CN209102998U - 艾里斑扫描共焦成像装置 - Google Patents

Abstract

该实用新型涉及一种艾里斑扫描共焦成像装置，包括：光纤采集部，设置于探测器前，用于采集被扫描部扫描产生的艾里斑；所述探测器包括光电倍增管，用于将所述光纤采集部采集到的艾里斑信息转换成共焦图像；所述光纤采集部包括光纤束，所述光纤束中包括至少两根裸纤，每一根裸纤的尾端都被用于作为一所述探测器的探测针孔，用于采集艾里斑的信息，以提升艾里斑的共焦成像品质。本实用新型中的艾里斑扫描共焦成像装置将艾里斑放大成像到光纤束上，光纤束中的每一根裸纤都可视作非常小的单个探测针孔使用，可在激光共聚焦扫描成像技术的基础上提高1.5倍以上。

Description

艾里斑扫描共焦成像装置

技术领域

本实用新型涉及共焦成像技术领域，特别涉及一种艾里斑扫描共焦成像装置。

背景技术

激光扫描共聚焦显微镜(Laser scanning confocal microscope，LSCM)是一种先进的分子生物学和细胞生物学研究仪器。它在荧光显微镜成像的基础上加装激光扫描装置，结合数据化图像处理技术，采集组织和细胞内荧光标记图像，在亚细胞水平观察钙等离子水平的变化，并结合电生理等技术观察细胞生理活动与细胞形态及运动变化的相互关系。由于它的应用范围较广泛，已成为形态学、分子细胞生物学、神经科学和药理学等研究领域中很重要的研究技术。

激光扫描共聚焦显微镜的主要原理是利用激光扫描束通过光栅针孔形成点光源，在荧光标记标本的焦平面上逐点扫描，采集点的光信号通过探测针孔到达光电倍增管(PMT)，再经过信号处理，在计算机监视屏上形成图像。对于物镜焦平面的焦点处发出的光在针孔处可以得到很好的会聚，可以全部通过针孔被探测器接收。而在焦平面上下位置发出的光在针孔处会产生直径很大的光斑，对比针孔的直径大小，则只有极少部分的光可以透过针孔被探测器接收。而且随着距离物镜焦平面的距离越大，样品所产生的杂散光在针孔处的弥散斑就越大，能透过针孔的能量就越少(由10％到1％，慢慢接近为0％)，因而在探测器上产生的信号就越小，影响也越小。正由于共焦显微仅对样本焦平面成像，有效的避免了衍射光和和散射光的干扰，使得它具有比普通显微镜更高的分辨率，并在生物学中获得了广泛的应用。

传统激光成像由于受到衍射极限的限制，成像分辨率的极限为 Rconventional＝0.61λ/N.A，随着共焦技术的不断发展，现有技术中使用点共焦的方式进一步提高了成像分辨。

点共焦方式是入射激光通过微小针孔经过显微镜系统聚焦在样品上，激发出的信号光再通过显微系统返回再接收，探测器前端同样放置针孔滤除非聚焦层的杂散光，提高成像的分辨率。它突破了普通光学显微镜衍射极限的限制，横向分辨率是使用了相同数值孔径物镜的普通光学显微镜的1.5倍，分辨率的极限为Rconventional＝0.41λ/N.A。这种量级的分辨率已经达到了极限很难实现突破了。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种艾里斑扫描共焦成像装置，能够在激光共聚焦扫描成像技术的基础上，对图像横向分辨率又进一步提升，使得分辨率超越目前的极限。

为解决上述技术问题，本实用新型中提供了一种艾里斑扫描共焦成像装置，包括：光纤采集部，设置于探测器前，用于采集被扫描部扫描产生的艾里斑；所述探测器包括光电倍增管，用于将所述光纤采集部采集到的艾里斑信息转换成共焦图像；所述光纤采集部包括光纤束，所述光纤束中包括至少两根裸纤，每一根裸纤的尾端都被用于作为一所述探测器的探测针孔，用于采集艾里斑的信息，以提升艾里斑的共焦成像品质。

