一種共聚焦光學(xué)掃描儀的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種共聚焦光學(xué)掃描儀，特別涉及使用CCD、EMCCD、CMOS和sCOMS等面陣檢測器作為檢測單元的、應(yīng)用于生物熒光顯微成像的共聚焦光學(xué)掃描儀。本共聚焦光學(xué)掃描儀的主要特征是：微透鏡陣列的微透鏡與針孔陣列的針孔一一對應(yīng)，針孔陣列位于微透鏡的焦平面；照明樣品的激發(fā)光和樣品發(fā)射的熒光經(jīng)過針孔陣列上的同一個針孔；針孔陣列的針孔呈等距矩陣排列，所有針孔在樣品上形成的照明點具有相同的移動速度；掃描振鏡具有兩個反射面，通過其往復(fù)旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)對樣品的掃描成像。因此，該共聚焦光學(xué)掃描儀具有掃描速度快、零雜散光背景噪聲、照明強(qiáng)度均一等優(yōu)點、易于與檢測器曝光同步控制。
【專利說明】一種共聚焦光學(xué)掃描儀
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種多針孔共聚焦光學(xué)掃描儀，特別涉及使用CCD、EMCCD, CMOS和sCOMS等面陣檢測器作為檢測單元的、應(yīng)用于顯微成像的多針孔共聚焦光學(xué)掃描儀。本發(fā)明主要應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)顯微成像領(lǐng)域，也可用于材料研究和集成電路芯片檢測成像。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著細(xì)胞生物學(xué)研究的深入，熒光顯微鏡成像的應(yīng)用越來越普遍，共聚焦顯微成像更是受到廣泛的重視。但是，目前的共聚焦成像系統(tǒng)有各種無法克服問題，使系統(tǒng)的性能難以進(jìn)一步提聞:
[0003]1.單針孔激光共聚焦光學(xué)掃描儀的成像速度普遍比較低，在典型的1024X1024像素成像條件下，成像速度小于I赫茲；而且單針孔激光掃描共聚焦顯微鏡使用光電倍增管作為檢測元件，光電轉(zhuǎn)換效率不高，只有30 %所有的量子效率。
[0004]2.轉(zhuǎn)盤共聚焦光學(xué)掃描儀利用高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)盤來驅(qū)動等距螺旋排列的針孔掃描對樣品。盡管其具有1000赫茲的掃描速度，但位于轉(zhuǎn)盤內(nèi)徑的針孔比位于轉(zhuǎn)盤外徑的針孔具有更慢的旋轉(zhuǎn)速度，使得各個針孔對樣品的照明時間長短不一，造成照明強(qiáng)度不均勻。而高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)盤不能實時調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，使得對樣品的照明與檢測器的曝光不能完全同步，給圖像帶來明暗相間的掃描線，降低了圖像質(zhì)量。
[0005]3.滑塊共聚焦掃描儀利用往復(fù)滑動的滑塊來取得多個針孔掃描樣品，由于目前的技術(shù)限制無法實現(xiàn)高速掃描，掃描速度最快只有20赫茲。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是針對目前各種共聚焦光學(xué)掃描儀存在的不足之處進(jìn)行改進(jìn)，如單點共聚焦激光掃描儀掃描速度慢、靈敏度低；轉(zhuǎn)盤共聚焦掃描儀有亮暗相間的掃描線干擾、照明強(qiáng)度不均一；滑塊共聚焦掃描儀掃描速度慢等問題，提供一種新的多針孔共聚焦光學(xué)掃描儀，配合熒光顯微鏡和面陣檢測器組成共聚焦成像系統(tǒng)，從而高速地獲取高質(zhì)量的共聚焦圖像。
