[發明專利]一種基于數字微鏡陣列的并行共焦顯微成像裝置及方法

在審

• 申請號: 201710473752.3
• 申請日: 2017-06-21
• 公開（公告）號: CN107121422A
• 公開（公告）日: 2017-09-01
• 發明（設計）人: 朱茜;楊西斌;李輝
• 申請（專利權）人: 中國科學院蘇州生物醫學工程技術研究所
• 主分類號: G01N21/64
• 分類號: G01N21/64;G01N21/84
• 代理公司: 蘇州華博知識產權代理有限公司32232
• 代理人: 傅靖

技術領域

本發明涉及顯微成像技術領域，更具體地說，涉及一種基于數字微鏡陣列的并行共焦顯微成像裝置及方法。

背景技術

近十幾年來隨著技術的發展，共焦成像由于能夠平衡傳統光學顯微和電子顯微的優劣特點，既具有對活體細胞的表面和內部進行實時觀測的能力，又具有較高的三維分辨能力，被廣泛用于生物醫藥、材料科學等領域。

傳統的共焦成像普遍采用單點掃描的方式進行，掃描速度慢，操控掃描頭運動的機械控制復雜，自身轉動所引起的振動將導致一定的測量誤差。

隨著共焦技術的發展，單點共焦掃描逐漸被多點并行的掃描方式代替，其核心思想是用光分束器件將光束分成光點陣列，通過光學系統建立起光點陣列、物面和相機像面的共軛關系，每個光點作為一個共焦點進行成像。現有的多點并行探測技術主要有：Nipkow轉盤法和微透鏡陣列法。雖然Nipkow轉盤法能大幅度提高掃描速度，但是其光能利用率較低，而且Nipkow盤轉動會影響系統的穩定性和精度。微透鏡陣列法是目前采用較多的一種方法，其光能利用率相對于Nipkow盤有大幅度提高，但是微透鏡本身的制作工藝比較復雜，透鏡焦距的一致性難以嚴格控制。無論Nipkow盤還是微透鏡陣列，在它們制作好之后，其光學參數便難以改變，這就意味著基于這兩種掃描方式的共焦檢測系統較難改變測量參數。綜上，上述方法提高了共焦成像的速度，但是由于制作困難，無法保證其光學性能的一致性和均勻性，因此在測量中引入較大的誤差；且一旦制成，光學參數將無法更改，故難以適應不同的測量要求。

發明內容

本發明的目的在于提出一種數字微鏡器件同時充當照明針孔和探測針孔，實現多點并行共焦成像模式。在滿足高掃描速率和高光能利用率的同時，使系統能適應不同樣品的成像要求，實現柔性測量；無機械振動的影響，提高了系統的穩定性。

為達到上述目的，本發明的技術方案如下：一種基于數字微鏡陣列的并行共焦顯微成像裝置，包括照明單元、分光單元、數字微鏡器件、筒鏡、物鏡、成像透鏡、相機、位移臺及中央控制裝置；

所述照明單元包括光源、照明透鏡；

所述分光單元包括二向色鏡和發射片，二向色鏡的通光范圍與光源波長匹配且能夠透射與之對應的光源并反射與之對應光源激發的熒光，發射片透射激發出的熒光；或，所述分光單元包括偏振分束器和四分之一波片，四分之一波片放置于筒鏡與物鏡之間；

所述數字微鏡器件，設有若干可偏轉的微鏡，用于構成具有特定大小和周期的虛擬針孔陣列；

所述中央控制裝置控制所述數字微鏡器件上每一個微鏡的偏轉角度，使其置于“ON”態或“OFF”態；

光源發出的光經照明透鏡、偏振分束鏡或二向色鏡照射到數字微鏡器件表面，中央控制裝置控制數字微鏡器件上每個微鏡的偏轉角度，產生特定大小和周期的虛擬針孔陣列，“ON”態微鏡反射的光調制為點光源陣列，經筒鏡和物鏡聚焦到被測物表面，從被測物表面返回的光經物鏡和筒鏡后照射到數字微鏡器件表面，數字微鏡器件的虛擬針孔陣列對返回光進行調制，濾去離焦剖面的返回光，只將共焦剖面的返回光經分光單元反射、再通過成像透鏡后，被相機接收。

本發明利用數字微鏡器件產生陣列，同時充當照明針孔和探測針孔，實現多點并行共焦成像模式。在滿足高掃描速率和高光能利用率的同時，使系統能適應不同樣品的成像要求，實現柔性測量；無機械振動的影響，提高了系統的穩定性。

下面對上述技術方案進一步解釋：

所述位移臺將放置于位移臺上的被測物軸向移向或遠離物鏡。

所述中央控制裝置控制數字微鏡器件上的微鏡的偏轉角度，使其置于“ON”態或“OFF”態，置“ON”態或“OFF”態的規則如下，“ON”態微鏡每行掃描T次，逐行掃描T次，其中T為數字微鏡器件生成的虛擬針孔陣列的周期。

所述數字微鏡器件的T²次掃描時間小于等于相機的曝光時間，即形成積分效應，直接得到共焦剖面的完整像，實現二維實時成像。

所述數字微鏡器件的像素與相機像素之間的匹配關系為：滿足數字微鏡器件單個像素至少大于等于相機的兩個像素。

所述光源為單色LED光源、多色LED光源、單色激光光源或多色激光光源。