CN211014821U - 一种显微镜 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及光学成像技术领域，具体公开了一种显微镜，包括光源发射器和收集透镜，光源发射器为激光发射器，在激光发射器和收集透镜之间的光路上还依次包括准直透镜、柱状透镜、扫描器一、聚焦透镜、波片、扫描器二和收集透镜；扫描器一和扫描器二均为二向色镜扫描器，扫描器一能够沿光路的垂直方向转动，扫描器二能够沿光路方向移动；扫描器一的后方设有物镜，柱状透镜用于将经过准直透镜准直后的激光在扫描器一的表面聚焦成线状焦点。本方案用以解决现有技术中台式多光子显微镜只能实现二维扫描成像、且结构重量重、体积大，此外还存在无法应用于临床的技术问题。

Description

一种显微镜

技术领域

本实用新型涉及光学成像技术领域，具体是一种显微镜。

背景技术

为了在实验动物上进行高分辨率的神经科学研究，通常采用多光子显微镜作为无创光学脑成像的技术。现有技术中采用台式多光子显微镜时只能采用微型探头对活体样本（被研究的动物）进行二维扫描成像，台式多光子显微镜包括飞秒激光调制器、微型探头，微型探头包括：扫描成像部分（用于接收飞秒激光调制器输出的激光，该激光对活体样本内部的组织进行扫描，以激发活体样本内的荧光染料并产生荧光信号）、微机电扫描仪、物镜、准直器、二向色镜、微机电扫描仪和采集透镜，物镜上连接着镜筒透镜和扫描透镜，整个结构重量重，体积大。

然而目前的这种技术方式还存在以下技术缺陷：

第一，现有技术中的微型探头采用二维扫描成像，其成像速度慢（只有40Hz），此外，成像出来的图像不便于观察活体样本数据采集的空间情况。

第二，这种台式多光子显微镜在使用过程中，必须将活体样本的头部一直被固定在检测台上，活体样本在实验期间一直都是处于物理约束和情绪压力下（容易产生恐惧感），对于活体样本在自由活动的情况下的行为不能进行有效的研究。

第三，在采用现有技术进行检测时，必须先给活体样本注射荧光染料，这种注射荧光染料的方式无法对病人使用，导致其无法应用于临床。

第四，这种台式多光子显微镜带有镜筒透镜和扫描透镜，导致显微镜的体积无法进一步缩小。

实用新型内容

本实用新型意在提供一种显微镜，以解决现有技术中台式多光子显微镜只能实现二维扫描成像，且该结构重量重、体积大，此外还存在无法应用于临床的技术问题。

为了达到上述目的，本实用新型的基础方案如下：

三维线扫描光学成像结构，包括光源发射器和收集透镜，光源发射器为激光发射器，在激光发射器和收集透镜之间的光路上还依次包括准直透镜、柱状透镜、扫描器一、聚焦透镜、波片、扫描器二和收集透镜；扫描器一和扫描器二均为二向色镜扫描器，扫描器一能够沿光路的垂直方向转动，扫描器二能够沿光路方向移动；扫描器一的后方设有物镜，扫描器一将来自柱状透镜的激光反射至扫描器一前方的聚焦透镜上，同时将非线性光透射至扫描器一后方的物镜上；柱状透镜用于将经过准直透镜准直后的激光在扫描器一的表面聚焦成线状焦点。

技术原理：采用本方案时，激光发射器发射出的激光，经过准直透镜后变成平行激光，再柱状透镜后变成线状激光，线状激光从扫描一上反射至聚焦透镜中，使得线状激光在另一个方向聚焦成线状，接着波片又使得线状激光偏振一定的角度，偏振后的线状激光到达扫描器二上，并被扫描器反射到波片上，波片再次对线状激光进行偏振，使得线状激光再次转动一定的角度，该线状激光再次经过聚焦透镜到达扫描器一上，再从扫描器一中透射到物镜上，物镜将来自扫描器一的激光汇聚到活体样本内部，以激发活体样本产生非线性光学信号，并将该非线性光学信号输出给扫描器一，非线性光学信号依次经过聚焦透镜、波片、扫描器二最终到达收集透镜上，完成图像的采集。

在该过程中旋转扫描器一使得线状激光在其中一个平面上进行扫描，形成对活体样本的二维线扫描；在完成二维线扫描后，移动扫描器二，通过远端扫描原理，使活体样本内部组织的二维线扫描平面同样沿光路方向移动，通过扫描器二在光路方向上的移动进而实现三维线扫描。