[0007]本發(fā)明的目的是通過以下的技術(shù)方案實現(xiàn)的:
[0008]如圖1所示，本發(fā)明提供一種多針孔共聚焦光學(xué)掃描儀，主要包括:光源I ;激發(fā)濾色片2 ;照明透鏡組3 ;微透鏡陣列4，其上排列了微透鏡4a ;二色分光鏡5 ;針孔陣列6，其上排列了針孔6a ;延遲透鏡組7 ;掃描振鏡8，有第一反射面8a和第二反射面8b ;截止光闌9，分為透光部分9a和不透光部分9b ;全反鏡組10 ;成像透鏡組11 ;發(fā)射濾色片12 ;控制器13 ;其特征在于:
[0009]所述光源I使用激光、發(fā)光二極管、汞燈、氙燈和金屬鹵化物燈中的任意一種或多種作為光源；
[0010]所述激發(fā)濾色片2的作用在于，透過所述光源I發(fā)射的部分波長的光、反射其它波長的光，得到用于照明樣品的激發(fā)光；[0011]所述照明透鏡組3的作用在于，使所述光源I發(fā)射并透過所述激發(fā)濾色片2的激發(fā)光形成平行光束；
[0012]所述微透鏡陣列4位于所述照明透鏡組3，并垂直于所述平行光束，其上排列了多個透光的、具有相等焦距的所述微透鏡4a，其余部分不透光；所述微透鏡4a是圓形或多邊形，如三角形、方形、矩形、四邊形、五邊形和六邊形等；所述微透鏡是菲涅耳透鏡、曲面反射鏡、微型凸透鏡型微透鏡中的一種或多種，且具有相等的焦距；
[0013]所述二色分光鏡5位于所述微透鏡陣列4和所述針孔陣列6之間，與所述平行光束有45度夾角；
[0014]所述針孔陣列6放置在所述二色分光鏡5之后，垂直于所述平行光束，并且位于所述微透鏡4a的所述二色分光鏡5 —側(cè)的焦平面上；
[0015]所述針孔陣列6上排列了多個透光的所述針孔6a，其余部分不透光；所述針孔6a是圓形或多邊形，如三角形、方形、矩形、四邊形、五邊形和六邊形等；
[0016]所述針孔6a為圓形時,所述針孔6a的大小r定義為所述圓形的半徑；所述針孔6a為多邊形時，所述針孔6a的大小r定義為所述多邊形的內(nèi)切圓的半徑；
[0017]所述針孔6a的大小r由顯微鏡19的物鏡15的數(shù)值孔徑NA、放大倍率Ml、所述延遲透鏡組7的放大倍率M2和所述樣品16發(fā)射熒光的波長λ決定:
[0018]r = 0.61Χ λ+ΝΑΧΜ1ΧΜ2
[0019]如圖8所示，所述針孔陣列6上的所述針孔6a按照以下規(guī)則排列:當(dāng)所述掃描振鏡8旋轉(zhuǎn)時,所述照明點在所述樣品16上移動的方向定義為掃描方向；將平行于所述掃描方向的所述針孔6a的排列定義為行；將垂直于所述掃描方向的所述針孔6a的排列定義為列；每一行的所述針孔6a的數(shù)量相等，每一列的所述針孔6a的數(shù)量相等，且每一行至少有一個所述針孔6a ;穿過所述針孔6a的中心畫平行于所述掃描方向的直線，相鄰的兩條直線的距離為相鄰兩行所述針孔6a的行間距，稱為I ;穿過所述針孔6a的中心畫垂直于掃描方向的直線，相鄰的兩條直線的距離為相鄰兩列所述針孔6a的列間距，稱為J ;同一行的相鄰兩個所述針孔6a的中心距離定義為K ;同一列的相鄰兩個所述針孔6a的中心距離定義為L ;所述針孔6a的排列使1、J、K和L與所述針孔6a的大小r有以下等式關(guān)系:
[0020]O < I ^ 2r
