CN215812411U - 一种高速激光共聚焦显微成像系统及扫描头 - Google Patents
一种高速激光共聚焦显微成像系统及扫描头 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型属于显微成像领域，公开了一种高速激光共聚焦显微成像系统及扫描头，该成像系统包括高速激光共聚焦显微成像扫描头、显微物镜模组、控制系统面板；高速激光共聚焦显微成像扫描头由多波长激光光源、中继光学组、第一MEMS扫描振镜、第二MEMS扫描振镜、荧光图像采集模组、同步驱动控制模组组成；通过同步驱动控制模组控制第一MEMS扫描振镜与第二MEMS扫描振镜的谐振频率及相位同步。以第一MEMS扫描振镜、第二MEMS扫描振镜为核心，通过同步扫描提高了扫描效率，实现了高速高分辨共聚焦荧光成像，为活体细胞的高速荧光成像和检测提供一种新的解决方案。
Description
技术领域
本实用新型涉及显微成像系统技术领域，具体为一种共聚焦显微成像系统。
背景技术
目前能够进行活细胞激光共聚焦荧光成像的技术主要有：共振式机械摆镜激光共聚焦显微镜，线扫描激光共聚焦显微镜，和转盘式激光共聚焦显微镜。共振式机械摆镜激光共聚焦显微镜采用逐点扫描，可以实现真正的共聚焦光路，成像质量最好，但是扫描速度有限，采集效率低。采用线扫描的激光共聚焦显微镜通常采用一个长条形的光阑取代小孔以获得高速扫描，但是因为其只在一个方向具有共聚焦特性，成像质量比前者差。转盘式激光共聚焦显微镜是为了解决快速变化过程的共聚焦检测问题而提出的，但是转盘式激光共聚焦显微镜技术复杂系统庞杂，设备单价很高。因此，提供一套全新的低成本高速共聚焦显微成像技术非常必要。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种高速激光共聚焦显微成像系统，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种高速激光共聚焦显微成像系统，包括高速激光共聚焦显微成像扫描头、显微物镜模组、控制系统面板，所述的显微物镜模组与高速激光共聚焦显微成像扫描头通过可拆卸的方式装配；所述显微物镜模组由倒置的显微成像系统、明场照明光源和Z轴位移载物台构成，其中明场照明光源用于为待测样品提供均匀的照明，待测样品附着荧光材料后放置于Z轴位移载物台上；所述的高速激光共聚焦显微成像扫描头包括：多波长激光光源、中继光学组、第一MEMS扫描振镜、第二MEMS扫描振镜、荧光图像采集模组、同步驱动控制模组，同步驱动控制模组控制第一MEMS扫描振镜与第二MEMS扫描振镜的谐振频率及相位同步；所述的中继光学组沿着多波长激光光源的光轴方向依次设置为：二向色滤片、准直缩束镜；所述荧光图像采集模组中包括成像透镜、面阵列探测器，面阵列探测器设置于成像透镜的像方焦面处；所述控制系统面板用于控制第一MEMS扫描振镜、第二MEMS扫描振镜、多波长激光光源的开关，控制所述面阵列探测器的执行图像采集、数据传输、数据存储、图像处理及显示；所述控制系统面板控制多波长激光光源发出激光，激光经所述中继光学组准直缩束后入射至所述第一MEMS扫描振镜，经第一MEMS扫描振镜的激光反射至显微物镜模组中所述倒置的显微成像系统，倒置的显微成像系统将平行光会聚为激发光点，在第一MEMS 扫描振镜的驱动下对待测样品进行逐点扫描；待测样品上被激发的荧光材料发生能级跃迁产生荧光信号，该荧光信号经原光路返回至中继光学组，经中继光学组中的二向色滤片反射后入射至第二MEMS扫描振镜，经第二MEMS扫描振镜反射的光进入荧光图像采集模组中的成像透镜，面阵列探测器将采集的图像传输给控制系统面板；所述第一MEMS扫描振镜与第二MEMS扫描振镜同步扫描，在第一MEMS扫描振镜的驱动下所述的激发光点形成面扫描光；第二MEMS扫描振镜将荧光信号同步扫描到所述面阵列探测器上；承载待测样品的Z轴位移载物台按照固定步长上下移动，逐层进行面扫描，最终经过控制系统面板的图像处理后形成三维图像。
优选的，所述多波长激光光源为多色激光器，覆盖波长300-1700nm。
