CN1664558A - 一种微型三维自扫描共焦显微镜 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微型三维自扫描共焦显微镜。双梳状直线扫描器由动子和二个作为定子的X向直线驱动器和Z向直线驱动器组成，第二微透镜位于动子上；点式光源发出的光经过第一微透镜后，成为准直激光束；准直激光束透过微型光学分束镜，经过微扫描反射镜反射后，由第二微透镜聚焦于样本；反射光或荧光沿原光路依次经过第二微透镜和微扫描反射镜反射后，返回到微型光学分束镜，被微光学分束镜反射的光经过第三微透镜和针孔，照射到微型光探测器；控制装置用于数据采集和处理，并控制双梳状直线扫描器在X、Y方向的焦点直线扫描。本发明具有体积小、结构简单、稳定性好、动态特性的频率响应高和直接三维立体自扫描测量的特点。

Description

一种微型三维自扫描共焦显微镜

技术领域

本发明属于检测技术领域，具体涉及一种微型三维自扫描共焦显微镜。

背景技术

共焦显微镜作为半透明的生物样本(包括细胞和组织)的一种有力的成像分析工具，在生物医学研究中获得广泛应用。另外，它还广泛地应用于微细加工和各种工程表面的非接触测量和研究，以及自主微机器人的视觉。近年来学者们对此技术进行了大量研究，一直以来主要以常规的共焦显微镜为主。

在“Confocal optical microscopy”(见Rep.Prog.Phys.1996，59：427-471。)一文中提出了激光单点扫描方式或碟式共轭点阵扫描方式的共焦显微镜。其三维测量技术通常是采用二维层面扫描机构附加一维垂直进给机构，来实现多个二维层面的测量，进而重构三维特征。这种测量技术效果显著，但其结构大、动态特性的频率响应低，限制了它的应用，特别是阻碍了它直接用于生物体内。并且此方法的扫描机构较为复杂，而且振动的影响限制了测量精度和速度的提高，不适应目前快速在线检测的需求。

“Stacked two dimensional micro-lens scanner for micro confocalimaging array.”(见【2】Micro Electro Mechanical Systems，2002.TheFifteenth IEEE International Conference：483-486)将二维直线驱动、定位的微扫描透镜机构用于共焦扫描显微镜的阵列，实现了二维扫描。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足之处，提供一种微型三维自扫描共焦显微镜。该微型三维自扫描共焦显微镜具有体积小、动态特性的频率响应高和直接三维立体自扫描测量的特点。

本发明提供的一种微型三维自扫描共焦显微镜，包括点式光源、三个微透镜、微光学分束镜、微扫描反射镜、双梳状直线扫描器、针孔、微型光探测器和控制装置；其中，双梳状直线扫描器由动子和二个作为定子的X向直线驱动器和Z向直线驱动器组成，第二微透镜位于动子上，X向直线驱动器用于驱动动子沿X向运动，Z向直线驱动器用于驱动动子沿Z向运动；点式光源发出的光经过第一微透镜后，成为准直激光束；准直激光束透过微型光学分束镜，经过微扫描反射镜反射后，由第二微透镜聚焦于样本；反射光或荧光沿原光路依次经过第二微透镜和微扫描反射镜反射后，返回到微型光学分束镜，被微光学分束镜反射的光经过第三微透镜和针孔，照射到微型光探测器，由其转化为光电信号输送给控制装置；控制装置控制微扫描反射镜偏转扫描，在第二微透镜的焦平面上形成Y方向的焦点扫描；控制装置控制X向直线驱动器，驱动装夹着微透镜的动子，形成X方向的焦点直线扫描；控制装置控制Z向直线驱动器，驱动装夹着微透镜的动子，形成Z方向的焦点直线扫描；控制装置对三维扫描信号进行采集处理后获得这些空间点的对应的三个方向的位置信号；微型光探测器获得这些对应空间点的光强度信号，并传送给控制装置，控制装置获得光强度信号及其对应的位置信号的集合。

本发明采用一个微扫描反射镜与具有沿相互垂直方向运动的双梳状直线扫描器和驱动微透镜的物镜实现了直接三维立体自扫描。同时，本发明利用微机电系统(MEMS)的技术，在保持共焦显微镜高测量分辨率和非接触测量优点的基础上，将激光源、微光学器件、微扫描器和微型光探测器等MEMS器件的紧凑集成，具有体积小、动态特性频率响应高和直接三维立体自扫描测量等特点，以此可解决常规共焦显微镜结构大、动态特性频率响应低的问题；本发明还具有结构简单、制造简便和稳定性好的特点。

与双微透镜的二维扫描方法相比，本微型三维自扫描共焦显微镜不但具有三维自扫描能力，而且具有光路短、简单的特点，进而可在最小噪声条件下将微型三维扫描自共焦显微镜探测器部分整合为2mm级尺寸以内。由于运动件的质量很小，其三维扫描的工作极限频率大于1kHz。

