基于变频激光的扫描成像系统及其方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于变频激光的扫描成像系统,包括：数字信号发生器(1)、激光器(2)、激光扫描装置(3)、显微镜模块(4)、共聚焦探测模块(5)和数字采集卡(6)。同时，本发明专利技术还公开了一种基于变频激光的扫描成像方法。本发明专利技术可提高荧光图像的空间分辨率，同时可获得成像样品的荧光寿命数据，为物质种类的分析提供时间维度的信号。

Scanning imaging system and method based on frequency conversion laser

【技术实现步骤摘要】
基于变频激光的扫描成像系统及其方法
本专利技术涉及一种扫描成像系统,尤其涉及一种基于变频激光的扫描成像系统及其方法，属于光学成像

技术介绍
近年来，光学成像工具在科学研究中的地位越来越突出。为了能够获得更高的分辨率，大量新颖的显微成像方法涌现出来。其中，激光共聚焦显微系统由于其良好的成像分辨率、三维成像能力以及突出的成像模式拓展能力，成为了科研工作者的首选。在激光共聚焦显微系统中，分辨率的提高是一个重要的课题，当前，通过使用双光束耗散激发、空间频率调制激发等方式，均实现了激光共聚焦扫描的空间分辨率的提高，然而，即便是在多种创新性方法的提出，激光共聚焦显微镜的分辨率仍旧没有达到科研工作者的最终需求。人们对激光共聚焦显微镜的空间分辨率的追求没有止境。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术中的不足，提出一种基于变频激光的扫描成像方法及其系统，进一步提高激光共聚焦显微镜的空间分辨率。为此，本专利技术采用如下技术方案：一种基于变频激光的扫描成像系统,包括：数字信号发生器(1)、激光器(2)、激光扫描装置(3)、显微镜模块(4)、共聚焦探测模块(5)和数字采集卡(6)；所述激光扫描装置(3)包括分别沿X轴和Y轴设置的两套扫描模块及一块反射镜，每一扫描模块均包括：扫描振镜(31)、扫描透镜(32)以及管透镜(33)；反射镜(34)设置在后一个管透镜的后方。所述显微镜模块(4)，包括二向色镜(41)、显微物镜(42)和样品(43)；所述数字信号发生器(1)中设置有三路模拟信号，以及一路数字脉冲信号(1a)，三路模拟信号分别为一路变频信号(1b)，两路锯齿波信号(1c，1d)；变频信号(1b)驱动激光器(2)，产生变频强度激光；两路锯齿波信号(1c，1d)作为X轴和Y轴的扫描信号，驱动激光扫描装置中的两个振镜(31)；数字脉冲信号(1a)用于驱动数字采集卡(6)启动数据采集，实现同步探测；当上述三路模拟信号发出后，系统处于变频激光扫描，样品也随之被激发出变频强度荧光，荧光信号被共聚焦探测模块(5)所探测，并转换为电信号被数字采集卡(6)同步采集。进一步地，所述扫描振镜(31)在电信号驱动下，其镜面角度发生改变，进而改变入射激光的出射角度，所述扫描透镜的后焦点可与扫描振镜的镜面中点重合；所述管透镜的后焦点可与所述扫描透镜的前焦点重合，扫描透镜和管透镜共同将扫描振镜的中点共轭到下一个模块的入瞳处。进一步地，所述扫描振镜(31)、扫描透镜(32)以及管透镜(33)的后焦点到前焦点的连线与光线传输方向重合。进一步地，所述显微镜模块(4)包括二向色镜(41)、显微物镜(42)和样品(43)，激光通过激光扫描装置后，由二向色镜反射，到达显微物镜，显微物镜的入瞳与上一级的管透镜的前焦点重合，在两路锯齿波信号的驱动下，激光扫描装置实现激光角度的高速扫描，上述激光通过显微物镜后，聚焦在样品面上，其聚焦激光点实现二维网格点扫描，激发样品上M×N个离散区域的荧光信号，荧光信号反向通过显微物镜，进而透过二向色镜模块，进入共聚焦探测模块。进一步地，所述共聚焦探测模块(5)，包括反射镜(51)、消色差透镜(52)、共聚焦小孔(53)、以及高速探测器(54)组成，通过二向色镜的荧光信号，经过消色差透镜后，聚焦于共聚焦小孔处，共聚焦小孔与消色差透镜的前焦点重合。荧光信号通过共聚焦小孔后，实现了空间滤波，并被紧贴着共聚焦小孔的高速探测器收集，高速探测器将光信号转换为电信号，输出到数字采集卡。本专利技术的另一方面，提供一种基于变频激光的扫描成像方法，包括如下步骤：S1：在数字信号发生器中，设置三路模拟信号，以及一路数字脉冲信号，三路模拟信号分别为一路变频信号，两路锯齿波信号；变频信号驱动激光器，产生变频强度激光，变频信号定义为F(i)＝sin[ω(i)×i+ψ]，其中其中表示取整数，i和k是大于0的整数，Feq和coe是大于0的有理数，ψ是大于0的有理数；两路锯齿波信号作为X轴和Y轴的扫描信号，驱动激光扫描装置中的两个振镜，驱动X轴和Y轴的锯齿波信号分别定义为和其中A是大于0的有理数，表示扫描幅度，M是在x轴上横向扫描的像素点数目，N是在y轴上纵向扫描的像素点数目，i是大于0的整数，完整扫描一副二维图像的像素点数目为M