CN112925095A - 一种双面镀膜振镜、可扩展式高速扫描振镜组及显微镜 - Google Patents

Abstract

本发明涉及显微镜技术领域，具体公开了一种双面镀膜振镜、可扩展式高速扫描振镜组及显微镜，双面镀膜振镜包括第一检流计振镜，第一检流计振镜的两个表面为抛光面，两个表面均覆盖有镀膜；可扩展式高速扫描振镜组包括用于折射光束的透镜、反射光束的反射镜，还包括上述双面镀膜振镜；双面镀膜振镜用于在偏转后，改变射在双面镀膜振镜任意一面上的光束的路径，使光束通过双面镀膜振镜的次数大于两次。采用本发明的技术方案能够提高扫描速度。

Description

一种双面镀膜振镜、可扩展式高速扫描振镜组及显微镜

技术领域

本发明涉及显微镜技术领域，特别涉及一种双面镀膜振镜、可扩展式高速扫描振镜组及显微镜。

背景技术

传统扫描光学显微镜在对生物样品成像时，如果需要改变物镜的焦平面位置来获得不同层的信号，通常采用上下移动物镜的方法，而非上下移动生物样品。因为某些生物样品很脆弱，无法承受上下快速移动。本世纪初由英国牛津大学Tony Wilson等人开发了远端扫描(Remote Focusing)技术，物镜和样品均不需要上下移动，而通过轴向移动一片反射镜来改变另一个共轭焦平面的位置来实现样品一侧的成像焦平面的移动。由于反射镜的重量与物镜相比很轻，因此通过音圈(Voice Coil)等驱动器可以实现反射镜的高速振动，从而实现样品一侧的成像焦平面的快速改变。

基于上述原理，现有的点扫描激光扫描显微镜的扫描头分为快扫和慢扫两类。快扫扫描头通常是一个高速的共振扫描器负责X轴扫描和一个低速的检流计振镜负责Y轴扫描。目前世界上共振扫描器主要为以下三款产品：9.25mm光束直径26度@4KHz，5mm光束直径26度@8KHz，以及5mm光束直径10度@12KHz；其中5mm光束直径26度@8KHz的产品被激光扫描显微镜厂家所广泛采用。使用上述产品的共振扫描器可以使显微镜成像达到512*512像素@30fps(双向扫描)。而基于两个低速检流计振镜的慢扫扫描头能够提供512*512像素@2fps(双向扫描)。

受共振扫描器的光束直径限制(8KHz<5mm)，为了匹配新型低放大率显微镜物镜(视场直径大约1.6mm)的15mm左右的光束直径需求，现有的点扫描激光扫描显微镜均采用了焦距比为1：4-1：5的扫描透镜和套筒透镜的组合光路实现上述光束直径的变换匹配，同时也将共振扫描器和检流计振镜的接近30度光学扫描角度变换成显微镜物镜的6度左右视场角。

为了实现超大视场成像(视场直径大约5mm)，最常见的技术路线是维持现有的视场角，通过增大焦距来扩大视场。为了实现高数值孔径(NA)，需要增大通过显微镜物镜的光束直径(到25-40mm)。而检流计振镜在扫描光路中的作用是快速移动共振扫描器产生的扫描线，但是，检流计振镜的振动速度存在上限，导致扫描速度存在瓶颈，超大视场显微镜的性能提升有限。

为此，需要一种能够提高扫描速度的双面镀膜振镜、可扩展式高速扫描振镜组及显微镜。

发明内容

本发明提供了一种双面镀膜振镜、可扩展式高速扫描振镜组及显微镜，能够提高扫描速度。

为了解决上述技术问题，本申请提供如下技术方案：

一种双面镀膜振镜，包括第一检流计振镜，第一检流计振镜的两个表面为抛光面，两个表面均覆盖有镀膜。

基础方案原理及有益效果如下：

对第一检流计振镜的两个表面进行抛光和镀膜得到双面镀膜振镜，使双面镀膜振镜的两个表面都可以反射光束，可以让光束多次通过双面镀膜振镜，减小光束每一次的偏转角度，光束所偏转的角度最后累积成总偏转角度进行输出。由于双面镀膜振镜，转动角度小速度快，转动角度大，速度慢，本方案减小了双面镀膜振镜每次的转动角度，因此双面镀膜振镜在小角度下的偏转速度大大提高，从而获得了很高的扫描速度。

可扩展式高速扫描振镜组，包括用于折射光束的透镜、反射光束的反射镜，还包括上述双面镀膜振镜；双面镀膜振镜用于在偏转后，改变射在双面镀膜振镜任意一面上的光束的路径，使光束通过双面镀膜振镜的次数大于两次。

