，所述光路组件还包括总光路组件，其用于按照预设比例对所述合束光进行分光，分光的一部分投射到所述位置探测传感器的探测面。
进一步地，所述多色显微镜激发光源还包括高速调制单元，所述高速调制单元用于对从所述分光路组件出射的合束光中不同波长的单色激光进行选通，选通后的所述单色激光通过所述总光路组件。
由于本发明通过设置位置传感探测器，探测合束激光的同心性，同时利用电动驱动器和控制器主动校正偏离同心的光束，因此本发明具有自动校准功能。
附图说明
图1为本发明实施例提供的多色显微镜激发光源系统的原理图。
图2为图1的系统硬件控制流程示意图。
图3为图1的激光中心位置闭环控制原理示意图。
图4为图1的激光中心自校准流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
本发明实施例提供的超分辨显微镜的多色显微镜激发光源包括多色激光光源组件、光路组件、高速调制单元、自动校准单元和上位机，其中：
多色激光光源组件包括多台单色激光器，每一台单色激光器能够产生特定波长的激光，比如：图1中示出的多色激光光源组件包括四台单色激光器，分别是可产生波长为405nm激光的第一单色激光器a1、可产生波长为488nm激光的第二单色激光器a2、可产生波长为561nm激光的第三单色激光器a3、以及可产生波长为640nm激光的第四单色激光器a4。
光路组件包括分光路组件和总光路组件。
其中，分光路组件对应于每一台单色激光器设置，具体地，分光路组件设置在其相应的单色激光器的激光输出光路上，用于校准单色激光器的激光出射方向、筛选所需波长的激光、以及控制筛选得到的激光按照预设方向出射。
在一个实施例中，每一套分光路组件包括固定反射镜、可调反射镜和二向色镜。其中，固定反射镜固定设置，可调反射镜的反射面角度可以调节。固定反射镜和可调反射镜共同将校准单色激光器的激光出射方向，按照预设的方向投射到二向色镜。二向色镜利用自身的反射和投射特性，筛选所需波长的激光，并按照预设方向出射。各套分光路组件的二向色镜的出射激光的预设方向位于同一条直线上，也就是说，筛选得到的多束所需波长的激光通过对应的二向色镜按照位于同一条直线的预设方向进行出射，合并成一束光，该光在文中描述为“合束光”。
需要说明的是，也可以利用现有的光学器件搭建不同于本实施例中的分光路组件的结构形式、但可实现相同功能的其它光路组件。
例如：如图1所示，第一单色激光器a1对应的分光路组件包括第一可调反射镜b1、第一固定反射镜c1和第一二向色镜e1，第一单色激光器a1产生的激光出射分别经过第一可调反射镜b1、第一固定反射镜c1校准，通过调节第一可调反射镜b1的角度可以改变激光的出射方向。第一二向色镜e1筛选出所需波长的激光，并按照预设方向出射。第一二向色镜e1为长通二向色镜，其筛选作用体现在：可以对45°入射的波长小于或等于405nm激光进行反射，对45°入射的波长大于405nm的激光进行透射。
同样地，第二单色激光器a2对应的分光路组件包括第二可调反射镜b2、第二固定反射镜c2和第二二向色镜e2，第二单色激光器a2产生的激光出射分别经过第二可调反射镜b2、第二固定反射镜c2校准，通过调节第二可调反射镜b2的角度可以改变激光的出射方向。第二二向色镜e2筛选出所需波长的激光，并按照预设方向出射。第二二向色镜e2为长通二向色镜，其筛选作用体现在：可以对45°入射的波长小于或等于488nm激光进行反射，对45°入射的波长大于488nm的激光进行透射。
第三单色激光器a3对应的分光路组件包括第三可调反射镜b3、第三固定反射镜c3和第三二向色镜e3，第三单色激光器a3产生的激光出射分别经过第三可调反射镜b3、第三固定反射镜c3校准，通过调节第三可调反射镜b3的角度可以改变激光的出射方向。第三二向色镜e3筛选出所需波长的激光，并按照预设方向出射。第三二向色镜e3为长通二向色镜，其筛选作用体现在：可以对45°入射的波长小于或等于561nm激光进行反射，对45°入射的波长大于561nm的激光进行透射。
