CN103384845B - 激光束选择器 - Google Patents

Abstract

公开各种束选择器，用于选择性地使至少两个光束中的一个处于沿着同一输出路径。一方面，束选择器接收至少两个基本平行的光束。束选择器包括具有孔的板，使得当选择至少两个束中的一个透射时，束选择器仅引导选择的束沿着通过孔的输出路径。板也可用来阻断未选择的束的透射。当选择每个束时，对于至少两个束中的每个，通过孔的输出路径相同。束选择器可包含到荧光显微镜仪器中，以选择性地使特定激励束处于沿着通过显微镜物镜的同一路径，以及到样本中，以激励附连到样本的特定成分的荧光探头的荧光。

Description

激光束选择器

相关申请的交叉引用

本申请要求2011年3月1日提交的临时申请No.61/447,709的优先权。

技术领域

本公开涉及荧光显微镜，并且特别地，涉及用于在荧光显微镜仪器中选择激励激光束的系统。

背景技术

近年来，落射荧光显微镜的技术进步集中在增加荧光标示的样本成分和背景之间的对比。因此，已经开发出成千上万的荧光探头来提供标示生物样本的许多不同的细胞、亚细胞和分子成分的手段。另外，频谱范围大的可用荧光团允许同时对不同的成分成像。为了使样本的不同成分成像，不同的成分标示有以不同的波长发荧光的荧光团，但用波长不同的激励束激励每个荧光团。因此，落射荧光显微镜中工作的技术人员致力于开发高效且成本有效的叠加激励束的方式，使得束沿着同一路径穿过物镜行进到样本中。气-管激光器和分色镜的堆叠是考虑用来产生叠加激励束的两个系统。气-管激光器典型地发出由若干个独特波长组成的单光束，而分色镜的堆叠则可用来组合从不同的光源中射出的激励束。图1显示堆叠成叠加不同波长λ₁、λ₂和λ₃(分别由图案线106-108表示)的三个激励束的两个分色镜102和104的示例。分色镜102透射束106，并且反射束107，而分色镜104则透射束106和107，并且反射束108，以形成由所有三个波长组成的叠加束110。

但是，典型的气-管激光器大、成本受到约束、效率低下且不稳定。气-管激光器寿命也短，而且发出波长范围非常有限的光。另一方面，虽然基于分色镜的方法是通用的，但每次将激励束添加到叠加束上时就要对堆叠添加独立的分色镜，随着不可忽视的损失的积累，这会导致效率大大降低。例如，如图1中显示的那样，束106已经穿过两个分色镜102和104。对堆叠添加第三分色镜来反射第四波长和透射波长λ₁、λ₂和λ₃将进一步削弱束106。另外，气-管激光器和分色镜堆叠都不提供关于亚毫秒时间尺度或更快的在不同的激励束之间转换。对于基于分色镜的方法，在通往堆叠的每个束输入的路径中布置快门是可行的。但是，每个快门会对仪器添加大量成本，而且快门无法在不同的激励束之间实现期望的亚毫秒转换速度。由于上面描述的原因，工程师、科学家和荧光显微镜制造商继续寻找用于使激励束处于沿同一路径的快速、高效且成本有效的系统。

发明内容

公开多种束选择器，用于选择性地使至少两个光束中的一个处于沿着来自束选择器的同一输出路径。一方面，束选择器接收从独立的光源输出的至少两个基本平行的光束。束选择器包括具有孔的板，使得当选择至少两个束中的一个进行透射时，束选择器仅引导选择的束沿着通过板中的孔的输出路径。板也可用来阻断未选择的束的透射。当选择每个束进行透射时，对于至少两个束中的每个，通过孔的输出路径相同。束选择器可包含到荧光显微镜仪器中，以选择性地使特定激励束处于沿着通过显微镜物镜的同一路径，以及到样本中，以激励附连到样本的特定成分的荧光探头的荧光。