本方案中，光束不再是常规的只经过振镜的一面，或者双面镀膜振镜的一面就完成一次扫描，而使光束在透镜、反射镜和双面镀膜振镜构成的振镜组中循环多次，才完成一次扫描。光束经透镜、反射镜和双面镀膜振镜多次偏转的角度累积成总偏转角度进行输出。减小了双面镀膜振镜每次的转动角度，因此双面镀膜振镜在小角度下的偏转速度大大提高，从而获得了很高的扫描速度。

进一步，所述透镜的数量为16个，分别构成第一透镜组、第二透镜组、第三透镜组、第四透镜组、第五透镜组、第六透镜组、第七透镜组和第八透镜组，每个透镜组中包含2个平行的透镜；

反射镜包括第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜和第四反射镜；

双面镀膜振镜包括第一双面镀膜振镜和第二双面镀膜振镜；

第一双面镀膜振镜、第二双面镀膜振镜、第一透镜组和第二透镜组设置在轴线上；

第一透镜组位于第一双面镀膜振镜与第二双面镀膜振镜之间，第二透镜组位于第二双面镀膜振镜的左侧；

第三透镜组、第四透镜组和第五透镜组位于轴线的一侧，第六透镜组、第七透镜组和第八透镜组位于轴线的另一侧；第三透镜组、第四透镜组和第五透镜与第六透镜组、第七透镜组和第八透镜组关于轴线对称；

第一透镜组、第三透镜组、第四透镜组和第五透镜组整体上构成“口”字形；其中，第四透镜组和第七透镜组分别位于轴线最外侧；

第一反射镜和第二反射镜位于轴线的一侧，第三反射镜和第四反射镜位于轴线的另一侧；

第一反射镜和第二反射镜位于第四透镜组的两端；第三反射镜和第四反射镜位于第七透镜组的两端；第一反射镜和第二反射镜与第三反射镜和第四反射镜关于轴线对称。

进一步，所述第一反射镜和第二反射镜左右对称，第一反射镜与轴线的夹角中锐角为45°，第一反射镜、第二反射镜、第四透镜组中点的连线平行于轴线，且第一反射镜、第三透镜组和第一双面镀膜振镜中点的连线垂直于轴线，第二反射镜、第五透镜组和第二双面镀膜振镜中点的连线垂直于轴线。

第一双面镀膜振镜与第二双面镀膜振镜均偏转，光束在第一双面镀膜振镜与第二双面镀膜振镜所偏转的角度最后累积成总偏转角度进行输出。两个双面镀膜振镜分担了总偏转角度，使每个双面镀膜振镜的偏转角度大大减小，因此每个双面镀膜振镜在小角度下的偏转速度大大提高，从而获得了很高的扫描速度。

通过增加双面镀膜振镜和透镜、反射镜，与只使用现有的检流计振镜相比，扫描速度提高了一个数量级，接近了共振扫描器的速度水平。应用本方案的慢扫扫描头的激光扫描显微镜的成像速度可以显著提高，超大视野显微镜的成像速度也可以得到提升。

进一步，所述可扩展式高速扫描振镜组的数量大于或等于两个，可扩展式高速扫描振镜组之间串联。

能增加双面镀膜振镜的数量，能进一步减小每个双面镀膜振镜的偏转角度，进一步提高扫描速度。

进一步，第一双面镀膜振镜和第二双面镀膜振镜的转动角度为0-120°。

进一步，所述透镜包括第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜，反射镜包括第五反射镜、第六反射镜、第七反射镜和第八反射镜；

双面镀膜振镜位于轴线上，第一透镜和第二透镜位于双面镀膜振镜的右侧，且与双面镀膜振镜共轴线，第一透镜比第二透镜距离双面镀膜振镜更近；第三透镜和第四透镜对称设置在轴线的两侧，且位于双面镀膜振镜和第一透镜之间；

