CN211862772U - 一种三维扫描光学显微镜 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及光学成像技术领域，公开了一种三维扫描光学显微镜，包括：准直透镜、第一二向色镜扫描器，物镜与收集透镜；还包括：第二二向色镜扫描器，用于进行远端Z轴扫描，实现三维成像；聚焦透镜，用于激光聚焦；波片：用于改变激光的偏振方向；其中，按照光路设置顺序依次为准直透镜、第一二向色镜扫描器、物镜、聚焦透镜、波片、第二二向色镜扫描器与收集透镜。本实用新型能够解决现有的微型探头存在成像速度过慢、重量过重、体积过大、无法应用于临床的技术问题。

Description

一种三维扫描光学显微镜

技术领域

本实用新型涉及光学成像技术领域，具体涉及了一种三维扫描光学显微镜。

背景技术

为了在实验动物上进行高分辨率的神经科学研究，通常采用多光子显微镜作为无创光学脑成像的技术。一般来说，在使用台式多光子显微镜时，活体样本(被研究的动物)的头部需要一直被固定，活体样本在实验期间一直都是处于物理约束和情绪压力(恐惧、未知)下，对于活体样本在自由活动的情况下的行为不能进行有效的研究。

为了解决上述问题，中国专利(公开号为CN107049247A)公开了一种微型双光子显微成像装置和方法、活体样本行为成像系统，该微型双光子显微成像装置包括：飞秒激光器，其用于产生波长为920纳米的激光；飞秒激光调制器，其用于接收所述飞秒激光器输出的激光，并预啁啾补偿激光的展宽至预设值，并输出；微型探头，微型探头包括：扫描成像部分，用于接收飞秒激光调制器输出的激光，该激光对活体样本内部的组织进行扫描，以激发活体样本产生荧光信号；和激光输出光纤，其用于接收扫描成像部分输出的荧光信号，并进行输出。微型双光子显微成像装置能够在自然生理环境中对自由活动的动物的树突和树突棘活动进行稳定的观测。

上述专利方案在具体使用过程中，微型探头和固定支架的总重量大约为2.15g(记载于上述文件的说明书0035段)，其微型探头包括微机电扫描仪(MEMS)、物镜、扫描透镜、准直器、二向色镜和采集透镜(详见该文件0071-0077段和该文件的附图1的记载)，其成像原理为，微机电扫描仪(MEMS)用于通过转动改变激光入射角角度的方式将激光(920 纳米波长的)对活体样本内部组织的平面进行二维扫描。物镜用于将来自微机电扫描仪的激光会聚到活体样本内部，以激发活体样本产生荧光信号以及用于输出荧光信号。扫描透镜布置在微机电扫描仪和物镜之间的光路上，用于将微机电扫描仪二维扫描所产生的角度变化的激光转化成位置变化的激光。准直器布置在激光输入光纤与微机电扫描仪之间，用于准直来自激光输入光纤输出的激光以及减少不同频率激光之间的色差，以与扫描透镜共同匹配物镜的图像。二向色镜设在扫描透镜和物镜之间，用于将激光和荧光信号分开以及输出荧光信号。

在上述专利方案中，其微型探头的成像速度慢(只有40Hz)，只能用于二维扫描成像，因此其微型探头的结构依然有可优化的空间，其重量也能够继续优化，其体积也能够继续优化，减少在研究过程中活体样本因不适应微型探头的重量，出现异常行为而带来的实验误差。

此外，上述微型探头还存在不能与商用内窥镜结合使用的问题。主要原因为无法满足商用内窥镜的弯曲直径(20mm-40mm)、无法满足检测无标记信号的缺陷。具体为由于该微型探头的物镜上需要设置镜筒透镜和扫描透镜，导致体积无法进一步缩小(无法缩小至5mm×5mm×5mm)，且由于其主要针对的注射有荧光染料的活体样本进行检测，在商用内窥镜使用时，临床不能对病人注射荧光染料，导致其无法应用于临床。

实用新型内容

本实用新型的目的之一是提供一种三维扫描光学成像结构，以解决现有的微型探头存在成像速度过慢、重量过重、体积过大、无法应用于临床的技术问题。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：

