CN210690410U - 一种倍幅扫描光学成像装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及生物光学成像研究设备领域，且公开了一种倍幅扫描光学成像装置，所述倍幅扫描光学成像装置包括成像装置，所述成像装置包括第一反射镜，设置在所述成像装置的固定架上，所述第一反射镜的正上方设置有第一镜筒透镜，所述第一反射镜的正左侧设置有二向色镜，所述二向色镜的正下方设置有第一扫描振镜；所述成像装置包括第三反射镜，设置在所述固定架上，所述第三反射镜的正下方设置有第二扫描振镜，所述第二扫描振镜的正左侧设置有第三镜筒透镜，所述第二扫描振镜的扫描幅度是所述第一扫描震镜的扫描幅度两倍；本实用新型提高了光学效率以及图像的信噪比，也不会导致传统共聚焦显微镜的光毒性极强，同时也对敏感的样品能完成长时间的实验。

Description

一种倍幅扫描光学成像装置

技术领域

本实用新型涉及生物光学成像研究设备领域，具体为倍幅扫描光学成像装置。

背景技术

在生物医学研究中，光学成像系统被大量用于细胞形态观察、细胞与细胞间相互作用描述、细胞内离子浓度等物理化学指标的测定、大脑中神经环路的研究；

光学成像系统在现代医学研究也起关键作用，比如在眼科的应用，可以观察晶状体，角膜、视网膜、虹膜和睫状体的结构和病理变化。在骨科研究领域的应用现状表明，在观测骨细胞形态学研究、骨细胞特异性蛋白(骨钙素)以及骨细胞之间的相互作用具有显著的优势。在肿瘤和抗癌药物筛选研究中可对单标记或者多标记细胞、组织标本及活细胞进行重复性极佳的荧光定量分析，从而对肿瘤细胞的抗原表达、细胞结构特征，抗肿瘤药物的作用及机制等方面定量化。

在物理、化学、材料科学和工业技术研发中，光学成像系统也广泛应用于单分子荧光光谱测定和凝聚态物理中自组装体系的观察，胶体化学中胶体分散相中乳胶颗粒的分布、排列、热运动及器壁效应的研究，材料科学中单新型纳米荧光颗粒的合成和光谱特性的研究，油气勘探中精确获取烃类包裹体的气液比。所有这些应用均依赖于高分辨率和高信噪比图像的获取。但是，激光共聚焦显微镜为了提高横向分辨率，针孔尺寸必须小于0.5AU，过小的针孔尺寸大大降低了进入探测器的信号量，降低了图像的信噪比。

传统的共聚焦显微镜(Laser scanning confocal microscopy,LSCM)采用激光作为激发光源,每次只对空间上的一个点(焦点)进行成像，再通过计算机控制的一点一点的扫描形成标本的二维或者三维图像。在此过程中，来自焦点以外的光信号不会对图像形成干扰，从而大大提高了显微图像的清晰度和细节分辨能力。

图1是常规共聚焦显微镜的工作原理示意图。用于激发荧光的激光束(Laser)透过入射小孔(light source pinhole)被二向色镜(Dichroic mirror)反射，通过显微物镜(Objective lens)汇聚后入射于待观察的标本(specimen)内部焦点(focal point)处。激光照射所产生的荧光(fluorescence light)和少量反射激光一起，被物镜重新收集后送往二向色镜。其中携带图像信息的荧光由于波长比较长，直接通过二向色镜并透过出射小孔(Detection pinhole)到达光电探测器(Detector)(通常是光电倍增管(PMT)变成电信号后送入计算机。而由于二向色镜的分光作用，残余的激光则被二向色镜反射，不会被探测到。

图2解释了出射小孔所起到的作用：只有焦平面上的点所发出的光才能透过出射小孔；焦平面以外的点所发出的光线在出射小孔平面是离焦的，绝大部分无法通过中心的小孔。因此，焦平面上的观察目标点呈现亮色，而非观察点则作为背景呈现黑色，反差增加，图像清晰。在成像过程中，出射小孔的位置始终与显微物镜的焦点(focal point)是一一对应的关系(共轭conjugate),因而被称为共聚焦(con-focal)显微技术。

传统共聚焦显微镜虽然避免了非焦平面上杂散光线的干扰,能够提供光切片功能,得到整个焦平面上清晰的共聚焦图像。激光共聚焦显微镜为了提高横向分辨率，针孔尺寸必须小于0.5AU，过小的针孔尺寸大大降低了进入探测器的信号量，再加上光电倍增管(PMT)的量子效率也只有20-37％.这些因素在很大程度上降低了光学效率以及图像的信噪比。也导致传统共聚焦显微镜的光毒性极强,对敏感的样品很难完成长时间的实验。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本实用新型提供了倍幅扫描光学成像装置，提高了光学效率以及图像的信噪比，也不会导致传统共聚焦显微镜的光毒性极强，同时也对敏感的样品能完成长时间的实验。