附图说明

图1显示堆叠成叠加不同波长的三个激励束的两个分色镜的示例。

图2显示包括束选择器的示例性荧光显微镜仪器的图示。

图3显示示例性平行束源的表示。

图4A-4B分别显示示例束选择器的俯视平面图和轴测图。

图5显示图4中显示的操作中的束选择器的俯视平面图。

图6A-6C显示三个束通过图4中显示的选择器所行进的内部路径的示例快照。

图7A-7C显示示例束选择器的轴测图和两个俯视平面图。

图8A-8D显示示例束选择器的轴测图和三个俯视平面图。

图9显示与束发射件（launch）的示例实现结合的束选择器的图示。

具体实施方式

图2显示包括束选择器(“BS”)202的示例荧光显微镜仪器200的图示。存在许多不同类型的荧光显微镜仪器和对应的光学路径。仪器200不意于表示荧光显微镜仪器的所有不同的众所周知的变型内的光学路径，而是意于说明将BS集成到荧光显微镜仪器中的一般原理。仪器200包括平行激光束源204、BS202、第一透镜206、分色镜208、物镜210、台212、第二透镜214和检测器216。如图2的示例中显示的那样，束源204对束选择器202发出激励光的N个基本平行的束218，其中，N为正整数。束218中的每个（其由λ₁,λ₂,λ₃,…,λ_Ν表示）是单波长的校准的高强度的基本单色的光束，或者在电磁频谱的非常窄的波长带内的光。设置在台212上的样本220由多种不同的成分组成，它们中的许多都标示有不同的荧光探头。从束源202输出的每个束刺激用来使样本220的特定成分成像的来自荧光团的荧光发射。BS202接收激励束218，并且仅输出选择以激励附连到待成像的样本220的成分的荧光团的荧光的激励束。例如，假设选择使样本220的第一成分成像。束选择器202操作成仅输出激励束222（λ_i），该激励束222激励附连到该成分的荧光团。其它激励束被BS202阻断。透镜206聚焦激励束222，而分色镜208使激励束反射到物镜210的背面中，这又将激励束引导到样本220中。从荧光团发出的荧光的一部分被物镜210捕捉，并且被物镜210校准成束，如阴影区224所表示的那样，该束穿过分色镜208，并且被第二透镜214聚焦到检测器216上。检测器216可为光电倍增器、光电二极管或固态带电耦合装置(“CCD”)。当选择使样本220的第二成分成像时，束选择器202转换到仅输出激励附连到第二成分的荧光团的类型的激励束。在备选仪器配置中，分色镜208可配置成透射激励束，以及反射荧光，在这种情况下，BS202、束源204和透镜206的位置关于透镜214和检测器216而转换。

束源204可配置成平行地输出任何适当数量的激励束。图3显示示例平行束源300的表示，该平行束源300包括七个独立的光源301-307，其各自发出具有七个不同波长中的一个的光，七个不同波长分别由λ₁、λ₂、λ₃、λ₄、λ₅、λ₆和λ₇表示。例如，每个光源可为激光器，激光器发出在不同的非常窄的电磁频谱带中的高强度的基本单色的光束，或者发出具有单波长的光。每个束通过束源300所行进的路径由图案不同的方向箭头表示，方向箭头由B1、B2、B3、B4、B5、B6和B7表示。在图3的示例中，束源300包括定位成使束以期望间距反射到基本平行的路径中的七个镜309-315。理想地，束沿其行进的路径是平行的或不相交的，但在实践中，认识到由于在镜和光源的相对布置和取向方面有稍微变化，所以路径仅可大致平行，或者在远离束源300的非常长的距离处相交。因此，束所沿的路径是被称为大致平行的输出。

图4A-4B显示示例束选择器400的俯视平面图和轴测图。选择器400包括扫描镜402、第一平面固定镜404、第二平面固定镜406和具有孔410的板408。第一镜404的反射表面朝扫描镜402和第二镜406之间的区成角度，而第二镜406的反射表面朝扫描镜402和第一镜404之间的区成角度，并且镜的反射表面基本垂直于同一平面。在图4A-4B的示例中，扫描镜402是检流计镜，其包括附连到马达414的可旋转轴的平面枢轴镜412，马达414可为检流计马达或步进马达。

