[发明专利]一种用于共聚焦荧光显微镜的二维快速光束扫描模块

说明书

本发明公开了一种用于共聚焦荧光显微镜的二维快速光束扫描模块，包括沿光路依次布置的电光偏转器、第一透镜、二分之一波片、第二透镜、Wollaston棱镜和电流计镜；电光偏转器使入射准直光束产生垂直于纸面方向的偏转并扫描，电流计镜使入射准直光束产生平行于纸面方向的偏转并扫描，通过控制电光偏转器和电流计镜的偏转，实现二维快速光束扫描。本发明通过使用电光偏转器加快扫描成像速度，同时在使用点探测器的前提下，保证荧光收集效率，结构简单、性能稳定，可以不受限制，获得多色荧光成像能力。

技术领域

本发明属于光学机械领域，涉及一种用于共聚焦荧光显微镜的二维快速光束扫描模块。

背景技术

与常规宽场荧光显微镜不同，由于在共聚焦荧光显微镜中，为了提高系统分辨率特别是轴向切片能力，往往使用点探测器作为成像器件。因此，为了对一定视场范围内的样品进行成像，往往需要使用特殊装置实现光束聚焦光斑在样品内的扫描。在早期的系统中，聚焦光斑相对样品的扫描往往通过移动样品载物台来实现。这种方法虽然原理直观，但是扫描成像速度较慢(＜＜1fps)。因此，科学家们转而通过使用扫描镜模块改变入射激发光束进入显微物镜入瞳时的入射角来实现上述目的。同时，当扫描镜模块与落射式荧光显微镜架构(Epi-fluorescent Microscope)相结合时，利用光路可逆的原理，使用同一显微物镜收集的荧光反向通过扫描镜模块后，荧光光束将成为方向固定的准直光束，进而为位置固定的点探测器所接收。扫描镜模块由此同时具备扫描和解扫描的功能，大大简化了系统结构。

典型的扫描镜模块包括两片振动方向垂直的扫描镜。按照扫描速度的不同，这两片扫描镜往往分别被称为快轴扫描镜和慢轴扫描镜。目前可供选择的机械扫描镜主要包括电流计镜(Galvanometer Mirror)和振镜(Resonant Mirror)两种。其中，电流计镜扫描的扫描频率可达到1～2KHz，已经成为了慢轴扫描镜的标准选择。在原理上，为了保证图像扫描的同步，快轴扫描镜的扫描频率应等于慢轴扫描镜扫描频率与图像横向像素数的乘积。但是，目前机械扫描镜的扫描频率受到工艺的限制，即使是相对速度较快的振镜，其扫描频率也只能到达10～20KHz。因此，在现实中，往往只能将慢轴扫描镜进行降速处理，限制其实际扫描频率至10～100Hz。这样的技术选择无疑极大地降低了共聚焦荧光显微镜的成像速度。

为了提高成像速度，有科学家提出使用电子扫描器件取代机械扫描镜的设计思路。然而，部分以声光偏转器(Acousto-optical Deflector)为代表的电子扫描器件对入射光波长敏感，当使用于共聚焦荧光显微镜中时，非常容易发生严重的色散问题。与之对应，电光偏转器(Electro-optical Deflector)可以对很大范围内的波长产生相同的角度偏转，因而更加适用于共聚焦显微镜中。例如，J.Schneider等人在2017年成功将电光偏转器应用于共聚焦扫描显微镜的快轴扫描中(参见J.Schneider等，“Ultrafast,temporallystochastic STED nanoscopy of millisecond dynamics”，Nature Methods 12，827-830，2015)。其使用的电光偏转器具有250KHz的扫描频率，因而可以将慢轴的扫描速度充分加快，实现上千fps的成像速度。但是，电光偏转器是一种具有高度偏振选择性的器件。与此同时，由于荧光具有消偏振的特点，因此，当荧光光束反向通过电光偏转器时，只有50％的荧光可以被解扫描，进而为点探测器收集用于成像。为解决收集效率的问题，J.Schneider提出仅通过慢轴扫描镜对荧光光束进行单向解扫描、并使用线探测器替代点探测器的技术方案。该方案虽然解决了荧光信号收集效率的问题，但是需要扩大探测器的面积，并且保证探测器摆放位置与电光偏转器光束偏转方向一致，不仅使系统更加复杂、增加了成本，同时，使用线探测器也会减弱系统过滤杂散光能力。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种用于共聚焦荧光显微镜的二维快速光束扫描模块，通过使用电光偏转器加快扫描成像速度，同时在使用点探测器的前提下，保证荧光收集效率。