雷射陣列掃描成像系統的製作方法

2023-10-05 13:59:44 2

本發明涉及掃描成像技術，尤其涉及一種雷射陣列掃描成像系統。

背景技術：

顯微鏡作為人類歷史上最偉大的發明之一，是人類進入原子時代的標誌。顯微鏡的出現把人類帶入到了一個微觀的世界，人們藉助顯微鏡能夠觀察到各種各樣的微小的動物，植物乃至細胞組織結構。

而光學顯微成像技術由於其無損、高分辨、應用簡單等優點在近年來受到了越來越多的研究人員的關注。顯微成像已成為生物學尤其是神經科學研究者中的重要技術，但其成像速度受到傳統的單像素逐點掃描成像的限制，難以滿足神經科學快速實時成像的需求。

常見的掃描成像方式有三種：(1)二維平移臺(2)振鏡掃描(3)空間光調製器。第一種方式是將物體固定在二維平移臺上，二維平移臺帶動成像物體往復來回運動，進而進行單像素逐點掃描成像，成像速度比較低，通常需要數秒甚至數分鐘來成一幅圖像，遠遠不能滿足快速成像的需要；第二種方式採用雙軸振鏡成像，這種方式也是使用最為普遍的，掃描的主要原理是通過正交的雙軸振鏡快速偏折射實現激發光光束的快速的x、y方向掃描，該掃描技術的掃描速度小於每秒10幀，不能滿足快速實時成像的需求；第三種方式採用空間光調製器來調節空間光的相位，進而使得空間光進行偏折，從而單像素逐點掃描快速成像，使用高速空間光調製器掃描可以達到每秒30幀的成像速率，已經能夠實現視頻速度，這種方式存在一個嚴重的不足，雖然成像速率很高，但是相應地，激發光在每個像素點停留的時間太短，使圖像的信噪比降低。

通過對以上三種常用的掃描方式的分析，高信噪比和快速成像不能同時滿足的原因為：目前，對成像物體進行單像素點逐一二維掃描，從而導致成像耗時長(數秒，數分鐘甚至數小時)、掃描成像區域小(亞毫米量級)。提高掃描速度要犧牲圖像信噪比為前提，保證圖像信噪比就要犧牲成像速度。

技術實現要素：

本發明的目的在於提供一種雷射陣列掃描成像系統，旨在用於解決現有的成像系統中信噪比較低的問題。

本發明是這樣實現的：

本發明實施例提供一種雷射陣列掃描成像系統，顯微成像裝置以及信號接收裝置，還包括雷射陣列產生裝置，所述雷射陣列產生裝置包括接收準直後雷射的相位板以及與所述相位板配合聚焦形成雷射陣列的第一聚焦透鏡，所述顯微成像裝置包括聚焦雷射陣列至樣品上的透鏡組件以及反射攜帶樣品信息的雷射陣列二向色鏡，所述信號接收裝置包括接收所述二向色鏡反射後雷射陣列的第二聚焦透鏡以及收集所述第二聚焦透鏡透射光信號的探測器。

進一步地，所述透鏡組件包括接收所述第一聚焦透鏡形成的雷射陣列的第三聚焦透鏡以及接收所述第三聚焦透鏡透射光信號且聚焦雷射陣列至樣品上的第四聚焦透鏡，所述二向色鏡位於所述第三聚焦透鏡至所述第四聚焦透鏡之間的光路上，且所述第三聚焦透鏡與所述第四聚焦透鏡之間的光軸與所述二向色鏡之間具有傾斜角。

