一种基于扫描振镜与半导体激光器的共聚焦显微镜并行扫描装置及扫描方法

摘要

一种基于扫描振镜与半导体激光器的共聚焦显微镜并行扫描装置及扫描方法，属于共焦显微成像领域。解决了现有CCD相机受到曝光速度影响，图片采集速率较低的问题。本发明包括半导体激光器、衰减片、偏振片、准直扩束系统、第一偏振分光棱镜、扫描振镜系统、远心扫描透镜、管镜、第二偏振分光棱镜、1/4波片、物镜、第一收集透镜、光电探测器、第二收集透镜、CCD相机和控制器；通过调制共焦光路中的CCD相机曝光时间，扫描振镜系统及半导体激光器触发信号，在CCD相机的一帧图像上获取多个振镜偏转角度对应的激光光斑，实现并行扫描。本发明主要用于对样品进行扫描。

说明书

技术领域

本发明属于共焦显微成像领域。

背景技术

光学显微术广泛应用于生物和材料科学等领域。共焦显微测量技术是一种适用于微米及亚微米尺度测量的三维光学显微技术。反射式共焦显微系统的层析能力使之在三维成像领域显得十分重要。

共焦显微镜在20世纪50年代中后期由Minsky发明，1977年，C.J.R.Sheppard和A.Choudhury阐明共焦显微系统在点针孔掩模的作用下，牺牲视场将横向分辨率提高到相同孔径普通显微镜的1.4倍。但是，传统共焦技术由于共轭针孔的引入导致每次只能探测一点，需要扫描才能实现对被测样品的三维测量，扫描速度是制约扫描系统性能的瓶颈之一。而且受到探测器尺寸的影响，共焦显微技术的分辨力难以提高。

(1)参考文献(涂龙,余锦,樊仲维,等.基于小孔阵列的并行激光共焦显微检测技术研究.光电子·激光，2013(10):1989-1994.)提出了一种使用小孔阵列进行并行激光共焦显微检测的技术。

(2)专利号：ZL 201510867976.3描述的“一种超分辨阵列扫描结构光照明成像装置及其成像方法”，在该专利中，CCD探测并输出的是一系列位置不变的艾里斑图像，图像数量对应样品上的扫描点数，对采集的每一幅光斑图像都进行结构探测函数的调制处理，最终可得到样品的成像结果图。

上述文献中所描述的现有探针不足之处在于：

(1)需要制作小孔阵列，工艺流程困难，基于传统共焦显微镜，横向分辨率受到限制。

(2)CCD受到曝光速度影响，图片采集速率较低。

发明内容

本发明是为了解决现有CCD相机受到曝光速度影响，图片采集速率较低的问题，本发明提供了一种基于扫描振镜与半导体激光器的共聚焦显微镜并行扫描装置及扫描方法。

一种基于扫描振镜与半导体激光器的共聚焦显微镜并行扫描装置，它包括半导体激光器、衰减片、偏振片、准直扩束系统、第一偏振分光棱镜、扫描振镜系统、远心扫描透镜、管镜、第二偏振分光棱镜、1/4波片、物镜、第一收集透镜、光电探测器、第二收集透镜、CCD相机和控制器；

控制器，用于调制半导体激光器的出射光，用于控制光电探测器进行光电探测，用于控制CCD相机的曝光时间，还用于控制扫描振镜系统进行偏转；

半导体激光器出射的光依次经衰减片、偏振片和准直扩束系统透射后，入射至第一偏振分光棱镜，

经第一偏振分光棱镜反射后的光，又经第一收集透镜透射后，入射至光电探测器，光电探测器用于探测半导体激光器出射光的光强，并将探测结果发送至控制器，控制器根据探测结果对半导体激光器输出的光进行调制；

经第一偏振分光棱镜透射后的激光，经扫描振镜系统反射后，依次经远心扫描透镜、管镜、第二偏振分光棱镜、1/4波片和物镜透射后，聚焦至样品形成聚焦光斑，经样品反射的光沿原入射光路返回至第二偏振分光棱镜，经第二偏振分光棱镜反射后，经第二收集透镜透射后，入射至CCD相机，CCD相机用于采集样品反射的光斑图像。

采用所述的一种基于扫描振镜与半导体激光器的共聚焦显微镜并行扫描装置实现的扫描方法，该扫描方法的具体过程为：

设定CCD相机采集的每帧图像由m行n列光斑阵列组成，整个样品图像包含k帧图像；其中，m、n、k均为大于或等于2的整数；

首先，启动CCD相机，使其开始曝光，之后对扫描振镜系统输入控制信号，并延迟t毫秒，以确保扫描振镜系统中的振镜到达指定位置后，点亮半导体激光器，使导体激光器出射的光在指定位置成像后，熄灭半导体激光器；重新向扫描振镜系统输入控制信号，使扫描振镜系统中的振镜到达新的指定位置，再次点亮半导体激光器，使导体激光器出射的光在新的指定位置成像后，熄灭半导体激光器，循环上述过程n*m次，直至该次曝光时间内，所形成的一帧图像由m行n列的光斑阵列组成，CCD相机停止曝光，并存储该帧图像；

