CN113533284A - 一种全光学高速多光子扫描成像装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于扫描装置技术领域，具体涉及一种全光学高速多光子扫描成像装置，包括激光器、中继部、扫描机构和成像机构；还包括扩束器和循环分束机构；循环分束机构包括分光片、第一反射镜及第二反射镜；分光片的透射率为m；分光片与激光器的入射光轴的夹角为45+a度；第一反射镜为夹角为90度的L型反射镜，第一反射镜的两个反射面成90度夹角，两个反射面的沿长线分别与激光器的入射光轴的夹角为45度角；第二反射镜的反光面朝向分光片，且第二反射镜与激光器的入射光轴的夹角为45度；扩束器用于将激光器发出的光束直径扩大并发送给分光片；中继部用于接收分光片的透过光并发送给扫描机构。本申请实现点扫描对散射介质的成像优势，保证成像深度。

Description

一种全光学高速多光子扫描成像装置
技术领域
本发明属于扫描装置技术领域，具体涉及一种全光学高速多光子扫描成像装置。
背景技术
为了能够观测到快速变化的神经活动，特别是直接对电压敏感染料进行成像，多光子荧光显微镜需要高达上千帧的成像速率，这种扫描速度靠机械振镜是无法达到的。实现高速扫描的解决方案之一是所谓并行化Parallelization，将激光光束通过微透镜阵列分成若干小光束beamlet，全体小光束同时扫过样品，用多个光电检测器或一个CCD/CMOS相机同时检测。这种思路存在一些问题，从同一个激光束采用分波前法分出的小光束直径太小，无法充满物镜的出瞳，无法满足物镜数值孔径的要求(导致数值孔径变低，分辨率变差)；多个检测器或一个CCD/CMOS相机同时检测类似全场Full field成像，无法区分生物样品的散射光，导致成像深度受限。
后来出现了FACED技术，不仅采用分波前法将激光光束按聚焦之后角度不同分成若干小光束，还将若干小光束进行时间拉伸，使不同角度的小光束按照特定的时间间隔依次先后到达物镜焦平面的不同位置，从而保持了点扫描对散射介质的成像优势，并且可使用单个光电倍增管PMT进行检测，通过使用1MHz重复频率的飞秒激光器实现了1M线每秒的成像速度。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种全光学高速多光子扫描成像装置，通过采用与FACED技术不同的技术，实现点扫描对散射介质的成像优势，保证成像深度。
本发明提供的基础方案为：
一种全光学高速多光子扫描成像装置，包括激光器、中继部、扫描机构和成像机构；
还包括扩束器和循环分束机构；循环分束机构包括分光片、第一反射镜及第二反射镜；分光片的透射率为m；分光片与激光器的入射光轴的夹角为45+a度；第一反射镜为夹角为90度的L型反射镜，第一反射镜的两个反射面成90度夹角，两个反射面的沿长线分别与激光器的入射光轴的夹角为45度角；第二反射镜的反光面朝向分光片，且第二反射镜与激光器的入射光轴的夹角为45度；
扩束器用于将激光器发出的光束直径扩大并发送给分光片；分光片根据接收到的光束得到穿透光及反射光，并将反射光发送给第一反射镜的一个反射面，将穿透光发送给中继部；第一反射镜的一个反射面接收到反射光后反射给另一反射面，另一反射面接收到反射光后反射给第二反射镜；第二反射镜接收到反射光后反射给分光片；分光片根据接接收到的反射光得到下一级的穿透光及反射光，并循环上述过程；
中继部用于接收分光片的透过光并发送给扫描机构；扫描机构用于对中继部发送的光束进行扫描并发送给成像机构；成像机构用于根据接收到的光束进行成像扫描。
基础方案工作原理及有益效果：
激光束输出的光束经扩束器进行直径扩大后射向分光片；通过光束经扩束器对光束直径扩大，可以保证后续产生的透过光满物镜的出瞳，满足物镜数值孔径的要求。
分光片接收到扩束器发送的光束片后进行分光，分为第一穿透光及第一反射光；第一反射光反射到第一反射镜上后，经过第一反射镜两个反射面的反射发送给第二反射镜，再由第二反射镜将第一反射光反射给分光片；分光片接收到第一反射光后对其进行分光，分为第二穿透光和第二反射光。并循环上述操作。
