CN116774417A - 一种基于级联柔性光栅的多点激光扫描显微镜系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种基于级联柔性光栅的多点激光扫描显微镜系统，属于光学成像领域。解决传统激光扫描显微镜结构复杂、成本高、扫描速度慢且成像质量差的问题。它包括光纤激光器；空间光准直器，用于接受光纤激光器的光束后整形为平行光束并出射第一光路，第一光路上顺次间隔布置扩束组件、分光器和反射镜，物镜出射光线照射到样品上散射后沿第二光路逆向返回经分光器反射后、由第三透镜聚焦到CCD上多束衍射组件用于使第二光路产生多个衍射光束；计算机，与CCD电性连接；多束衍射组件包括沿第二光路顺次间隔布置且栅线互相垂直的第一柔性光栅和第二柔性光栅，第一柔性光栅和第二柔性光栅的周期均可均匀改变。它主要用于样品扫描。
Description
技术领域
本发明属于光学成像领域，特别是涉及一种基于级联柔性光栅的多点激光扫描显微镜系统。
背景技术
在传统的光学显微镜研究中，使用大数值孔径的物镜观察样品可以提高系统的分辨率，但由于焦平面外杂散光的影响，不能进一步提高图像的对比度。与传统光学显微镜相比，激光扫描显微镜的优势在于高精度、高分辨率、非接触式测量以及消除了焦平面外的散射光，广泛用于生物和工业检测中。
激光扫描有两种类型：线扫描和点扫描。线扫描是通过改变柱状透镜和扫描装置产生的线条纹的位置来实现的。线扫描的速度比点扫描快，但分辨率和亮度都比点扫描低。点扫描是利用点照明和点检测来提取物镜焦点处样品的详细信息，并控制物镜焦点和样品之间空间位置的相对移动来实现空间扫描的一种方法。
目前，无论是单点扫描还是多点扫描，大部分都是通过振镜或控制电动平台的运动来实现扫描。然而，电动平台的笨重和复杂的结构以及振镜内部高速移动部件的存在会导致动态扫描性能不佳。
市面上有系统由MEMS扫描仪、机械臂和光纤耦合超快激光源构成，通过转动反射镜和控制MEMS扫描仪来改变光束的扫描角度和位置实现激光光束扫描，但是其调试过程复杂，容易受到杂散光的影响，只能实现单点扫描，扫描速度缓慢。
还有系统由光源、光学系统和探测系统构成，利用衍射光学元件生成多个子光束，再使用折射光学元件将光束聚集在待检测物品表面，形成多个线焦点实现扫描，一定程度上提高系统的扫描速度，但系统结构复杂，分辨率较低，成像质量一般，无法满足高精度检测。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种基于级联柔性光栅的多点激光扫描显微镜系统，以解决传统激光扫描显微镜结构复杂、成本高、扫描速度慢且成像质量差的问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种基于级联柔性光栅的多点激光扫描显微镜系统，包括光纤激光器；空间光准直器，用于接受光纤激光器的光束后整形为平行光束并出射第一光路，所述第一光路上顺次间隔布置扩束组件、分光器和反射镜，第一光路经反射镜后出射第二光路并在第二光路上顺次间隔布置中继组件、多束衍射组件和物镜，所述物镜出射光线照射到样品上散射后沿第二光路逆向返回经分光器反射后、由第三透镜聚焦到CCD上，所述中继组件用于放大第二光路，所述多束衍射组件用于使第二光路产生多个衍射光束；计算机，与CCD电性连接；所述多束衍射组件包括沿第二光路顺次间隔布置且栅线互相垂直的第一柔性光栅和第二柔性光栅，所述第一柔性光栅和第二柔性光栅的周期均可均匀改变。
更进一步的，所述扩束组件包括顺次间隔布置的第一透镜和第二透镜。
更进一步的，所述中继组件包括沿第二光路顺次间隔布置的第一消色差透镜和第二消色差透镜。
更进一步的，所述第二光路竖直朝下设置。
更进一步的，所述光纤激光器为1550nm的可调谐激光器、最大输出功率为0.3W。
更进一步的，所述第一柔性光栅和第二柔性光栅均为聚二甲基硅氧烷光栅，光栅周期f为10µm。
更进一步的，所述第一柔性光栅和第二柔性光栅的厚度d均为0.893mm。
