一種基于掃描振鏡與半導(dǎo)體激光器的共聚焦顯微鏡并行掃描裝置及掃描方法與流程

本發(fā)明屬于共焦顯微成像領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

光學(xué)顯微術(shù)廣泛應(yīng)用于生物和材料科學(xué)等領(lǐng)域。共焦顯微測(cè)量技術(shù)是一種適用于微米及亞微米尺度測(cè)量的三維光學(xué)顯微技術(shù)。反射式共焦顯微系統(tǒng)的層析能力使之在三維成像領(lǐng)域顯得十分重要。

共焦顯微鏡在20世紀(jì)50年代中后期由minsky發(fā)明，1977年，c.j.r.sheppard和a.choudhury闡明共焦顯微系統(tǒng)在點(diǎn)針孔掩模的作用下，犧牲視場(chǎng)將橫向分辨率提高到相同孔徑普通顯微鏡的1.4倍。但是，傳統(tǒng)共焦技術(shù)由于共軛針孔的引入導(dǎo)致每次只能探測(cè)一點(diǎn)，需要掃描才能實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)樣品的三維測(cè)量，掃描速度是制約掃描系統(tǒng)性能的瓶頸之一。而且受到探測(cè)器尺寸的影響，共焦顯微技術(shù)的分辨力難以提高。

(1)參考文獻(xiàn)(涂龍,余錦,樊仲維,等.基于小孔陣列的并行激光共焦顯微檢測(cè)技術(shù)研究.光電子·激光，2013(10):1989-1994.)提出了一種使用小孔陣列進(jìn)行并行激光共焦顯微檢測(cè)的技術(shù)。

(2)專利號(hào)：zl201510867976.3描述的“一種超分辨陣列掃描結(jié)構(gòu)光照明成像裝置及其成像方法”，在該專利中，ccd探測(cè)并輸出的是一系列位置不變的艾里斑圖像，圖像數(shù)量對(duì)應(yīng)樣品上的掃描點(diǎn)數(shù)，對(duì)采集的每一幅光斑圖像都進(jìn)行結(jié)構(gòu)探測(cè)函數(shù)的調(diào)制處理，最終可得到樣品的成像結(jié)果圖。

上述文獻(xiàn)中所描述的現(xiàn)有探針不足之處在于：

(1)需要制作小孔陣列，工藝流程困難，基于傳統(tǒng)共焦顯微鏡，橫向分辨率受到限制。

(2)ccd受到曝光速度影響，圖片采集速率較低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明是為了解決現(xiàn)有ccd相機(jī)受到曝光速度影響，圖片采集速率較低的問題，本發(fā)明提供了一種基于掃描振鏡與半導(dǎo)體激光器的共聚焦顯微鏡并行掃描裝置及掃描方法。

一種基于掃描振鏡與半導(dǎo)體激光器的共聚焦顯微鏡并行掃描裝置，它包括半導(dǎo)體激光器、衰減片、偏振片、準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)、第一偏振分光棱鏡、掃描振鏡系統(tǒng)、遠(yuǎn)心掃描透鏡、管鏡、第二偏振分光棱鏡、1/4波片、物鏡、第一收集透鏡、光電探測(cè)器、第二收集透鏡、ccd相機(jī)和控制器；

控制器，用于調(diào)制半導(dǎo)體激光器的出射光，用于控制光電探測(cè)器進(jìn)行光電探測(cè)，用于控制ccd相機(jī)的曝光時(shí)間，還用于控制掃描振鏡系統(tǒng)進(jìn)行偏轉(zhuǎn)；

半導(dǎo)體激光器出射的光依次經(jīng)衰減片、偏振片和準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)透射后，入射至第一偏振分光棱鏡，

經(jīng)第一偏振分光棱鏡反射后的光，又經(jīng)第一收集透鏡透射后，入射至光電探測(cè)器，光電探測(cè)器用于探測(cè)半導(dǎo)體激光器出射光的光強(qiáng)，并將探測(cè)結(jié)果發(fā)送至控制器，控制器根據(jù)探測(cè)結(jié)果對(duì)半導(dǎo)體激光器輸出的光進(jìn)行調(diào)制；