上述过程中，分光片每产生一个反射光，反射光都会经过第一反射镜两个反射面的反射发送给第二反射镜，再由第二反射镜将该反射光反射给分光片，由分光片产生下一级的穿透光和反射光。结合分光片、第一反射镜、和第二反射镜的安装位置及安装角度可以得知，该反射光从由分光片产生到重新回到分光片会经过2L的光程，其中，L为第一反射镜两个反射面的相交线到激光器入射光轴之间的距离。因此，任意相邻两级的穿透光之间，均会存在2L/c的时间间隔，其中，c为真空中光速。并且，该反射光到达分光片时，与上一级反射光之间存在一个2a的夹角。因此，任意相邻两级的穿透光之间，也会存在一个2a的夹角。综上，任意相邻两级的穿透光之间，均会存在2L/c的时间间隔及2a的夹角。
穿透光产生后，经过中继部后到达扫描部，扫描部进行扫描后，透过光会到达成像机构进行成像扫描。由于任意相邻两级的穿透光之间，均会存在2L/c的时间间隔及2a的夹角，各级穿透光会按不同的角度及特定的时间间隔依次先后到达成像机构的物镜焦平面的不同位置。
这样，可以实现点扫描对散射介质的成像优势，保证成像深度。
进一步，m大于等于0.1％小于等于10％。
能够保证产生足够数量的用于扫描的透过光，同时保障用于进行扫描用的透过光的质量。
进一步，m为1.25％。
这样的透射率，能够很好的兼顾用于扫描的透过光的数量和质量。
进一步，a大于等于0.01小于等于0.1。
可以合理的控制相邻两级的穿透光之间的夹角，进而控制光点在物镜焦平面的位置。
进一步，a为0.08。
能够使光点在物镜焦平面上有一个合理的位置间隔。
进一步，还包括精密移动台，精密移动台的移动方向与激光器的入射光轴成90度；第一反射镜固定在精密移动台上。
可根据实际的需求，通过精密移动台来调节第一反射镜与激光器的入射光轴之间的距离，从而调节相邻两级的穿透光之间的间隔时间。
进一步，还包括精密旋转台，反射镜安装在精密旋转台上。
可以根据实际的需求，通过精密旋转台来调节分光片与激光器的入射光轴的角度(即a的数值)，从而控制相邻两级的穿透光之间的夹角。
进一步，扫描机构包括两个沿光路方向依次设置的扫描振镜，第一个扫描振镜用于对光束进行X轴移动扫描后发送给第二个扫描振镜，第二个扫描振镜用于对光束进行Y轴移动扫描后发送给成像机构。
能够大范围且快速准确的选择扫描区域。
进一步，中继部包括两组中继透镜，分束片位于第一组中继透镜的一焦点处，第一组中继透镜的另一个焦点和第二组中继透镜的一个焦点重合，第二组中继透镜的另一个焦点位于第一个扫描振镜的扫描面。
两组中继透镜能够稳定的发挥成像中继作用。
相比于现有技术，本方案通过循环分束机构采用分振幅法对激光脉冲进行切分是本方案最具创造性的地方之一，由分振幅法进行激光脉冲切分后形成的小脉冲之间的能量差异很小，使最终产生的扫描光点序列的强度分布非常均匀，有利于提高成像深度和对比度。
而现有技术中，常用的按频谱(波长)编码，不能用于多光子成像，因为其将超快脉冲按照频谱完全分开，使超快脉冲展宽，直接使成像深度和对比度受影响。另外一种不太常用的按照空间位置进行编码方法，也就是前面提到的分波前法，由于激光器的输出光束都是高斯光束，中央强，边缘弱，采用分波前法产生的扫描光点序列的强度也是高斯分布的，非常不均匀，因此直接导致成像不均匀，明暗差异较大。
因此，利用本方案，不仅能够在成本上进行控制，还能够提高扫描光点序列的均匀性，有更好的成像效果。
附图说明
图1为本发明实施例一的光路示意图；
图2为本发明实施例一中循环分束机构的光路示意图；
图3为本发明实施例一中的扫描光点强度分布图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式进一步详细的说明：
说明书附图中的附图标记包括：激光器1、扩束器2、循环分束机构3、分光片31、第一反射镜32、第二反射镜32、中继透镜4、扫描机构5、成像机构6。
实施例一
如图1、图2所示，一种全光学高速多光子扫描成像装置，包括激光器1、扩束器2、循环分束机构3、中继部、扫描机构5和成像机构6。