第四单色激光器a4对应的分光路组件包括第四可调反射镜b4、第四固定反射镜c4和第四二向色镜e4，第四单色激光器a4产生的激光出射分别经过第四可调反射镜b4、第四固定反射镜c4校准，通过调节第四可调反射镜b4的角度可以改变激光的出射方向。第四二向色镜e4筛选出所需波长的激光，并按照预设方向出射。第四二向色镜e4为长通二向色镜，其筛选作用体现在：可以对45°入射的波长小于或等于640nm激光进行反射，对45°入射的波长大于640nm的激光进行透射。
总光路组件设置在分光路组件的出射光路上，用于接收合束光，并按照预设比例进行分光。
在一个实施例中，总光路组件包括分光棱镜1，合束光入射到分光棱镜1中，例如：当入射角度为45°时，分光棱镜1可反射10％的光强，透射90％的光强。
如图1所示，高速调制单元根据声光可调谐滤波器中压电晶体的声光布拉格衍射效应(Bragg Diffraction)对从分光路组件出射的合束光中不同波长的单色激光进行选通。当在压电晶体中加载超声波时，使得晶体中折射率发生空间周期性变化，形成相位衍射光栅，相位衍射光栅可以对衍射光的方向和相位进行调整，当衍射激光从声光可调谐滤波器的出光口出射时即为选通，通过对压电晶体加载不同频率和振幅的超声波可以实现对不同波长的衍射光的选通与振幅调制。
在一个实施例中，结合图2所示，高速调制单元包括声光可调谐滤波器2和下位机，其中，下位机采用FPGA，用于控制声光可调谐滤波器2。声光可调谐滤波器2可根据单色波长的种类，划分为多个(例如：4个以上)通道，每个通道由电压进行控制。
多色激光高速调制时，上位机发送控制指令后，下位机将指令转换为控制电压，发送控制电压到声光可调谐滤波器2，声光可调谐滤波器2可以利用晶体的声光效应对由不同波长单色激光组成的合束光进行选通，实现通道切换。例如：选通405nm波长时，只允许波长405nm激光能透过声光可调谐滤波器2，该选通频率可高达1MHz。合束光经过声光可调谐滤波器2选通后，入射到分光棱镜1中。
进一步地，通过下位机控制，每个通道可控制输出激光的通断与强度。
如图1所示，自动校准单元用于根据单色激光的位置偏差，通过调节相应的可调反射镜的偏转角度，控制相应单色激光的传播方向，使得每一种单色激光的中心位置偏差小于阈值，此时方可认定合束光处于合格的合束状态。
在一个实施例中，结合图2所示，自动校准单元包括电动驱动器和位置探测传感器3。
电动驱动器包括第一电动驱动器f1、第二电动驱动器f2、第三电动驱动器f3和第四电动驱动器f4，其中，第一电动驱动器f1安装在第一可调反射镜b1上，用于调节第一可调反射镜b1的偏转角度，调节第一单色激光器a1出射的单色激光的传播方向。第二电动驱动器f2安装在第二可调反射镜b2上，用于调节第二可调反射镜b2的偏转角度，调节第二单色激光器a2出射的单色激光的传播方向。第三电动驱动器f3安装在第三可调反射镜b3上，用于调节第三可调反射镜b3的偏转角度，调节第三单色激光器a3出射的单色激光的传播方向。第四电动驱动器f4安装在第四可调反射镜b4上，用于调节第四可调反射镜b4的偏转角度，调节第四单色激光器a4出射的单色激光的传播方向。
位置探测传感器3的光敏感单元设置在分光棱镜1的一个反射光路上，用于接收分光棱镜1反射的部分光强。例如：光强为10％的反射光入射到位置探测传感器3中。位置探测传感器3采用的是四象限位置探测传感器3，当激光束照明到位置探测传感器3的光敏感单元上时，位置探测传感器3可以测量出照明光斑中心相对于位置探测传感器3探测面的中心的位置偏差。
当各单色激光合束为合束光时，各单色激光的光束中心同心且传播方向相同。例如：当四种波长的单色激光束照射到位置探测传感器3上时，测量得到的中心位置分别为p1、p2、p3、和p4，可以通过四种单色激光的中心位置偏差作为反馈，驱动电动驱动器调节单色激光传播方向，使得四种单色激光的中心位置偏差小于阈值，进而获得的合束光才视为合格。
在一个实施例中，如图3所示，输入为给定激光中心位置Pin，控制器为上位机，执行器为电动驱动器，被控对象为反射镜，检测反馈为位置传感器的位置偏差ΔP，输出为激光中心的实际位置Pout。