更进一步的，所述第一柔性光栅和第二柔性光栅均对应设置一个机械拉伸组件用于改变第一柔性光栅和第二柔性光栅的周期。
更进一步的，所述机械拉伸组件包括拉伸座、推杆和基座，所述基座上圆周均布设置多个滑槽，每个滑槽内滑动连接一个拉伸座，每个所述拉伸座对应设置一个推杆，所述推杆用于驱动拉伸座在对应的滑槽内滑动，全部拉伸座均与对应的光栅相连。
更进一步的，所述滑槽设置有8个并整体呈米字形。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本显微镜系统通过改变柔性光栅的周期，并通过两个柔性光栅叠加进行使用的方式，能够实现同时对多个点进行扫描，提升扫描效率；
2、本显微镜系统通过两个柔性光栅叠加使用的方式，能够实现横向扫描和纵向扫描，并配合放大光束的作用，能够提升质量的同时提高扫描效率；
3、本显微镜系统结构进行了简化，使得结构得到了精简，操作方式简单且稳定性好；
4、本显微镜系统通过对光束进行平行处理、放大处理和色差消除处理，能够提高成像质量。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明所述的一种基于级联柔性光栅的多点激光扫描显微镜系统的结构示意图；
图2为本发明柔性光栅的机构示意图；
图3为本发明所述的机械拉伸组件的结构示意图；
图4为本发明柔性光栅被机械拉伸组件拉伸的受力状态图；
图5为本发明所述的第一柔性光栅和第二柔性光栅进行多点激光扫描的原理图；
图6为本发明所述的图5的A部分示意图；
图7为本发明的光斑变化图。
光纤激光器1；空间光准直器2；第一透镜3；第二透镜4；分光器5；反射镜6；第一消色差透镜7；第二消色差透镜8；第一柔性光栅9；第二柔性光栅10；物镜11；样品12；第三透镜13；CCD14；计算机15；机械拉伸组件16；拉伸座16-1；推杆16-2；基座16-3。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地阐述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
参见附图说明本实施方式，一种基于级联柔性光栅的多点激光扫描显微镜系统，包括光纤激光器1；空间光准直器2，用于接受光纤激光器1的光束后整形为平行光束并出射第一光路，所述第一光路上顺次间隔布置扩束组件、分光器5和反射镜6，第一光路经反射镜6后出射第二光路并在第二光路上顺次间隔布置中继组件、多束衍射组件和物镜11，所述物镜11出射光线照射到样品12上散射后沿第二光路逆向返回经分光器5反射后、由第三透镜13聚焦到CCD14上，所述中继组件用于放大第二光路，所述多束衍射组件用于使第二光路产生多个衍射光束；计算机15，与CCD14电性连接；通过空间光准直器2能够接受光纤激光器1产生的光束并整形为平行光束进行出射，提高光线的质量。通过扩束组件的增幅作用，能够将光束进行增幅，从而起到放大光束的作用。放大后的光束经反射镜6的反射后改变光路，经中继组件对光束进行进一步放大，进一步放大的光束经多束衍射组件衍射能够产生多个衍射光束，多个衍射光束能够汇集到样品12的表面能够实现多点的同时扫描，提升扫描效率。扫描后反射的光束沿着第二光路返回经分光器5反射，由透镜13聚焦到CCD14，CCD14与计算机15连接，计算机15显示和保存所获得的图像。经过两次放大的光纤，经多束衍射组件衍射后实现多个衍射光束同步扫描的效果，提升了扫描效率的同时由于光束的放大作用能够保证光束的成像质量。
所述多束衍射组件包括沿第二光路顺次间隔布置且栅线互相垂直的第一柔性光栅9和第二柔性光栅10，所述第一柔性光栅9和第二柔性光栅10的周期均可均匀改变。通过周期性改变第一柔性光栅9和第二柔性光栅10，能够形成多个衍射光束的效果，扫描效率提升。
在本实施例中，所述扩束组件包括顺次间隔布置的第一透镜3和第二透镜4。第一透镜3和第二透镜4的设置能够对光束起到放大的作用，对于最终的成像质量提升起到辅助作用。