备选地，扫描镜可为压电控制镜。如图4A-4B中显示的那样，马达414使镜412来回旋转一定范围的角度。

图5显示操作中的束选择器400的俯视平面图。图5包括束源300的表示，束源300具有指向镜412的七个不同的基本平行的束路径Bl、B2、B3、B4、B5、B6和B7。图5显示镜412旋转到七个不同的位置中，其由Ml、M2、M3、M4、M5、M6和M7表示。图案不同的线501-507表示当枢轴镜412旋转到七个不同的位置中的一个中时，每个束通过选择器400所行进的路径。每个束在同一平面内在镜404、406和412之间行进。如图5的示例中显示的那样，固定镜404和406和枢轴镜412定位在同一平面上，使得每个束沿着同一路径510通过板408中的孔410而输出。换句话说，当镜412旋转到位置Mj中时，其中，j是1和7之间的整数，束Bj沿着路径510在四次反射之后从选择器400输出。虽然镜412在位置Mj中，但其它束Bk不离开选择器400，其中，k是1和7之间的整数，而且k≠j。

如图5中显示的那样，对于导致使束中的一个处于路径510上的枢轴镜412的每个旋转位置，束第一次在镜412上反射，在第一固定镜404上反射一次，在第二固定镜406上反射一次，以及第二次在镜412上反射，总共四次反射。而且，其它六个束反射，使得它们不到达板408中的孔410。图6A-6C显示当枢轴镜412分别旋转到三个位置M1、M4和M7中时，七个束中的三个(即，束B1、B4和B7)通过选择器400所行进的内部路径的示例快照。在图6A中，枢轴镜412旋转到位置M1中。束B1在点602处撞击枢轴镜412，并且经历镜404、406和412的四次反射，内部路径按顺序1、2、3和4编号。枢轴镜412在点604处的第二次反射产生第5个路径，这使束B1处于通过孔410的路径上，该路径在图5中也被显示成路径510。如图6A中显示的那样，其它两个束B4和B7循着不使束B4和B7穿过孔410的不同的反射路径而行。在图6B中，枢轴镜412旋转到位置M4中。束B4在点606处撞击枢轴镜412，并且经历镜404、406和412的四次反射，内部路径按顺序1'、2'、3'和4'编号。枢轴镜412在点608处的第二次反射产生第5'个路径，这使束B4处于通过孔410的路径上，该路径在图5中也被显示为路径510。如图6B中显示的那样，其它两个束B1和B7循着不使束B1和B7穿过孔410的不同的反射路径而行。在图6C中，枢轴镜412旋转到位置M7中。束B7在点610处撞击枢轴镜412，并且经历镜404、406和412的四次反射，内部路径按顺序1"、2"、3"和4"编号。枢轴镜412在点612处的第二次反射产生第5"个路径，这使束B7处于通过孔410的路径上，该路径在图5中也被显示为路径510。如图6C中显示的那样，其它两个束B1和B4循着不使束B1和B4穿过孔410的不同的反射路径而行。

用扫描镜402实现束选择器400，以提供亚毫秒输出束选择。图7A-7C显示示例束选择器700的轴测图和两个俯视平面图。选择器700包括扫描镜702和具有孔706的板704。在图7A中，扫描镜702包括附连到马达710的位置固定平面镜708，马达710沿着轨道712来回平移镜708，如由方向箭头714指示的那样。如图7B和7C中显示的那样，镜708取向成使得从束源300输出的束B1、B2、B3、B4、B5、B6和B7相对于镜法线以45°撞击镜。实际上，镜708可布置成朝板704反射束的任何适合的角度，并且不限于相对于束的路径的45°角度。在图7B中，镜708定位成使得所有束都撞击镜708，但仅束B3在镜708上反射，以及穿过孔706，同时其余束被板704阻断。在图7C中，马达710用来在方向716上平移镜708，使得束B2穿过孔706，而其它束则被板704阻断。