[0021]L = nX I,
[0022]K2 = η2 X L2-12
[0023]J2 = L2-12
[0024]η為改變所述針孔6a間距離的系數(shù)，I < n ^ 20 ；
[0025]如圖9所示，所述微透鏡4a和所述針孔6a有相同的排列，經(jīng)過所述二色分光鏡5形成一一對應(yīng)關(guān)系，即所述平行光束被所述微透鏡4a分束、匯聚，匯聚的焦點位于所述二色分光鏡5后的所述針孔6a的中心；所述平行光束分束透過所述針孔6a后形成多個點光源；
[0026]所述延遲透鏡組7對所述針孔陣列6成像，像平面與所述物鏡15對所述樣品16成像的像平面重合，使所述點光源在所述樣品16上形成與所述針孔6a—一對應(yīng)的照明點；
[0027]所述掃描振鏡8圍繞固定轉(zhuǎn)軸往復(fù)旋轉(zhuǎn)，有兩個反射面，即第一反射面8a和第二反射面8b ;第一反射面8a和第二反射面8b是平面反射或凹面反射；當(dāng)所述第一反射面8a和第二反射面8b是凹面反射時，有相等或不等的焦距；
[0028]所述截止光闌9位于所述樣品16經(jīng)過所述物鏡15成像的像平面，分為所述透光部分9a和所述不透光部分9b ；
[0029]所述全反鏡組10是平面反射或凹面反射；
[0030]所述成像透鏡組11對所述針孔陣列6成像，像平面位于面陣檢測器20的感光芯片14上；
[0031]所述發(fā)射濾色片12的作用在于，透過所述樣品16發(fā)射的特定波長的熒光，反射其它波長的光；
[0032]所述控制器13的作用在于:控制所述掃描振鏡8的旋轉(zhuǎn)位置、旋轉(zhuǎn)周期，并與所述面陣檢測器20進(jìn)行信號通訊，實現(xiàn)所述掃描振鏡8的旋轉(zhuǎn)與所述面陣檢測器20的曝光同步控制。
[0033]本發(fā)明的優(yōu)點如下:
[0034]1、本發(fā)明由掃描振鏡驅(qū)動掃描，配合使用CCD、EMCCD、CMOS和sCOMS等高靈敏度面陣檢測器，可實現(xiàn)高速、高靈敏度的共聚焦光學(xué)成像。
[0035]2、本發(fā)明為單一針孔陣列，激發(fā)光與熒光經(jīng)過同一個針孔陣列，安裝調(diào)節(jié)簡單。
[0036]3、本發(fā)明使用微透鏡陣列和針孔陣列雙陣列結(jié)構(gòu)，微透鏡和針孔一一對應(yīng)，光源利用率高，無雜散光背景噪聲。
[0037]4、本發(fā)明的掃描振鏡的掃描與面陣檢測器的曝光同步，避免掃描不完全造成的圖象亮暗不均勻的問題。
[0038]5、本發(fā)明對樣品的照明強(qiáng)度完全相等，視場照明強(qiáng)度均一。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0039]圖1:本發(fā)明和顯微鏡及面陣檢測器應(yīng)用的結(jié)構(gòu)示意圖
[0040]圖2a和2b:本發(fā)明的第一種實施例的示意圖
[0041]圖3:本發(fā)明的第二種實施例的示意圖
[0042]圖4:本發(fā)明的第三種實施例的示意圖
[0043]圖5:本發(fā)明的第四種實施例的示意圖
[0044]圖6:本發(fā)明的第五種實施例的示意圖
[0045]圖7:本發(fā)明的第六種實施例的示意圖
[0046]圖8:本發(fā)明的針孔陣列排列方式的示意圖
[0047]圖9:本發(fā)明的圓形針孔陣列和圓形微透鏡陣列的示意圖
[0048]圖面說明:
[0049]1-光源2-激發(fā)濾色片3-照明透鏡組4-微透鏡陣列4a_微透鏡5-二色分光鏡6-針孔陣列6a-針孔7-延遲透鏡組8-掃描振鏡8a-掃描振鏡第一反射面8b-掃描振鏡第二反射面 9-截止光闌 9a-透光部分9b-不透光部分 10-全反鏡組
11-成像透鏡組12-發(fā)射濾色片13-控制器14-感光芯片15-物鏡16-樣品17-計算機(jī)18-計算機(jī)顯示器19-顯微鏡20-面陣檢測器
【具體實施方式】[0050]下面結(jié)合附圖和實施例進(jìn)一步描述本發(fā)明。
[0051]實施例1
[0052]圖2a和2b是與本發(fā)明相關(guān)的第一種共聚焦光學(xué)掃描儀的示意圖，其中，掃描振鏡8的第一反射面8a、第二反射面Sb和全反鏡組10都是平面反射。
[0053]如圖2a，在本實施例中，面陣檢測器20 (未畫出)開始曝光前，控制器13 (未畫出)控制掃描振鏡8停留在正向或反向最大旋轉(zhuǎn)角位置；光從光源I發(fā)射出，經(jīng)過激發(fā)濾色片
2、照明透鏡組3、微透鏡陣列4上的微透鏡4a、二色分光鏡5和針孔陣列6上的針孔6a形成多個激發(fā)點光源；激發(fā)點光源經(jīng)延遲透鏡組7成像并被掃描振鏡8的第一反射面8a反射在截止光闌9的不透光部分％，不能進(jìn)入顯微鏡19 (未畫出)，在位于物鏡15焦平面的樣品16上形成照明點。
[0054]如圖2b，當(dāng)面陣檢測器20(未畫出)開始曝光，控制器13(未畫出)控制掃描振鏡8從正向或反向最大旋轉(zhuǎn)角位置開始順時針或逆時針旋轉(zhuǎn)至反向或正向最大旋轉(zhuǎn)角位置，使激發(fā)點光源經(jīng)過截止光闌的透光部分9a得以進(jìn)入顯微鏡19 (未畫出)，在位于物鏡15焦平面的樣品16上形成照明點。隨著掃描振鏡8的旋轉(zhuǎn)，照明點在樣品16上移動。當(dāng)面陣檢測器20(未畫出)曝光結(jié)束時，掃描振鏡8剛好旋轉(zhuǎn)至反向或正向最大旋轉(zhuǎn)角位置，樣品16被照明一次。
[0055]在樣品16上的所有照明點的排列與針孔6a的排列相同，都是等距矩陣排列，并以相同的速度在樣品16上移動。所以，面陣檢測器20(未畫出)曝光時，樣品16被完整地、均勻地照明一次；或者，通過控制器13(未畫出)控制掃描振鏡8的旋轉(zhuǎn)周期，使面陣檢測器20(未畫出)的曝光時間等于掃描振鏡8的旋轉(zhuǎn)周期的整數(shù)倍，樣品16在面陣檢測器20(未畫出)曝光時被多次完整地、均勻地照明。
[0056]照明點激發(fā)樣品16發(fā)射的熒光經(jīng)過物鏡15、截止光闌9的透光部分9a、掃描振鏡8的第一反射面8a、延遲透鏡組7和針孔陣列6的針孔6a被二色分光鏡5反射，再經(jīng)過全反鏡組10、成像透鏡組11、掃描振鏡8的第二反射面8b和發(fā)射濾色片12在感光芯片14形成成像點。成像點隨著掃描振鏡8旋轉(zhuǎn)在感光芯片14上移動，在面陣檢測器20(未畫出)曝光結(jié)束時，感光芯片14獲得樣品16的完整的熒光信息，并由計算機(jī)17 (未畫出)處理、在計算機(jī)顯示器18 (未畫出)上顯示成圖像。由于只有位于物鏡15的焦平面的樣品16發(fā)射的熒光才能經(jīng)過針孔陣列6的針孔6a、被二色分光鏡5反射和透過發(fā)射濾色片12到達(dá)感光芯片14，所以計算機(jī)顯示器18(未畫出)上顯示的圖像是樣品16的共聚焦圖像。
[0057]實施例2