激光器1用于输出激光脉冲；扩束器2用于将激光器1输出的激光进行扩束。
循环分束机构3包括分光片31、第一反射镜32及第二反射镜32。
分光片31与激光器1的入射光轴的夹角为45+a度，其中，a大于等于0.01小于等于0.1，本实施例中，a为0.08。第一反射镜32为夹角为90度的L型反射镜，第一反射镜32的两个反射面成90度夹角，两个反射面的沿长线分别与激光器1的入射光轴的夹角为45度角；本实施例中，第一反射镜32的两个反射面的长度相等。第二反射镜32的反光面朝向分光片31，且第二反射镜32与激光器1的入射光轴的夹角为45度。
扩束器2用于将激光器1发出的光束直径扩大并发送给分光片31；分光片31根据接收到的光束得到穿透光及反射光，并将反射光发送给第一反射镜32的一个反射面，将透过光发送给中继部；第一反射镜32的一个反射面接收到反射光后反射给另一反射面，另一反射面接收到反射光后反射给第二反射镜32；第二反射镜32接收到反射光后反射给分光片31；分光片31根据接接收到的反射光得到下一级的穿透光及反射光，并循环上述过程。
其中，分光片31的透射率为m，m大于等于0.1％小于等于10％，本实施例中，m为1.25％，这样的透射率，能够保证产生足够数量的用于扫描的透过光，同时保障用于进行扫描用的透过光的质量。考虑到激光器1输出的单个脉冲的能量被反复多次抽走形成的小脉冲的能量(产生的透过光)仍然能满足多光子成像的要求，如果点数(用于扫描的透过光的数量)太低，会造成能量浪费；另一方面，如果点数(用于扫描的透过光的数量)太高，则会导致激光器1的平均功率太高，而激光器1的重复频率太低会使扫描速度下降。m为1.25％，分光片31大约能产生80次可用的透过光，其余剩下的光因为能量低、速度快、不可控而被舍弃。本实施例中，直接通过控制数据采集卡不采集这部分剩余光的信号即可，这部分光就不会体现在图像上。而这样的透射率设置和对激光脉冲的80次循环分割，都是有积极意义的。因为现有常用的低重复频率脉冲激光器1的每个脉冲能量是成像用80MHz激光器1的80倍左右，所以本实施例中将脉冲分成80份，因为每个脉冲的能量比前一个的减少很多，这样的透射率能够保证到了第80个脉冲能量依然足够，能保证成像深度。能够兼顾激光器1射出激光的能量使用率及扫描速度。
本实施例中激光器1采用Monaco 1035-40-40，重复频率1MHz,脉冲宽度315fs，平均功率35W，作为泵浦源构造一台光学参量放大器Opera-F，产生波长920nm、重复频率1MHz2W平均功率的脉冲激光。而现有技术中，用来进行神经活动扫描的，大多用的是Insight X3钛宝石飞秒振荡器，产生波长920nm，重复频率80MHz 2W平均功率的激光脉冲。通过本实施例中的80次切分，能够将激光器1产生的脉冲激光在切分后，使每个小脉冲的能量都不低于现有技术中的成像扫描能量，能够保证成像深度，使扫描成像。
中继部用于接收分光片31的透过光并发送给扫描机构5。扫描机构5包括两个扫描振镜，第一个扫描振镜用于对光束进行X轴移动扫描后发送给第二个扫描振镜，第二个扫描振镜用于对光束进行Y轴移动扫描后发送给成像机构6。中继部包括两组中继透镜4，分束片位于第一组中继透镜4的一焦点处，第一组中继透镜4的另一个焦点和第二组中继透镜4的一个焦点重合，第二组中继透镜4的另一个焦点位于第一个扫描振镜的扫描面。本实施例中，两组中继透镜4分别为焦距600毫米和300毫米的透镜，两组中继透镜4可以是双胶合透镜或Plossl式目镜。
扫描机构5用于对中继部发送的透过光进行扫描并发送给成像机构6。成像机构6用于根据接收到的光束进行成像扫描。成像机构6采用现有的常规机构即可，本实施例中，成像机构6包括扫描透镜、套筒透镜、物镜、二向色镜，滤光片，聚焦透镜、光电倍增管和高速DAQ采集卡。
具体实施过程如下：
与现有技术采用的分波前法不同，本申请采用了分振幅法；激光束输出的光束经扩束器2进行直径扩大后，变成直径为D的光束并射向分光片31；分光片31接收到扩束器2发送的光束片后进行分光，分为第一穿透光及第一反射光。第一穿透光摄像经过透镜中继后由扫描部进行扫描。