图8A-8B显示示例束选择器800的轴测图和三个俯视平面图。选择器800包括附连到马达804的透明板802，马达804来回旋转镜802，如由方向箭头806和807指示的那样。透明板802可由具有期望折射率的玻璃或透明塑料构成，而马达804可为检流计马达或步进马达。图8B-8D显示选择器800，其包括具有孔810的不透明板808。图8B-8D显示透明板802如何旋转，以折射从束源300输出的平行光束，使得束中的一个输出通过孔810，而其它束则被板808阻断。在图8B中，透明板802旋转，使得束以法线入射穿过透明板802。在这个位置上，中心束B4穿过孔810，而其它束则被板808阻断。在图8C-8D的示例中，透明板802旋转，使得束折射，因此，束被转移，使得中心束B4之外的束穿过孔810。在图8C中，透明板802旋转，以折射具有使束B5穿过孔810而其它束被板808阻断的束偏移的束。在图8D中，透明板802进一步旋转，从而产生使束B6处于通过孔810的路径上而其它束则被板808阻断的较大的束偏移。

在备选实施例中，束选择器400可与用来控制选择的束的辐照度的束发射件结合。图9显示与束发射件900的示例实现结合的束选择器400的图示。在图9的示例中，每个束从平行束源300输出，作为基本单色的光束。发射件900包括具有圆形孔410的板408，并且包括透镜902和单模光纤904。如图9中显示的那样，孔410的中心、透镜902的光轴和光纤904的光轴是重合的，如虚线906指示的那样。透镜902沿着光轴906定位，使得透镜902的焦点908处于沿着光轴906，而且在透镜902处的光纤904接受光锥区910的直径大致等于孔410的直径。接受光锥区910的直径由光轴906的接受角决定，接受角与光纤904的数值孔相关。聚焦到焦点908上的光位于接受光锥区910内，并且局限在核心912里。换句话说，透镜902对从孔410输出的光束定形，使得光位于接受光锥区910内。为了实现光在光纤904中的最大耦合效率，将每个束的直径调谐成大致匹配光纤904的接受光锥区910的直径。当镜412以连续性角度旋转时，束510平移，或者基本垂直于束510的传播方向而转移，其与光轴906一致。由于束510基本垂直于光轴906而平移，束510的一部分被孔410的边缘周围的板408切断，这又被用来控制最终进入核心912的束的辐照度。单模光纤904对从透镜902输出的不对称束提供空间过滤。例如，当束510垂直于光轴906而平移时，到达核心912的束具有不对称的辐照度分布。因为光纤904是单模光纤，所以即使束510以不对称的辐照度分布进入光纤904，束也会在光纤904的相对的端部处以对称的辐照度分布输出。

为了解释的目的，前述描述使用具体术语来提供本公开的详尽理解。但对本领域技术人员显而易见的将是，不需要特定细节来实践本文描述的系统和方法。介绍具体示例的前述描述是为了说明和描述的目的。它们不意于为穷尽性的，或者使本公开局限于描述的确切形式。显然，考虑到以上教导，许多修改和变化是可行的。显示和描述示例是为了最佳地解释本公开和实际应用的原理，从而使得本领域技术人员能够最佳地以适合构想的特定使用的各种修改来利用本公开和各种示例。意于的是本公开的范围由所附权利要求及其等效物限定。

Claims (19)

1.一种束选择器，用于选择至少两个光束中的一个，其包括：

扫描镜，用于接收所述至少两个光束；

两个固定镜；以及

具有孔的板，其中，所述扫描镜将旋转到至少两个位置中，每个位置选择所述束中的一个，以经历所述扫描镜的第一次反射，所述固定镜中的每个的一次反射，以及所述扫描镜的第二次反射，从而使所述束处于通过所述孔的路径上。

2.根据权利要求1所述的选择器，其中，所述扫描镜进一步包括附连到马达的可旋转轴的平面镜，以及其中，所述马达进一步包括检流计马达和步进马达中的一个。

3.根据权利要求1所述的选择器，其中，所述扫描镜进一步包括压电控制镜。

4.根据权利要求1所述的选择器，其中，所述扫描镜、两个固定镜和板布置成使得所述固定镜中的第一个朝所述扫描镜和所述固定镜中的第二个之间的区成角度，而所述固定镜中的所述第二个的反射表面朝所述扫描镜和所述固定镜中的所述第一个之间的区成角度。

