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CN108519329B - 一种多路扫描与探测的线共聚焦成像装置 - Google Patents

一种多路扫描与探测的线共聚焦成像装置 Download PDF

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CN108519329B CN201810252673.4A CN201810252673A CN108519329B CN 108519329 B CN108519329 B CN 108519329B CN 201810252673 A CN201810252673 A CN 201810252673A CN 108519329 B CN108519329 B CN 108519329B
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Abstract

本发明公开了一种多路扫描与探测的线共聚焦成像装置，包括：激发光模块、扫描成像模块以及探测模块；激发光模块用于提供由两束激光束整形得到的两条相互分离的线光斑，激光束的倾斜角和发散角均可调节；扫描成像模块用于将两条线光斑聚焦到不同的成像位置，从而产生两束成像光束，并实现三维扫描成像；探测模块用于实现两路成像光束的分离和探测；通过精细调节激发光模块中两路光束的倾斜角和发散角，可以实现双焦面同时扫描成像或者单物镜视场同一焦面双线同时扫描成像。本发明能够有效提高成像速度，同时便于系统调节。

Description

一种多路扫描与探测的线共聚焦成像装置
技术领域
本发明属于显微成像领域，更具体地，涉及一种多路扫描与探测的线共聚焦成像装置。
背景技术
显微成像技术广泛应用于生命科学及医学领域，成像速度是显微成像领域中比较重要的参数，尤其对于大体积样本的成像，在短时间获取图像信息尤为重要。按照激发光的形状，显微成像方法可分为点扫描、线扫描和面扫描。点扫描最常见的应用为激光扫描共聚焦显微镜，这种成像方法在探测器前方放置小孔以滤除非焦面信息干扰，形成光学层析，从而提高图像对比度；共聚焦显微镜是逐点扫描样品以获取完整图像，成像速度慢，常用于小样本成像。面扫描，也就是宽场成像模式，一次曝光便可以获取整个物镜视场的信号，但由于没有层析效果，所以不同点之间的信号相互干扰，很难获取高分辨的图像。线扫描成像方式是处于点扫描和面扫描成像方式之间的一种成像方式，它既可以像共聚焦显微镜那样在探测光路中加入狭缝，提高图像信噪比，又可以一定程度上提高扫描速度。
现有的线共聚焦显微镜，一般利用柱面镜产生线光斑，并利用振镜作为扫描器件，这类显微镜在单物镜视场512×512像素尺寸下，帧率可达100Hz。但如果要对厘米级的大体积样本进行成像，则需要引入三维移动品台带动样品进行马赛克式扫描成像，由于平台从当前位置移动到下一成像位置期间，系统是不成像的，样本越大，平台移动次数越多，非成像时间也越多，影响了成像速度和成像效率。
发明内容
针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种多路扫描与探测的线共聚焦成像装置，其目的在于，通过重新设计照明光路和探测光路，实现线扫描共聚焦的多路同时扫描和探测，从而提高成像速度和成像效率。
为实现上述目的，本发明提供了一种多路扫描与探测的线共聚焦成像装置，包括：激发光模块、扫描成像模块以及探测模块；激发光模块用于提供由两束激光束整形得到的两条相互分离的线光斑，激光束的倾斜角和发散角均可调节；扫描成像模块用于将两条线光斑聚焦到不同的成像位置，从而产生两束成像光束，并控制样本沿X方向、Y方向及Z方向移动以实现三维扫描成像；探测模块用于实现两束成像光束的分离和探测；基于激光束的发散角可调节，经激光束整形得到的线光斑被聚焦后的Z方向位置可调节；基于激光束的倾斜角可调节，经激光束整形得到的线光斑被聚焦后的X方向位置可调节；其中，X方向为扫描方向，Z方向为样本轴向，Y方向为同一焦面内成像条带的分布方向，且X方向、Y方向、Z方向构成右手坐标系。