其次，CCD相机一共进行k次曝光，至所有曝光时间内，CCD相机采集k帧图像，使半导体激光器出射的光完成对整个样品的扫描。

本发明的优点是：为CCD相机、扫描振镜系统、半导体激光器的控制信号建立稳定的时序关系。利用半导体激光器的调制特性，在CCD相机的一帧图像曝光时间之内，根据振镜位置在CCD相机相面上呈现由m*n个独立的聚焦光斑构成的阵列，实现并行扫描。现有技术中相机的一个曝光时间，只能采集一个光斑图像，本发明扫描装置中CCD相机的一个曝光时间内，可采集m*n个光斑图像，提高了整个系统的采集速度，对样品的整个扫描速度提高了m*n倍。

在后续重构样品三维形貌的过程中，对所获得光斑阵列的数字图像进行分割使各部分包含一个独立光斑，为光斑添加软针孔并叠加结构探测函数进行调制，实现待探测光斑的光强分布与结构探测函数相乘后再求和，提取其强度信息并根据位置信息重构样品三维形貌，实现并行共焦结构探测。

附图说明

图1为本发明所述的一种基于扫描振镜与半导体激光器的共聚焦显微镜并行扫描装置的结构示意图。

图2为是CCD相机控制信号、扫描振镜系统控制信号、半导体激光器控制信号的时序图；

图3是对CCD相面上的光斑阵列扫描示意图，其中m＝3，n＝4，图3a为起始帧的光斑阵列图，图3b为第二帧光斑阵列图，图3c为第一行扫描的末帧的光斑阵列图，图3d为整个扫描过程的末帧的光斑阵列图；

图4中，图(a)为分割出的光斑示意图，图(b)为对分割出的光斑进行结构探测之后的效果。

具体实施方式

具体实施方式一：参见图1说明本实施方式，本实施方式所述的一种基于扫描振镜与半导体激光器的共聚焦显微镜并行扫描装置，它包括半导体激光器1、衰减片2、偏振片3、准直扩束系统4、第一偏振分光棱镜5、扫描振镜系统6、远心扫描透镜7、管镜8、第二偏振分光棱镜9、1/4波片10、物镜11、第一收集透镜13、光电探测器14、第二收集透镜15、CCD相机16和控制器17；

控制器17，用于调制半导体激光器1的出射光，用于控制光电探测器14进行光电探测，用于控制CCD相机16的曝光时间，还用于控制扫描振镜系统6进行偏转；

半导体激光器1出射的光依次经衰减片2、偏振片3和准直扩束系统4透射后，入射至第一偏振分光棱镜5，

经第一偏振分光棱镜5反射后的光，又经第一收集透镜13透射后，入射至光电探测器14，光电探测器14用于探测半导体激光器1出射光的光强，并将探测结果发送至控制器17，控制器17根据探测结果对半导体激光器1输出的光进行调制；

经第一偏振分光棱镜5透射后的激光，经扫描振镜系统6反射后，依次经远心扫描透镜7、管镜8、第二偏振分光棱镜9、1/4波片10和物镜11透射后，聚焦至样品12形成聚焦光斑，经样品12反射的光沿原入射光路返回至第二偏振分光棱镜9，经第二偏振分光棱镜9反射后，经第二收集透镜15透射后，入射至CCD相机16，CCD相机16用于采集样品反射的光斑图像。

本实施方式，通过调制共焦光路中的CCD相机16曝光时间，扫描振镜系统6及半导体激光器1触发信号，CCD相机16的一帧图像上获取多个振镜偏转角度对应的激光光斑，实现并行扫描。

在重构样品三维形貌的过程中，对所获得光斑阵列的数字图像进行分割使各部分包含一个独立光斑，为光斑添加软针孔并叠加结构探测函数进行调制，实现待探测光斑的光强分布与结构探测函数相乘后再求和，提取其强度信息并根据位置信息重构样品三维形貌，实现并行共焦结构探测。

本发明实现阵列扫描的核心是对CCD相机16、扫描振镜系统6与半导体激光器1的时序控制，其时序控制由同一控制器17实现，参照图2进行说明。图2中信号a为CCD相机16的控制信号；by，bx分别扫描振镜系统6控制振镜的两个方向；信号c为半导体激光器1调制信号。CCD相机16在高电平时进行采集，振镜根据控制信号幅值偏转至指定角度，半导体激光器的输出则由调制信号决定。

