CN117872619A - 一种基于多色光场显微的非球面激光照明匀光装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于多色光场显微的非球面激光照明匀光装置，包括激光器，用于发射激光光束，以及沿激光光束传播方向依次设置的旋转扩散片单元、准直单元、非球面匀光单元、反射透过单元；激光光束在发射透过单元发生反射，形成第一光路；激光光束沿第一光路经过显微物镜到达样本，在样本激发产生荧光，荧光沿与第一光路方向相反的第二光路传播，经显微物镜到达反射透过单元，经反射透过单元发生透射，透射的激光光束经荧光成像单元进入图像获取单元接收，用于得到图像信息。本发明实现了结构的简化的同时，去除了激光相干性带来的散斑干扰，极大地减少了匀光过程中的能量损失，针对高斯分布光束具有良好的匀光效果。
Description
技术领域
本发明涉及多色光场显微成像技术领域，特别涉及一种基于多色光场显微的非球面激光照明匀光装置。
背景技术
在多色光场显微成像技术中，将荧光显微成像技术与光场成像相结合，激发样本荧光成像的同时，通过光场成像技术获得三维成像。在这一技术中，LED与激光都是常用的照明光源，其中激光相比LED具有能量密度高，拉赫不变量小等特点，在部分应用场合相较LED光源具有更大的优势。
但同时，激光器的强度分布通常为高斯分布，并且具有较好的相干性。在多色光场显微成像中，激光的高斯分布会带来照明的不均匀性，而相干性会带来散斑干扰，导致成像质量的下降。而现有的匀光方案往往采用以下几种方式：
通过光阑截断激光光束，取用高斯分布光束的中间均匀部分；通过非均匀衰减的消光滤波器，使得衰减后的光束强度分布一致。此方法会造成较大的能量损失。
通过微透镜、微反射镜、棱镜或衍射元件，与一个积分光学元件，将光束进行子孔径分割再收集到特定平面，该平面每个位置的光强都由全部子光束积分得到，实现均匀的强度分布。此方法使用的光学元件成本较高，仅能在特定平面实现匀光；且对于高相干性的单模激光，子孔径分割再积分的技术会导致相干干涉，加剧散斑干扰。
通过衍射元件、梯度折射率透镜、非球面透镜或离轴非球面反射镜，实现将特定强度分布转换为均匀强度分布的场映射***。此方法使用的衍射元件会带来额外的衍射能量损失，离轴非球面反射镜的成本高装配困难，而折射式透镜由于色差仅适用于特定波长，消色差的折射式匀光需要针对不同波长改变结构参数或引入复杂的消色差模块。
因此，如何提供一种能在多色光场显微成像中，利用激光光源实现均匀照明的同时，不损失激光本身的优点的简易激光照明匀光装置是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明针对上述研究现状和存在的问题，提供了一种基于多色光场显微的非球面激光照明匀光装置，装置结构简单，去除激光相干性带来的散斑干扰的同时，极大减少了匀光过程中的能量损失。
本发明提供的一种基于多色光场显微的非球面激光照明匀光装置，包括激光器，用于发射激光光束，以及沿所述激光光束传播方向依次设置的旋转扩散片单元、准直单元、非球面匀光单元、反射透过单元；
所述激光光束在所述发射透过单元发生反射，形成第一光路；所述激光光束沿所述第一光路经过显微物镜到达样本，在所述样本激发产生荧光，所述荧光沿与所述第一光路方向相反的第二光路传播，经显微物镜到达反射透过单元，经反射透过单元发生透射，透射的激光光束经荧光成像单元进入图像获取单元接收，用于得到图像信息。
优选的，所述激光器包括多通道单模连续激光器，不同波段通道激光的强度分布为高斯分布。
优选的，所述旋转扩散片单元包括：扩散元件、传动装置、电机和转速控制模组；所述电机通过所述传动装置与所述扩散元件传动连接，用于控制所述扩散元件旋转，输出传播方向不固定的激光光束。
优选的，所述准直单元包括：第一双胶合透镜，第二双胶合透镜；被旋转扩散片单元发散后的激光光束依次通过所述第一双胶合透镜，第二双胶合透镜后，输出圆形光斑。
优选的，所述非球面匀光单元包括透镜I、透镜II和透镜III；其中，
所述透镜I为前表面为平面，后表面为凹面的负透镜，其中凹面为偶次非球面；
所述透镜II为前表面与后表面均为球面的负透镜；
