基于多面体棱镜的多光束共聚焦高速扫描成像方法与装置制造方法及图纸

根据本发明专利技术的基于多面体棱镜的多光束激光共聚焦高速扫描成像方法与装置，装置包括聚焦物镜、光束变换透镜单元、二维振镜、二向色镜、聚焦透镜单元、阵列探测器以及多面体棱镜，多面体棱镜、二向色镜以及二维振镜沿第一光轴线依次设置，二维振镜、光束变换透镜单元、聚焦物镜沿与第一光轴线垂直的第二光轴线依次设置，二向色镜、聚焦透镜单元、阵列探测器沿与第一光轴线垂直的第三光轴线依次设置，利用多面体棱镜在聚焦物镜的聚焦面上产生阵列聚焦光斑，实现多点同时扫描成像，显著提高了激光共聚焦扫描成像的帧速，达到高速成像的目的。N个聚焦光斑的多点扫描成像的成像速度可以提高N倍；对于帧速相同，一帧图像的像素数可以提高N倍。

【技术实现步骤摘要】
基于多面体棱镜的多光束共聚焦高速扫描成像方法与装置
本专利技术属于光学领域，具体涉及一种基于多面体棱镜的多光束激光共聚焦高速扫描成像方法与装置。
技术介绍
共焦显微技术是提供物体的一个或多个层面的高分辨率图像的现有技术，单个点光源发出的光束经物镜聚焦到物体表面，光束经物体反射荧光或透射荧光后再经聚焦透镜聚焦到针孔后进入光电探测器。为了提高激光扫描共焦显微技术的成像速度，通常采用多焦点光束形成多个具有衍射极限质量并且能够分散聚焦的焦点同时激发样品。多焦点扫描显微技术和单光束激发扫描显微技术主要区别在于多焦点扫描显微技术需要一个多焦点光束产生装置和多焦点光束探测装置，现有的多焦点显微技术主要采用微透镜阵列、光束分离器和衍射光学元件等方法实现激光光束的分光和产生多个焦点；或者利用照明光束的振幅调制、位相调制上实现激光束直接聚焦产生多个焦点。例如，在先技术中，参见“多焦点光束产生装置及多焦点共焦扫描显微镜.授权号：ZL201210030310.9”，多焦点的产生是通过对照明光束引入和振幅调制。在先技术中，参见“一种相位板多焦点产生装置及方法.申请号：201210030296.2”，多焦点的产生是通过对照明光束的波前相位分布进行了0相位和π相位调节。为了配合共焦扫描显微镜的逐点扫描成像过程，用于实现多焦点共焦扫面显微技术的多焦点光束经聚焦后的焦斑应该成单列、等距分布，且每个焦点应该具有尽可能高地均匀性，即各个焦点的强度应保持一致，目的是为了避免图像重构时的误差。另外，必须有合适的探测方法能够区分多焦点的每一个焦点激发的样品荧光信号，为共焦扫描显微镜的逐点扫描成像提供依据。然而现有的多焦点显微技术均无法有效地实现上述单列、等距分布的多焦点和多焦点激发荧光信号的区分。
技术实现思路
本专利技术是为了解决上述问题，目的之一在于提供一种基于多面体棱镜的多光束激光共聚焦高速扫描成像方法与装置以及方法，利用多面体棱镜产生单列、等距的多焦点，利用阵列探器的不同像素单元分多个焦点各自激发的荧光信号，从而重构出反映样品信息的二维图像。本专利技术提供了一种基于多面体棱镜的多光束激光共聚焦高速扫描成像的装置，具有这样的特征，包括聚焦物镜、光束变换透镜单元、二维振镜、二向色镜、聚焦透镜单元、阵列探测器以及多面体棱镜，其中，多面体棱镜、二向色镜以及二维振镜沿第一光轴线依次设置，二维振镜、光束变换透镜单元、聚焦物镜沿与第一光轴线垂直的第二光轴线依次设置，二向色镜、聚焦透镜单元、阵列探测器沿与第一光轴线垂直的第三光轴线依次设置，聚焦透镜单元面对二向色镜的反射面，聚焦单元包括一个透镜或多个透镜的组合。