相比于现有技术的有益效果：

第一，在针对活体样本数据采集的成像方面，本方案未设置扫描透镜和镜筒透镜，通过二向色镜扫描器替代现有技术中二向色镜和微机电扫描仪，以达到在满足成像质量的前提下，大大提高成像速度，优化内部结构，减小自身重量的目的。

第二，在光学成像结构的重量减少的前提下，在进行活体样本的数据采集时，尤其是在进行活动的动物脑成像方面，更方便佩戴在动物的头上，减小重量对动物活动的影响，避免检测误差。

第三，本方案能够实现三维线扫描，相比于现有技术中采用二维扫描相比，三维扫描使得活体样本的数据收集立体感更强，有利于对活体样本的研究。

第四，本方案中线性状激光直接聚焦在活体样本的检测平面上，以激发活体样本产生非线性光学信号，整个过程不需要对活体样本使用荧光染料，方便后续在临床上的运用。

进一步，所述二向色镜扫描器包括二向色镜片和不影响非线性光学信号透射的驱动器，二向色镜片与驱动器连接，扫描器一的驱动器能够驱使连接的二向色镜片沿光路的垂直方向转动，扫描器二的驱动器能够驱使连接的二向色镜片沿光路方向移动。

有益效果：通过驱动器实现二向色镜片的移动或转动。

进一步，柱状透镜为平凸透镜。

有益效果：平凸透镜能够将经过准直透镜准直后的激光在扫描器一的表面聚焦成线状焦点。

进一步，所述收集透镜的后方外接光电成像设备。

光电成像设备能及时将收集透镜采集到的图像数据进行保存，此外，光电成像设备具有可同步的滚动曝光快门技术的相机，线状激光的位置与相机的滚动快门读出的某行光电检测单元严格同步，从而实现高速成像。

进一步，还包括反射镜，反射镜设置在准直透镜和扫描器一之间的光路上。

有益效果：加入反射镜的设计能够方便对输入到扫描器一上的激光的入射角角度进行调节，便于成像。

进一步，所述物镜采用非球面物镜。

有益效果：非球面物镜的曲率半径随着中心轴而变化，改进了光学品质，减少了光学元件，降低设计成本。

进一步，所述物镜为消色差物镜。

进一步，所述准直透镜为消色差准直透镜。

进一步，所述聚焦透镜为消色差聚焦透镜。

有益效果：采用具有消色差功能的物镜或准直透镜或聚焦透镜，有利于一定波段范围内平衡象差，进而提高激光的传输效率、光束聚焦情况和激发效率。

进一步，一种显微镜，包括主体，将权利要求1-9中任一项所述的三维线扫描光学成像结构安装在主体上。

有益效果：运用了三维线扫描光学成像结构的显微镜进一步便于对活体样本采集数据的观察。

附图说明

图1为本实用新型实施例一结构简图的俯视图；

图2为本实用新型实施例一结构简图的轴测图；

图3为本实用新型实施例四的结构示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细说明：

说明书附图中的附图标记包括：准直透镜10、柱状透镜12、反射镜20、扫描器一30、物镜40、聚焦透镜50、波片60、扫描器二70、收集透镜80、激光发射器90、光电成像设备91、主体100、检测平面110。

其中X、Y和Z方向两两互相垂直。

实施例一

实施例一基本如附图1和图2所示：

三维线扫描光学成像结构，按照光路依次包括：激光发射器90、准直透镜10、反射镜20、柱状透镜12、沿X轴转动的扫描器一30、聚焦透镜50、波片60、沿Z轴方向移动的扫描器二70和收集透镜80，扫描器一30的右侧设有物镜40，扫描器一30将来自柱状透镜12的激光反射至左侧的聚焦透镜50上，同时将非线性光透射至右侧的物镜40上。

激光发射器90，用于发射出700nm至1600nm之间的任意波长的激光。

准直透镜10用于准直来自激光发射器90发出的激光(激光发射器90发出的激光透过准直透镜10后变成若干平行的激光)，准直透镜10采用具有消色差功能的准直透镜10(如采用消色差准直透镜10(#65-286，Edmund Optics Inc.，Barrington，NJ，USA；直径：2mm，等效焦距：3mm，专用近红外光)。