一种三维扫描光学显微镜，包括：

准直透镜，用于准直来自激光输入光纤输出的激光以及减少不同频率激光之间的色差并输出激光信号；

第一二向色镜扫描器，用于将激光和非线性光学信号分开以及输出非线性光学信号，还用于改变激光的入射角角度让激光对活体样本内部组织的平面进行二维点扫描；

物镜，用于将来自第一二向色镜扫描器的激光会聚到活体样本内部，以激发活体样本产生非线性光学信号以及用于输出非线性光学信号；

收集透镜，用于收集非线性光学信号并输入激光输出光纤；

还包括：

第二二向色镜扫描器，用于进行远端Z轴扫描，实现三维成像；

聚焦透镜，用于激光聚焦；

波片：用于改变激光的偏振方向；

其中，按照光路设置顺序依次为准直透镜、第一二向色镜扫描器、物镜、聚焦透镜、波片、第二二向色镜扫描器与收集透镜。

本实用新型的原理：在本方案中，s型线偏振激光从激光输入光纤输出至准直透镜，准直透镜将接收到s型线偏振激光准直成平行光(准直处理)，并减少不同频率激光之间的色差(消色差处理)。然后准直后的s型线偏振激光将到达第一二向色镜扫描器表面，第一二向色镜扫描器反射s型线偏振激光，然后聚焦透镜将s型线偏振激光聚焦在第二二向色镜扫描器的表面；过程中，s型线偏振激光继续穿过波片，s型线偏振的偏振方向将旋转45度，第二二向色镜扫描器反射激光，反射后并发散的激光再次穿过波片，激光的偏振方向再次同方向旋转45度，变成p型线偏振光，再次经过聚焦透镜变成准直的光束投射在第一二向色镜扫描器表面，第一二向色镜扫描器将透射同波长p型线偏振激光，由于第一二向色镜扫描器位于物镜的后焦平面，因此第一二向色镜扫描器将进行二维旋转，最后p型线偏振光经过物镜形成了位于样品内的二维点扫描平面；当第一二向色镜扫描器完成一帧二维点扫描图像时，第二二向色镜扫描器将通过远端扫描，使活体样本内部组织的二维点扫描平面实现了三维扫描成像。样品内被激发出非线性信号被物镜收集，经过透射非线性信号波长的第一二向色镜扫描器、聚焦透镜、波片，聚焦在第二二向色镜扫描器表面，第二二向色镜扫描器透射非线性信号波长，然后由收集透镜将非线性信号聚焦在激光输出光纤表面，完成三维扫描光学成像。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果：

1、在针对活动动物脑成像方面，本方案通过将采用第一二向色镜扫描器和第二二向色镜扫描器替代现有技术中二向色镜和微机电扫描仪，省略扫描透镜和镜筒透镜，在满足成像质量的前提下，大大提高了成像速度，优化了内部结构，减小了成像结构的自身重量。在成像结构的重量减少的前提下，在进行活体样本的数据采集时，尤其是在进行活动动物脑成像方面，更方便佩戴在动物的头上，减小了重量对动物活动的影响，避免了检测误差。

2、在针对与商用内窥镜结合使用方面，由于在临床使用时，不能对病人注射荧光染料，因此，仅能够将双光子激发自发荧光，二次谐波发生和相干反斯托克斯拉曼散射3种无标记信号的方式应用于临床，即：双光子激发自发荧光TPEAF(入射两个激发光子，出射一个细胞内源性荧光团的荧光光子)、二次谐波发生SHG(入射一个激发光子，出射一个波长为1/2的光子)以及相干反斯托克斯拉曼散射CARS(入射两个波长的三个光子，出射一个波长满足两个入射波长特定拉曼频移的光子)。上述3种无标记信号的成像方式，本方案均能够通过改变激光入射光纤中的激光的波长以及配置不同参数的二向色镜扫描器实现。而且由于本方案未设置扫描透镜和镜筒透镜，可有效地减小成像结构整体的体积，达到在临床上与商用内窥镜结合使用的效果。此外，在本方案中，由于激光输入光纤输入的激光信号和聚焦透镜接收的非线性光学信号的波长不同(即具有若干不同的波长)，因此可通过准直透镜本身具有消色差的效果，以满足基本成像需求，且无需对病人注射荧光染料，即可与现有的商用内窥镜结合使用。

进一步，所述准直透镜和第一二向色镜扫描器之间的光路上设有反射镜，反射镜用于调整准直透镜输出激光的角度并反射至第一二向色镜扫描器。加入反射镜的设计能够方便对输入到第一二向色镜扫描器上的激光的入射角角度进行调节，便于成像。