所述面阵列探测器的图像刷新频率与第一MEMS扫描振镜及第二MEMS扫描振镜均为 MEMS二维扫描振镜的谐振频率一致。
所述Z轴位移载物台位移精度为1nm-100μm。
二向色滤片与第二MEMS扫描振镜之间设置荧光滤光片。
所述控制系统面板分别与多波长激光光源、面阵列探测器、第一MEMS扫描振镜、第二MEMS扫描振镜通过导线或无线信号连接，其用于控制多波长激光光源的激光频率、第一MEMS扫描振镜、第二MEMS扫描振镜的谐振频率及相位、面阵列探测器数据的接收。
优选的，所述的准直缩束镜由第一会聚透镜、小孔光阑、第二会聚透镜组成；第二会聚透镜的物方焦点设置于第一会聚透镜的像方焦点，小孔光阑至于第一会聚透镜的像方焦点处。多波长激光光源经过二向色滤片后被第一会聚透镜聚焦于其像方焦点处，经小孔光阑滤波后被第二会聚透镜后缩束为准直的平行光。
基于上述种高速激光共聚焦显微成像系统还提供了一种高速激光共聚焦显微成像扫描头，包括：多波长激光光源、中继光学组、第一MEMS扫描振镜、第二MEMS扫描振镜、荧光图像采集模组、同步驱动控制模组；同步驱动控制模组控制第一MEMS扫描振镜与第二MEMS扫描振镜的谐振频率及相位同步；多波长激光光源发出激光，激光经所述中继光学组后入射至所述第一MEMS扫描振镜，经第一MEMS扫描振镜的激光反射出所述高速激光共聚焦显微成像扫描头；第一MEMS扫描振镜的驱动下对待测样品进行逐点扫描；待测样品上的荧光信号经原光路返回至中继光学组，经中继光学组反射后入射至第二MEMS扫描振镜；所述第一MEMS扫描振镜与第二MEMS扫描振镜同步扫描，在第一MEMS 扫描振镜的驱动下激发光点形成面扫描光；第二MEMS扫描振镜将荧光信号同步扫描到所述荧光图像采集模组中。
有益效果
本实用新型所提供的高速激光共聚焦显微成像系统，以第一MEMS扫描振镜、第二MEMS 扫描振镜为核心，通过同步扫描提高了扫描效率，实现了高速高分辨共聚焦荧光成像，为活体细胞的高速荧光成像和检测提供一种新的解决方案。
附图说明
图1为本实用新型的工作原理示意图；
图2为本实用新型的光路示意图；
图3为本实用新型的扫描路径示意图。
其中1-多波长激光光源，2-二向色滤片，3-第一会聚透镜，4-小孔光阑，5-第二会聚透镜，6-第一MEMS扫描振镜，7-显微成像系统，8-荧光滤光片，9-第二MEMS扫描振镜， 10-成像透镜，11-面阵列探测器。
具体实施方式
以下是本实用新型的具体实施例并结合附图，对本实用新型的技术方案作进一步的描述，但本实用新型并不限于这些实施例。
实施例
如图1及图2所示，一种高速激光共聚焦显微成像系统，包括高速激光共聚焦显微成像扫描头、显微物镜模组、控制系统面板，所述的显微物镜模组与高速激光共聚焦显微成像扫描头通过可拆卸的方式装配；所述显微模组由倒置的显微成像系统7、明场照明光源和Z轴位移载物台构成，其中明场照明光源用于为待测样品提供均匀的照明，待测样品附着荧光材料后放置于Z轴位移载物台上；
所述的高速激光共聚焦显微成像扫描头包括：多波长激光光源1、中继光学组、第一 MEMS扫描振镜、第二MEMS扫描振镜、荧光图像采集模组、同步驱动控制模组，同步驱动控制模组控制第一MEMS扫描振镜与第二MEMS扫描振镜的谐振频率及相位同步；所述的中继光学组沿着多波长激光光源的光轴方向依次设置为：二向色滤片2、第一会聚透镜3、小孔光阑4、第二会聚透镜5，第二会聚透镜的物方焦点设置于第一会聚透镜的像方焦点，小孔光阑至于第一会聚透镜的像方焦点处；所述荧光图像采集模组中包括成像透镜10、面阵列探测器11，面阵列探测器设置于成像透镜的像方焦面处；所述控制系统面板用于控制第一MEMS扫描振镜6、第二MEMS扫描振镜9、多波长激光光源的开关，控制所述面阵列探测器的执行图像采集、数据传输、数据存储、图像处理及显示；二向色滤片与第二MEMS扫描振镜之间设置荧光滤光片8；