在本实施例中，所述中继组件包括沿第二光路顺次间隔布置的第一消色差透镜7和第二消色差透镜8。第一消色差透镜7和第二消色差透镜8组成的中继组件能够进一步对光束进行放大，对于最终的成像质量提升起到辅助作用。
在本实施例中，所述第二光路竖直朝下设置。由于样品12的摆放时，物镜11位于样品12的正上方便于对光束进行扫描，所以对于第二光路而言，设置向下的传输方向更加有利于物镜11对样品12进行扫描。
在本实施例中，所述光纤激光器1为1550nm的可调谐激光器、最大输出功率为0.3W。
在本实施例中，所述第一柔性光栅9和第二柔性光栅10均为弹性高分子材料聚二甲基硅氧烷光栅，光栅周期f为10µm。
在本实施例中，所述第一柔性光栅9和第二柔性光栅10的厚度d均为0.893mm。
在本实施例中，所述第一柔性光栅9和第二柔性光栅10均对应设置一个机械拉伸组件16用于改变第一柔性光栅9和第二柔性光栅10的周期。
在本实施例中，所述机械拉伸组件16包括拉伸座16-1、推杆16-2和基座16-3，所述基座16-3上圆周均布设置多个滑槽，每个滑槽内滑动连接一个拉伸座16-1，每个所述拉伸座16-1对应设置一个推杆16-2，所述推杆16-2用于驱动拉伸座16-1在对应的滑槽内滑动，全部拉伸座16-1均与对应的光栅相连。通过驱动组件能够带动拉伸座16-1在滑槽内进行运动，全部拉伸座16-1运动趋势相同，一块向圆周外方向伸展展开或者向中间进行缩回，对相应的第一柔性光栅9或者第二柔性光栅10进行拉伸或者恢复形变。通过对第一柔性光栅9或者第二柔性光栅10进行周期性拉伸或恢复形变的方式，能够帮助第二光路形成多个衍射光束同步扫描的效果，效率提升。
优选的，推杆16-2采用滚珠丝杠的结构形式，通过丝杠转动连接在基座16-3，并使每个丝杠与相应位置的拉伸座16-1进行螺纹连接，并为丝杠配套相应的驱动电机进行驱动，通过驱动电机带动丝杠进行转动，从而带动相应的拉伸座16-1沿着对应位置的滑槽进行相应的直线运动。
在本实施例中，所述滑槽设置有8个并整体呈米字形。相应的拉伸座16-1设置有八个，对第一柔性光栅9或者第二柔性光栅10进行夹紧时，分别对应夹紧四个角点和四个边长的中心点，然后通过各个推杆16-2对每个拉伸座16-1进行驱动使得第一柔性光栅9或者第二柔性光栅10进行周期性的变化，达到多点衍射的效果，第一柔性光栅9衍射角为θy，第二柔性光栅10衍射角为θz。
参见附图5和附图6进行说明，为了便于描述屏幕上的衍射光斑，Y-Z轴以中心的衍射光斑为原点设置。例如，（+1级, -1级）表示光束通过第一柔性光栅9时产生的+1阶衍射光斑通过第二柔性光栅10时产生-1阶衍射光斑。多点激光扫描是通过级联柔性光栅产生的（+1级, +1级）、（+1级, -1级）、（-1级, +1级）和（-1级, -1级）衍射斑实现的。
衍射原理介绍，光纤激光器1发出的激光通过两个栅线相互垂直的第一柔性光栅9和第二柔性光栅10后，产生衍射光点阵列。当通过机械拉伸组件16只均匀地改变第一柔性光栅9的周期而不改变第二柔性光栅10的周期时，多束衍射组件产生的（+1级, +1级）、（+1级, -1级）、（-1级, +1级）和（-1级, -1级）衍射斑在Z轴的坐标值Sz不发生改变，Y轴的坐标值Sy发生变化，向Z轴靠近，进行横向扫描；当通过机械拉伸组件16只均匀地改变机械拉伸组件16的周期而不改变第一柔性光栅9的周期时，第一柔性光栅9产生的（+1级, +1级）、（+1级, -1级）、（-1级, +1级）和（-1级, -1级）衍射斑在Y轴的坐标值Sy不发生改变，Z轴的坐标值Sz发生变化，向Y轴靠近，进行纵向扫描。
图7为多点激光扫描光斑变化示意图，在对第一柔性光栅9和第二柔性光栅10进行拉伸后，第二柔性光栅10产生的（+1级, +1级）、（+1级, -1级）、（-1级, +1级）和（-1级, -1级）衍射斑能够获得34.6μm×34.6μm的扫描视场。
