本發(fā)明涉及一種可用于光譜分析的高速掃描共聚焦成像系統(tǒng)，特別涉及用于樣品三維共聚焦成像的光譜分析。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。

背景技術(shù)：

隨著光譜分析在細(xì)胞生物學(xué)研究應(yīng)用的開(kāi)展，科學(xué)家迫切需要在獲取高分辨率的共聚焦圖像時(shí)，同時(shí)獲得圖像中每一位點(diǎn)的光譜信息。但是，目前只有逐點(diǎn)掃描的單點(diǎn)掃描共聚焦成像系統(tǒng)能通過(guò)色散元件，一次獲取一個(gè)位點(diǎn)的光譜圖像，然后逐點(diǎn)掃描樣品以獲取完整的、帶有光譜信息的共聚焦圖像，成像非常耗時(shí)。因此，單點(diǎn)掃描共聚焦成像系統(tǒng)難以應(yīng)用于高速獲取成像。

而對(duì)于高速掃描的轉(zhuǎn)盤(pán)共聚焦成像系統(tǒng)，由于數(shù)量巨大的針孔為平面排列的陣列，系統(tǒng)只能通過(guò)液晶濾光鏡等濾光元件逐次透過(guò)不同波長(zhǎng)的光，然后通過(guò)計(jì)算機(jī)重組，以獲取完整的、帶有光譜信息的共聚焦圖像。因此，用于光譜分析的轉(zhuǎn)盤(pán)共聚焦成像系統(tǒng)會(huì)損失大量的光信號(hào)，光譜分辨率越高損失越大。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的，是使用共聚焦狹縫和單軸掃描振鏡逐列掃描樣品，以實(shí)現(xiàn)三維共聚焦成像；同時(shí)通過(guò)色散元件在與共聚焦狹縫垂直的方向上將光束按波長(zhǎng)分散，用面陣檢測(cè)器同時(shí)獲取每列共聚焦圖像的所有光譜圖像，然后通過(guò)計(jì)算機(jī)重組為完整的、可用于光譜分析的共聚焦圖像。

本發(fā)明的目的是通過(guò)以下的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

如圖1所示，一種可用于光譜分析的高速掃描共聚焦成像系統(tǒng)，包括：光源1，線性照明器，激發(fā)濾光鏡4，二色分光鏡5，共聚焦狹縫6，第一遠(yuǎn)心成像透鏡組7，單軸掃描振鏡8，顯微鏡9，第二遠(yuǎn)心成像透鏡組10，色散元件，聚焦補(bǔ)償元件12，面陣檢測(cè)器13，控制器14(未畫(huà)出)和計(jì)算機(jī)15(未畫(huà)出)。其特征在于：

光源1發(fā)射的光經(jīng)過(guò)線性照明器(包括第一凸柱面鏡2和第二凸柱面鏡3)后，被整形為在與共聚焦狹縫6垂直的方向上聚焦于共聚焦狹縫6，在與共聚焦狹縫6平行的方向上為平行的線性準(zhǔn)直光；

激發(fā)濾光鏡4透過(guò)特定波段的所述線性準(zhǔn)直光，截至其它波段的光；

二色分光鏡5透過(guò)所述特定波段的線性準(zhǔn)直光，反射其它波段的光；

共聚焦狹縫6的方向與所述線性準(zhǔn)直光的方向重合；

第一遠(yuǎn)心成像透鏡7組為1倍倍率，物焦面位于共聚焦狹縫6，像焦面與顯微鏡9的成像焦面重合；

單軸掃描振鏡8位于第一遠(yuǎn)心成像透鏡組7的中心，旋轉(zhuǎn)軸與共聚焦狹縫6的方向平行；

第二遠(yuǎn)心成像透鏡組10為1倍倍率，物焦面位于共聚焦狹縫6，像焦面位于面陣檢測(cè)器13；

色散元件11將透過(guò)第二遠(yuǎn)心成像透鏡組10的光在空間上按波長(zhǎng)分散成為多條光束，其色散方向與共聚焦狹縫6的方向垂直，旋轉(zhuǎn)軸與共聚焦狹縫6平行；

聚焦補(bǔ)償元件12的橫切面為等厚圓弧，圓弧方向與所述色散元件的色散方向一致，圓弧中心位于色散起始點(diǎn)；聚焦補(bǔ)償元件12的折射率是常數(shù)，或者沿色散元件11的色散方向漸變。

面陣檢測(cè)器13的像素排列分別與共聚焦狹縫6的方向和色散元件11的色散方向重合；

控制器14控制光源1的開(kāi)關(guān)、單軸掃描振鏡6的擺動(dòng)、面陣檢測(cè)器13的開(kāi)關(guān)；

計(jì)算器15作為控制器14的上位機(jī)，以及將面陣檢測(cè)13器檢測(cè)到的信號(hào)重組為包含光譜信息的共聚焦圖像。

其中，色散元件是光柵11或棱鏡22(圖2所示)。

所述線性照明器由聚焦方向相互垂直的第一凸柱面鏡2、第二凸柱面鏡3組成；或者如圖3和圖4所示由準(zhǔn)直鏡17，焦點(diǎn)和聚焦方向重合的第一柱面鏡18、第二凸柱面鏡3，以及聚焦方向與共聚焦狹縫6垂直的第三凸柱面鏡組成組成，第一柱面鏡18為凹柱面鏡或凸柱面鏡；或者如圖5所示由準(zhǔn)直鏡17、第一直角棱鏡19、第二直角棱鏡20，以及聚焦方向與共聚焦狹縫6垂直的第三凸柱面鏡組成組成。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)如下：