图2中，CCD相机16采集一帧图像的时间为T，即a的高电平时间为T，即：曝光时间。信号a进入高电平之后，信号by,bx经过时间tx1的延迟后生效，其幅值变为初始幅值且使振镜偏转角度对应该帧图像中初始光斑的位置。by,bx生效之后经过时间td的延迟保证振镜已偏转至指定位置，信号c产生正半周为t1负半周为t2的矩形脉冲，半导体激光器点亮，光斑成像在样品表面指定位置t1时间之后熄灭。信号by,bx,c会重复该过程直至完成该阵列后置零，其中信号by,bx依据光栅式扫描进行调制。该阵列完成之后经过tx2的延迟之后信号a置低，CCD相机结束曝光，将所有光斑信息记入同一帧图像并存储图像。光电探测器14对光强进行持续采样。

本发明所述的一种基于扫描振镜与半导体激光器的共聚焦显微镜并行扫描装置用于对样品12的光斑图像进行采集，在后续样品形貌的恢复过程中，对阵列图像进行图像分割及结构探测运算并提取指定位置的光斑光强数值，并将该数值对采样光强信号进行归一化，保证准确重建样品形貌。

扫描及分割过程如图3所示，本实施例的阵列光斑数N为12，阵列中x方向光斑间距均为D，第一帧图像中最左端光斑圆心位于左侧边界上，最右端光斑距圆心扫描范围右边界距离为D。每帧图像之间对应光斑的步进距离为d。完成x向扫描共需D/d帧图像，y向同理。完成扫描的最后一帧图像中，最左端光斑圆心距扫描范围左侧边界距离为D，最右端光斑圆心位于扫描范围右边界。针对扫描结果的图像分割依据初始帧的光斑位置进行分割，保证分割区域内仅有一个聚焦光斑，且该光斑的扫描轨迹铺满整个分割区域。且每帧中光斑与前次帧中对应光斑具有位置连续性且其间隔为振镜控制信号幅值差距所设定的间距d。

样品12的结构探测过程所形成的效果如，如图4所示，对分割后的图像各区域使用图像处理的方法，通过质心法确定光斑中心位置并为光斑添加软针孔，叠加结构探测函数进行调制，实现待探测光斑的光强分布与结构探测函数相乘后再求和，实现结构探测，提高横向分辨率。

本实施例的探测函数采取如下形式：

其中，m(x,y)为结构探测函数，该函数为二维余弦函数，在结构探测中与光斑图像进行叠加，提高系统分辨率。f₀取系统的截止频率f_c，初始相位取(0,0)。

具体实施方式二：参见图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的一种基于扫描振镜与半导体激光器的共聚焦显微镜并行扫描装置的区别在于，所述的由1/4波片10入射至物镜11的光为圆偏振光。

具体实施方式三：参见图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的一种基于扫描振镜与半导体激光器的共聚焦显微镜并行扫描装置的区别在于，所述的由1/4波片10入射至第二偏振分光棱镜9的光为线偏振光。

具体实施方式四：参见图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的一种基于扫描振镜与半导体激光器的共聚焦显微镜并行扫描装置的区别在于，所述的由1/4波片10入射至第二偏振分光棱镜9的光的偏振方向与偏振片3的出射光的偏振方向垂直。

具体实施方式五：采用具体实施方式一所述的采用一种基于扫描振镜与半导体激光器的共聚焦显微镜并行扫描装置实现的扫描方法，该扫描方法的具体过程为：

设定CCD相机16采集的每帧图像由m行n列光斑阵列组成，整个样品12图像包含k帧图像；其中，m、n、k均为大于或等于2的整数；

首先，启动CCD相机16，使其开始曝光，之后对扫描振镜系统6输入控制信号，并延迟t毫秒，以确保扫描振镜系统6中的振镜到达指定位置后，点亮半导体激光器1，使导体激光器1出射的光在指定位置成像后，熄灭半导体激光器1；重新向扫描振镜系统6输入控制信号，使扫描振镜系统6中的振镜到达新的指定位置，再次点亮半导体激光器1，使导体激光器1出射的光在新的指定位置成像后，熄灭半导体激光器1，循环上述过程n*m次，直至该次曝光时间内，所形成的一帧图像由m行n列的光斑阵列组成，CCD相机16停止曝光，并存储该帧图像；该过程参见图3所示，图3中虚线框为实际扫描范围，图3a为起始帧，该帧中第一列光斑中心与扫描范围左上顶点重合，阵列中x、y方向光斑间距均为D。图3b为第二帧，该帧中光斑阵列在x方向整体偏移距离为d，y方向保持不变。图3c为第一行扫描的末帧，该帧相对第一帧在x方向整体移动距离为D，最后一列光斑中心为扫描范围右边界，y方向保持不变。图3b为全部扫描的末帧光斑图。

其次，CCD相机16一共进行k次曝光，至所有曝光时间内，CCD相机16采集k帧图像，使半导体激光器1出射的光完成对整个样品12的扫描。