本专利技术提供了一种基于多面体棱镜的多光束共聚焦高速扫描成像的方法，利用上述的基于多面体棱镜产生阵列多焦点的装置，其特征在于,包括以下步骤：步骤1，将多面体棱镜、二向色镜以及二维振镜沿第一光轴线依次设置；步骤2，二维振镜、光束变换透镜单元、聚焦物镜、样品沿与第一光轴线垂直的第二光轴线依次设置；步骤3，将二向色镜、聚焦透镜单元、阵列探测器沿与第一光轴线垂直的第三光轴线依次设置，其中，聚焦透镜单元面对二向色镜的反射面；步骤4，入射光束经过多面体棱镜折射后，得到多束与光轴有一定夹角的折射光束(该专利技术中简称多束折射光束)；步骤5，多束折射光束经过二向色镜、二维振镜、光束变换透镜单元、聚焦物镜后在样品上产生多个聚焦光斑；步骤6，多个聚焦光斑激发样品产生荧光，形成多个与聚焦光斑对应的荧光光斑；步骤7，荧光光斑经过聚焦物镜、光束变换透镜单元、二维振镜、二向色镜、聚焦透镜单元后，在阵列探测器上形成多个荧光聚焦光斑；步骤8，通过分析阵列探测器上多个荧光聚焦光斑的强度并随着二维振镜的扫描变化，重构出反映样品信息的二维重构图像。另外，在本专利技术提供的基于多面体棱镜的多光束共聚焦高速扫描成像的方法中，还可以具有这样的特征：其中，多面体棱镜为具有底面和多个棱面的柱体，其横截面为多边形，光束的方向与底面垂直且光束先进入底面，聚焦光斑为一维阵列分布，聚焦光斑的数量与棱面的数量相同。另外，在本专利技术提供的基于多面体棱镜的多光束共聚焦高速扫描成像的方法中，还可以具有这样的特征：其中，光束变换透镜单元用于光束变换，将从多面体棱镜出射的多束折射光始终充满聚焦物镜的入瞳，实现聚焦物镜的最佳成像性能，光束变换透镜单元包括两个光束变换透镜或多个光束变换透镜的组合。另外，在本专利技术提供的基于多面体棱镜的多光束共聚焦高速扫描成像的方法中，还可以具有这样的特征：其中，多个聚焦光斑的位置由多面体棱镜的折射率、聚焦物镜的焦距以及棱面与底面的角度决定。另外，在本专利技术提供的基于多面体棱镜的多光束共聚焦高速扫描成像的方法中，还可以具有这样的特征：其中，多面体棱镜的横截面为三角形的三棱镜时，三角形包括底边、第一棱边以及第二棱边，聚焦物镜对来自第一棱边、第二棱边的折射光束进行聚焦后在样品上得到第一聚焦光斑、第二聚焦光斑，第一聚焦光斑与第二光轴线的距离h1表达式为：h1＝fsin[asin(nsinθ1-θ1)]第二聚焦光斑与第二光轴线的距离h2表达式为：h2＝fsin[asin(nsinθ2-θ2)]θ1为第一棱边与底边的夹角，θ2为第二棱边与底边的夹角，n为三棱镜的折射率，f为聚焦物镜的焦距。另外，在本专利技术提供的基于多面体棱镜的多光束共聚焦高速扫描成像的方法中，还可以具有这样的特征：其中，当多面体棱镜为具有底面和多个棱面的锥棱镜，底面与光束方向垂直，聚焦光斑为二维阵列分布，聚焦光斑的数量与棱面的数量相同。另外，在本专利技术提供的基于多面体棱镜的多光束共聚焦高速扫描成像的方法中，还可以具有这样的特征：其中，二向色镜与入射光束的夹角为45度。本专利技术提供了一种多焦点共焦扫描显微镜，具有这样的特征，包括上述的基于多面体棱镜的多光束共聚焦高速扫描成像的装置。专利技术的作用与效果根据本专利技术所涉及的基于多面体棱镜的多光束共聚焦高速扫描成像的装置和方法，利用多面体棱镜在聚焦物镜的聚焦面上产生阵列聚焦光斑，实现多点同时扫描成像，显著提高了激光共聚焦扫描成像的帧速，达到高速成像的目的。另外，也可以在帧速不变的情况下，提高单帧图像的像素数。理论上，相比于传统的单点扫描成像，对于相同像素的一帧图像，N个聚焦光斑的多点扫描成像的成像速度可以提高N倍；对于帧速相同，一帧图像的像素数可以提高N倍。例如，可以将当前行业中单点激光共聚焦扫描成像的典型参数512*32像素/帧、帧速400帧/秒，提高为512*32像素/帧、帧速400N帧/秒,或者为512*32N像素/帧、帧速400帧/秒。