进一步，所述第一二向色镜扫描器包括第一二向色镜片和不影响非线性光学信号透射的环形的第一微机电驱动器，第一二向色镜片覆盖于环形的第一微机电驱动器上。现有的微机电扫描仪包括反射镜片和微机电驱动器，反射镜片覆盖于微机电驱动器上，其中，反射镜片有若干个，微机电驱动器可分别驱使反射镜片改变角度。在本方案中，用第一二向色镜片替换了反射镜片，且在本方案中微机电驱动器不会影响到非线性光学信号的透射，第一二向色镜片即起到了现有技术中的二向色镜的作用，也达到了让微机电驱动器改变激光反射角度的效果，而且还能够达到减少元件数量，使得整个微型光学探头体积更小、重量更轻。通过上述组装的方式，能够实现低成本获取到第一二向色镜扫描器。

进一步，所述第一二向色镜片为偏振敏感型，用于反射S型偏振光，透射p型偏振光。如此设计，能够更好地满足成像的要求。

进一步，所述第一二向色镜扫描器的晶圆的背面用蚀刻技术掏空有用于非线性光学信号透射过的第一透射孔，第一透射孔位于第一二向色镜片背面，第一二向色镜扫描器位于物镜的后焦平面。通过上述设计，能够快速地获得较为成熟的产品。

进一步，所述第二二向色镜扫描器包括第二二向色镜片和不影响非线性光学信号透射的环形的第二微机电驱动器，第二二向色镜片覆盖于环形的第二微机电驱动器上。通过第二微机电驱动器驱动第二二向色镜片旋转，从而更好地实现三维扫描。

进一步，所述第二二向色镜扫描器的晶圆的背面用蚀刻技术掏空有用于非线性光学信号透射过的第二透射孔，第二透射孔位于第二二向色镜背面，第二二向色镜扫描器位于聚焦透镜的后焦平面。通过上述设计，能够快速地获得较为成熟的产品。

进一步，还包括激光输入光纤和激光输出光纤，激光输入光纤为大模场单模光纤、保偏光纤或光子晶体光纤，激光输出光纤为光纤束或多模光纤。这样的设计能够满足本方案与商用内窥镜配合使用时，需要输入不同波长的激光的目的，更加便于本方案与商用内窥镜配合使用。这样的设计能够便于非线性光学信号的收集，满足成像需要。

进一步，还包括外壳，聚焦透镜、准直透镜、收集透镜、第一二向色镜扫描器、波片、第二二向色镜扫描器、物镜以及反射镜均安装于外壳内。设置外壳，能够将其它元件紧密包裹，起到防水、防尘的作用，提供生物相容的表面，对活体样本(或者人体)不产生任何损伤。

本实用新型的目的之二是提供一种三维扫描光学显微镜，该三维扫描光学显微镜包括主体，三维扫描光学成像结构安装在主体上。通过将该三维扫描光学成像结构应用到三维扫描光学显微镜，可提高显微镜的成像效果，从而提高显微镜的观察质量。

附图说明

图1为本实用新型实施例一的原理图；

图2为图1的结构示意图；

图3为将图2中的成像结构安装在小鼠上的状态示意图；

图4为第一二向色镜扫描器的立体结构示意图；

图5为采用蚀刻的方式生产第一二向色镜扫描器的局部正剖图；

图6为本实用新型实施例一的三维扫描示意图；

图7为本实用新型实施例二的结构示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细说明：

说明书附图中的附图标记包括：准直透镜10、反射镜20、第一二向色镜扫描器30、物镜40、聚焦透镜50、波片60、第二二向色镜扫描器70、收集透镜80、激光输入光纤90、激光输出光纤91、外壳100、第一基片11、第一微机电驱动器22、第一二向色镜片33。

实施例一基本如附图1至图6所示：

一种三维扫描光学显微镜，包括外壳100，在本实施例中，外壳100为由高分子聚合物材料制成的密封结构。外壳100内按照光路依次安装有：准直透镜10、反射镜20、第一二向色镜扫描器30、物镜40、聚焦透镜50、波片60、第二二向色镜扫描器70与收集透镜80。还包括激光输入光纤90和激光输出光纤91，激光输入光纤90为大模场单模光纤、保偏光纤或光子晶体光纤，激光输出光纤91为光纤束或多模光纤。

本实施例中，准直透镜10使用的是消色差准直透镜10(#65-286，Edmund OpticsInc.，Barrington，NJ，USA；直径：2mm，等效焦距：3mm，专用近红外光)，能够准直输出激光并减少不同频率激光之间的色差，这样有利于提高传输效率(从激光源到样本高达50％)、光束聚焦和激发效率。当然也可以为消色差设计，设计波长为700nm至1600nm之间的任意 2个波长，可以为817nm和1064nm，但不限于这两个波长，其材料为光学玻璃或高分子聚合物，表面有增强透射率的光学镀膜，用于激光的准直。