所述透镜III为前表面为凸面，后表面为平面的正透镜，其中凸面为偶次非球面；
所述透镜II与所述透镜III采用不同阿贝数的材料；所述前表面为激光光束入射面，所述后表面为激光光束出射面。
优选的，所述反射透过单元包括二向色镜，所述二向色镜相对匀光单元倾斜设置，所述二向色镜用于将所述非球面匀光单元的出射激光光束反射至显微物镜，将所述显微物镜出射的荧光透射至所述荧光成像单元。
优选的，所述荧光成像单元包括tube透镜。
优选的，所述图像获取单元包括相机。
优选的，所述图像获取单元包括4F扫描***、微透镜阵列和相机；所述荧光成像单元出射的激光光束依次经过所述4F扫描***、所述微透镜阵列入射至所述相机。
优选的，所述非球面匀光单元出射的激光光束经线光扫描单元入射至所述反射透过单元；所述线光扫描单元包括：线光转换单元和一维扫描***；其中
所述线光转换单元为一片柱透镜，将所述非球面匀光单元出射的激光光束转换为均匀的一维线光；所述一维扫描***包括沿激光光束传播方向依次设置的两片双胶合透镜和一维振镜，其中两片双胶合透镜用于将入射激光光束线光长度放大得到长线光，一维振镜对所述长线光进行面扫描。
相较现有技术具有以下有益效果：
本发明通过让激光光束穿过旋转扩散片单元，去除了激光相干性带来的散斑干扰；激光光束依次通过旋转扩散片单元、准直单元、非球面匀光单元，强度分布由高斯分布转变为均匀分布，透射式非球面镜片场映射匀光极大地减少了匀光过程中的能量损失，针对高斯分布光束具有良好的匀光效果；本发明还基于非球面匀光单元，实现了结构的简化的同时，完成了可见波段内的多色匀光，成本较低，装配简单。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例一提供的基于多色光场显微的非球面激光照明匀光装置的光路图；
图2为本发明实施例二提供的基于多色光场显微的非球面激光照明匀光装置的光路图；
图3为本发明实施例三提供的基于多色光场显微的非球面激光照明匀光装置的光路图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明公开了一种基于多色光场显微的非球面激光照明匀光装置，包括激光器1，用于发射激光光束，以及沿激光光束传播方向依次设置的旋转扩散片单元2、准直单元3、非球面匀光单元4、反射透过单元5；
激光光束在发射透过单元发生反射，形成第一光路；激光光束沿第一光路经过显微物镜6到达样本7，在样本7激发产生荧光，荧光沿与第一光路方向相反的第二光路传播，经显微物镜6到达反射透过单元5，经反射透过单元5发生透射，透射的激光光束经荧光成像单元8进入图像获取单元接收，用于得到图像信息。
光路传播原理如下：
激光器1，用于发射初始激光光束；
旋转扩散片单元2，沿激光传输光路设置，用于消除激光的相干性；
准直单元3，沿激光传输光路设置，用于将发散的激光光束转换为特定大小的圆形准直光束；
非球面匀光单位，沿激光传输光路设置，将高斯分布的圆形激光光斑转换为均匀分布的圆形光斑；
反射透过单元5，沿激光传输光路设置，将光线反射至显微物镜6，圆形均匀光斑通过显微物镜6到达样本7；
荧光光场成像单元，位于反射透过单元远离显微物镜6的一侧，样本7的荧光信号被显微物镜6收集后透过反射透过单元5，通过荧光成像单元8成像，成像后被图像获取单元接收，得到图像信息。
在一个实施例中，激光器1包括多通道单模连续激光器1，不同波段通道激光的强度分布均满足高斯分布，且发散角相对一致。
在一个实施例中，旋转扩散片单元2包括：扩散元件、传动装置、电机和转速控制模组；电机通过传动装置与扩散元件传动连接，用于控制扩散元件旋转，输出传播方向不固定的激光光束。电机旋转通过传动装置带动扩散元件旋转，通过扩散元件打乱激光光线传播方向，通过旋转使得每个位置激光的出射角度不断变化，降低激光的时间与空间相干性，实现去除激光散斑的效果。
本实施例中，扩散元件包括扩散片或毛玻璃。
在一个实施例中，准直单元3包括：第一双胶合透镜，第二双胶合透镜；被旋转扩散片单元2发散后的激光光束依次通过第一双胶合透镜，第二双胶合透镜后，输出圆形光斑。利用双胶合透镜的消色差特性，使得400-700nm波段内不同波长激光均能实现准直输出；通过设置准直单元3合理的光学参数，实现特定大小的光斑直径。