1、本發(fā)明通過(guò)共聚焦狹縫和單軸掃描振鏡的擺動(dòng)掃描樣品，共聚焦成像速度快。

2、本發(fā)明通過(guò)色散元件在與共聚焦狹縫垂直的方向上對(duì)光束色散，可同時(shí)獲得單列共聚焦圖像的光譜信息。

3、本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了多點(diǎn)掃描(狹縫掃描)的光譜掃描功能。

附圖說(shuō)明

圖1：本發(fā)明的第一種實(shí)施例的示意圖

圖2：本發(fā)明的第二種實(shí)施例的示意圖

圖3：本發(fā)明的第三種實(shí)施例的示意圖

圖4：本發(fā)明的第四種實(shí)施例的示意圖

圖5：本發(fā)明的第五種實(shí)施例的示意圖

圖6：系統(tǒng)的掃描成像方式

圖7：系統(tǒng)的成像示意圖

圖面說(shuō)明：

1——光源；2——第一凸柱面鏡；3——第二凸柱面鏡；4——激發(fā)濾光鏡；5——二色分光鏡；6——共聚焦狹縫；7——第一遠(yuǎn)心成像透鏡組；8——單軸掃描振鏡；9——顯微鏡；10——第二遠(yuǎn)心成像透鏡組；11——光柵；12——聚焦補(bǔ)償元件；13——面陣檢測(cè)器；16——樣品；17——準(zhǔn)直鏡；18——第一柱面鏡；19——第一直角棱鏡；20——第二直角棱鏡；21——第三凸柱面鏡；22——棱鏡。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例進(jìn)一步描述本發(fā)明。

實(shí)施例1

圖1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，工作模式如下：

計(jì)算機(jī)15(未畫(huà)出)發(fā)送信號(hào)給控制器14(未畫(huà)出)，控制光源1發(fā)出發(fā)散光，同時(shí)控制檢測(cè)器13開(kāi)始曝光。

第一凸柱面鏡2在與共聚焦狹縫6垂直的方向上將發(fā)散光聚焦與共聚焦狹縫6，然后第二凸柱面鏡2在與共聚焦狹縫6平行的方向上將發(fā)散光聚焦為平行光，得到與共聚焦狹縫6平行的線性準(zhǔn)直光。線性準(zhǔn)直光透過(guò)激發(fā)濾光鏡4、二色分光鏡5和共聚焦狹縫6后，由第一遠(yuǎn)心成像透鏡組7、單軸掃描振鏡8和顯微鏡9投射照明位于顯微鏡9焦面上的樣品16。樣品16返回來(lái)的光經(jīng)過(guò)顯微鏡9、第一元遠(yuǎn)心成像透鏡組7、單軸掃描振鏡8和共聚焦狹縫6后被二色分光鏡5反射，然后再由第二遠(yuǎn)心成像透鏡組10成像與面陣檢測(cè)器13，并由放置在第二遠(yuǎn)心成像透鏡組10后面的光柵11，將共聚焦狹縫6的圖像在與共聚焦狹縫6垂直的方向上按波長(zhǎng)分散，然后由聚焦補(bǔ)償元件12將不同波長(zhǎng)的光束聚焦于面陣檢測(cè)器13(如圖6所示)。

檢測(cè)器13結(jié)束曝光，并將第一位列圖像傳輸給計(jì)算機(jī)15(未畫(huà)出)，控制器14(未畫(huà)出)控制光源1關(guān)閉，然后控制所述單軸掃描振鏡8擺動(dòng)至下一位置，進(jìn)行第二位列成像……直至完成所有位列成像。最后，計(jì)算機(jī)15(未畫(huà)出)將所有位列圖像重組為帶有光譜信息的共聚焦圖像，如圖7所示。

實(shí)施例2

圖2是與本發(fā)明相關(guān)的第二種高速掃描共聚焦成像系統(tǒng)的部分示意圖，其和實(shí)施例1的主要區(qū)別如下：使用棱鏡22替代光柵11分光。

實(shí)施例3

圖3是與本發(fā)明相關(guān)的第二種高速掃描共聚焦成像系統(tǒng)的部分示意圖，其和實(shí)施例1的主要區(qū)別如下：光源1發(fā)射的光由準(zhǔn)直鏡17準(zhǔn)直，然后由短焦距的第一凸柱面鏡18和長(zhǎng)焦距的第二凸柱面鏡3在與共聚焦狹縫6平行的方向上擴(kuò)束，再由第三凸柱面鏡21在與共聚焦狹縫6垂直的方向上將發(fā)散光聚焦與共聚焦狹縫6。

實(shí)施例4

圖4是與本發(fā)明相關(guān)的第二種高速掃描共聚焦成像系統(tǒng)的部分示意圖，其和實(shí)施例1的主要區(qū)別如下：光源1發(fā)射的光有準(zhǔn)直鏡17準(zhǔn)直，然后由短焦距的第一凹柱面鏡18和長(zhǎng)焦距的第二凸柱面鏡3在與共聚焦狹縫6平行的方向上擴(kuò)束，再由第三凸柱面鏡21在與共聚焦狹縫6垂直的方向上將發(fā)散光聚焦與共聚焦狹縫6。

實(shí)施例5

圖5是與本發(fā)明相關(guān)的第二種高速掃描共聚焦成像系統(tǒng)的部分示意圖，其和實(shí)施例1的主要區(qū)別如下：光源1發(fā)射的光有準(zhǔn)直鏡17準(zhǔn)直，然后由第一直角棱鏡19和第二直角棱鏡20先后折射，在與共聚焦狹縫6平行的方向上擴(kuò)束，再由第三凸柱面鏡21在與共聚焦狹縫6垂直的方向上將發(fā)散光聚焦與共聚焦狹縫6。