所述控制系统面板控制多波长激光光源发出激光，激光经所述中继光学组准直缩束后入射至所述第一MEMS扫描振镜，经第一MEMS扫描振镜的激光反射至显微物镜模组中所述倒置的显微成像系统，倒置的显微成像系统将平行光会聚为激发光点，在第一MEMS 扫描振镜的驱动下对待测样品进行逐点扫描；待测样品上被激发的荧光材料发生能级跃迁产生荧光信号，该荧光信号经原光路返回至中继光学组，经中继光学组中的二向色滤片反射后入射至第二MEMS扫描振镜，经第二MEMS扫描振镜反射的光进入荧光图像采集模组中的成像透镜，面阵列探测器将采集的图像传输给控制系统面板；所述第一MEMS扫描振镜与第二MEMS扫描振镜同步扫描，在第一MEMS扫描振镜的驱动下所述的激发光点形成面扫描光；第二MEMS扫描振镜将荧光信号同步扫描到所述面阵列探测器上；承载待测样品的Z轴位移载物台按照固定步长上下移动，逐层进行面扫描，最终经过控制系统面板的图像处理后形成三维图像。
显微成像系统依次包括扫描透镜，透镜，物镜；扫描透镜的像方焦点与透镜物方焦点重合，第一MEMS扫描振镜反射的光依次进入扫描透镜透镜被物镜会聚于焦平面处。
图1-2仅示意元件之间的位置关系；其图尺寸以及各个部件之间比例关系不构成对本方案的具体限定。图3为本实用新型的扫描路径示意图；第一MEMS扫描振镜、第二MEMS扫描振镜沿水平和竖直两个方向分别摆动α、β角，其中α在0°～±25°之间，β在0°～±15°之间，通过第一MEMS扫描振镜、第二MEMS扫描振镜实现激光光源在水平和垂直方向的扫描。
第一MEMS扫描振镜、第二MEMS扫描振镜的扫描方式为：在一固定垂直位置沿水平方向自左向右扫描α角后，水平方向快速反方向旋转-α角，垂直方向旋转γ角，γ<β，接着该垂直位置沿水平方向自左向右扫描α角，依次重复上述步骤。
面阵列探测器由高速COMS或sCOMS面阵列探测器单元排列组成。
上述方案，当第一MEMS扫描振镜、第二MEMS扫描振镜实现同频和同相位扫描时，面阵列探测器上得到无畸变的荧光图像，实现了正弦扫描时序的自动矫正，同时第一MEMS 扫描振镜、第二MEMS扫描振镜的振幅可以不同，只要保持频率与相位相同，这样在面阵列探测器上得到的是与物镜像平面放大倍数不同的荧光成像，保证物镜NA调节成像放大率以达到最佳成像效果。
本方案的一种高速激光共聚焦显微成像系统以第一MEMS扫描振镜作为扫描机构，由控制系统面板控制多波长激光光源发出激光，激光器发出的光经过，提高激光到达样品表面的光学质量；
经二向色滤片分光后，激发光经准直缩束镜的准直缩束后成为发散角较小、能量集中的准直平行光，以第一MEMS扫描振镜为扫描机构反射经该准直出射的光斑，再经过显微物镜模组对待测样品进行逐点扫描，形成一个面扫描光源；以待测样品为细胞样品为例，面扫描光源到达细胞表面后，激发细胞样品中荧光材料发生能级跃迁产生另一种波长的荧光，该荧光经原光路返回，荧光继续经原光路到达二向色滤片，经过二向色滤片反射后经第二MEMS扫描振镜反射至荧光图像采集模组中；承载样品的Z轴载物台按照固定步长上下移动，一层一层的进行面扫描，最终经过控制系统面板图像处理后形成三维图像。
最后应说明的是：以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。
Claims (9)
1.一种高速激光共聚焦显微成像系统，包括高速激光共聚焦显微成像扫描头、显微物镜模组、控制系统面板，所述的显微物镜模组与高速激光共聚焦显微成像扫描头通过可拆卸的方式装配；所述显微物镜模组由倒置的显微成像系统、明场照明光源和Z轴位移载物台构成，其中明场照明光源用于为待测样品提供均匀的照明，待测样品附着荧光材料后放置于Z轴位移载物台上；
其特征在于：所述的高速激光共聚焦显微成像扫描头包括：多波长激光光源、中继光学组、第一MEMS扫描振镜、第二MEMS扫描振镜、荧光图像采集模组、同步驱动控制模组，同步驱动控制模组控制第一MEMS扫描振镜与第二MEMS扫描振镜的谐振频率及相位同步；
所述的中继光学组沿着多波长激光光源的光轴方向依次设置为：二向色滤片、准直缩束镜；
所述荧光图像采集模组中包括成像透镜、面阵列探测器，面阵列探测器设置于成像透镜的像方焦面处；
所述控制系统面板用于控制第一MEMS扫描振镜、第二MEMS扫描振镜、多波长激光光源的开关，控制所述面阵列探测器的执行图像采集、数据传输、数据存储、图像处理及显示；