可选的，所述光纤束的横截面面积大于或等于被投射到所述光纤束上的艾里斑的面积。

可选的，所述光纤束的横截面形状与被投射到所述光纤束上的艾里斑形状相同，且所述光纤束的中心位置与投射到所述光纤束上的艾里斑的中心位置重合。

可选的，所述光纤束中心位置的裸纤较边缘位置的裸纤设置的要更为密集。

可选的，所述扫描部包括：激光光源，用于给待扫描样品提供扫描所用激光；物镜，与所述激光光源相连接，用于将激光光源出射的激光聚焦在待带扫描样品的样品面上，以提升样品面上产生的艾里斑的清晰度，以及用于采集艾里斑；分光器，设置于所述物镜上方，用于对所述物镜采集到的艾里斑进行分光，将艾里斑传送至所述光纤束处。

可选的，还包括：透镜组，设置于所述光纤束前，用于放大经分光器分光后的艾里斑，使所述艾里斑被放大投射至所述光纤束。

可选的，还包括：照明针孔，设置在所述激光光源出射的激光的光路上，用于使经所述激光光源出射的激光被转换成点光源。

可选的，所述照明针孔的尺寸与所述光纤束中裸纤的横截面尺寸相一致，均为100至200nm。

本实用新型中的艾里斑扫描共焦成像装置将艾里斑放大成像到光纤束上，光纤束中的每一根裸纤都可视作非常小的单个探测针孔使用。在将所有裸纤的信号重新分配至正确位置后，便能非常高效的通过探测器生成一幅具有高信噪比和超高分辨率的图像。各个的维度分辨率可在激光共聚焦扫描成像技术的基础上提高1.5倍以上。

附图说明

图1为光纤束的剖面图。

图2为艾里斑扫描共焦成像装置的结构示意图。

图3为光纤束上接收到艾里斑对应位置的相对信号强度示意图。

图4为光纤束不同位置的裸纤接收到的信号分别重构得到高分辨图像的示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本实用新型提出的一种艾里斑扫描共焦成像装置作进一步详细说明。

请参阅图1、2，其中图1为光纤束的剖面图，图2为艾里斑扫描共焦成像装置的结构示意图。

在该具体实施方式中，所述艾里斑扫描共焦成像装置包括：光纤采集部101，设置于探测器前，所述探测器未在图中示出。所述光纤采集部101用于采集被扫描部201扫描产生的艾里斑；所述探测器包括光电倍增管，用于将所述光纤采集部101采集到的艾里斑信息转换成共焦图像；所述光纤采集部101包括光纤束102，所述光纤束中包括至少两根裸纤103，每一根裸纤103的尾端都被用于作为一所述探测器的探测针孔，用于采集艾里斑100的信息，以提升艾里斑100的共焦成像品质。

在一种具体实施方式中，所述光纤束102的横截面面积大于或等于被投射到所述光纤束102上的艾里斑的面积。在图1所示的具体实施方式中，所述光纤束102的横截面形状与被投射到所述光纤束102上的艾里斑形状相同，且所述光纤束102的中心位置与投射到所述光纤束102上的艾里斑的中心位置重合。

通过设置具有与所述艾里斑的中心位置重合的中心位置的光纤束102，使得在设置所述光纤束102中各根裸纤103的排布的时候，可以依据所述艾里斑的分布特点来确定。

请参阅图3，为光纤束102上接收到艾里斑对应位置的相对信号强度示意图。在该具体实施方式中，可以看出，所述艾里斑的中心位置的强度最为集中，边缘位置的强度较为微弱，服从高斯分布。因此，在一种具体实施方式中，所述光纤束102中心位置的裸纤103较边缘位置的裸纤103设置的要更为密集，使得所述艾里斑的中心位置处的较强的信号能够尽可能多的被光纤束102中的裸纤103所采集到，从而获得信息量更高的共焦图像。

在一种具体实施方式中，所述扫描部201包括：激光光源202，用于给待扫描样品200提供扫描所用激光；物镜203，与所述激光光源202相连接，用于将激光光源202出射的激光聚焦在待扫描样品的样品面上，以提升样品面上产生的艾里斑的清晰度，以及用于采集艾里斑；分光器204，设置于所述物镜203上方，用于对所述物镜203采集到的艾里斑进行分光，将艾里斑传送至所述探测器处。

所述激光光源202包括单激光和多激光系统中的至少一种。在实际的使用过程中，常用的激光器包括以下三种类型：半导体激光器：405nm(近紫外谱线)、氩离子激光器：457nm、477nm、488nm、514nm(蓝绿光)、氦氖激光器：543nm(绿光-氦氖绿激光器)633nm(红光-氦氖红激光器)以及UV激光器(紫外激光器)：351nm、364nm(紫外光)。在选取激光光源202的具体构成时，可根据需要自行选择。