[0058]圖3是與本發(fā)明相關(guān)的第二種共聚焦光學(xué)掃描儀的結(jié)構(gòu)示意圖，與實施例1的區(qū)別具體如下:掃描振鏡8的第一反射面8a、第二反射面Sb，以及第一反射面8a與針孔陣列6之間的全反鏡10都為凹面反射，可分別替代實施例1的延遲透鏡組7和成像透鏡組11對針孔陣列6成像，第一反射面8a和第一反射面8a與針孔陣列6之間的全反鏡10的成像倍率是M2。因為減少了延遲透鏡組7和成像透鏡組11，本實施例的光路中具有更少的光學(xué)界面，可獲得更聞的光效率。
[0059]實施例3
[0060]圖4是與本發(fā)明相關(guān)的第三種共聚焦光學(xué)掃描儀的結(jié)構(gòu)示意圖，與實施例2的區(qū)別具體如下:掃描振鏡8的第一反射面8a和全反鏡組10為凹面反射、第二反射面Sb為平面反射。
[0061]實施例4
[0062]圖5是與本發(fā)明相關(guān)的第四種共聚焦光學(xué)掃描儀的結(jié)構(gòu)示意圖，與實施例3的區(qū)別具體如下:掃描振鏡8的第一反射面8a和第二反射面Sb、全反鏡組10都是凹面反射。
[0063]實施例5
[0064]圖6是與本發(fā)明相關(guān)的第五種共聚焦光學(xué)掃描儀的結(jié)構(gòu)示意圖，與實施例4的區(qū)別具體如下:第一反射面8a和第二反射面Sb分別在兩個相同的掃描振鏡8上，由控制器13同步控制旋轉(zhuǎn)，減少了一片全反鏡10。
[0065]實施例6
[0066]圖7是與本發(fā)明相關(guān)的第六種共聚焦光學(xué)掃描儀的結(jié)構(gòu)示意圖，與實施例1的區(qū)別具體如下:增加了成像透鏡組11的數(shù)量，使感光芯片14記錄的圖像和物鏡15對樣品16的成像可實現(xiàn)嚴(yán)格的1:1放大。
【權(quán)利要求】
1.一種共聚焦光學(xué)掃描儀，通過有兩個反射面的掃描振鏡反射由光源發(fā)射并透過針孔陣列的光，照明位于顯微鏡物鏡焦平面的樣品，并通過所述掃描振鏡的旋轉(zhuǎn)對所述樣品進(jìn)行掃描，最后由面陣檢測器記錄所述樣品發(fā)射并透過所述針孔陣列的熒光，完成共聚焦成像，其特征在于: 有一個所述針孔陣列，其上排列了多個透光的針孔，其余部分不透光； 所述針孔將所述光源發(fā)射的光束分成多個點光源，并經(jīng)過所述掃描振鏡的第一反射面反射，在位于所述顯微鏡物鏡焦平面的所述樣品上形成多個與所述針孔一一對應(yīng)的照明點，同時照明所述樣品； 所述樣品發(fā)射的熒光經(jīng)過所述顯微鏡物鏡后，被所述掃描振鏡的第一反射面反射透過所述針孔，再經(jīng)過所述掃描振鏡的第二反射面反射，在所述面陣檢測器的感光芯片上形成多個圖像點； 所述掃描振鏡旋轉(zhuǎn)，使所述照明點以相同的速度在所述樣品上移動，實現(xiàn)對所述樣品完全的、均勻的照明；同時使所述圖像點在所述面陣檢測器的感光芯片上移動，得到完整的所述樣品的熒光圖像，完成共聚焦成像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種共聚焦光學(xué)掃描儀，在所述光源與所述針孔陣列之間還放置了一個排列了多個微透鏡的微透鏡陣列，其特征在于:所述針孔陣列位于所述微透鏡的焦平面，且所述微透鏡陣列的所述微透鏡與所述針孔陣列的所述針孔一一對應(yīng)，即所述光源發(fā)射的光束被所述微透鏡陣分束、匯聚，匯聚的焦點位于所述針孔的中心，然后透過所述針孔陣列形成所述點光源。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種共聚焦光學(xué)掃描儀，其特征在于:所述微透鏡陣列的所述微透鏡是菲涅耳透鏡、曲面反射鏡、微型凸透鏡型微透鏡中的一種或多種，形狀為圓形或多邊形，且都具有相等的焦距。