反射镜20用于平移光路，材料为光学玻璃或高分子聚合物，透射面有增强透射率的光学镀膜，反射面有增强反射率的光学镀膜；反射镜20用于调整准直透镜10输出的平行激光的角度并将该平行激光反射至柱状透镜12上，反射镜20包括透射面和反射面，透射面有增强透射率的光学镀膜，反射面有增强反射率的光学镀膜；反射镜20呈45度放置。

柱状透镜12用于将准直后的平行的激光在扫描器一30表面的X方向上聚焦成线状激光焦点。

扫描器一30用于投射非线性光学信号和偏振X方向的线状激光分开，扫描器一30结构简图如图2所示，

扫描器一30和扫描器二70均为二向色镜扫描器，二向色镜扫描器包括二向色镜片和不影响非线性光学信号透射的环形的微机电驱动器，二向色镜片覆盖于环形的微机电驱动器上，二向色镜片材料为光学玻璃或高分子聚合物，二向色镜片的截止波长为700nm，用于反射波长为700nm-1600nm的s型偏振激光并透射波长为700nm-1600nm的p型偏振激光以及波长为350nm-700nm的非线性光学信号；扫描器一30的微机电驱动器能够驱使连接的二向色镜片沿X轴转动，扫描器二70的微机电驱动器能够驱使连接的二向色镜片沿Z轴移动。

物镜40，材料为光学玻璃或高分子聚合物，表面有增强透射率的光学镀膜；物镜40采用折射透镜、梯度折射率透镜或具有曲面外形的梯度折射率透镜，用于将从扫描器一30上投射的线状聚焦在外部成像采集针对的样品中，因样品不是透明物体，因而线状激光聚焦在样品上后，又从样品上反射出非线性光学信号，该非线性的光学信号最终被收集透镜80所收集。

聚焦透镜50，材料为光学玻璃或高分子聚合物，表面有增强透射率的光学镀膜，用于将接收到的非线性光学信号聚焦并耦合入收集透镜80中。

收集透镜80将非线性光学信号反馈至外部连接的光电成像设备91中。

具体实施过程如下：

二维线扫描：

s型线偏振激光从激光发射器90输出至准直透镜10，准直透镜10对接收到的s型线偏振激光准直成平行光(准直处理)，并通过带消色差功能的准直透镜10减少不同频率激光之间的色差(消色差处理)，然后反射镜20将准直后的s型线偏振激光反射并经过柱状透镜12在扫描器一30的二向色镜片表面的X方向上聚焦成线状，扫描器一30的二向色镜片反射s型线偏振激光，然后聚焦透镜50将s型线偏振激光在X方向上准直并在Y方向上聚焦成线状，s型线偏振激光继续穿过波片60，经过波片60上午s型线偏振的偏振方向旋转45度，然后激光在Y方向被聚焦在扫描器二70的二向色镜片表面，扫描器二70反射激光，反射后并发散的激光再次穿过波片60，激光的偏振方向再次同方向旋转45度，进而变成p型线偏振光(与s型线偏振光垂直)，再次经过聚焦透镜50变成X方向聚焦而Y方向准直的光束投射在扫描器一30的二向色镜片表面，扫描器一30的二向色镜片透射p型线偏振激光，扫描器一30位于物镜40的后焦平面，最后p型线偏振光经过物镜40形成了位于样品内的X方向准直而Y方向聚焦的线状焦点；当扫描器一30中的二向色镜片在微机电驱动器的带动下沿X轴旋转时，线状焦点也将沿X方向进行扫描（如图2所示的检测平面110所在的X方向），从而形成二维扫描轨迹，实现让激光对活体样本内部组织的平面进行二维线扫描。

三维线扫描：

当扫描器一30完成一帧二维线扫描图像时，扫描器二70上的二向色镜片在微机电驱动器的带动下沿Z方向移动，通过远端扫描原理(Remote Scanning，参见Botcherby EJ,Smith CW, Kohl MM, et al. Aberration-free three-dimensional multiphotonimaging of neuronal activity at kHz rates. Proceedings of the NationalAcademy of Sciences of the United States of America. 2012;109(8):2919-2924.doi:10.1073/pnas.1111662109.)，使活体样本内部组织的二维线扫描平面同样沿Z轴移动，通过扫描器二70在Z方向上的移动进而实现三维线扫描，样品内被激发出非线性信号被物镜40收集，经过透射非线性信号波长的扫描器一30、聚焦透镜50和波片60，呈Y方向线状聚焦在扫描器二70的二向色镜片表面，扫描器二70的二向色镜片透射非线性信号波长，然后由收集透镜80将非线性信号反馈至外部连接的光电成像设备91中。