第一反射光反射到第一反射镜32上后，经过第一反射镜32两个反射面的反射发送给第二反射镜32，再由第二反射镜32将第一反射光反射给分光片31；分光片31接收到第一反射光后对其进行分光，分为第二穿透光和第二反射光。并循环上述操作。
上述过程中，分光片31每产生一个反射光，反射光都会经过第一反射镜32两个反射面的反射发送给第二反射镜32，再由第二反射镜32将该反射光反射给分光片31，由分光片31产生下一级的穿透光和反射光。结合分光片31、第一反射镜32、和第二反射镜32的安装位置及安装角度可以得知，该反射光从由分光片31产生到重新回到分光片31会经过2L的光程，其中，L为第一反射镜32两个反射面的相交线到激光器1入射光轴之间的距离。因此，任意相邻两级的穿透光之间，均会存在2L/c的时间间隔，其中，c为真空中光速。并且，该反射光到达分光片31时，与上一级反射光之间存在一个2a的夹角。因此，任意相邻两级的穿透光之间，也会存在一个2a的夹角。综上，任意相邻两级的穿透光之间，均会存在2L/c的时间间隔及2a的夹角。
穿透光产生后，经过中继部后到达扫描部，扫描部对透过光扫描后，透过光经过套筒透镜，再由物镜聚焦，样品发出的荧光被收集，并经过二向色镜、滤光片、聚焦透镜进入光电倍增管，由高速DAQ采集卡进行数字化。由于任意相邻两级的穿透光之间，均会存在2L/c的时间间隔及2a的夹角，各级穿透光会按不同的角度及特定的时间间隔依次先后到达物镜焦平面的不同位置。具体的，本实施例中，光束经过物镜聚焦之后光点的时间间隔为2L/c，光点在物镜焦平面的空间间隔约为f*tan(2a)，其中，f为物镜焦距。当然，为了适配不同的物镜和成像机构6，总角度160a和扩束之后的激光光束直径D可以被分别计算出来，再分别对分束片及扩束器2进行调整设置，以满足实际的需求。
作为计算实例，一个典型的超快激光脉冲的脉冲宽度在100fs左右，光点的时间间隔是2L/c，如L＝300mm时，则时间间隔为2ns。如果采用重复频率是1MHz的激光器1，那个每个脉冲间隔为1us。这样，会有光点间隔2ns沿X轴扫一步，一组共80个光点，用时约为160ns，之后空闲840ns，再出现下一组80个光点。
如图3所示，本实施例中，采用分振幅法对激光脉冲进行切分，能够有效保证形成的扫描光点序列分布的均匀性。其中，整个序列的最高和最低能量仅差2.5倍，远比现有技术的扫描光点序列分布均匀得多。且因为本实施例中循环分束机构3的具体设置，被切分形成的第一脉冲对应的第一个光点能量是最强的，随后被切分形成的脉冲能量逐个降低，使形成的扫描光点序列能够形成一条逐渐缓慢倾斜向下的曲线，整个扫描光点序列形成的曲线非常平滑，均匀性非常高。
而现有技术中，常用的SE(Spectrally Encoded)，按频谱编码，或者称按波长编码，就是用光栅把进来的超快脉冲按频谱分开，因为有的波长先到达，有的后到达，很明显这种方法不能用于多光子成像。因为多光子成像速度非常快，想要维持超快脉冲，所有频谱都必须要在一起传播，而实际上不同波长的传播速度有的快有的慢则会导致脉冲展宽，峰值能量降低，成像深度和对比度受影响。更何况把不同波长完全分开，这种现有技术根本就做不到高速多光子扫描成像。
在现有技术中，另一种不太常用的是按照空间位置进行编码，即根据激光脉冲或者激光束的空间位置进行切分，也就是前文说的分波前法。由于激光器1的输出光束都是高斯光束，中央能量强或者说振幅大，边缘能量弱或者说振幅小；光束在被切分后变成多个小光束，所以小光束在继续传输的时候，先到达物镜焦平面的必然是原来分波前之前的光束边缘对应小光束的光点，其能量必然弱振幅必然小。然后在中间时间点到达物镜焦平面的必然是原来分波前之前的光束中间位置对应的小光束的光点，位于高斯曲线顶点，其能量最强振幅最大。最后到达物镜焦平面的必然是原来分波前之前的光束边缘对应的小光束的光点，能量必然弱振幅必然小。简言之，按照分波前法进行激光束的切分，其产生的扫描光点序列的强度分布也是高斯分布，非常的不均匀，在同一张图像上中央的部分对比度好信噪比高，两侧边缘的部分对比度差信噪比低，这直接影响到成像效果。本实施例中扫描光点强度序列形成的倾斜曲线和按照分波前法切分扫描形成的高斯分布曲线相比，本实施例的均匀性具有明显优势。