进一步地，激发光模块包括：偏振分光棱镜、柱透镜以及两个光束结构；两个光束结构用于提供两束激光束，每一束激光束的倾斜角和发散角均可调节；偏振分光棱镜用于根据激光束的偏振方向透过或反射激光束，使得两束激光束的传播方向相同；柱透镜用于将传播方向相同的两束激光束整形成两个相互分离的线光斑。
更进一步地，光束结构包括沿光路方向依次设置的激光器、扩束单元、倾斜角调节单元以及半波片；扩束单元用于对激光器产生的激光束进行扩束并调节激光束的发散角，从而调节线光斑被聚焦后的Z方向位置；倾斜角调节单元用于调节激光束的倾斜角，从而调节线光斑被聚焦后的X方向位置；半波片用于改变激光束的偏振方向，使得两束激光束经过偏振分光棱镜后传播方向相同。
更进一步地，扩束单元包括共光轴设置的两个凸透镜，两个凸透镜的轴向相对位置可调节；扩束单元采用开普勒式扩束方法实现扩束，扩束比为两个凸透镜的焦距之比。
更进一步地，倾斜角调节单元包括两个反射镜。
更进一步地，光束结构还包括反射镜，用于调整光路方向。
进一步地，扫描成像模块包括：二色镜、物镜、三维平移台、滤光片以及筒镜；二色镜用于将线光斑反射进物镜，并选择透过样本产生的荧光使得荧光信号进入筒镜；物镜用于将两条线光斑聚焦到不同的成像位置，激发样本产生两路荧光信号；筒镜与物镜共光轴设置，二者构成无限远校正显微镜，用于对样本产生的荧光信号成像，形成两路成像光束；滤光片设置于所述物镜和筒镜之间，用于滤除杂质信号，提高成像质量；三维平移台用于使得样本沿X方向、Y方向及Z方向移动以实现三维扫描成像，其表面垂直于物镜光轴；在一种工作模式下，激发光模块的设置使得经过激发光模块的调节，两条线光斑经物镜聚焦到不同的焦面且在X方向有错位，以实现双焦面同时扫描成像并保证两束成像光束能够完全分离，从而提高成像速度；进而通过三维平移台移动样本，可实现对大体积样本的快速三维成像。
更进一步地，在二色镜和物镜之间包括沿光路方向依次设置的单轴振镜、扫描透镜、扫描筒镜以及第四反射镜；单轴振镜用于对线光斑进行扫描以实现整个视场的成像；扫描透镜与扫描筒镜用于实现光路中继；第四反射镜用于调整光路方向；在一种工作模式下，激发光模块的设置使得经过激发光模块的调节，两条线光斑经物镜聚焦到不同的焦面且在X方向有错位，以实现双焦面同时扫描成像并保证两束成像光束能够完全分离，从而提高成像速度；进而通过三维平移台移动样本，可实现对大体积样本的快速三维成像；在另外一种工作模式下，激发光模块的设置使得经过激发光模块的调节，两条线光斑被物镜聚焦到同一焦面内Y方向位置相同且X方向相距视场距离一半的成像位置，并通过单轴振镜扫描实现单物镜视场同一焦面双线同时扫描成像，提高成像速度。
进一步地，探测模块包括：直角棱镜、第一线阵相机以及第二线阵相机；直角棱镜的两个直角面上均镀有反射膜，用于将两路成像光束分离，并使得分离后的成像光束分别被第一线阵相机和第二线阵相机探测；第一线阵相机与第二线阵相机的探测面均位于扫描成像模块的像面上，并且第一线阵相机和第二线阵相机分别利用其探测面作为线共聚焦的狭缝，以滤除非焦面信号，提高图像对比度。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
(1)本发明所提供的多路扫描与探测的线共聚焦成像装置，由激发光模块提供由两束激光束整形得到的两条相互分离的线光斑，通过调激光束的发散角和倾斜角，使得线光斑由扫描成像模块中的物镜聚焦至不同的成像位置，从而产生两束成像光束，并由探测模块实现两束成像光束的分离和探测。能够实现对两个成像位置同时扫描成像，在保留线共聚焦的成像优势的同时，增加了单位时间内的成像通量，有效提升了扫描速度；