附图说明图1是本专利技术的实施例中多面体棱镜的多光束激光共聚焦高速扫描成像示意图；图2是本专利技术的实施例中多面体棱镜的三维示意图；图3是本专利技术的实施例一中扫描样品时提高成像速度的示意图；图4是本专利技术的实施例二中样品上的聚焦光斑分布示意图；图5是本专利技术的实施例三中棱镜剖面及聚焦光斑分布示意图；图6是本专利技术的实施例四中棱镜剖面及聚焦光斑分布示意图；图7是本专利技术的实施例五中棱镜剖面及聚焦光斑分布示意图；以及图8是本专利技术的实施例六中立体棱镜及聚焦光斑分布示意图。具体实施方式为了使本专利技术实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本专利技术的基于多面体棱镜的多光束共聚本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于多面体棱镜的多光束共聚焦高速扫描成像的装置，用于光束通过多面体棱镜在成像面上产生阵列分布的多个聚焦光斑，并利用该多个聚焦光斑实现多点同时扫描成像，其特征在于，包括：聚焦物镜、光束变换透镜单元、二维振镜、二向色镜、聚焦透镜单元、阵列探测器以及多面体棱镜，其中，所述多面体棱镜、所述二向色镜以及所述二维振镜沿第一光轴线依次设置，所述二维振镜、所述光束变换透镜单元、所述聚焦物镜沿与所述第一光轴线垂直的第二光轴线依次设置，所述二向色镜、所述聚焦透镜单元、所述阵列探测器沿与所述第一光轴线垂直的第三光轴线依次设置，所述聚焦透镜单元包括一个透镜或多个透镜的组合。

【技术特征摘要】
1.一种基于多面体棱镜的多光束共聚焦高速扫描成像的装置，用于光束通过多面体棱镜在成像面上产生阵列分布的多个聚焦光斑，并利用该多个聚焦光斑实现多点同时扫描成像，其特征在于，包括：聚焦物镜、光束变换透镜单元、二维振镜、二向色镜、聚焦透镜单元、阵列探测器以及多面体棱镜，其中，所述多面体棱镜、所述二向色镜以及所述二维振镜沿第一光轴线依次设置，所述二维振镜、所述光束变换透镜单元、所述聚焦物镜沿与所述第一光轴线垂直的第二光轴线依次设置，所述二向色镜、所述聚焦透镜单元、所述阵列探测器沿与所述第一光轴线垂直的第三光轴线依次设置，所述聚焦透镜单元包括一个透镜或多个透镜的组合。2.一种基于多面体棱镜的多光束共聚焦高速扫描成像的方法，利用权利要求1所述的基于多面体棱镜的多光束激光共聚焦高速扫描成像的装置，其特征在于,包括以下步骤：步骤1，将所述多面体棱镜、所述二向色镜以及所述二维振镜沿第一光轴线依次设置；步骤2，将所述二维振镜、所述光束变换透镜单元、所述聚焦物镜、样品沿与所述第一光轴线垂直的第二光轴线依次设置；步骤3，将所述二向色镜、所述聚焦透镜单元、所述阵列探测器沿与所述第一光轴线垂直的第三光轴线依次设置，其中，所述聚焦透镜单元面对所述二向色镜的反射面；步骤4，入射光束经过所述多面体棱镜折射后，得到多束折射光束；步骤5，多束所述折射光束经过所述二向色镜、所述二维振镜、所述光束变换透镜单元、所述聚焦物镜后在所述样品上产生多个聚焦光斑；步骤6，所述多个聚焦光斑激发所述样品产生荧光，形成多个与所述聚焦光斑对应的荧光光斑；步骤7，所述荧光光斑经过所述聚焦物镜、所述光束变换透镜单元、所述二维振镜、所述二向色镜、所述聚焦透镜单元后，在所述阵列探测器上形成多个荧光聚焦光斑；步骤8，通过分析所述阵列探测器上多个所述荧光聚焦光斑的强度并随着所述二维振镜的扫描变化，重构出反映所述样品信息的二维重构图像。3.根据权利要求2所述的基于多面体棱镜的多光束共聚焦高速扫描成像的方法，其特征在于：其中，所述多面体棱镜为具有底面和多个棱...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭汉明，贾新月，周玮，贾仕达，张肖肖，黄斐，薛萌，杨照清，
申请(专利权)人：上海理工大学，
类型：发明
国别省市：上海,31