經(jīng)第一偏振分光棱鏡透射后的激光，經(jīng)掃描振鏡系統(tǒng)反射后，依次經(jīng)遠(yuǎn)心掃描透鏡、管鏡、第二偏振分光棱鏡、1/4波片和物鏡透射后，聚焦至樣品形成聚焦光斑，經(jīng)樣品反射的光沿原入射光路返回至第二偏振分光棱鏡，經(jīng)第二偏振分光棱鏡反射后，經(jīng)第二收集透鏡透射后，入射至ccd相機(jī)，ccd相機(jī)用于采集樣品反射的光斑圖像。

采用所述的一種基于掃描振鏡與半導(dǎo)體激光器的共聚焦顯微鏡并行掃描裝置實(shí)現(xiàn)的掃描方法，該掃描方法的具體過程為：

設(shè)定ccd相機(jī)采集的每幀圖像由m行n列光斑陣列組成，整個(gè)樣品圖像包含k幀圖像；其中，m、n、k均為大于或等于2的整數(shù)；

首先，啟動(dòng)ccd相機(jī)，使其開始曝光，之后對(duì)掃描振鏡系統(tǒng)輸入控制信號(hào)，并延遲t毫秒，以確保掃描振鏡系統(tǒng)中的振鏡到達(dá)指定位置后，點(diǎn)亮半導(dǎo)體激光器，使導(dǎo)體激光器出射的光在指定位置成像后，熄滅半導(dǎo)體激光器；重新向掃描振鏡系統(tǒng)輸入控制信號(hào)，使掃描振鏡系統(tǒng)中的振鏡到達(dá)新的指定位置，再次點(diǎn)亮半導(dǎo)體激光器，使導(dǎo)體激光器出射的光在新的指定位置成像后，熄滅半導(dǎo)體激光器，循環(huán)上述過程n*m次，直至該次曝光時(shí)間內(nèi)，所形成的一幀圖像由m行n列的光斑陣列組成，ccd相機(jī)停止曝光，并存儲(chǔ)該幀圖像；

其次，ccd相機(jī)一共進(jìn)行k次曝光，至所有曝光時(shí)間內(nèi)，ccd相機(jī)采集k幀圖像，使半導(dǎo)體激光器出射的光完成對(duì)整個(gè)樣品的掃描。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：為ccd相機(jī)、掃描振鏡系統(tǒng)、半導(dǎo)體激光器的控制信號(hào)建立穩(wěn)定的時(shí)序關(guān)系。利用半導(dǎo)體激光器的調(diào)制特性，在ccd相機(jī)的一幀圖像曝光時(shí)間之內(nèi)，根據(jù)振鏡位置在ccd相機(jī)相面上呈現(xiàn)由m*n個(gè)獨(dú)立的聚焦光斑構(gòu)成的陣列，實(shí)現(xiàn)并行掃描。現(xiàn)有技術(shù)中相機(jī)的一個(gè)曝光時(shí)間，只能采集一個(gè)光斑圖像，本發(fā)明掃描裝置中ccd相機(jī)的一個(gè)曝光時(shí)間內(nèi)，可采集m*n個(gè)光斑圖像，提高了整個(gè)系統(tǒng)的采集速度，對(duì)樣品的整個(gè)掃描速度提高了m*n倍。

在后續(xù)重構(gòu)樣品三維形貌的過程中，對(duì)所獲得光斑陣列的數(shù)字圖像進(jìn)行分割使各部分包含一個(gè)獨(dú)立光斑，為光斑添加軟針孔并疊加結(jié)構(gòu)探測(cè)函數(shù)進(jìn)行調(diào)制，實(shí)現(xiàn)待探測(cè)光斑的光強(qiáng)分布與結(jié)構(gòu)探測(cè)函數(shù)相乘后再求和，提取其強(qiáng)度信息并根據(jù)位置信息重構(gòu)樣品三維形貌，實(shí)現(xiàn)并行共焦結(jié)構(gòu)探測(cè)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明所述的一種基于掃描振鏡與半導(dǎo)體激光器的共聚焦顯微鏡并行掃描裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為是ccd相機(jī)控制信號(hào)、掃描振鏡系統(tǒng)控制信號(hào)、半導(dǎo)體激光器控制信號(hào)的時(shí)序圖；

