一种凝视型共聚焦显微形貌光谱四维探测系统

摘要

本发明公开一种凝视型共聚焦显微形貌光谱四维探测系统，包括激发单元，前置光学单元，显微成像单元，中部扫描单元，后端接收单元；待测样品的激发光从激发单元导入，入射到中部扫描单元；中部扫描单元的振镜系统进行二维扫描，出射的激发光经过分束镜的反射入射到显微物镜，并聚焦待测样品；反射的光经过成像形成共轭显微图像；信号荧光或反射光返回后一路最终出射到外部光电探测器中，另外一路信号荧光或反射光入射到高光谱分光模组，形成荧光图谱或者反射图谱。系统将三维显微形貌和荧光或反射图谱数据融合成四维光谱形貌显微数据，具有极高的光谱分辨率和深度分辨率，对于原位微生物探测、工业样品微结构检测等测量领域具有巨大的应用价值。

说明书

技术领域

本发明属于光学技术领域，具体涉及一种凝视型共聚焦显微形貌光谱四维探测系统。

背景技术

目前，高光谱成像以多通道光谱技术为基础，集光学成像和光谱测量为一体，可以同时获取目标的图像信息和对应的光谱信息。高光谱成像能够对物质的结构和成分进行分析、测量和处理，具有分析精度高、测量范围广等优点，广泛应用于石油、材料、农学、地质勘探、生物化学、医药卫生、环境保护、安全检测等领域。然而传统的高光谱成像技术只能获取待测物体的光谱信息，无法获得待测物体的三维形貌信息，对具有形貌和色度特征的物体无法还原其真实四维信息。传统的三维重建技术无法采集物体的光谱信息。显微镜系统可以放大观察待测样品的细节图像信息，是探测样品微观属性的重要工具，如何实现一体化采集待测样品的显微三维形貌和光谱信息是现在行业中的难点。另外高光谱成像技术用于显微检测时，商用式高光谱成像仪大多只能工作于单一探测模式，难以用于不同特性样品的多模式探测。

发明内容

为了克服现有技术中的问题，本发明公开了一种凝视型共聚焦显微形貌光谱四维探测系统。

一种凝视型共聚焦显微形貌光谱四维探测系统，包括激发单元，前置光学单元，显微成像单元，中部扫描单元，后端接收单元；所述的激发单元包括反射镜、光纤准直器，待测样品的激发光从激发单元导入，经过反射镜的调节入射到中部扫描单元；所述的中部扫描单元依次包括远心透镜、扫描透镜、振镜系统、第一分束器、滤波片，扫描透镜和远心透镜优化光束并进行扩束，振镜系统进行二维扫描；所述的前置光学单元包括载物台、显微物镜、位移台、分束镜，从中部扫描单元出射的激发光经过分束镜的反射入射到显微物镜，并聚焦在载物台上的待测样品，位移台用于调节待测样品的距离实现聚焦，待测样品激发的荧光信号或者反射光信号沿着原光路返回；所述的显微成像单元包括第四聚焦透镜、第一相机，从待测样品反射的光经过第四聚焦透镜成像在第一相机位置处，形成共轭显微图像；所述的后端接收单元包括第二分束器、第一聚焦透镜、针孔、第二聚焦透镜、高光谱分光模组，信号荧光或反射光沿着原光路经过中部扫描单元入射到后端接收单元中的第二分束器，经过第一聚焦透镜聚焦在针孔位置处，并出射到外部光电探测器中，另外一路信号荧光或反射光经过第二聚焦透镜入射到高光谱分光模组，形成荧光图谱或者反射图谱。

所述的高光谱分光模组依次包括狭缝、准直透镜、棱镜-光栅-棱镜、第三聚焦透镜、第二相机，光从中部扫描单元出射至狭缝位置被准直透镜准直为平行光，经过棱镜-光栅-棱镜后，不同波长的光经第三聚焦透镜聚焦在第二相机感光面的不同位置，从而形成光谱图像。

所述的显微成像单元的像面和荧光图谱或反射图谱像面共轭。

所述的前置光学单元中的位移台替换为液体变焦透镜，用于实现快速变焦，提高系统扫描的速度。

本发明的有益效果：

采用共聚焦探针原理来探测待测样品的三维形貌信息和荧光或反射图谱信息探测。将待测样品的三维形貌数据，荧光或反射图谱数据融合成四维数据立方体。系统具有深度分辨率高，光谱分辨率高， 数据融合精度优良等特性。新的光谱形貌数据体极大的提升对物质微观检测和分析的准确率。

本发明考虑到显微探测下高光谱成像对的三维形貌恢复的缺失和探测模式单一的问题，通过共聚焦探针原理来采集待测样品的三维形貌数据，荧光或反射图谱数据。待测样品的三维形貌数据和荧光或反射图谱数据融合至四维光谱形貌数据集，增加系统对物体探测的手段和方法，极大的提高系统的可用性和丰富度。这对于分析待测样品微观性质具有重要意义，在原位微生物探测、工业样品微结构检测等测量领域具有巨大的应用价值。