第五反射镜和第六反射镜位于轴线的一侧，第七反射镜和第八反射镜位于轴线的另一侧，第五反射镜和第七反射镜关于轴线对称，第六反射镜和第八反射镜关于轴线对称。

进一步，所述第五反射镜、第三透镜和第六反射镜中点的连线平行于轴线；第五反射镜、双面镀膜振镜中点的连线垂直于轴线。

结构上做了简化，减少了双面镀膜振镜和透镜的数量，能有效降低成本。

显微镜，包括上述可扩展式高速扫描振镜组，还包括光源导入振镜组，光源导入振镜组包括第二检流计振镜和第九透镜组。

附图说明

图1为实施例一可扩展式高速扫描振镜组的示意图；

图2为实施例二可扩展式高速扫描振镜组的示意图；

图3为实施例三可扩展式高速扫描振镜组的示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细说明：

说明书附图中的标记包括：第一透镜组1、第二透镜组2、第三透镜组3、第四透镜组4、第五透镜组5、第六透镜组6、第七透镜组7、第八透镜组8、第一双面镀膜振镜9、第二双面镀膜振镜10、第一反射镜11、第二反射镜12、第三反射镜13、第四反射镜14、第三双面镀膜振镜15、第一透镜16、第二透镜17、第三透镜18、第四透镜19、第五反射镜20、第六反射镜21、第七反射镜22、第八反射镜23、第二检流计振镜24、第九透镜组25、目标反射镜26。

实施例一

本实施例的一种双面镀膜振镜，包括第一检流计振镜，第一检流计振镜的两个表面为抛光面，两个表面均覆盖有镀膜。换句话说，加工时对第一检流计振镜的两个表面进行抛光，抛光后对第一检流计振镜的两个表面进行镀膜。本实施例中采用现有驱动装置驱动双面镀膜振镜转动即可。

如图1所示，本实施例的可扩展式高速扫描振镜组，包括透镜、反射镜和上述双面镀膜振镜。本实施例中，双面镀膜振镜为2个，透镜为16个，反射镜为4个；16个透镜中，每2个平行的透镜构成1个透镜组，分别记为第一透镜组1、第二透镜组2、第三透镜组3、第四透镜组4、第五透镜组5、第六透镜组6、第七透镜组7和第八透镜组8。

2个双面镀膜振镜设置在轴线上。本实施例中，位于右侧的双面镀膜振镜记为第一双面镀膜振镜9，位于左侧的双面镀膜振镜记为第二双面镀膜振镜10。本实施例中，轴线为虚拟的参考线，指过2个双面镀膜振镜中心的线。第一双面镀膜振镜9和第二双面镀膜振镜10的转动角度为0-120°。

第一透镜组1位于第一双面镀膜振镜9与第二双面镀膜振镜10之间，第二透镜组2位于第二双面镀膜振镜10的左侧。

轴线的两侧各对称设置3个透镜组，具体的，第三透镜组3、第四透镜组4和第五透镜组5位于轴线的一侧，第六透镜组6、第七透镜组7和第八透镜组8位于轴线的另一侧。位于轴线同一侧的3个透镜组与第一透镜组1整体上构成“口”字形。具体的，第一透镜组1、第三透镜组3、第四透镜组4和第五透镜组5整体上构成“口”字形。第一透镜组1、第六透镜组6、第七透镜组7和第八透镜组8同理。其中，第四透镜组4和第七透镜组7分别位于轴线最外侧。

4个反射镜分别记为第一反射镜11、第二反射镜12、第三反射镜13和第四反射镜14。轴线的两侧各对称设置2个反射镜，具体的，第一反射镜11和第二反射镜12位于轴线的一侧，第三反射镜13和第四反射镜14位于轴线的另一侧。

轴线同一侧的2个反射镜分别位于轴线最外侧透镜组的两端。具体的，第一反射镜11和第二反射镜12位于第四透镜组4的两端；第三反射镜13和第四反射镜14位于第七透镜组7的两端。

第一反射镜11和第二反射镜12左右对称，第一反射镜11和第二反射镜12与轴线的夹角中的锐角均为45°。第一反射镜11、第二反射镜12、第四透镜组4中点的连线平行于轴线，且第一反射镜11、第三透镜组3和第一双面镀膜振镜9中点的连线垂直于轴线，第二反射镜12、第五透镜组5和第二双面镀膜振镜10中点的连线垂直于轴线。第三反射镜13和第四反射镜14的位置同理。

本实施例的显微镜，包括上述可扩展式高速扫描振镜组，还包括光源导入振镜组和目标反射镜26。光源导入振镜组位于第一双面镀膜振镜9右侧的轴线上，从右至左依次包括1个第二检流计振镜24和2个平行的透镜，2个平行的透镜记为第九透镜组25。目标反射镜26设置在观察目标出，用于反射入射光束。