所述控制系统面板控制多波长激光光源发出激光，激光经所述中继光学组准直缩束后入射至所述第一MEMS扫描振镜，经第一MEMS扫描振镜的激光反射至显微物镜模组中所述倒置的显微成像系统，倒置的显微成像系统将平行光会聚为激发光点，在第一MEMS扫描振镜的驱动下对待测样品进行逐点扫描；待测样品上被激发的荧光材料发生能级跃迁产生荧光信号，该荧光信号经原光路返回至中继光学组，经中继光学组中的二向色滤片反射后入射至第二MEMS扫描振镜，经第二MEMS扫描振镜反射的光进入荧光图像采集模组中的成像透镜，面阵列探测器将采集的图像传输给控制系统面板；所述第一MEMS扫描振镜与第二MEMS扫描振镜同步扫描，在第一MEMS扫描振镜的驱动下所述的激发光点形成面扫描光；第二MEMS扫描振镜将荧光信号同步扫描到所述面阵列探测器上；承载待测样品的Z轴位移载物台按照固定步长上下移动，逐层进行面扫描，最终经过控制系统面板的图像处理后形成三维图像。
2.根据权利要求1所述的高速激光共聚焦显微成像系统，其特征在于：第一MEMS扫描振镜与第二MEMS扫描振镜均为MEMS二维扫描振镜，用于两个维度同时进行扫描。
3.根据权利要求1所述的高速激光共聚焦显微成像系统，其特征在于：所述多波长激光光源为多色激光器，覆盖波长300-1700nm。
4.根据权利要求1所述的高速激光共聚焦显微成像系统，其特征在于：所述面阵列探测器的图像刷新频率与第一MEMS扫描振镜及第二MEMS扫描振镜均为MEMS二维扫描振镜的谐振频率一致。
5.根据权利要求1所述的高速激光共聚焦显微成像系统，其特征在于：所述Z轴位移载物台位移精度为1nm-100μm。
6.根据权利要求1所述的高速激光共聚焦显微成像系统，其特征在于：二向色滤片与第二MEMS扫描振镜之间设置荧光滤光片。
7.根据权利要求1所述的高速激光共聚焦显微成像系统，其特征在于：所述控制系统面板分别与多波长激光光源、面阵列探测器、第一MEMS扫描振镜、第二MEMS扫描振镜通过导线或无线信号连接，其用于控制多波长激光光源的激光频率、第一MEMS扫描振镜、第二MEMS扫描振镜的谐振频率及相位、面阵列探测器数据的接收。
8.根据权利要求1所述的高速激光共聚焦显微成像系统，其特征在于：所述的准直缩束镜由第一会聚透镜、小孔光阑、第二会聚透镜组成；第二会聚透镜的物方焦点设置于第一会聚透镜的像方焦点，小孔光阑至于第一会聚透镜的像方焦点处。
9.一种高速激光共聚焦显微成像扫描头，其特征在于包括：多波长激光光源、中继光学组、第一MEMS扫描振镜、第二MEMS扫描振镜、荧光图像采集模组、同步驱动控制模组；同步驱动控制模组控制第一MEMS扫描振镜与第二MEMS扫描振镜的谐振频率及相位同步；
多波长激光光源发出激光，激光经所述中继光学组后入射至所述第一MEMS扫描振镜，经第一MEMS扫描振镜的激光反射出所述高速激光共聚焦显微成像扫描头；第一MEMS扫描振镜的驱动下对待测样品进行逐点扫描；待测样品上的荧光信号经原光路返回至中继光学组，经中继光学组反射后入射至第二MEMS扫描振镜；所述第一MEMS扫描振镜与第二MEMS扫描振镜同步扫描，在第一MEMS扫描振镜的驱动下激发光点形成面扫描光；第二MEMS扫描振镜将荧光信号同步扫描到所述荧光图像采集模组中。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114994892A (zh) * | 2022-05-09 | 2022-09-02 | 中国科学院化学研究所 | 激光共聚焦显微成像系统和方法 |
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2020
- 2020-12-01 CN CN202022837391.6U patent/CN215812411U/zh active Active
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN114994892A (zh) * | 2022-05-09 | 2022-09-02 | 中国科学院化学研究所 | 激光共聚焦显微成像系统和方法 |
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