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種共聚焦光學(xué)掃描儀，其特征在于:所述針孔是圓形或多邊形；當(dāng)所述針孔為圓形時，所述針孔的大小r定義為所述圓形的半徑；當(dāng)所述針孔為多邊形時，所述針孔的的大小r定義為所述多邊形的內(nèi)切圓的半徑。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種共聚焦光學(xué)掃描儀，其特征在于:所述針孔陣列上的所述針孔按照以下規(guī)則排列:當(dāng)所述掃描振鏡旋轉(zhuǎn)時，所述照明點在所述樣品上移動的方向定義為掃描方向；將平行于所述掃描方向的所述針孔的排列定義為行，將垂直于所述掃描方向的所述針孔的排列定義為列；每一行的所述針孔的數(shù)量相等，每一列的所述針孔的數(shù)量相等，且每一行至少有一個所述針孔；穿過所述針孔的中心畫平行于所述掃描方向的直線，相鄰的兩條直線的距離為相鄰兩行所述針孔的行間距，稱為I ;穿過所述針孔的中心畫垂直于所述掃描方向的直線，相鄰的兩條直線的距離為相鄰兩列所述針孔的列間距，稱為J ;同一行的相鄰兩個所述針孔的中心距離定義為K ;同一列的相鄰兩個所述針孔的中心距離定義為L ;所述針孔的排列使1、J、K和L與所述針孔的大??！ 有以下等式關(guān)系:
O < I ^ 2r
L = nX I,
K2 = η2 X L2-12
J2 = L2-12 η為改變所述針孔間距的系數(shù)，I < η < 20。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種共聚焦光學(xué)掃描儀,其特征在于:所述掃描振鏡的所述第一反射面是平面反射或凹面反射、所述第二反射面是平面反射或凹面反射。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種共聚焦光學(xué)掃描儀,其特征在于:所述第一反射面和所述第二反射面分別在兩個掃描振鏡上。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種共聚焦光學(xué)掃描儀，還包括一片二色分光鏡，位于所述光源與所述針孔陣列之間，透過所述光源發(fā)射的光，反射所述樣品發(fā)射的熒光。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種共聚焦光學(xué)掃描儀,還包括一個截止光闌,位于所述顯微鏡物鏡對所述樣品成像的像平面，其作用在于:當(dāng)所述掃描振鏡旋轉(zhuǎn)至最大角位置時，所述光源發(fā)射并透過所述針孔陣列的光被所述截止光闌阻擋，不能進(jìn)入所述顯微鏡照明所述樣品。
10.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種共聚焦光學(xué)掃描儀，還包括一個與所述面陣檢測器之間有信號通訊的控制器，由所述控制器控制掃描振鏡旋轉(zhuǎn)，使所述面陣檢測器的曝光時間等于所述掃描振鏡的旋轉(zhuǎn)時間的整數(shù)倍，且使所述掃描振鏡旋轉(zhuǎn)的啟動與所述面陣檢測器曝光的啟動為同一時刻。`
【文檔編號】G01N21/01GK103776769SQ201210398683
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2012年10月19日 優(yōu)先權(quán)日:2012年10月19日
【發(fā)明者】賴博 申請人:賴博