附图说明

图1为微型三维自扫描共焦显微镜的结构示意图。

图2为微型三维自扫描共焦显微镜的控制原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图为本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，微型三维自扫描共焦显微镜包括点式光源1、第一微透镜2、微光学分束镜3、微型三维自扫描器，第三微透镜10、针孔11、微型光探测器12和控制装置13。

微型三维自扫描器包括微扫描反射镜4、第二微透镜5和双梳状直线扫描器。其中，双梳状直线扫描器由一个动子6和二个作为定子的X向直线驱动器7和Z向直线驱动器8组成，第二微透镜5位于动子6上，X向直线驱动器7用于驱动动子6沿X向运动，Z向直线驱动器8用于驱动动子6沿Z向运动。

点式光源1可以是微型点式激光器或微型点式激光二极管。

点式光源1发出的光经过第一微透镜2后，成为准直激光束。准直激光束透过微型光学分束镜3，经过微扫描反射镜4反射后，由第二微透镜5聚焦于样本9。反射光或荧光沿原光路经过第二微透镜5和微扫描反射镜4反射后，返回到微型光学分束镜3。被微光学分束镜3反射的光经过第三微透镜10和针孔11，由第三微透镜10和针孔11消除离焦光线的影响后，照射到微型光探测器12，被转化为光电信号输送给控制装置13，从而获得一个空间点的光信号，这个光强度的信号是高度局域化的(对应空间点的)。

控制装置13用于控制微型三维自扫描器的三维扫描，并负责采集和处理三维扫描的位置信号(即来自微型三维自扫描器扫描的位置信号)及光强度信号(即来自于微型光探测器12的信号)。具体而言，控制装置13控制微扫描反射镜4，使之偏转扫描，形成Y方向的焦点扫描；控制装置13控制X向直线驱动器7，驱动装夹着微透镜5的动子6，形成X方向的焦点直线扫描；控制装置13控制Z向直线驱动器8，驱动装夹着微透镜5的动子，形成Z方向的焦点直线扫描，从而使微型三维自扫描共焦显微镜实现了一个微通道的三维栅格式立体扫描。控制装置13对三维扫描信号进行采集处理后获得这些空间点的对应的三个方向的位置信号；此外，微型光探测器12也获得这些对应空间点的光强度信号，并传送给控制装置；控制装置13由此获得光强度信号和位置信号的集合。

一个微通道的三维栅格式立体扫描测量的结果是三维立体点阵的光信息，三维立体约为40*40*40μm。其三维扫描的工作极限频率大于1kHz

图1中除控制装置13外的其余部分可称之为微型三维自扫描共焦显微镜探测器。它可以形成微型三维自扫描共焦显微镜探测器的阵列，以便提高工作效率。

点式光源1采用功率μW级的点式半导体激光器，其发光区的尺寸小于5μm。微光学分束镜3采用多晶硅制成，微扫描反射镜4的镜子由多晶硅加铝膜制成；微透镜由polymer制成，其焦距小于1.0mm，直径小于0.5mm。

微型三维自扫描器中的微扫描反射镜4和双梳状直线扫描器采用静电效应驱动(也可以采用电磁效应驱动)。

针孔10在金膜上制成，其孔径小于5μm。

本发明并不局限于上面所述的实例，本领域一般技术人员可以根据本发明公开的内容采用多种实施方式实现本发明。

Claims (1)

1、一种微型三维自扫描共焦显微镜，其特征在于：包括点式光源(1)、第一微透镜(2)、微光学分束镜(3)、微扫描反射镜(4)、第二微透镜(5)、双梳状直线扫描器、第三微透镜(10)、针孔(11)、微型光探测器(12)和控制装置(13)；其中，

双梳状直线扫描器由动子(6)和二个作为定子的X向直线驱动器(7)和Z向直线驱动器(8)组成，第二微透镜(5)位于动子(6)上，X向直线驱动器7用于驱动动子(6)沿X向运动，Z向直线驱动器8用于驱动动子(6)沿Z向运动；

点式光源(1)发出的光经过第一微透镜(2)后，成为准直激光束；准直激光束透过微型光学分束镜(3)，经过微扫描反射镜(4)反射后，由第二微透镜(5)聚焦于样本9；反射光或荧光沿原光路依次经过第二微透镜(5)和微扫描反射镜(4)反射后，返回到微型光学分束镜(3)，被微光学分束镜(3)反射的光经过第三微透镜(10)和针孔(11)，照射到微型光探测器(12)，由其转化为光电信号输送给控制装置(13)；

控制装置(13)控制微扫描反射镜(4)偏转扫描，在第二微透镜的焦平面上形成Y方向的焦点扫描；控制装置(13)控制X向直线驱动器(7)，驱动装夹着微透镜(5)的动子(6)，形成X方向的焦点直线扫描；控制装置(13)控制Z向直线驱动器(8)，驱动装夹着微透镜(5)的动子，形成Z方向的焦点直线扫描；控制装置(13)对三维扫描信号进行采集处理后获得这些空间点的对应的三个方向的位置信号；微型光探测器(12)获得这些对应空间点的光强度信号，并传送给控制装置，控制装置(13)获得光强度信号及其对应的位置信号的集合。

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