反射镜20用于调整准直透镜10输出激光的角度并反射至第一二向色镜扫描器30，反射镜20包括透射面和反射面，在本实施例中，反射镜20的材料为光学玻璃或高分子聚合物，透射面有增强透射率的光学镀膜，反射面有增强反射率的光学镀膜。

第一二向色镜扫描器30，用于将激光和非线性光学信号分开以及输出非线性光学信号，还用于改变激光的入射角角度让激光对活体样本内部组织的平面进行二维点扫描。第一二向色镜扫描器30包括第一基片11、第一二向色镜片33和不影响非线性光学信号透射的环形的第一微机电驱动器22，第一微机电驱动器22固定在第一基片11上，第一二向色镜片33覆盖于环形的第一微机电驱动器22上，第一微机电驱动器22可驱使第一二向色镜片33改变角度。第一二向色镜片33为偏振敏感型，其材料为光学玻璃或高分子聚合物，用于反射波长为700nm-1600nm的s型偏振激光并透射波长为700nm-1600nm的p型偏振激光以及波长为350nm-700nm的非线性光学信号。第一二向色镜扫描器30的晶圆的背面用蚀刻技术掏空有用于非线性光学信号透射过的第一透射孔，第一透射孔位于第一二向色镜片33背面，第一二向色镜扫描器30位于物镜40的后焦平面。

物镜40为非球面透镜，曲率半径随着中心轴而变化，用以改进光学品质，减少光学元件，降低设计成本，用于将来自第一二向色镜扫描器30的激光会聚到活体样本内部，以激发活体样本产生非线性光学信号以及用于输出非线性光学信号。

收集透镜80，用于收集非线性光学信号并输入激光输出光纤91。

第二二向色镜扫描器70，用于进行远端Z轴扫描，实现三维成像，其中，第二二向色镜扫描器70的Z方向移动范围为300um。第二二向色镜扫描器70包括第二基片、第二二向色镜片和不影响非线性光学信号透射的环形的第二微机电驱动器，第二微机电驱动器固定在第二基片上，第二二向色镜片覆盖于环形的第二微机电驱动器上，第二微机电驱动器可驱使第二二向色镜片改变角度。第二二向色镜扫描器70的晶圆的背面用蚀刻技术掏空有用于非线性光学信号透射过的第二透射孔，第二透射孔位于第二二向色镜背面，第二二向色镜扫描器70位于聚焦透镜50的后焦平面。

具体实施时，将该三维扫描光学成像结构安装在待测活体样本上，待测样本可选用小鼠、狨猴、兔等。通过激光输入光纤90发射s型线偏振激光，s型线偏振激光从激光输入光纤 90输出至准直透镜10，准直透镜10将接收到s型线偏振激光准直成平行光(准直处理)，并减少不同频率激光之间的色差(消色差处理)。然后反射镜20将准直后的s型线偏振激光反射在第一二向色镜扫描器30表面，第一二向色镜扫描器30反射s型线偏振激光，然后聚焦透镜50将s型线偏振激光聚焦在第二二向色镜扫描器70的表面。过程中，s型线偏振激光继续穿过波片60，s型线偏振的偏振方向将旋转45度，第二二向色镜扫描器70反射激光，反射后并发散的激光再次穿过波片60，激光的偏振方向再次同方向旋转45度，变成p 型线偏振光，再次经过聚焦透镜50变成准直的光束投射在第一二向色镜扫描器30表面，第一二向色镜扫描器30将透射同波长p型线偏振激光，由于第一二向色镜扫描器30位于物镜 40的后焦平面，因此第一二向色镜扫描器30中的第一微机电驱动器22将驱动第一二向色镜片33进行二维旋转，最后p型线偏振光经过物镜40形成了位于样品内的二维点扫描平面。当第一二向色镜扫描器30完成一帧二维点扫描图像时，第二二向色镜扫描器70中的第二微机电驱动器将驱动第二二向色镜片沿光轴(Z方向)移动一个距离，通过远端扫描(参见 BotcherbyEJ,Smith CW,Kohl MM,et al.Aberration-free three-dimensional multiphotonimaging of neuronal activity at kHz rates.Proceedings of the National Academyof Sciences of the United States of America.2012；109(8):2919-2924.doi:10.1073/pnas.1111662109.)，使活体样本内部组织的二维点扫描平面同样沿光轴移动一个距离，从而实现了三维扫描成像。样品内被激发出非线性信号被物镜40收集，经过透射非线性信号波长的第一二向色镜扫描器30、聚焦透镜50、波片60，呈Y方向线状聚焦在第二二向色镜扫描器70表面，第二二向色镜扫描器 70透射非线性信号波长，然后由收集透镜80将非线性信号呈X方向线状聚焦在激光输出光纤91表面，并最终传输至外部光电检测设备，完成三维扫描光学成像。