使用时，入射光束经光源导入振镜组导入到第一双面镀膜振镜9的其中一面上，第一双面镀膜振镜9已预先转动，将入射光束导入轴线下侧，经轴线下侧的3个透镜组以及2个反射镜，然后光束射在第二双面镀膜振镜10上的其中一面上，第二双面镀膜振镜10已预先转动，使光束经第二双面镀膜振镜10的其中一面后，由第一透镜组1导入第一双面镀膜振镜9的另一面上，第一双面镀膜振镜9已预先转动，将入射光束导入轴线上侧，经轴线上侧的3个透镜组以及2个反射镜，然后光束射在第二双面镀膜振镜10上的另一面上，第二双面镀膜振镜10已预先转动，将入射光束导入第二透镜组2，入射光束经第二透镜组2射在目标上。反射光束从目标反射镜26射出，然后反射光束从第二透镜组2进入，最终经第二检流计振镜24反射后射出，反射光束的行程与入射光束类似，这里不再赘述。

本实施例中，两个双面镀膜振镜同时偏转，光束在两个双面镀膜振镜所偏转的角度最后累积成总偏转角度进行输出。两个双面镀膜振镜分担了总偏转角度，使每个双面镀膜振镜的偏转角度大大减小，因此每个双面镀膜振镜在小角度下的偏转速度大大提高，从而获得了很高的扫描速度。

本实施例通过增加双面镀膜振镜和附加元件(透镜、反射镜)，与只使用第二检流计振镜24相比，扫描速度提高了一个数量级，接近了共振扫描器的速度水平。应用本实施例的慢扫扫描头的激光扫描显微镜的成像速度可以提高10倍以上，超大视野显微镜的成像速度也可以得到提升。

实施例二

如图2所示，本实施例和实施例一的区别在于，本实施例中可扩展式高速扫描振镜组的数量大于或等于两个，沿轴线分布。换句话说，可以看做可扩展式高速扫描振镜组之间串联。本实施例中，可扩展式高速扫描振镜组的数量为两个。

进一步增加了双面镀膜振镜的数量，能进一步减小每个双面镀膜振镜的偏转角度，进一步提高扫描速度。

实施例三

如图3所示，本实施例与实施例一的区别在于，本实施例中可扩展式高速扫描振镜组中，双面镀膜振镜为1个，透镜为4个，反射镜为4个。本实施例中的双面镀膜振镜记为第三双面镀膜振镜15，4个透镜分别记为第一透镜16、第二透镜17、第三透镜18和第四透镜19，4个反射镜分别记为第五反射镜20、第六反射镜21、第七反射镜22、第八反射镜23。第三双面镀膜振镜15位于轴线上。

第一透镜16和第二透镜17位于第三双面镀膜振镜15的右侧，且与第三双面镀膜振镜15共轴线，本实施例中，第一透镜16比第二透镜17距离第三双面镀膜振镜15更近；第三透镜18和第四透镜19对称设置在轴线的两侧，且位于第三双面镀膜振镜15和第一透镜16之间。

第五反射镜20和第六反射镜21位于轴线的一侧，第七反射镜22和第八反射镜23位于轴线的另一侧，

第五反射镜20和第七反射镜22关于轴线对称，第六反射镜21和第八反射镜23关于轴线对称。

第五反射镜20、第三透镜18和第六反射镜21中点的连线平行于轴线。

第五反射镜20、第三双面镀膜振镜15和第七反射镜22中点的连线垂直于轴线。

本实施例的显微镜，包括上述可扩展式高速扫描振镜组，还包括光源导入振镜组和目标反射镜26。光源导入振镜组位于第三双面镀膜振镜15右侧的轴线上。目标反射镜26设置在观察目标处，用于反射入射光束。

入射光束进入最右侧光源导入振镜组后打在第三双面镀膜振镜15上，由第三双面镀膜振镜15反射，又经过两个透镜中继并反射4次后打在第三双面镀膜振镜15的反面。入射光束由第三双面镀膜振镜15反射后又经过两个透镜中继并由位于焦点处的目标反射镜26反射之后，发射光束原路返回，最后由检流计振镜射出。

在这个过程中，光束通过第二检流计振镜24，2次，第三双面镀膜振镜15，4次，因此如果第二检流计振镜24和第三双面镀膜振镜15的光学偏转角均为a度，则最终总偏转角度为(4+2)a度。由于受透镜直径和焦距的限制，不可能无限增大第二检流计振镜24和第三双面镀膜振镜15的偏转角度，因此在满足设计要求的偏转角度(如30°)下，第二检流计振镜24和第三双面镀膜振镜15的光学偏转角均为a/(4+2)度。所以检流计振镜和第三双面镀膜振镜15的速度得以提高，实现了高速扫描。

如果将图3中虚线框内的可扩展式高速扫描振镜组看作一个模块，则通过向左侧不断串联N个这种模块，每个第二检流计振镜24和第三双面镀膜振镜15的偏转角度为a/(4N+2)度，N越大，该系统的扫描速度越快。而单一扫描速度的极限是不能突破单一第二检流计振镜24和第三双面镀膜振镜15的小角度简约响应时间的限制。这个指标最小为100us(3mm镜片)/200us(5mm镜片)/250us(10mm镜片)/350us(15mm镜片)左右。因此本实施例能够实现近似3KHz@3mm镜片或500Hz@10mm镜片或400Hz@15mm镜片的扫描速率。