如图4所示，多色合束激光的自动校准方法包括如下步骤：
步骤1，打开单色激光器，调整激光功率，使单色激光输出功率小于位置探测传感器3可接收的最大功率值。以避免输入光功率太大，损坏光电探测器。
步骤2，设定单色激光的光斑中心相对于设定光斑中心的位置偏差的阈值Pt，比如：Pt的选取范围通常为0.1mm～0.5mm。
步骤3，通过声光可调谐滤波器2切换单色激光的通道。
步骤4，位置探测传感器3读取单色激光的光斑中心位置。
步骤5，计算单色激光的光斑中心位置与位置探测传感器3的中心位置之间的偏差ΔP。
步骤6，判断ΔP与Pt大小，当ΔP大于Pt时，则执行步骤7；当ΔP小于于Pt时，则执行步骤8。
步骤7，将位置探测传感器3的中心位置设置为参考位置，并将位置偏差ΔP转化为电动驱动器的步进值，控制可调反射镜偏转，使得单色激光的光斑中心移动到位置探测传感器3探测面的中心。
步骤8，当前通道校准完成。
步骤9，切换激光通道，重复步骤1至步骤8，直到所有通道校准完成。
本发明可设定周期运行校准流程，系统会自动完成校准过程。在校准系统中判断准则为位置探测传感器3测量的激光中心实际位置与设定位置的偏差ΔP，当四色激光的偏差都小于阈值时可认为四色激光共心，完成校准。
最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。本领域的普通技术人员应当理解：可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种多色显微镜激发光源，其特征在于，包括多色激光光源组件、光路组件、自动校准单元、高速调制单元和上位机，所述多色激光光源组件包括多台单色激光器，每一台单色激光器能够产生特定波长的单色激光，所述光路组件包括分光路组件，其中，所述分光路组件对应于每一台单色激光器设置，所述分光路组件设置在其相应的单色激光器的激光输出光路上，用于校准单色激光器的激光出射方向、筛选所需波长的激光、以及控制筛选得到的激光按照预设方向出射，获得合束光；所述总光路组件设置在所述分光路组件的出射光路上，用于接收所述合束光，并按照预设比例对所述合束光进行分光，所述自动校准单元用于根据单色激光的光斑中心相对于所述合束光的设定光斑中心的位置偏差，调节并控制相应单色激光的传播方向；所述自动校准单元包括电动驱动器和位置探测传感器，其中：所述位置探测传感器用于测量单色激光的光斑中心的位置，所述电动驱动器用于根据单色激光的光斑中心相对于所述设定光斑中心的位置偏差，将所述可调反射镜的反射面角度调节至使对应的单色激光的光斑中心与所述设定光斑中心的位置偏差小于阈值；所述上位机发送控制指令后，所述高速调制单元用于对由不同波长单色激光组成的合束光进行通道切换，并将通道切换后的合束光作为所述总光路组件的入射光。
2.如权利要求1所述的多色显微镜激发光源，其特征在于，每一套分光路组件包括固定反射镜、可调反射镜和二向色镜；其中，所述固定反射镜和可调反射镜共同用于将校准单色激光器的激光出射方向，按照预设方向投射到所述二向色镜，所述二向色镜用于筛选所需波长的单色激光，并按照预设传播方向出射。
3.如权利要求2所述的多色显微镜激发光源，其特征在于，所述设定光斑中心为所述位置探测传感器的探测面的中心位置。
4.如权利要求1至3中任一项所述的多色显微镜激发光源，其特征在于，所述光路组件还包括总光路组件，其用于按照预设比例对所述合束光进行分光，分光的一部分投射到所述位置探测传感器的探测面。
5.如权利要求4所述的多色显微镜激发光源，其特征在于，所述高速调制单元包括声光可调谐滤波器和下位机，其中，所述下位机将所述上位机发送的控制指令转换为控制电压，发送给所述声光可调谐滤波器，所述声光可调谐滤波器利用晶体的声光效应对由不同波长单色激光组成的合束光进行选通，实现通道切换。
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