此外，可将本实施例中的三维扫描光学成像结构应用到三维扫描光学显微镜，该三维扫描光学显微镜包括主体，可将三维扫描光学成像结构安装在主体上。通过将该三维扫描光学成像结构应用到三维扫描光学显微镜，可提高显微镜的成像效果，从而提高显微镜的观察质量。

实施例二基本如附图7所示：

本实施例与实施例一的区别在于：外壳100内设置有多个反射镜20，本实施例中，反射镜20的数量为三个。

在与商用内窥镜配合使用时，由于激光输入光纤90和激光输出光纤91是需要尽可能缩小安装体积，即激光输入光纤90和激光输出光纤91在三维扫描成像结构上的位置十分接近，因此在本实施例中通过设置多个反射镜20，用于调节光路，以方便与商用内窥镜配合使用。

以上所述的仅是本实用新型的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本实用新型结构的前提下，还可以作出若干变形和改进。这些也应该视为本实用新型的保护范围，这些都不会影响本实用新型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)

1.一种三维扫描光学显微镜，包括主体，其特征在于：还包括安装在主体上的三维扫描光学成像结构，三维扫描光学成像结构包括：

准直透镜，用于准直来自激光输入光纤输出的激光以及减少不同频率激光之间的色差并输出激光信号；

第一二向色镜扫描器，用于将激光和非线性光学信号分开以及输出非线性光学信号，还用于改变激光的入射角角度让激光对活体样本内部组织的平面进行二维点扫描；

物镜，用于将来自第一二向色镜扫描器的激光会聚到活体样本内部，以激发活体样本产生非线性光学信号以及用于输出非线性光学信号；

收集透镜，用于收集非线性光学信号并输入激光输出光纤；

第二二向色镜扫描器，用于进行远端Z轴扫描，实现三维成像；

聚焦透镜，用于激光聚焦；

波片：用于改变激光的偏振方向；

其中，按照光路设置顺序依次为准直透镜、第一二向色镜扫描器、物镜、聚焦透镜、波片、第二二向色镜扫描器与收集透镜。

2.根据权利要求1所述的一种三维扫描光学显微镜，其特征在于：所述准直透镜和第一二向色镜扫描器之间的光路上设有反射镜，反射镜用于调整准直透镜输出激光的角度并反射至第一二向色镜扫描器。

3.根据权利要求2所述的一种三维扫描光学显微镜，其特征在于：所述第一二向色镜扫描器包括第一二向色镜片和不影响非线性光学信号透射的环形的第一微机电驱动器，第一二向色镜片覆盖于环形的第一微机电驱动器上。

4.根据权利要求3所述的一种三维扫描光学显微镜，其特征在于：所述第一二向色镜片为偏振敏感型，用于反射S型偏振光，透射p型偏振光。

5.根据权利要求4所述的一种三维扫描光学显微镜，其特征在于：所述第一二向色镜扫描器的晶圆的背面用蚀刻技术掏空有用于非线性光学信号透射过的第一透射孔，第一透射孔位于第一二向色镜片背面，第一二向色镜扫描器位于物镜的后焦平面。

6.根据权利要求2所述的一种三维扫描光学显微镜，其特征在于：所述第二二向色镜扫描器包括第二二向色镜片和不影响非线性光学信号透射的环形的第二微机电驱动器，第二二向色镜片覆盖于环形的第二微机电驱动器上。

7.根据权利要求6所述的一种三维扫描光学显微镜，其特征在于：所述第二二向色镜扫描器的晶圆的背面用蚀刻技术掏空有用于非线性光学信号透射过的第二透射孔，第二透射孔位于第二二向色镜背面，第二二向色镜扫描器位于聚焦透镜的后焦平面。

8.根据权利要求1至7中任意一项所述的一种三维扫描光学显微镜，其特征在于：还包括激光输入光纤和激光输出光纤，激光输入光纤为大模场单模光纤、保偏光纤或光子晶体光纤，激光输出光纤为光纤束或多模光纤。

9.根据权利要求8所述的一种三维扫描光学显微镜，其特征在于：还包括外壳，聚焦透镜、准直透镜、收集透镜、第一二向色镜扫描器、波片、第二二向色镜扫描器、物镜以及反射镜均安装于外壳内。

Images