×N，定义锯齿波信号的产生频率是OmHz，Om是大于0的整数，完整扫描一副二维图像需要使用的时间是M×N/Om秒，数字脉冲信号用于驱动数字采集卡启动数据采集，实现同步探测；S2：当上述三路模拟信号发出后，系统处于变频激光扫描，样品也随之被激发出变频强度荧光，荧光信号被共聚焦探测模块所探测，并转换为电信号被数字采集卡同步采集，数字采集卡的采样频率为为ImHz，Im为Om的P倍,Im和P均是大于0的整数，数字采集卡采集的光电信号定义为一维矩阵Dig，该矩阵的维度为M×N×P，定义pix＝(yj-1)×M+xi,则Dig[(pix-1)×P+1:pix×P]这P个元素表示第(xi,yj)个像素的荧光光强，xi为取值范围在1到M的整数，yj为取值范围在1到N的整数，对矩阵Dig进行暗区搜索，获取暗度较低的区域；S3：对矩阵Dig的每个像素内的荧光强度数据做傅里叶转换，提取强度与相位信息，结合暗度较低区域开展差分膨胀；S4：输出一副具有高精度空间图像，该空间图像同时包含了每一个像素点的荧光寿命信息。进一步地，在步骤S2中，所述暗区搜索，是针对数字采集卡保存的数字信号Dig，先做分段积分，得到一个新的一维矩阵Dig_2，该矩阵的维度为M×N，矩阵元素的定义方式是其中i的取值范围是1到M×N，设置阈值Threshold(Threshold为大于0的数字)，利用for循环，遍历Dig_2中的所有元素，将小于Threshold的元素对应的索引号记录到矩阵Dark中，并记录Dig_2中小于Threshold的元素数目，定义为Dark_num，Dark_num是大于0的整数，也是矩阵Dark的维度。进一步地，在步骤S3中，所述傅里叶变换，是对矩阵Dig的每个像素内的荧光强度数据做傅里叶转换，获得一个新的矩阵Dig_FFT，Dig_FFT的数据维度与Dig相同，其转换方法为Dig_FFT[(b-1)×P+1:b×P]＝FFT(Dig[(b-1)×P+1:b×P]),FFT为经典的快速离散傅里叶变换。进一步地，在步骤S3中，所述强度与相位信息，是针对每一个像素内的数据提取强度信息与相位信息，对于第b个像素，将Dig_FFT[(b-1)×P+1:b×P]这P个数值中的最大值作为该像素点的强度数据，保存到二维数组Amp[xi,yj]中，其中xi＝b-yj×M，对于第b个像素，相位信息从Dig[(b-1)×P+1:b×P]中提取，使用for循环，遍历Dig[(b-1)×P+1:b×P]中所有的数字，索引值是1到P，记录第一个极值点的索引值Ipeak，如果该极值是最大值，则相位如果该极值是最小值，则相位为，其中进一步地，在步骤S3中，所述差分本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于变频激光的扫描成像系统,包括：数字信号发生器(1)、激光器(2)、激光扫描装置(3)、显微镜模块(4)、共聚焦探测模块(5)和数字采集卡(6)；所述激光扫描装置(3)包括分别沿X轴和Y轴设置的两套扫描模块，每一扫描模块均包括：扫描振镜(31)、扫描透镜(32)以及管透镜(33)；所述显微镜模块(4)，包括二向色镜(41)、显微物镜(42)和样品(43)；所述数字信号发生器(1)中设置有三路模拟信号，以及一路数字脉冲信号(1a)，三路模拟信号分别为一路变频信号(1b)，两路锯齿波信号(1c，1d)；变频信号(1b)驱动激光器(2)，产生变频强度激光；两路锯齿波信号(1c，1d)作为X轴和Y轴的扫描信号，驱动激光扫描装置中的两个振镜(31)；数字脉冲信号(1a)用于驱动数字采集卡(6)启动数据采集，实现同步探测；当上述三路模拟信号发出后，系统处于变频激光扫描，样品也随之被激发出变频强度荧光，荧光信号被共聚焦探测模块(5)所探测，并转换为电信号被数字采集卡(6)同步采集。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于变频激光的扫描成像系统,包括：数字信号发生器(1)、激光器(2)、激光扫描装置(3)、显微镜模块(4)、共聚焦探测模块(5)和数字采集卡(6)；所述激光扫描装置(3)包括分别沿X轴和Y轴设置的两套扫描模块，每一扫描模块均包括：扫描振镜(31)、扫描透镜(32)以及管透镜(33)；所述显微镜模块(4)，包括二向色镜(41)、显微物镜(42)和样品(43)；所述数字信号发生器(1)中设置有三路模拟信号，以及一路数字脉冲信号(1a)，三路模拟信号分别为一路变频信号(1b)，两路锯齿波信号(1c，1d)；变频信号(1b)驱动激光器(2)，产生变频强度激光；两路锯齿波信号(1c，1d)作为X轴和Y轴的扫描信号，驱动激光扫描装置中的两个振镜(31)；数字脉冲信号(1a)用于驱动数字采集卡(6)启动数据采集，实现同步探测；当上述三路模拟信号发出后，系统处于变频激光扫描，样品也随之被激发出变频强度荧光，荧光信号被共聚焦探测模块(5)所探测，并转换为电信号被数字采集卡(6)同步采集。