5.根据权利要求1所述的选择器，其中，所述扫描镜的所述至少两个位置中的每个位置导致选择的束经历所述扫描镜的第一次反射、所述固定镜中的第一个的第二次反射、所述固定镜中的第二个的第三次反射，以及所述扫描镜的第四次反射，以使所述束处于通过所述孔的所述路径上。

6.根据权利要求1所述的选择器，其中，当每个束经历所述扫描镜的所述第二次反射时，对于所述至少两个光束中的每个，通过所述孔的输出路径相同。

7.根据权利要求1所述的选择器，其中，所述扫描镜将在小于0.2毫秒中旋转到所述至少两个位置的每个中。

8.根据权利要求1所述的选择器，其中，所述至少两个束是基本平行的。

9.一种荧光显微镜仪器，包括：

平行束源，其发出至少两个基本平行的激励光束；

束选择器，其包括具有孔的板，所述选择器仅选择所述至少两个激励束中的一个，用于在通过所述孔和所述板的输出路径上透射，以阻断未选择的激励束的透射；以及

物镜，用于接收选择的激励束，并且将所述束引导到样本中，以激励附连到所述样本的特定成分的荧光探头的荧光，

其中，所述束选择器进一步包括：

用于接收所述至少两个激励束的扫描镜；以及

两个固定镜，其中，所述扫描镜将旋转到至少两个位置中，每个位置选择所述激励束中的一个，以经历所述扫描镜的第一次反射、所述固定镜中的每个的一次反射，以及所述扫描镜的第二次反射，以使所述激励束处于通过所述孔的所述路径上。

10.根据权利要求9所述的仪器，其中，所述平行束源包括至少两个激光器，每个激光器发出单波长的或者在窄波长范围内的高强度的基本单色的光束。

11.根据权利要求9所述的仪器，其中，所述扫描镜是平面镜，其附连到马达的可旋转轴，以及其中，所述马达进一步包括检流计马达和步进马达中的一个。

12.根据权利要求9所述的仪器，其中，所述扫描镜是压电控制镜。

13.根据权利要求9所述的仪器，其中，所述扫描镜、两个固定镜和所述板布置成使得所述固定镜中的第一个朝所述扫描镜和所述固定镜中的第二个之间的区成角度，而所述固定镜中的所述第二个的反射表面朝所述扫描镜和所述固定镜中的所述第一个之间的区成角度。

14.根据权利要求9所述的仪器，其中，所述扫描镜的所述至少两个位置中的每个位置导致选择的束经历所述扫描镜的第一次反射、所述固定镜中的第一个的第二次反射、所述固定镜中的第二个的第三次反射，以及所述扫描镜的第四次反射，以使所述束处于通过所述孔的所述路径上。

15.根据权利要求9所述的仪器，其中，当每个束经历所述扫描镜的所述第二次反射时，对于所述至少两个激励束中的每个，通过所述孔的所述路径相同。

16.根据权利要求9所述的仪器，其中，所述束选择器包括镜和用于平移所述镜的马达，其中，所述镜成角度以朝所述板反射所述激励束，而所述马达将平移所述镜，使得仅选择的束沿着所述输出路径反射。

17.根据权利要求9所述的仪器，其中，所述束选择器包括透明板和用于旋转所述透明板的马达，其中，所述透明板在所述至少两个激励束的所述路径中，使得所述束朝所述板穿过所述透明板，而所述马达将旋转所述透明板以折射所述至少两个激励束，使得仅所述选择的束行进所述输出路径。

18.根据权利要求9所述的仪器，进一步包括

分色镜，用于使选择的激励束反射到所述物镜，并且透射所述荧光；

光电检测器阵列；以及

透镜，其设置在所述分色镜和所述光电检测器之间，其中，所述透镜要将所述荧光聚焦到所述光电检测器上。

19.根据权利要求16所述的仪器，进一步包括位于所述激励束的所述路径中的束发射件，所述发射件接收所述激励束，并且基于所述束待平移的量来削弱所述激励束。