技术方案

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种倍幅扫描光学成像装置，包括显微镜及设置在所述显微镜左侧的相机，所述倍幅扫描光学成像装置包括成像装置，位于所述显微镜与所述相机之间，所述成像装置包括第一反射镜，设置在所述成像装置的固定架上，所述第一反射镜的正上方设置有第一镜筒透镜，所述第一反射镜的正左侧设置有二向色镜，所述二向色镜的正下方设置有第一扫描振镜，所述第一扫描振镜的正右侧设置有第二镜筒透镜，所述第二镜筒透镜位于所述第一反射镜的下方；所述成像装置包括第三反射镜，设置在所述固定架上，所述第三反射镜的正右侧设置有针孔，所述针孔的正右侧设置有第二反射镜，所述第二反射镜设置在所述二向色镜的正上方，所述第三反射镜的正下方设置有第二扫描振镜，所述第二扫描振镜的正左侧设置有第三镜筒透镜，所述第二扫描振镜的扫描幅度是所述第一扫描震镜的扫描幅度两倍。

优选地，所述的第一镜筒透镜、第二反射镜、二向色镜、第一扫描振镜、第二镜筒透镜、针孔、第二扫描振镜、第三镜筒透镜均安装在所述固定架上。

优选地，所述显微镜接收通过所述第二镜筒透镜的光信号。

优选地，所述相机接收通过所述第三镜筒透镜的光信号。

优选地，所述相机采用sCMOS相机。

优选地，所述针孔选用2AU的针孔。

优选地，所述倍幅扫描光学成像装置还包括激光器，设置在所述相机上方。

优选地，所述成像装置还包括控制器，安装在所述固定架上，所述控制器与所述激光器电性连接。

(三)有益效果

控制器负责开关激光以及控制激光强度,入射激光通过第一镜筒透镜将入射光转换为平行光,之后经第一反射镜以及二向色镜反射到第一扫描振镜；第一扫描振镜通过第二镜筒透镜将激光导入显微镜对生物样品进行扫描，短波长的入射光激发样品荧光信号，长波长的荧光信号原路返回至第一扫描振镜；同常规共聚焦显微镜一样，第一扫描振镜同时将激发光反射扫描至二向色镜，长波长的激发光穿透二向色镜至针孔；针孔一般设为2AU，在最大程度的保证通光量的同时也实现了光切功能，通过针孔之后的光被第三反射镜反射到第二扫描振镜，第二扫描振镜以第一扫描振镜2倍的速度将光信号扫描，通过出射第三镜筒透镜引导至相机靶面上；因为第二扫描振镜的扫描速率是第一扫描镜的扫描速率2倍，相当于在相机上放大了相邻信号点德尔间距，从而实现了提高分辨率的作用。

(四)有益效果

与现有技术相比，本实用新型提供了一种倍幅扫描光学成像装置，具备以下有益效果：

(1)本实用新型是纯光学的图像放大,通过使用不同扫描幅度的扫描振镜,最终达到分辨率的提高,在第二扫描振镜是第一扫描振镜扫描幅度2倍的设置下,可以把传统共聚焦显微镜的分辨率提高√2倍，即1.41倍；

(2)本实用新型采用两套独立的扫描振镜，分别对激发光和发射光进行扫描，这样显微镜的横向分辨率就和AU没有关联,也无需设置过小的针孔尺寸，使本实用新型不再需要传统共聚焦显微镜上非常小尺寸的针孔来阻挡背景信号,可以最大程度的接受样品的激发光,从而减少曝光时间,提高图像采集速度,并大幅改善了传统共聚焦显微镜对生物样品严重的光毒性问题；

(3)本实用新型采用量子效率为光电倍幅管2-3倍的sCMOS相机,可以实现传统共聚焦显微镜4倍的信噪比。

附图说明

图1为常规共聚焦显微镜工作原理图；

图2为出射小孔原理示意图；

图3为本实用新型的光路示意图；

图4为本实用新型的物理结构图；

图5为使用本实用新型拍摄的细胞骨架图。

图示激光器1、成像装置2、控制器21、第一镜筒透镜22、第一反射镜23、第二反射镜24、二向色镜25、第一扫描振镜26、第二镜筒透镜27、针孔28、第三反射镜29、第二扫描振镜210、第三镜筒透镜211、显微镜3、相机4。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