此外，由于本实施例所采用的线扫描方式形成的线状焦点，物镜40所收集的荧光也是线状，并且随着扫描器一30中二向色镜片的转动而在外部连接的光电成像设备91中平行移动，移动的线状激光的检测是由光电成像设备91中具有可同步的滚动曝光快门技术的科学互补金属氧化物半导体(sCMOS)相机完成的，线状激光的位置与sCMOS相机的滚动快门当前读出的某行光电检测单元严格同步，从而实现高速成像。

本实施例通过二向色镜扫描器达到满足了成像质量，还大大提高了成像速度，内部结构简单且小巧，整个三维线扫描光学成像结构重量小；在进行活体样本的数据采集时，尤其是在进行活动的动物脑成像方面，更方便佩戴在动物的头上，减小重量对动物活动的影响，避免检测误差。

本实施例采用三维扫描使得活体样本的数据收集立体感更强，有利于对活体样本的研究，且整个过程不需要对活体样本使用荧光染料，方便后续在临床上的运用。

实施例二

实施例二与实施例一的区别在于，柱状透镜12为平凸透镜，物镜40为消色差物镜40，物镜40的设计波长为700nm至1600nm之间的任意2个波长，本实施例二为817nm和1064nm(但不限于这两个波长)，材料为光学玻璃或高分子聚合物，表面有增强透射率的光学镀膜，结构可以为传统的折射透镜，梯度折射率透镜或具有曲面外形的梯度折射率透镜，用于将入射的激光聚焦在外部样品中，激发出非线性光学信号，并以落射式检测的方式收集非线性光学信号。

实施例三

实施例三与实施例一的区别在于，聚焦透镜50为消色差聚焦透镜50，设计波长为350nm至700nm之间的任意2个波长，本实施例三采用的波长为408nm和633nm(但不限于这两个波长)，材料为光学玻璃或高分子聚合物，表面有增强透射率的光学镀膜。

实施例四

结合图3所示，一种显微镜，包括主体100，主体100上安装有实施例一的三维线扫描光学成像结构。

运用了三维线扫描光学成像结构的显微镜，进一步便于对活体样本采集到的数据的观察。

以上所述的仅是本实用新型的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本实用新型结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本实用新型的保护范围，这些都不会影响本实用新型实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (8)

1.一种显微镜，包括主体，其特征在于：还包括安装在主体上的三维线扫描光学成像结构，三维线扫描光学成像结构包括光源发射器和收集透镜，光源发射器为激光发射器，在激光发射器和收集透镜之间的光路上还依次包括准直透镜、柱状透镜、扫描器一、聚焦透镜、波片、扫描器二和收集透镜；

扫描器一和扫描器二均为二向色镜扫描器，扫描器一能够沿光路的垂直方向转动，扫描器二能够沿光路方向移动；

扫描器一的后方设有物镜，扫描器一将来自柱状透镜的激光反射至扫描器一前方的聚焦透镜上，同时将非线性光透射至扫描器一后方的物镜上；

柱状透镜用于将经过准直透镜准直后的激光在扫描器一的表面聚焦成线状焦点；

收集透镜的后方外接光电成像设备。

2.根据权利要求1所述的一种显微镜，其特征在于：所述二向色镜扫描器包括二向色镜片和不影响非线性光学信号透射的驱动器，二向色镜片与驱动器连接，扫描器一的驱动器能够驱使连接的二向色镜片沿光路的垂直方向转动，扫描器二的驱动器能够驱使连接的二向色镜片沿光路方向移动。

3.根据权利要求2所述的一种显微镜，其特征在于：所述柱状透镜为平凸透镜。

4.根据权利要求1所述的一种显微镜，其特征在于：还包括反射镜，反射镜设置在准直透镜和扫描器一之间的光路上。

5.根据权利要求1所述的一种显微镜，其特征在于：所述物镜采用非球面物镜。

6.根据权利要求1所述的一种显微镜，其特征在于：所述物镜为消色差物镜。

7.根据权利要求1所述的一种显微镜，其特征在于：所述准直透镜为消色差准直透镜。

8.根据权利要求1所述的一种显微镜，其特征在于：所述聚焦透镜为消色差聚焦透镜。

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