所述物镜203应选取大数值孔径平场复消色差物镜203，有利于艾里斑的采集，从而有利于最终形成的共焦图像的清晰度。

所述分光器204用于按波长来改变光线的传播方向，使被物镜203采集到的艾里斑能够被投射到所述光纤束102的尾端，被所述光纤束102的尾端所采集。可依据在样品面上形成的艾里斑的波长来确定所述分光器204的具体物理性质。

在一种具体实施方式中，所述艾里斑扫描共焦成像装置还包括发射荧光分色器，所述发射荧光分色器并未在图中示出。设置于所述物镜203之后、分光器204之前，用于对一定波长范围的光进行检测。在图1、2所示的具体实施方式中，所述发射荧光分色器的检测波段为所述艾里斑的波段，用于检测所述物镜203是否已经采集到艾里斑。

在图1、2所示的具体实施方式中，所述样品面被激光扫描后形成衍射极限光板，即所述艾里斑。所述艾里斑在被物镜203采集，进入所述物镜203后，首先需要经过发射荧光分色器检测，以获知所述艾里斑扫描共焦成像装置是否采集到所述艾里斑。而后再通过所述分光器204分光，改变所述艾里斑的传播方向，使所述艾里斑能够进入所述光纤束102中的裸纤103的尾端，被数个探测针孔所采集，从而在所述探测器端形成相应的共焦图像。

在一种具体实施方式中，所述艾里斑扫描共焦成像装置还包括：透镜组205，设置于所述光纤束102前，用于放大经分光器204分光后的艾里斑，使所述艾里斑被放大投射至所述光纤束102，从而使所述艾里斑能够被所述光纤束102 中的裸纤103尽可能的采集到，从而获得更高的采集率，以提高在探测器端形成的共焦图像的清晰度和分辨率。

请参阅图2，所述透镜组205中包括两块凸透镜。两块凸透镜的焦距以及各自与分光器204、光纤束102的尾端之间的距离可根据需要进行设置，只需满足对投射到所述光纤束102的尾端的艾里斑的放大作用即可。

在一种具体实施方式中，艾里斑扫描共焦成像装置还包括：照明针孔，设置在所述激光光源出射的激光的光路上，用于使所述激光通道中传输的激光转换成点光源。

在一种具体实施方式中，所述照明针孔的尺寸与所述光纤束102中裸纤103的横截面尺寸相一致，均为100至200nm。在一种具体实施方式中。所述照明针孔与所述光纤束102中的裸纤103的尾端相对于所述样品面上的光点是共轭的，探测针孔和照明针孔始终聚焦于同一点，使得样品面上形成的艾里斑通过一系列的分光器204和透镜组205等最终可同时聚焦于照明针孔和光纤束 102中裸纤103的尾端，并使得所述样品面以外的光不能被所述光纤束102的裸纤103的尾端所采集，以此来保证来自所述样品面的艾里斑可以会聚在所述光纤束102中裸纤103的范围之内，而来自样品面上方或下方的散射光都被挡在所述光纤束102中的裸纤103之外而不能成像。

在一种具体实施方式中，所述样品面和物镜203之间还设置有滤色片组，所述滤色片组并未在图中示出。所述滤色片组用于滤除杂质光，以进一步的保证所述探测器所形成的共焦图像的清晰度。

在一种具体实施方式中，所述光纤束102中的裸纤103是同心排列的，且所述光纤束102中的所有裸纤103可以同时收集从艾里斑通过的所有光，将完整的艾里斑成像至同心排列的小裸纤103上，每个小裸纤103都可视作非常小的单个探测针孔使用。在将所有裸纤103的信号重新分配至正确位置后，便能非常高效的生成一幅具有高信噪比和超高分辨率的图像。各个的维度分辨率可在激光共聚焦扫描成像技术的基础上提高1.5倍以上。

在一种具体实施方式中，所述裸纤103的材质根据通过波段的不同，可以为不同材质，包括石英裸纤103、光子晶体裸纤103等。

在一种具体实施方式中，所述艾里斑扫描共焦成像装置还包括辅助设备，所述辅助设备具体包括风冷、水冷冷却系统及稳压电源等，所述风冷、水冷冷却系统可根据需要设置于激光光源202处，或探测器处。所述稳压电源可用于连接所述激光光源202，或所述探测器，为所述激光光源202或所述探测器提供稳定电压。