基于级联柔性光栅的多束衍射组件形成多点激光扫描显微镜系统，使用过程中仅需调整机械拉伸组件16，控制多束衍射组件的周期，即控制衍射光束的位置，即可实现多点激光扫描，该多点激光扫描显微镜系统的结构简单紧凑，操作简单，扫描速度快，稳定性好。因此，本显微镜系统在光学成像、生物检测、医学检测领域等具有重要的应用前景。
光纤激光器1和空间光准直器2以及可能涉及到的电控程序和传感器均采用现有设备，为现有技术，此处不做赘述。
以上公开的本发明实施例只是用于帮助阐述本发明。实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。
Claims (10)
1.一种基于级联柔性光栅的多点激光扫描显微镜系统，其特征在于：包括光纤激光器（1）；空间光准直器（2），用于接受光纤激光器（1）的光束后整形为平行光束并出射第一光路，所述第一光路上顺次间隔布置扩束组件、分光器（5）和反射镜（6），第一光路经反射镜（6）后出射第二光路并在第二光路上顺次间隔布置中继组件、多束衍射组件和物镜（11），所述物镜（11）出射光线照射到样品（12）上散射后沿第二光路逆向返回经分光器（5）反射后、由第三透镜（13）聚焦到CCD（14）上，所述中继组件用于放大第二光路，所述多束衍射组件用于使第二光路产生多个衍射光束；计算机（15），与CCD（14）电性连接；
所述多束衍射组件包括沿第二光路顺次间隔布置且栅线互相垂直的第一柔性光栅（9）和第二柔性光栅（10），所述第一柔性光栅（9）和第二柔性光栅（10）的周期均可均匀改变。
2.根据权利要求1所述的一种基于级联柔性光栅的多点激光扫描显微镜系统，其特征在于：所述扩束组件包括顺次间隔布置的第一透镜（3）和第二透镜（4）。
3.根据权利要求1所述的一种基于级联柔性光栅的多点激光扫描显微镜系统，其特征在于：所述中继组件包括沿第二光路顺次间隔布置的第一消色差透镜（7）和第二消色差透镜（8）。
4.根据权利要求1所述的一种基于级联柔性光栅的多点激光扫描显微镜系统，其特征在于：所述第二光路竖直朝下设置。
5.根据权利要求1所述的一种基于级联柔性光栅的多点激光扫描显微镜系统，其特征在于：所述光纤激光器（1）为1550nm的可调谐激光器、最大输出功率为0.3W。
6.根据权利要求1所述的一种基于级联柔性光栅的多点激光扫描显微镜系统，其特征在于：所述第一柔性光栅（9）和第二柔性光栅（10）均为聚二甲基硅氧烷光栅，光栅周期为f为10µm。
7.根据权利要求6所述的一种基于级联柔性光栅的多点激光扫描显微镜系统，其特征在于：所述第一柔性光栅（9）和第二柔性光栅（10）的厚度d均为0.893mm。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的一种基于级联柔性光栅的多点激光扫描显微镜系统，其特征在于：所述第一柔性光栅（9）和第二柔性光栅（10）均对应设置一个机械拉伸组件（16）用于改变第一柔性光栅（9）和第二柔性光栅（10）的周期。
9.根据权利要求8所述的一种基于级联柔性光栅的多点激光扫描显微镜系统，其特征在于：所述机械拉伸组件（16）包括拉伸座（16-1）、推杆（16-2）和基座（16-3），所述基座（16-3）上圆周均布设置多个滑槽，每个滑槽内滑动连接一个拉伸座（16-1），每个所述拉伸座（16-1）对应设置一个推杆（16-2），所述推杆（16-2）用于驱动拉伸座（16-1）在对应的滑槽内滑动，全部拉伸座（16-1）均与对应的光栅相连。
10.根据权利要求9所述的一种基于级联柔性光栅的多点激光扫描显微镜系统，其特征在于：所述滑槽设置有8个并整体呈米字形。
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| CN116774417B (zh) | 2023-10-27 |
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