在一个实施例中，非球面匀光单元4包括透镜I、透镜II和透镜III；其中，
透镜I为前表面为平面，后表面为凹面的负透镜，其中凹面为偶次非球面；
透镜II为前表面与后表面均为球面的负透镜；
透镜III为前表面为凸面，后表面为平面的正透镜，其中凸面为偶次非球面；
透镜II与透镜III采用不同阿贝数的材料，透镜II与透镜III的组合起到消色差作用，使得400-700nm波段范围内激光均能实现相同的匀光效果。
前表面为激光光束入射面，后表面为激光光束出射面。其中激光光束通过准直单元3垂直入射透镜I为平面的前表面，入射光为强度高斯分布，并具有特定直径的圆形光斑，光线从透镜III为平面的后表面垂直出射，为具有均匀强度分布的圆形光斑；透镜I的非球面对光线起到映射匀光作用，将具备高斯强度分布的光束映射为均匀的发散光束，通过透镜III的非球面将该发散光束重新准直。
在一个实施例中，反射透过单元5包括二向色镜，二向色镜相对匀光单元倾斜设置，二向色镜用于将非球面匀光单元4的出射激光光束反射至显微物镜6，将显微物镜6出射的荧光透射至荧光成像单元8。
在一个实施例中，荧光成像单元8包括tube透镜，显微物镜6、荧光成像单元8和图像获取单元沿激光传播方向共轴排列。
在一个实施例中，图像获取单元包括相机9。
在一个实施例中，图像获取单元包括4F扫描***11、微透镜阵列10和相机9；荧光成像单元8出射的激光光束依次经过4F扫描***11、微透镜阵列10入射至相机9。
在一个实施例中，非球面匀光单元4出射的激光光束经线光扫描单元入射至反射透过单元5；线光扫描单元包括：线光转换单元和一维扫描***；其中
线光转换单元为一片柱透镜，将非球面匀光单元4出射的激光光束转换为均匀的一维线光；一维扫描***包括沿激光光束传播方向依次设置的两片双胶合透镜和一维振镜，其中两片双胶合透镜用于将入射激光光束线光长度放大得到长线光，一维振镜对长线光进行面扫描。
下面给出本发明的三种完整实施例方案：
实施例一
如图1所示，一种基于多色荧光宽场显微成像***的匀光装置，包括激光器1，能发射可见光范围不同波段的单模激光，本实施例中数值孔径为0.1；旋转扩散片单元2，用于打乱激光光线的传播方向，由一片5°发散角的扩散片，传动装置，电机构成；准直单元3由两片双胶合透镜构成，用于将激光光束转换为特定大小的准直圆形光束；准直单元3出射的准直光束进入非球面匀光单元4，该单元依次由一片非球面平凹透镜、标准曲面负透镜、非球面平凸透镜构成，用于将入射的圆形高斯分布光束转换为圆形均匀分布光束；反射透过单元5选用二向色镜，二向色镜位于匀光单元上方，将光束反射至显微物镜6，光束经过显微物镜6到达样本7；荧光成像单元8选用tube透镜，位于二向色镜左侧，显微物镜6位于二向色镜右侧，图像获取单元采用相机9，位于tube透镜左侧，显微物镜6、Tube透镜和相机9平行排列，样本7的荧光信号被显微物镜6收集后透过二向色镜，通过Tube透镜成像，成像后被相机9接收，得到图像信息。综上，本装置使得在多色荧光宽场显微成像***中，提升了照明均匀性，能量利用率高，并且避免了激光散斑干扰。
实施例二
如图2所示，一种基于多色光场显微成像***的匀光装置，与实施例一的区别在于，图像获取单元与实施例的选取不同，其他元件及排列关系并无不同。本实施例中图像获取单元包括相机9、4F扫描***11以及微透镜阵列10，4F扫描***11沿Tube透镜的传输光路设置，4F扫描***11位于Tube透镜的左侧，微透镜阵列10位于4F扫描***11左侧，相机9位于微透镜阵列10左侧，样本7的荧光信号被显微物镜6收集后透过二向色镜，通过Tube透镜成像，成像后通过4F扫描***11成像到微透镜阵列10上，然后通过微透镜采集图像角度信息成像到相机9上，相机9采集获取的光场信息通过光场重建可解出三维图像信息。综上，本装置使得在多色光场显微成像***中，提升了照明均匀性，能量利用率高，并且避免了激光散斑干扰，能够获得更准确的三维图像。
实施例三