在使用图1、2中所述的艾里斑扫描共焦成像装置时，在激光经所述激光光源202发出后，即被所述照明针孔转换成点光源。所述点光源被所述物镜203 聚焦在样品面上后，在样品面上形成衍射极限光斑，即艾里斑。在通过滤色片组把激光去除后，唯有样品面上产生的艾里斑可以进入所述物镜203。所述分光器204设置于所述物镜203上方，并且设置在所述艾里斑的传播光路上。艾里斑从所述物镜203进入后，被所述分光器204分光至所述透镜组205，由所述透镜组205对该艾里斑进行放大，从而使被投射至所述光纤束102的艾里斑足以被所述光纤束102中的各个裸纤103采集到。

在一种具体实施方式中，所述光纤束102中的裸纤103正好铺满整个艾里斑，每个小裸纤103都可视作非常小的单个探测针孔，光纤束102上的每一个裸纤103对信号进行同时采集，如图4所示，为光纤束102不同位置的裸纤103 接收到的信号分别重构得到高分辨图像的示意图。在该具体实施方式中，光纤束102中的每个纤芯都能重构出一张完整的样品200测试图像，只是强度会有所不同，中心位置重构的图像强度最强，位置往外的重构图片的强度依次减弱，这是由于艾里斑呈高斯分布(请参阅图3)，中心强度最强，旁边依次减弱。但是裸纤103采集到的信号重构出的每个图像都包含了艾里斑不同位置信息与微小差异，重组图像时通过信号处理重整这些图像就可以得到更高的分辨率。

本实用新型中的艾里斑扫描共焦成像装置将艾里斑放大成像到光纤束上，光纤束中的每一根裸纤都可视作非常小的单个探测针孔使用。在将所有裸纤的信号重新分配至正确位置后，便能非常高效的生成一幅具有高信噪比和超高分辨率的图像。各个的维度分辨率可在激光共聚焦扫描成像技术的基础上提高 1.5倍以上。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (8)

1.一种艾里斑扫描共焦成像装置，其特征在于，包括：

光纤采集部，设置于探测器前，用于采集被扫描部扫描产生的艾里斑；

所述探测器包括光电倍增管，用于将所述光纤采集部采集到的艾里斑信息转换成共焦图像；

所述光纤采集部包括光纤束，所述光纤束中包括至少两根裸纤，每一根裸纤的尾端都被用于作为一所述探测器的探测针孔，用于采集艾里斑的信息，以提升艾里斑的共焦成像品质。

2.根据权利要求1所述的艾里斑扫描共焦成像装置，其特征在于，所述光纤束的横截面面积大于或等于被投射到所述光纤束上的艾里斑的面积。

3.根据权利要求1所述的艾里斑扫描共焦成像装置，其特征在于，所述光纤束的横截面形状与被投射到所述光纤束上的艾里斑形状相同，且所述光纤束的中心位置与投射到所述光纤束上的艾里斑的中心位置重合。

4.根据权利要求3所述的艾里斑扫描共焦成像装置，其特征在于，所述光纤束中心位置的裸纤较边缘位置的裸纤设置的要更为密集。

5.根据权利要求1所述的艾里斑扫描共焦成像装置，其特征在于，所述扫描部包括：

激光光源，用于给待扫描样品提供扫描所用激光；

物镜，与所述激光光源相连接，用于将激光光源出射的激光聚焦在待扫描样品的样品面上，以提升样品面上产生的艾里斑的清晰度，以及用于采集艾里斑；

分光器，设置于所述物镜上方，用于对所述物镜采集到的艾里斑进行分光，将艾里斑传送至所述光纤束处。

6.根据权利要求5所述的艾里斑扫描共焦成像装置，其特征在于，还包括：透镜组，设置于所述光纤束前，用于放大经分光器分光后的艾里斑，使所述艾里斑被放大投射至所述光纤束。

7.根据权利要求5所述的艾里斑扫描共焦成像装置，其特征在于，还包括：照明针孔，设置在所述激光光源出射的激光的光路上，用于使经所述激光光源出射的激光被转换成点光源。

8.根据权利要求7所述的艾里斑扫描共焦成像装置，其特征在于，所述照明针孔的尺寸与所述光纤束中裸纤的横截面尺寸相一致，均为100至200nm。