(2)本发明所提供的多路扫描与探测的线共聚焦成像装置，在其优选方案里，扫描成像模块包括二色镜、物镜、三维平移台、滤光片以及筒镜；激发光模块的设置使得经过激发光模块的调节，两条线光斑经物镜聚焦到不同的焦面且在X方向有错位，能够在保证两束成像光束能够完全分离的同时实现双焦面同时扫描成像，提高成像速度；进而通过三维平移台移动样本，可实现对大体积样本的快速三维成像；
(3)本发明所提供的多路扫描与探测的线共聚焦成像装置，在其优选方案中，扫描成像模块还包括单轴振镜；激发光模块的设置使得经过激发光模块的调节，两条线光斑经物镜聚焦到不同的焦面，能够在保证两束成像光束能够完全分离的同时实现双焦面同时扫描成像，提高成像速度；进而通过三维平移台移动样本，可实现对大体积样本的快速三维成像；或者激发光模块的设置经过激发光模块的调节，两条线光斑被物镜聚焦到同一焦面内Y方向位置相同且X方向相距视场距离一半的成像位置，进而能够通过单轴振镜扫描实现单物镜视场同一焦面双线同时扫描成像，提高成像速度；
(4)本发明所提供的多路扫描与探测的线共聚焦成像装置，其探测模块的线阵相机探测成像光束时，根据线阵相机探测面在垂直于线光斑的方向只有几个像素的特性，直接利用其探测面作为线共聚焦的狭缝，既能够滤除非焦面信号，提高图像对比度，又便于系统调节。
附图说明
图1为本发明第一实施例提供的多路扫描与探测的线共聚焦成像装置示意图；
图2为本发明实施例中线光斑的形成示意图；(a)为YZ平面内线光斑的形成示意图；(b)为XZ平面内线光斑的示意图；
图3为多路线光斑形成示意图；
图4为系统的扫描成像方式；
图5为本发明第二实施例提供的多路扫描与探测的线共聚焦成像装置示意图；
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：
1为激发光模块，2为扫描成像模块，3为探测模块，10为激光器，11为第一凸透镜，12为第二凸透镜，13为第一反射镜，14为第二反射镜，15为第三反射镜，16为半波片，17为偏振分光棱镜，18为柱透镜，20为二色镜，21为物镜，22为样本，23为三维平移台，24为滤光片，25为筒镜，26为单轴振镜，27为扫描透镜，28为扫描筒镜，29为第四反射镜，30为直角棱镜，31为第一线阵相机，32为第二线阵相机。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提供的多路扫描与探测的线共聚焦成像装置，如图1所示，在第一实施例中，包括：激发光模块1、扫描成像模块2以及探测模块3；激发光模块1用于提供由两束激光束整形得到的两条相互分离的线光斑，激光束的倾斜角和发散角均可调节；扫描成像模块2用于将两条线光斑聚焦到不同的成像位置，从而产生两束成像光束，并控制样本沿X方向、Y方向及Z方向移动以实现三维扫描成像；探测模块3用于实现两束成像光束的分离和探测；基于激光束的发散角可调节，经激光束整形得到的线光斑被聚焦后的Z方向位置可调节；基于激光束的倾斜角可调节，经激光束整形得到的线光斑被聚焦后的X方向位置可调节；其中，X方向为扫描方向，Z方向为样本轴向，Y方向为同一焦面内成像条带的分布方向，且X方向、Y方向、Z方向构成右手坐标系。