实施例二
与实施例一不同的是，本实施例中，还包括精密移动台，精密移动台的移动方向与激光器1的入射光轴成90度，第一反射镜32安装在精密移动台上。这样的设置，可根据实际的需求，通过精密移动台来调节第一反射镜32与激光器1的入射光轴之间的距离(即L的数值)，从而调节相邻两级的穿透光之间的间隔时间。
实施例三
与实施例一不同的是，本实施例中，还包括精密旋转台，反射镜安装在精密旋转台上。这样的设置，可以根据实际的需求，通过精密旋转台来调节分光片31与激光器1的入射光轴的角度(即a的数值)，从而控制相邻两级的穿透光之间的夹角。
以上所述的仅是本发明的实施例，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)

1.一种全光学高速多光子扫描成像装置，包括激光器、中继部、扫描机构和成像机构；
其特征在于：还包括扩束器和循环分束机构；循环分束机构包括分光片、第一反射镜及第二反射镜；分光片的透射率为m；分光片与激光器的入射光轴的夹角为45+a度；第一反射镜为夹角为90度的L型反射镜，第一反射镜的两个反射面成90度夹角，两个反射面的沿长线分别与激光器的入射光轴的夹角为45度角；第二反射镜的反光面朝向分光片，且第二反射镜与激光器的入射光轴的夹角为45度；
扩束器用于将激光器发出的光束直径扩大并发送给分光片；分光片根据接收到的光束得到穿透光及反射光，并将反射光发送给第一反射镜的一个反射面，将穿透光发送给中继部；第一反射镜的一个反射面接收到反射光后反射给另一反射面，另一反射面接收到反射光后反射给第二反射镜；第二反射镜接收到反射光后反射给分光片；分光片根据接接收到的反射光得到下一级的穿透光及反射光，并循环上述过程；
中继部用于接收分光片的透过光并发送给扫描机构；扫描机构用于对中继部发送的光束进行扫描并发送给成像机构；成像机构用于根据接收到的光束进行成像扫描。
2.根据权利要求1所述的全光学高速多光子扫描成像装置，其特征在于：m大于等于0.1％小于等于10％。
3.根据权利要求2所述的全光学高速多光子扫描成像装置，其特征在于：m为1.25％。
4.根据权利要求1所述的全光学高速多光子扫描成像装置，其特征在于：a大于等于0.01小于等于0.1。
5.根据权利要求4所述的全光学高速多光子扫描成像装置，其特征在于：a为0.08。
6.根据权利要求1所述的全光学高速多光子扫描成像装置，其特征在于：还包括精密移动台，精密移动台的移动方向与激光器的入射光轴成90度；第一反射镜固定在精密移动台上。
7.根据权利要求1所述的全光学高速多光子扫描成像装置，其特征在于：还包括精密旋转台，反射镜安装在精密旋转台上。
8.根据权利要求1所述的全光学高速多光子扫描成像装置，其特征在于：扫描机构包括两个沿光路方向依次设置的扫描振镜，第一个扫描振镜用于对光束进行X轴移动扫描后发送给第二个扫描振镜，第二个扫描振镜用于对光束进行Y轴移动扫描后发送给成像机构。
9.根据权利要求1所述的全光学高速多光子扫描成像装置，其特征在于：中继部包括两组中继透镜，分束片位于第一组中继透镜的一焦点处，第一组中继透镜的另一个焦点和第二组中继透镜的一个焦点重合，第二组中继透镜的另一个焦点位于第一个扫描振镜的扫描面。
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CN202110808436.3A Pending CN113533284A (zh) 2021-07-16 2021-07-16 一种全光学高速多光子扫描成像装置

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114660790A (zh) * 2022-04-06 2022-06-24 中山大学 一种光脉冲时间拉伸装置、方法及光谱测量系统

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