附图说明

图1是凝视型共聚焦显微形貌光谱四维探测系统的一种结构示意图；

图中， 载物台1、显微物镜2、位移台3、分束镜4、远心透镜5、扫描透镜6、振镜系统7、第一分束器8、滤波片9、第二分束器10、第一聚焦透镜11、针孔12、第二聚焦透镜13、高光谱分光模组14、狭缝15、准直透镜16、棱镜-光栅-棱镜 17、第三聚焦透镜18、反射镜19、光纤准直器20、第四聚焦透镜21、第一相机22、第二相机23。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步的阐述。

一种凝视型共聚焦显微形貌光谱四维探测系统，包括激发单元、前置光学单元、显微成像单元、中部扫描单元和后端接收单元。系统基于共聚焦探针原理可以同时采集待测样品的三维形貌数据，荧光或反射图谱数据。待测样品的三维形貌数据，荧光或反射图谱数据融合至四维光谱形貌数据集。激发光从激发单元导入至中部扫描单元，振镜系统通过改变入射到扫描透镜的角度来实现扫描。位移台通过调节显微物镜和待测样品之间的距离，使样品被置于显微物镜的焦面上。待测样品上的点被激发荧光或该点产生反射光信号。激发光可以聚焦在待测样品不同深度位置处，只有处在前置光学单元中的显微物镜焦面上的荧光信号能够被后端接收单元采集，非焦面的荧光信号会被后端接收单元中的共焦小孔阻挡。待测样品可以通过层析扫描来实现不同深度的荧光图谱成像。

共聚焦显微形貌探测是在连续改变前置光学单元的位移台和待测样品距离，通过采集的后端接收单元中的聚焦光强信号的最大值来定位待测样品和显微物镜之间的轴向距离，从而精确获得待测样品表面点精确的三维位置数据。然后通过后端接收单元的高光谱分光模组采集荧光或反射光谱数据；最后，通过振镜系统对待测样品的二维点扫描并得到待测样品的三维形貌及其每个空间点的高光谱荧光或反射谱。

如图1所示，所述的激发单元包括反射镜19、光纤准直器20，待测样品的激发光从激发单元导入，经过反射镜19的调节入射到中部扫描单元。系统可以通过共聚焦探针来扫描待测样品的三维形貌。待测样品的光学特性可以通过采集荧光数据或反射图谱数据来表征。

所述的中部扫描单元依次包括远心透镜5、扫描透镜6、振镜系统7、第一分束器8、滤波片9，扫描透镜6和远心透镜5优化光束并进行扩束，振镜系统7进行二维扫描。振镜系统7通过改变入射到扫描透镜6的角度来实现扫描，扫描透镜6和远心透镜5优化扫描像面并提高光斑直径，使得不同角度的扫描光束经过前置光学单元的反射镜（分束镜）始终汇聚在微物镜的入瞳。激光从中部扫描单元出射到前置光学单元。

所述的前置光学单元包括载物台1、显微物镜2、位移台3、分束镜4，从中部扫描单元出射的激发光经过分束镜4的反射入射到显微物镜2，并聚焦在载物台1上的待测样品，位移台3用于调节待测样品的距离实现聚焦，待测样品激发的荧光信号或者反射光信号沿着原光路返回。其中，所述的前置光学单元中的位移台3可替换为液体变焦透镜，用于实现快速变焦，提高系统扫描的速度。

所述的显微成像单元包括第四聚焦透镜21、第一相机22，从待测样品反射的光经过第四聚焦透镜21成像在第一相机22位置处，形成共轭显微图像。所述的显微成像单元的像面和荧光图谱或反射图谱像面共轭，可以在显微成像单元中观察彩色显微图像，彩色显微图像可以被用来快速定焦和定位待测样品在视场中的位置。系统将三维显微形貌和共聚焦荧光或反射图谱数据融合成四维光谱形貌显微数据集。

所述的后端接收单元包括第二分束器10、第一聚焦透镜11、针孔12、第二聚焦透镜13、高光谱分光模组14，信号荧光或反射光沿着原光路经过中部扫描单元入射到后端接收单元中的第二分束器10，经过第一聚焦透镜11聚焦在针孔12位置处，并出射到外部光电探测器中，另外一路信号荧光或反射光经过第二聚焦透镜13入射到高光谱分光模组，形成荧光图谱或者反射图谱。外部光电探测器可采用单光电探测器或者双通道光电探测器，单光电探测器若替换为双通道光电探测器，实施差动共聚焦检测，这可以在一定程度上进一步提高系统三维重建的精度。

所述的高光谱分光模组依次包括狭缝15、准直透镜16、棱镜-光栅-棱镜 17、第三聚焦透镜18、第二相机23，光从中部扫描单元出射至狭缝15位置被准直透镜16准直为平行光，经过棱镜-光栅-棱镜17后，不同波长的光经第三聚焦透镜18聚焦在第二相机23感光面的不同位置，从而形成光谱图像。系统通过点扫描待测样品表面待探测点的位置，实现凝视状态下的荧光或反射图谱扫描成像。

上述描述中的实施方案可以进一步组合或者替换，且实施方案仅仅是对本发明的优选实施例进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变化和改进，均属于本发明的保护范围。本发明的保护范围由所附权利要求及其任何等同物给出。