圖3是對(duì)ccd相面上的光斑陣列掃描示意圖，其中m＝3，n＝4，圖3a為起始幀的光斑陣列圖，圖3b為第二幀光斑陣列圖，圖3c為第一行掃描的末幀的光斑陣列圖，圖3d為整個(gè)掃描過程的末幀的光斑陣列圖；

圖4中，圖(a)為分割出的光斑示意圖，圖(b)為對(duì)分割出的光斑進(jìn)行結(jié)構(gòu)探測(cè)之后的效果。

具體實(shí)施方式

具體實(shí)施方式一：參見圖1說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述的一種基于掃描振鏡與半導(dǎo)體激光器的共聚焦顯微鏡并行掃描裝置，它包括半導(dǎo)體激光器1、衰減片2、偏振片3、準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)4、第一偏振分光棱鏡5、掃描振鏡系統(tǒng)6、遠(yuǎn)心掃描透鏡7、管鏡8、第二偏振分光棱鏡9、1/4波片10、物鏡11、第一收集透鏡13、光電探測(cè)器14、第二收集透鏡15、ccd相機(jī)16和控制器17；

控制器17，用于調(diào)制半導(dǎo)體激光器1的出射光，用于控制光電探測(cè)器14進(jìn)行光電探測(cè)，用于控制ccd相機(jī)16的曝光時(shí)間，還用于控制掃描振鏡系統(tǒng)6進(jìn)行偏轉(zhuǎn)；

半導(dǎo)體激光器1出射的光依次經(jīng)衰減片2、偏振片3和準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)4透射后，入射至第一偏振分光棱鏡5，

經(jīng)第一偏振分光棱鏡5反射后的光，又經(jīng)第一收集透鏡13透射后，入射至光電探測(cè)器14，光電探測(cè)器14用于探測(cè)半導(dǎo)體激光器1出射光的光強(qiáng)，并將探測(cè)結(jié)果發(fā)送至控制器17，控制器17根據(jù)探測(cè)結(jié)果對(duì)半導(dǎo)體激光器1輸出的光進(jìn)行調(diào)制；

經(jīng)第一偏振分光棱鏡5透射后的激光，經(jīng)掃描振鏡系統(tǒng)6反射后，依次經(jīng)遠(yuǎn)心掃描透鏡7、管鏡8、第二偏振分光棱鏡9、1/4波片10和物鏡11透射后，聚焦至樣品12形成聚焦光斑，經(jīng)樣品12反射的光沿原入射光路返回至第二偏振分光棱鏡9，經(jīng)第二偏振分光棱鏡9反射后，經(jīng)第二收集透鏡15透射后，入射至ccd相機(jī)16，ccd相機(jī)16用于采集樣品反射的光斑圖像。

本實(shí)施方式，通過調(diào)制共焦光路中的ccd相機(jī)16曝光時(shí)間，掃描振鏡系統(tǒng)6及半導(dǎo)體激光器1觸發(fā)信號(hào)，ccd相機(jī)16的一幀圖像上獲取多個(gè)振鏡偏轉(zhuǎn)角度對(duì)應(yīng)的激光光斑，實(shí)現(xiàn)并行掃描。

在重構(gòu)樣品三維形貌的過程中，對(duì)所獲得光斑陣列的數(shù)字圖像進(jìn)行分割使各部分包含一個(gè)獨(dú)立光斑，為光斑添加軟針孔并疊加結(jié)構(gòu)探測(cè)函數(shù)進(jìn)行調(diào)制，實(shí)現(xiàn)待探測(cè)光斑的光強(qiáng)分布與結(jié)構(gòu)探測(cè)函數(shù)相乘后再求和，提取其強(qiáng)度信息并根據(jù)位置信息重構(gòu)樣品三維形貌，實(shí)現(xiàn)并行共焦結(jié)構(gòu)探測(cè)。