激发光模块1包括：偏振分光棱镜17、柱透镜18以及两个光束结构；两个光束结构用于提供两束激光束，每一束激光束的倾斜角和发散角均可调节；偏振分光棱镜17用于根据激光束的偏振方向透过或反射激光束，使得两束激光束的传播方向相同；柱透镜18用于将传播方向相同的两束激光束整形成两个相互分离的线光斑；光束结构包括沿光路方向依次设置的激光器10、扩束单元、倾斜角调节单元以及半波片16；扩束单元用于对激光器产生的激光束进行扩束并调节激光束的发散角，从而调节线光斑被聚焦后的Z方向位置；倾斜角调节单元用于调节激光束的倾斜角，从而调节线光斑被聚焦后的X方向位置；半波片16用于改变激光束的偏振方向，使得两束激光束经过偏振分光棱镜后传播方向相同；扩束单元包括共光轴设置的第一凸透镜11和第二凸透镜12，两个凸透镜的轴向相对位置可调节；扩束单元采用开普勒式扩束方法实现扩束，扩束比为两个凸透镜的焦距之比；倾斜角调节单元包括第一反射镜13和第二反射镜14；两个光束结构的其中一个光束结构中，在第二反射镜14和半波片16之间还包括第三反射镜15，用于调整光路方向。
扫描成像模块2包括：二色镜20、物镜21、三维平移台23、滤光片24以及筒镜25；二色镜20用于将线光斑反射进物镜21，并选择透过样本22产生的荧光使得荧光信号进入筒镜25；物镜21用于将两条线光斑聚焦到不同的成像位置，激发样本22产生两路荧光信号；筒镜25与物镜21共光轴设置，二者构成无限远校正显微镜，用于对样本22产生的荧光信号成像，形成两路成像光束；滤光片24设置于物镜21和筒镜25之间，用于滤除杂质信号，提高成像质量；三维平移台用于使得样本22沿X方向、Y方向及Z方向移动以实现三维扫描成像，其表面垂直于物镜光轴；在一种工作模式下，激发光模块1的设置使得经过激发光模块1的调节，两条线光斑经物镜聚21焦到不同的焦面且在X方向有错位，即两条线光斑经物镜21聚焦后在X方向和Z方向均有错位，以实现双焦面同时扫描成像并保证两束成像光束能够完全分离；进而通过三维平移台23移动样本22，可实现对大体积样本的快速三维成像；在这种工作模式下，一条线光斑经物镜21聚焦后，在YZ平面和XZ平面的形成分别如图2(a)和图2(b)所示，两路光斑的形成如图3所示；扫描成像时，如图4所示，三维平移台23先带动样本22沿X方向移动，同时实现两个焦面内一个条带的成像；焦面内一个条带扫描成像完成后，三维平移台23带动样本22沿Y方向移动，对焦面内下一个条带进行扫描成像；整个焦面扫描成像完成后，三维平移台23带动样本22沿Z方向移动，对下一组焦面进行扫描成像。
探测模块3包括：直角棱镜30、第一线阵相机31以及第二线阵相机32；直角棱镜30的两个直角面上均镀有反射膜，用于将两路成像光束分离，并使得分离后的成像光束分别被第一线阵相机31和第二线阵相机32探测；第一线阵相机31与第二线阵相机32的探测面均位于扫描成像模块2的像面上，并且第一线阵相机31和第二线阵相机32分别利用其探测面作为线共聚焦的狭缝，以滤除非焦面信号，提高图像对比度。
本发明提供的多路扫描与探测的线共聚焦成像装置，如图5所示，在第二实施例中，在第一实施例的基础上，在二色镜20和物镜21之间包括沿光路方向依次设置的单轴振镜26、扫描透镜27、扫描筒镜28以及第四反射镜29；单轴振镜26用于对线光斑进行扫描以实现整个视场的成像；扫描透镜27与扫描筒镜28用于实现光路中继；第四反射镜29用于调整光路方向；在一种工作模式下，激发光模块1的设置使得经过激发光模块1的调节，两条线光斑经物镜21聚焦到不同的焦面且在X方向有错位，以实现双焦面同时扫描成像并保证两束成像光束能够完全分离；进而通过三维平移台23移动样本22，可实现对大体积样本的快速三维成像；在另外一种工作模式下，激发光模块1的设置使得经过激发光模块1的调节，两条线光斑被物镜21聚焦到同一焦面内Y方向位置相同且X方向相距视场距离一半的成像位置，进而通过单轴振镜26扫描实现单物镜视场同一焦面双线同时扫描成像。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种多路扫描与探测的线共聚焦成像装置，其特征在于，包括：激发光模块(1)、扫描成像模块(2)以及探测模块(3)；