2.根据权利要求1所述的基于变频激光的扫描成像系统，其特征在于：所述扫描振镜(31)在电信号驱动下，其镜面角度发生改变，进而改变入射激光的出射角度，所述扫描透镜的后焦点可与扫描振镜的镜面中点重合；所述管透镜的后焦点可与所述扫描透镜的前焦点重合，扫描透镜和管透镜共同将扫描振镜的中点共轭到下一个模块的入瞳处。


3.根据权利要求1所述的基于变频激光的扫描成像系统，其特征在于：所述扫描振镜(31)、扫描透镜(32)以及管透镜(33)的后焦点到前焦点的连线与光线传输方向重合。


4.根据权利要求1所述的基于变频激光的扫描成像系统，其特征在于：所述显微镜模块(4)包括二向色镜(41)、显微物镜(42)和样品(43)，激光通过激光扫描装置后，由二向色镜反射，到达显微物镜，显微物镜的入瞳与上一级的管透镜的前焦点重合，在两路锯齿波信号的驱动下，激光扫描装置实现激光角度的高速扫描，上述激光通过显微物镜后，聚焦在样品面上，其聚焦激光点实现二维网格点扫描，激发样品上M×N个离散区域的荧光信号，荧光信号反向通过显微物镜，进而透过二向色镜模块，进入共聚焦探测模块。


5.根据权利要求1所述的基于变频激光的扫描成像系统，其特征在于：所述共聚焦探测模块(5)，包括反射镜(51)、消色差透镜(52)、共聚焦小孔(53)、以及高速探测器(54)组成，通过二向色镜的荧光信号，经过消色差透镜后，聚焦于共聚焦小孔处，共聚焦小孔与消色差透镜的前焦点重合。


6.一种基于变频激光的扫描成像方法，包括如下步骤：
S1：在数字信号发生器中，设置三路模拟信号，以及一路数字脉冲信号，三路模拟信号分别为一路变频信号，两路锯齿波信号；
变频信号驱动激光器，产生变频强度激光，变频信号定义为F(i)＝sin[ω(i)×i+ψ]，其中其中表示取整数，i和k是大于0的整数，Feq和coe是大于0的有理数，ψ是大于0的有理数；
两路锯齿波信号作为X轴和Y轴的扫描信号，驱动激光扫描装置中的两个振镜，驱动X轴和Y轴的锯齿波信号分别定义为和其中A是大于0的有理数，表示扫描幅度，M是在x轴上横向扫描的像素点数目，N是在y轴上纵向扫描的像素点数目，i是大于0的整数，完整扫描一副二维图像的像素点数目为M×N，定义锯齿波信号的产生频率是OmHz，Om是大于0的整数，完整扫描一副二维图像需要使用的时间是M×N/Om秒，数字脉冲信号用于驱动数字采集卡启动数据采集，实现同步探测；
S2：当上述三路模拟信号发出后，系统处于变频激光扫描，样品也随之被激发出变频强度荧光，荧光信号被共聚焦探测模块所探测...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵磊，
申请(专利权)人：杭州科洛码光电科技有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33