本發(fā)明實(shí)現(xiàn)陣列掃描的核心是對(duì)ccd相機(jī)16、掃描振鏡系統(tǒng)6與半導(dǎo)體激光器1的時(shí)序控制，其時(shí)序控制由同一控制器17實(shí)現(xiàn)，參照?qǐng)D2進(jìn)行說明。圖2中信號(hào)a為ccd相機(jī)16的控制信號(hào)；by，bx分別掃描振鏡系統(tǒng)6控制振鏡的兩個(gè)方向；信號(hào)c為半導(dǎo)體激光器1調(diào)制信號(hào)。ccd相機(jī)16在高電平時(shí)進(jìn)行采集，振鏡根據(jù)控制信號(hào)幅值偏轉(zhuǎn)至指定角度，半導(dǎo)體激光器的輸出則由調(diào)制信號(hào)決定。

圖2中，ccd相機(jī)16采集一幀圖像的時(shí)間為t，即a的高電平時(shí)間為t，即：曝光時(shí)間。信號(hào)a進(jìn)入高電平之后，信號(hào)by,bx經(jīng)過時(shí)間tx1的延遲后生效，其幅值變?yōu)槌跏挤登沂拐耒R偏轉(zhuǎn)角度對(duì)應(yīng)該幀圖像中初始光斑的位置。by,bx生效之后經(jīng)過時(shí)間td的延遲保證振鏡已偏轉(zhuǎn)至指定位置，信號(hào)c產(chǎn)生正半周為t1負(fù)半周為t2的矩形脈沖，半導(dǎo)體激光器點(diǎn)亮，光斑成像在樣品表面指定位置t1時(shí)間之后熄滅。信號(hào)by,bx,c會(huì)重復(fù)該過程直至完成該陣列后置零，其中信號(hào)by,bx依據(jù)光柵式掃描進(jìn)行調(diào)制。該陣列完成之后經(jīng)過tx2的延遲之后信號(hào)a置低，ccd相機(jī)結(jié)束曝光，將所有光斑信息記入同一幀圖像并存儲(chǔ)圖像。光電探測(cè)器14對(duì)光強(qiáng)進(jìn)行持續(xù)采樣。

本發(fā)明所述的一種基于掃描振鏡與半導(dǎo)體激光器的共聚焦顯微鏡并行掃描裝置用于對(duì)樣品12的光斑圖像進(jìn)行采集，在后續(xù)樣品形貌的恢復(fù)過程中，對(duì)陣列圖像進(jìn)行圖像分割及結(jié)構(gòu)探測(cè)運(yùn)算并提取指定位置的光斑光強(qiáng)數(shù)值，并將該數(shù)值對(duì)采樣光強(qiáng)信號(hào)進(jìn)行歸一化，保證準(zhǔn)確重建樣品形貌。

掃描及分割過程如圖3所示，本實(shí)施例的陣列光斑數(shù)n為12，陣列中x方向光斑間距均為d，第一幀圖像中最左端光斑圓心位于左側(cè)邊界上，最右端光斑距圓心掃描范圍右邊界距離為d。每幀圖像之間對(duì)應(yīng)光斑的步進(jìn)距離為d。完成x向掃描共需d/d幀圖像，y向同理。完成掃描的最后一幀圖像中，最左端光斑圓心距掃描范圍左側(cè)邊界距離為d，最右端光斑圓心位于掃描范圍右邊界。針對(duì)掃描結(jié)果的圖像分割依據(jù)初始幀的光斑位置進(jìn)行分割，保證分割區(qū)域內(nèi)僅有一個(gè)聚焦光斑，且該光斑的掃描軌跡鋪滿整個(gè)分割區(qū)域。且每幀中光斑與前次幀中對(duì)應(yīng)光斑具有位置連續(xù)性且其間隔為振鏡控制信號(hào)幅值差距所設(shè)定的間距d。