所述激发光模块(1)用于提供由两束激光束整形得到的两条相互分离的线光斑，所述激光束的倾斜角和发散角均可调节；所述扫描成像模块(2)用于将两条线光斑聚焦到不同的成像位置，从而产生两束成像光束，并控制样本沿X方向、Y方向及Z方向移动以实现三维扫描成像；所述探测模块(3)用于实现两束成像光束的分离和探测；基于激光束的发散角可调节，经激光束整形得到的线光斑被聚焦后的Z方向位置可调节；基于激光束的倾斜角可调节，经激光束整形得到的线光斑被聚焦后的X方向位置可调节；
其中，X方向为扫描方向，Z方向为样本轴向，Y方向为同一焦面内成像条带的分布方向，且X方向、Y方向、Z方向构成右手坐标系；
所述扫描成像模块(2)包括：二色镜(20)、物镜(21)、三维平移台(23)、滤光片(24)以及筒镜(25)；
所述二色镜(20)用于将线光斑反射进物镜，并选择透过样本产生的荧光使得荧光信号进入所述筒镜(25)；所述物镜(21)用于将两条线光斑聚焦到不同的成像位置，激发样本产生两路荧光信号；所述筒镜(25)与所述物镜(21)共光轴设置，二者构成无限远校正显微镜，用于对样本产生的荧光信号成像，形成两路成像光束；所述滤光片(24)设置于所述物镜(21)和所述筒镜(25)之间，用于滤除杂质信号，提高成像质量；所述三维平移台(23)用于使得样本沿X方向、Y方向及Z方向移动以实现三维扫描成像，其表面垂直于物镜光轴；
在所述二色镜(20)和所述物镜(21)之间包括沿光路方向依次设置的单轴振镜(26)、扫描透镜(27)、扫描筒镜(28)以及第四反射镜(29)；
所述单轴振镜(26)用于对线光斑进行扫描以实现整个视场的成像；所述扫描透镜(27)与所述扫描筒镜(28)用于实现光路中继；所述第四反射镜(29)用于调整光路方向；
所述激发光模块(1)的设置使得经过所述激发光模块(1)的调节，两条线光斑经所述物镜(21)聚焦到不同的焦面且在X方向有错位，以实现双焦面同时扫描成像并保证两束成像光束能够完全分离；或者所述激发光模块(1)的设置使得经过所述激发光模块(1)的调节，两条线光斑被所述物镜(21)聚焦到同一焦面内Y方向位置相同且X方向相距视场距离一半的成像位置，并通过所述单轴振镜(26)扫描实现单物镜视场同一焦面双线同时扫描成像；
其中，所述探测模块(3)包括：直角棱镜(30)、第一线阵相机(31)以及第二线阵相机(32)；所述直角棱镜(30)的两个直角面上均镀有反射膜，用于将两路成像光束分离，并使得分离后的成像光束分别被所述第一线阵相机(31)和所述第二线阵相机(32)探测；所述第一线阵相机(31)与所述第二线阵相机(32)的探测面均位于所述扫描成像模块(2)的像面上，并且所述第一线阵相机(31)和所述第二线阵相机(32)分别利用其探测面作为线共聚焦的狭缝，以滤除非焦面信号，提高图像对比度。
2.如权利要求1所述的多路扫描与探测的线共聚焦成像装置，其特征在于，所述激发光模块(1)包括：偏振分光棱镜(17)、柱透镜(18)以及两个光束结构；所述两个光束结构用于提供两束激光束，每一束激光束的倾斜角和发散角均可调节；所述偏振分光棱镜(17)用于根据激光束的偏振方向透过或反射激光束，使得两束激光束的传播方向相同；所述柱透镜(18)用于将传播方向相同的两束激光束整形成两个相互分离的线光斑。
3.如权利要求2所述的多路扫描与探测的线共聚焦成像装置，其特征在于，所述光束结构包括沿光路方向依次设置的激光器(10)、扩束单元、倾斜角调节单元以及半波片；
所述扩束单元用于对所述激光器(10)产生的激光束进行扩束并调节激光束的发散角，从而调节线光斑被聚焦后的Z方向位置；所述倾斜角调节单元用于调节激光束的倾斜角，从而调节线光斑被聚焦后的X方向位置；所述半波片(16)用于改变激光束的偏振方向，使得两束激光束经过所述偏振分光棱镜(17)后传播方向相同。
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