進一步地，所述傾斜角為45度，所述第二聚焦透鏡垂直於所述第三聚焦透鏡。

進一步地，所述雷射陣列產生裝置還包括準直鏡，且雷射束經所述準直鏡透射至所述相位板上。

進一步地，所述相位板上設置有若干厚區以及若干薄區，且所述厚區所述薄區相間設置。

進一步地，雷射束透射所述厚區與透射所述薄區之間的相位差為π。

進一步地，還包括數據處理裝置，用於將所述探測器採集到的光信號恢復出所述樣品的圖像。

進一步地，所述探測器位於所述第二聚焦透鏡的焦平面處。

進一步地，所述探測器為ccd或者coms。

進一步地，應用在掃描近場顯微鏡、受激輻射光淬滅顯微鏡、光激活定位顯微鏡、隨機光學定位重構顯微鏡、結構照明顯微鏡、雙光子顯微鏡、單光子螢光顯微鏡、多光子顯微鏡、光學相干顯微鏡、共聚焦顯微鏡和拉曼顯微鏡上。

本發明具有以下有益效果：

本發明的成像系統中，射至相位板上的雷射束預先被準直，且由於相位板不同位置厚度存在差異，使得透射相位板的雷射束具有相位差，而存在相位差的雷射束通過第一聚焦透鏡聚焦形成雷射陣列，而通過顯微成像裝置的透鏡組件則可以將雷射陣列聚焦至樣品上，而二向色鏡則將攜帶有樣品信息的雷射陣列反射至信號接收裝置的第二聚焦透鏡，而探測器則可以採集具有樣品信息的雷射陣列。在上述成像過程中，通過利用相位板的雷射陣列快速掃描成像技術，因其無損探傷、高解析度、高成像速度、高性噪比以及三維層析探測的綜合優勢，在生物快速實時成像，活細胞檢測等方面均有重要的應用價值和市場推廣潛力。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其它的附圖。

圖1為本發明實施例提供的雷射陣列掃描成像系統的結構示意圖；

圖2為圖1的雷射陣列掃描成像系統的相位板的結構示意圖。

具體實施方式

下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其它實施例，都屬於本發明保護的範圍。

參見圖1，本發明實施例提供一種雷射陣列掃描成像系統，包括顯微成像裝置1、信號接收裝置2以及雷射陣列產生裝置3，雷射束先進入雷射陣列產生裝置3，然後經顯微成像裝置1進入信號接收裝置2內，其中顯微成像裝置1內設置有樣品13，雷射束聚焦至樣品13上後，雷射束內攜帶有樣品信息，而信號接收裝置2則是用於收集具有樣品信息的雷射束。具體地，雷射陣列產生裝置3包括相位板31以及第一聚焦透鏡32，準直後的雷射束透射相位板31後形成具有相位差的雷射束，而該雷射束在透射第一聚焦透鏡32後在第一聚焦透鏡32的焦平面處形成雷射陣列，顯微成像裝置1包括透鏡組件11以及二向色鏡12，一般還應設置有樣品放置區，將樣品13放置樣品放置區後，透鏡組件11接收雷射陣列產生裝置3發出的雷射陣列，然後將雷射陣列聚焦至該樣品13上，通過雷射陣列對樣品13進行掃描，使得雷射陣列攜帶有樣品信息，二向色鏡12將該攜帶有樣品信息的雷射陣列的特定波段反射至信號接收裝置2內，而信號接收裝置2包括第二聚焦透鏡21以及探測器22，其中第二聚焦透鏡21接收二向色鏡12反射的雷射束，將探測器22設置於第二聚焦透鏡21的焦平面處，探測器22可接收第二聚焦透鏡21產生的攜帶樣品信息的雷射陣列。本發明中，準直後的雷射束先透射相位板31形成具有相位差的雷射束，該雷射束透射第一聚焦透鏡32後在第一聚焦透鏡32的焦平面處形成雷射陣列，雷射陣列進入透鏡組件11後，使得雷射陣列聚焦於樣品13上，起到對樣品13進行陣列掃描的作用，將掃描速度提高兩個數量級，雷射陣列激發樣品13產生攜帶具有樣品信息的雷射陣列，且通過二向色鏡12將雷射陣列反射到第二聚焦透鏡21，且在第二聚焦透鏡21的焦平面處形成攜帶樣品信息的雷射陣列，雷射陣列被探測器22收集。上述成像過程中利用相位板31的雷射陣列快速掃描成像技術，因其無損探傷、高解析度、高成像速度、高性噪比以及三維層析探測的綜合優勢，在生物快速實時成像，活細胞檢測等方面均有重要的應用價值和市場推廣潛力。對於探測器22可以採用ccd(相機)或者coms(ram晶片)，可以收集攜帶樣品信息的雷射陣列。其中，雷射陣列產生裝置3還包括準直鏡，且雷射器發出的雷射束經準直鏡後透射至相位板31上，即沿雷射束的發射方向，準直鏡、相位板31以及第一聚焦透鏡32依次設置，使得雷射束被準直後垂直透射相位板31。