而且，本实施例相比于实施一和实施例二，结构上做了简化。减少了第三双面镀膜振镜15和透镜的数量，能有效降低成本。

以上的仅是本发明的实施例，该发明不限于此实施案例涉及的领域，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 (9)

1.一种双面镀膜振镜，包括第一检流计振镜，其特征在于，第一检流计振镜的两个表面为抛光面，两个表面均覆盖有镀膜。

2.可扩展式高速扫描振镜组，包括用于折射光束的透镜、反射光束的反射镜，其特征在于，还包括权利要求1所述的双面镀膜振镜；双面镀膜振镜用于在偏转后，改变射在双面镀膜振镜任意一面上的光束的路径，使光束通过双面镀膜振镜的次数大于两次。

3.根据权利要求2所述的可扩展式高速扫描振镜组，其特征在于：所述透镜的数量为16个，分别构成第一透镜组、第二透镜组、第三透镜组、第四透镜组、第五透镜组、第六透镜组、第七透镜组和第八透镜组，每个透镜组中包含2个平行的透镜；

反射镜包括第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜和第四反射镜；

双面镀膜振镜包括第一双面镀膜振镜和第二双面镀膜振镜；

第一双面镀膜振镜、第二双面镀膜振镜、第一透镜组和第二透镜组设置在轴线上；

第一透镜组位于第一双面镀膜振镜与第二双面镀膜振镜之间，第二透镜组位于第二双面镀膜振镜的左侧；

第三透镜组、第四透镜组和第五透镜组位于轴线的一侧，第六透镜组、第七透镜组和第八透镜组位于轴线的另一侧；第三透镜组、第四透镜组和第五透镜与第六透镜组、第七透镜组和第八透镜组关于轴线对称；

第一透镜组、第三透镜组、第四透镜组和第五透镜组整体上构成“口”字形；其中，第四透镜组和第七透镜组分别位于轴线最外侧；

第一反射镜和第二反射镜位于轴线的一侧，第三反射镜和第四反射镜位于轴线的另一侧；

第一反射镜和第二反射镜位于第四透镜组的两端；第三反射镜和第四反射镜位于第七透镜组的两端；第一反射镜和第二反射镜与第三反射镜和第四反射镜关于轴线对称。

4.根据权利要求3所述的可扩展式高速扫描振镜组，其特征在于：所述第一反射镜和第二反射镜左右对称，第一反射镜与轴线的夹角中锐角为45°，第一反射镜、第二反射镜、第四透镜组中点的连线平行于轴线，且第一反射镜、第三透镜组和第一双面镀膜振镜中点的连线垂直于轴线，第二反射镜、第五透镜组和第二双面镀膜振镜中点的连线垂直于轴线。

5.根据权利要求4所述的可扩展式高速扫描振镜组，其特征在于：所述可扩展式高速扫描振镜组的数量大于或等于两个，可扩展式高速扫描振镜组之间串联。

6.根据权利要求5所述的可扩展式高速扫描振镜组，其特征在于：所述第一双面镀膜振镜和第二双面镀膜振镜的转动角度为0-120°。

7.根据权利要求2所述的可扩展式高速扫描振镜组，其特征在于：所述透镜包括第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜，反射镜包括第五反射镜、第六反射镜、第七反射镜和第八反射镜；

双面镀膜振镜位于轴线上，第一透镜和第二透镜位于双面镀膜振镜的右侧，且与双面镀膜振镜共轴线，第一透镜比第二透镜距离双面镀膜振镜更近；第三透镜和第四透镜对称设置在轴线的两侧，且位于双面镀膜振镜和第一透镜之间；

第五反射镜和第六反射镜位于轴线的一侧，第七反射镜和第八反射镜位于轴线的另一侧，第五反射镜和第七反射镜关于轴线对称，第六反射镜和第八反射镜关于轴线对称。

8.根据权利要求7所述的可扩展式高速扫描振镜组，其特征在于：所述第五反射镜、第三透镜和第六反射镜中点的连线平行于轴线；第五反射镜、双面镀膜振镜中点的连线垂直于轴线。

9.显微镜，其特征在于，包括权利要求2-8任一项所述的可扩展式高速扫描振镜组，还包括光源导入振镜组，光源导入振镜组包括第二检流计振镜和第九透镜组。

Images