[发明专利]基于数字微镜元件的全反射显微镜环形扫描方法和装置

说明书

技术领域

本发明属于微观观测测量领域，具体涉及一种基于数字微镜元件的全反射显微镜环形扫描方法和装置。

背景技术

显微镜泛指可以将微小不可见或难见物品的影像放大，使其能够被肉眼或其他成像仪器观察的工具。作为显微镜家族中最早出现也是最为庞大的一支，光学显微镜通常由几个透镜或透镜组加上必要的机械结构组合而成，对于生物、医学、材料等领域的发展具有十分重要的推动作用。随着科学技术的进步，光学显微镜日趋专门化，出现了针对某些特殊应用领域的专门显微镜产品和技术。在这些产品之中，全内反射荧光显微镜（total internal reflection fluorescent microscope，TIRFM）由于具有极低的背景光噪声而被广泛应用于细胞表面物质的动态观察。其基本原理是利用光线全反射后在介质另一面产生倏逝波的特性，激发荧光分子以观察荧光标记样品的极薄区域，观测的动态范围通常在200nm以下。因此，全内反射荧光显微镜具有很好的切片观察效果。

然而，荧光分子具有很强的分子极性，因此，其荧光受激发射响应表现出很强的偏振和方向选择性。这种特异选择性对于入射激发光提出了较高的要求，如处理不当，很容易造成观察图像的失真。在全内反射荧光显微镜中，为了克服上述问题，通常要求从全内反射显微物镜出射的激发光能够以观察区域为中心绕系统光轴旋转，从而实现全角度的全反射照明，进而避免图像失真。常规的作法是使用一个二维振镜组配合一个大口径透镜将入射激发光聚焦在全内反射显微镜物的后焦面上并使其绕光轴环状扫描，进而达到全角度的全反射照明的目的。这种作法对于二维振镜组的控制电路要求极高，不仅要求其具有很高的同频和响应速度，同时其输出波形也非常复杂。因此，全内反射荧光显微镜中扫描模块往往设计复杂。即便如此，现有的扫描模块仍具有功能单一、通用性不足等技术缺陷。

发明内容

为了克服现有技术的不足，同时降低制造成本，本发明提供了一种基于数字微镜元件的全反射显微镜环形扫描方法和装置。

一种基于数字微镜元件的全反射显微镜环形扫描方法，包括以下几个步骤：

1）在数字微镜元件上建立环形图像扫描序列，所述的环形图像扫描序列为依次显示在数字微镜元件上的图像，且所有图像围成一个环形；

2）激发光通过均匀、扩束处理后入射至数字微镜元件，然后经数字微镜元件上的图像显示区域反射并通过全内反射显微物镜照射至样品上；

3）根据所述的环形图像扫描序列，完成对样品的环形扫描。

在步骤1）中，首先根据全内反射荧光显微镜的扫描速度、成像面深度和系统所用激发光的波长参数，在数字微镜元件上生成环形图像扫描序列。环形扫描图形序列，是指一系列依次显示的图像，每一帧图像显示形状完全相同，对应于一个圆环区域上对应于圆环圆心张角相同的片断，在位置上沿角向依次排布，将所有图像叠加上能够形成一个完整的圆环，圆环半径由成像面深度和系统所用激发光的波长参数决定，图形序列刷新频率由系统扫描速度决定。

在所述的步骤2）中，所述的激发光为单色圆偏振光，其波长和输入功率由标记样品的荧光染料的性质决定。

所述的数字微镜元件，其图像分辨率应至少为1024像素×768像素，图像刷新率应至少达到10000帧/秒，优选为德州仪器(TI)的4100。

在步骤2）中，入射至数字微镜元件的光束与所述数字微镜元件反射的光束的光轴夹角为24度。数字微镜元件上的反射镜倾斜角度为10～12°，在反射镜倾斜12°时，入射光与反射光的光轴夹角为24度。

本发明的工作原理是：

为了实现全内反射荧光显微镜中激发光的环形扫描，需要将激发光聚焦在全内反射显微物镜的后焦面上并使其在后焦面上匀角速度做环形移动才可以实现。为了达到上述效果，可以利用成像透镜使数字微镜元件与全内反射显微物镜后焦面呈光学共轭位置，并控制数字微镜元件所显示的图形信息。当数字微镜元件所显示的图形信息与预期的环形扫描光斑移动轨迹完全重合时，即可以通过该模块实现预期的环形扫描功能。理论上，在后焦面上光斑的环形运动轨迹半径应于全内反射显微物镜的入瞳半径相等。但是，由于在实际系统中全内反射显微物镜不可避免存在色差，因此，为了使得不同波长（颜色）的激发光在样品表面上满足齐焦条件，需要对于环形运动轨迹半径进行微调。因满足成像关系，这种微调可以通过调整数字微镜元件上所显示环形扫描图形序列图像的半径来实现。当激发光波长（颜色）不变时，通过相同的微调处理，则可以改变出射激发光的全反射角，从而实现对于样品的纵向扫描。