再次參見圖1，優化上述實施例，透鏡組件11包括第三聚焦透鏡111以及第四聚焦透鏡112，其中第三聚焦透鏡111可以接收第一聚焦透鏡32形成的雷射陣列，而第四聚焦透鏡112則是用於接收第三聚焦透鏡111透射的雷射信號且在樣品13上聚焦形成雷射陣列，樣品13位於第四聚焦透鏡112的焦平面上，通過第三聚焦透鏡111與第四聚焦透鏡112的配合作用使得雷射陣列掃描樣品13，將上述的二向色鏡12設置於第三聚焦透鏡111與第四聚焦透鏡112之間的光路上，且該光路對應的光軸與二向色鏡12之間具有傾斜角。本實施例中，經雷射陣列生成裝置調製後的雷射陣列進入第三聚焦透鏡111；經第三聚焦透鏡111後的雷射再經第四聚焦透鏡112形成雷射陣列，聚焦於樣品13上，對樣品13進行陣列掃描，雷射陣列激發樣品13產生攜帶樣品信息的雷射陣列；攜帶樣品信息的雷射陣列背向散射透過第四聚焦透鏡112，經二向色鏡12反射到第二聚焦透鏡21上以在焦平面處形成雷射陣列。當然，二向色鏡12傾斜設置，則主要是用於調節二向色鏡12的反射角，方便反射後的雷射束可射入信號接收裝置2內，且方便信號接收裝置2位置的安放。優選地，上述的傾斜角為45度，則第二聚焦透鏡21應垂直於第三聚焦透鏡111。

參見圖1以及圖2，進一步地，細化相位板31的結構，相位板31上設置有若干厚區311以及若干薄區312，且各厚區311與各薄區312相間設置，即每一厚區311的相鄰區間均為薄區312，使得相鄰兩個區間均存在相位差，進而可以使得透射至第一聚焦透鏡32的雷射束可以形成雷射陣列。相位板31通過刻蝕等技術途徑，在透明光學材料上加工出具有兩種厚度的區域，使指定波長的光在通過這兩種區域時的相位差為，雷射陣列的薄區312與厚區311可以採用類似於棋盤的結構形式，加工簡單，實現簡單，成本比較低，可以提高雷射焦斑空間強度分布對稱性。具體地，在雷射透射相位板31的厚區311與薄區312之間的相位差為π。

進一步地，成像系統還應包括有數據處理裝置，探測器22收集的光信號傳輸至數據處理裝置內，而通過數據處理裝置可以將攜帶有樣品信息的光信號恢復為樣品13的圖像。本實施例中，數據處理裝置包括計算機，計算機用於將採集到的攜帶樣品信息的光波信號恢復出成像樣品13的圖像。而上述結構的成像系統可應用在掃描近場顯微鏡(snom)、受激輻射光淬滅顯微鏡(sted)、光激活定位顯微鏡(plam)、隨機光學定位重構顯微鏡(storm)、結構照明顯微鏡(sim)、雙光子顯微鏡(tpef)、單光子螢光顯微鏡(opef)、多光子顯微鏡(mpm)、光學相干顯微鏡(oct)、共聚焦顯微鏡(clsm)和拉曼顯微鏡(srs)上。

以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。