樣品12的結(jié)構(gòu)探測(cè)過程所形成的效果如，如圖4所示，對(duì)分割后的圖像各區(qū)域使用圖像處理的方法，通過質(zhì)心法確定光斑中心位置并為光斑添加軟針孔，疊加結(jié)構(gòu)探測(cè)函數(shù)進(jìn)行調(diào)制，實(shí)現(xiàn)待探測(cè)光斑的光強(qiáng)分布與結(jié)構(gòu)探測(cè)函數(shù)相乘后再求和，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)探測(cè)，提高橫向分辨率。

本實(shí)施例的探測(cè)函數(shù)采取如下形式：

其中，m(x,y)為結(jié)構(gòu)探測(cè)函數(shù)，該函數(shù)為二維余弦函數(shù)，在結(jié)構(gòu)探測(cè)中與光斑圖像進(jìn)行疊加，提高系統(tǒng)分辨率。f0取系統(tǒng)的截止頻率fc，初始相位取(0,0)。

具體實(shí)施方式二：參見圖1說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一所述的一種基于掃描振鏡與半導(dǎo)體激光器的共聚焦顯微鏡并行掃描裝置的區(qū)別在于，所述的由1/4波片10入射至物鏡11的光為圓偏振光。

具體實(shí)施方式三：參見圖1說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一所述的一種基于掃描振鏡與半導(dǎo)體激光器的共聚焦顯微鏡并行掃描裝置的區(qū)別在于，所述的由1/4波片10入射至第二偏振分光棱鏡9的光為線偏振光。

具體實(shí)施方式四：參見圖1說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一所述的一種基于掃描振鏡與半導(dǎo)體激光器的共聚焦顯微鏡并行掃描裝置的區(qū)別在于，所述的由1/4波片10入射至第二偏振分光棱鏡9的光的偏振方向與偏振片3的出射光的偏振方向垂直。

具體實(shí)施方式五：采用具體實(shí)施方式一所述的采用一種基于掃描振鏡與半導(dǎo)體激光器的共聚焦顯微鏡并行掃描裝置實(shí)現(xiàn)的掃描方法，該掃描方法的具體過程為：

設(shè)定ccd相機(jī)16采集的每幀圖像由m行n列光斑陣列組成，整個(gè)樣品12圖像包含k幀圖像；其中，m、n、k均為大于或等于2的整數(shù)；

首先，啟動(dòng)ccd相機(jī)16，使其開始曝光，之后對(duì)掃描振鏡系統(tǒng)6輸入控制信號(hào)，并延遲t毫秒，以確保掃描振鏡系統(tǒng)6中的振鏡到達(dá)指定位置后，點(diǎn)亮半導(dǎo)體激光器1，使導(dǎo)體激光器1出射的光在指定位置成像后，熄滅半導(dǎo)體激光器1；重新向掃描振鏡系統(tǒng)6輸入控制信號(hào)，使掃描振鏡系統(tǒng)6中的振鏡到達(dá)新的指定位置，再次點(diǎn)亮半導(dǎo)體激光器1，使導(dǎo)體激光器1出射的光在新的指定位置成像后，熄滅半導(dǎo)體激光器1，循環(huán)上述過程n*m次，直至該次曝光時(shí)間內(nèi)，所形成的一幀圖像由m行n列的光斑陣列組成，ccd相機(jī)16停止曝光，并存儲(chǔ)該幀圖像；該過程參見圖3所示，圖3中虛線框?yàn)閷?shí)際掃描范圍，圖3a為起始幀，該幀中第一列光斑中心與掃描范圍左上頂點(diǎn)重合，陣列中x、y方向光斑間距均為d。圖3b為第二幀，該幀中光斑陣列在x方向整體偏移距離為d，y方向保持不變。圖3c為第一行掃描的末幀，該幀相對(duì)第一幀在x方向整體移動(dòng)距離為d，最后一列光斑中心為掃描范圍右邊界，y方向保持不變。圖3b為全部掃描的末幀光斑圖。

其次，ccd相機(jī)16一共進(jìn)行k次曝光，至所有曝光時(shí)間內(nèi)，ccd相機(jī)16采集k幀圖像，使半導(dǎo)體激光器1出射的光完成對(duì)整個(gè)樣品12的掃描。