根据图3、图4所示，一种倍幅扫描光学成像装置，包括显微镜3及设置在所述显微镜3左侧的相机4，所述倍幅扫描光学成像装置包括成像装置2，位于所述显微镜3与所述相机4之间，所述成像装置2包括第一反射镜23，设置在所述成像装置2的固定架上，所述第一反射镜23的正上方设置有第一镜筒透镜22，所述第一反射镜23的正左侧设置有二向色镜25，所述二向色镜25的正下方设置有第一扫描振镜26，所述第一扫描振镜26的正右侧设置有第二镜筒透镜27，所述第二镜筒透镜27位于所述第一反射镜23的下方；所述成像装置2包括第三反射镜29，设置在所述固定架上，所述第三反射镜29的正右侧设置有针孔28，所述针孔28的正右侧设置有第二反射镜24，所述针孔28选用2AU的针孔，所述第二反射镜24设置在所述二向色镜25的正上方，所述第三反射镜29的正下方设置有第二扫描振镜210，所述第二扫描振镜210的正左侧设置有第三镜筒透镜211，所述第二扫描振镜210的扫描幅度是所述第一扫描震镜26的扫描幅度两倍，相当于在相机上放大了相邻信号点德尔间距，还可以把传统共聚焦显微镜的分辨率提高√2倍，即1.41倍，从而实现了提高分辨率的作用；所述的第一镜筒透镜22、第二反射镜24、二向色镜25、第一扫描振镜26、第二镜筒透镜27、针孔28、第二扫描振镜210、第三镜筒透镜211均安装在所述固定架上。

优选地，所述显微镜3接收通过所述第二镜筒透镜27的光信号，所述相机4接收通过所述第三镜筒透镜211的光信号，所述相机4采用sCMOS相机，可以实现传统共聚焦显微镜4倍的信噪比。

优选地，所述倍幅扫描光学成像装置还包括激光器1，设置在所述相机4上方；，所述成像装置2还包括控制器21，安装在所述固定架上，所述控制器2与所述激光器1电性连接，所述控制器21开关激光以及控制激光强度。

综上所述，本实用新型结构简单、设计巧妙，本实用新型是纯光学的图像放大,通过使用不同扫描幅度的扫描振镜,最终达到分辨率的提高,本实用新型两套独立的扫描振镜，分别对激发光和发射光进行扫描，这样显微镜的横向分辨率就和AU没有关联,也无需设置过小的针孔尺寸，使本实用新型不再需要传统共聚焦显微镜上非常小尺寸的针孔来阻挡背景信号,可以最大程度的接受样品的激发光,从而减少曝光时间,提高图像采集速度,并大幅改善了传统共聚焦显微镜对生物样品严重的光毒性问题；本实用新型还可以实现传统共聚焦显微镜4倍的信噪比。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种倍幅扫描光学成像装置，包括显微镜及设置在所述显微镜左侧的相机，其特征在于：所述倍幅扫描光学成像装置包括成像装置，位于所述显微镜与所述相机之间，所述成像装置包括第一反射镜，设置在所述成像装置的固定架上，所述第一反射镜的正上方设置有第一镜筒透镜，所述第一反射镜的正左侧设置有二向色镜，所述二向色镜的正下方设置有第一扫描振镜，所述第一扫描振镜的正右侧设置有第二镜筒透镜，所述第二镜筒透镜位于所述第一反射镜的下方；所述成像装置包括第三反射镜，设置在所述固定架上，所述第三反射镜的正右侧设置有针孔，所述针孔的正右侧设置有第二反射镜，所述第二反射镜设置在所述二向色镜的正上方，所述第三反射镜的正下方设置有第二扫描振镜，所述第二扫描振镜的正左侧设置有第三镜筒透镜，所述第二扫描振镜的扫描幅度是所述第一扫描震镜的扫描幅度两倍。

2.根据权利要求1所述的一种倍幅扫描光学成像装置，其特征是：所述的第一镜筒透镜、第二反射镜、二向色镜、第一扫描振镜、第二镜筒透镜、针孔、第二扫描振镜、第三镜筒透镜均安装在所述固定架上。

3.根据权利要求1所述的一种倍幅扫描光学成像装置，其特征是：所述显微镜接收通过所述第二镜筒透镜的光信号。

4.根据权利要求1所述的一种倍幅扫描光学成像装置，其特征是：所述相机接收通过所述第三镜筒透镜的光信号。

5.根据权利要求4所述的一种倍幅扫描光学成像装置，其特征是：所述相机采用sCMOS相机。

6.根据权利要求1所述的一种倍幅扫描光学成像装置，其特征是：所述针孔选用2AU的针孔。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的一种倍幅扫描光学成像装置，其特征是：所述倍幅扫描光学成像装置还包括激光器，设置在所述相机上方。

8.根据权利要求7所述的一种倍幅扫描光学成像装置，其特征是：所述成像装置还包括控制器，安装在所述固定架上，所述控制器与所述激光器电性连接。

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