如图3所示，一种基于线光扫描光场显微成像***的匀光装置，与实施例二的区别在于，于实施例二的基础上，在非球面匀光单元4与反射透过单元5之间增加了线光扫描单元12，线光扫描单元12包含一个线光转换单元与一个一维扫描***，其中线光转换单元为一片柱透镜，将二维均匀光斑转换为均匀的一维线光；一维扫描***依次包含两片双胶合透镜、一维振镜，其中两片双胶合透镜构成放大***，将均匀线光长度放大得到长线光，一维振镜实现长线光扫描样本7，实现面扫描。综上，本装置使得在线光扫描光场显微成像***中，提升了照明均匀性的同时，大大提升了能量利用率，并且避免了激光散斑干扰，能够获得更准确的三维图像。
以上对本发明所提供的一种基于多色光场显微的非球面激光照明匀光装置进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
Claims (10)
1.一种基于多色光场显微的非球面激光照明匀光装置，其特征在于，包括激光器，用于发射激光光束，以及沿所述激光光束传播方向依次设置的旋转扩散片单元、准直单元、非球面匀光单元、反射透过单元；
所述激光光束在所述发射透过单元发生反射，形成第一光路；所述激光光束沿所述第一光路经过显微物镜到达样本，在所述样本激发产生荧光，所述荧光沿与所述第一光路方向相反的第二光路传播，经显微物镜到达反射透过单元，经反射透过单元发生透射，透射的激光光束经荧光成像单元进入图像获取单元接收，用于得到图像信息。
2.根据权利要求1所述的一种基于多色光场显微的非球面激光照明匀光装置，其特征在于，所述激光器包括多通道单模连续激光器，不同波段通道激光的强度分布为高斯分布。
3.根据权利要求1所述的一种基于多色光场显微的非球面激光照明匀光装置，其特征在于，所述旋转扩散片单元包括：扩散元件、传动装置、电机和转速控制模组；所述电机通过所述传动装置与所述扩散元件传动连接，用于控制所述扩散元件旋转，输出传播方向不固定的激光光束。
4.根据权利要求1所述的一种基于多色光场显微的非球面激光照明匀光装置，其特征在于，所述准直单元包括：第一双胶合透镜，第二双胶合透镜；被旋转扩散片单元发散后的激光光束依次通过第一双胶合透镜，第二双胶合透镜后，输出圆形光斑。
5.根据权利要求1所述的一种基于多色光场显微的非球面激光照明匀光装置，其特征在于，所述非球面匀光单元包括透镜I、透镜II和透镜III；其中，
所述透镜I为前表面为平面，后表面为凹面的负透镜，其中凹面为偶次非球面；
所述透镜II为前表面与后表面均为球面的负透镜；
所述透镜III为前表面为凸面，后表面为平面的正透镜，其中凸面为偶次非球面；
所述透镜II与所述透镜III采用不同阿贝数的材料；所述前表面为激光光束入射面，所述后表面为激光光束出射面。
6.根据权利要求1所述的一种基于多色光场显微的非球面激光照明匀光装置，其特征在于，所述反射透过单元包括二向色镜，所述二向色镜相对匀光单元倾斜设置，所述二向色镜用于将所述非球面匀光单元的出射激光光束反射至显微物镜，将所述显微物镜出射的荧光透射至所述荧光成像单元。
7.根据权利要求1所述的一种基于多色光场显微的非球面激光照明匀光装置，其特征在于，所述荧光成像单元包括tube透镜。
8.根据权利要求1所述的一种基于多色光场显微的非球面激光照明匀光装置，其特征在于，所述图像获取单元包括相机。
9.根据权利要求1所述的一种基于多色光场显微的非球面激光照明匀光装置，其特征在于，所述图像获取单元包括4F扫描***、微透镜阵列和相机；所述荧光成像单元出射的激光光束依次经过所述4F扫描***、所述微透镜阵列入射至所述相机。
10.根据权利要求9所述的一种基于多色光场显微的非球面激光照明匀光装置，其特征在于，所述非球面匀光单元出射的激光光束经线光扫描单元入射至所述反射透过单元；所述线光扫描单元包括：线光转换单元和一维扫描***；其中
所述线光转换单元为一片柱透镜，将所述非球面匀光单元出射的激光光束转换为均匀的一维线光；所述一维扫描***包括沿激光光束传播方向依次
设置的两片双胶合透镜和一维振镜，其中两片双胶合透镜用于将入射激光光束线光长度放大得到长线光，一维振镜对所述长线光进行面扫描。
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