一种基于Nipkow盘的快速高对比度图像扫描显微成像装置的制作方法

本发明涉及图像扫描显微成像技术领域，具体而言，涉及一种基于nipkow盘的快速高对比度图像扫描显微成像装置。

背景技术：

光学显微成像技术在生物学中的普遍应用很大程度得益于各种荧光探针分子的出现，使用不同的荧光分子可以标记样品的不同部位和细胞器，通过探测特定波长激发荧光分子发出的荧光，可以对活细胞内单分子进行实时成像。借助荧光探针分子，利用激发光与荧光分子相互作用产生的非线性光学效应，发展了各种各样的超分辨光学成像方法。

光学显微成像技术中的图像扫描显微技术(ism)可使荧光成像的横向分辨率提高一倍，但该方法的主要缺点是成像速度慢，另外由于显微镜光路系统、浸没介质折射率与样品折射率不匹配和样品折射率不均匀等因素导致点扩散函数发生畸变，产生像差，从而使得图像分辨率和图像对比度下降，成像质量达不到预期效果。

技术实现要素：

本发明解决的问题是如何提高基于nipkow盘的快速高对比度图像扫描显微成像装置扫描速率以提高装置的成像速度，以及如何提高成像效果。

为解决上述问题，本发明提供一种基于nipkow盘的快速高对比度图像扫描显微成像装置，包括：

照明装置，用于生成照明光束；

nipkow盘组件，位于所述照明装置的出射光路上，所述nipkow盘组件连接有驱动机构，所述驱动机构用于驱动所述nipkow盘组件转动；

扫描装置，位于所述nipkow盘组件的出射光路上，用于接收所述nipkow盘组件出射的照明光束，以利用所述照明光束扫描样品，令所述样品激发反射光，

像差校正系统，适于位于所述样品的反射光路上，用于对所述样品激发的所述反射光进行像差校正；

成像装置，位于所述像差校正系统的输出光路上，用于接收所述像差校正系统校正后的反射光，以完成所述样品的成像。

本技术方案中，照明装置出射的照明光束通过nipkow盘组件处理，能够在保证高分辨率成像的同时，又保证成像速度的提升，能够解决现有成像方法中成像分辨率和成像时间不可兼得的难题，在对样品扫描后，在样品激发的反射光的光路上设置有像差校正系统，用于对样品激发的所述反射光进行像差校正，通过像差校正系统可对经由生物组织传播产生的波前畸变进行实时探测和精确校正,从而提升激发光照明和发射荧光成像的空间分辨率和深度，以此，通过像差校正，以能够提高图像对比度和信噪比，在通过成像装置成像时，能够提高图像的成像质量，消除图像异常，提高成像质量。

进一步地，所述nipkow盘组件包括第一nipkow盘和第二nipkow盘，所述第一nipkow盘适于与所述第二nipkow盘同动，所述第一nipkow盘的针孔内设置有微透镜，所述第一nipkow盘和所述第二nipkow盘依次位于所述照明装置与所述扫描装置之间的光路上。

本技术方案中，第一nipkow盘的各个针孔中设置有微透镜，以此在盘体上形成微透镜阵列，能够汇聚照明光束，以此相较于普通nipkow盘能够提高照明光束的透过率，提高光束的利用率，尽可能多地汇聚穿过第一nipkow盘中各个小孔的光线，第一nipkow盘输出的直射入第二nipkow盘的针孔上，进而输出后，经光路传输至扫描装置以对样品进行扫描，以提高对样品的扫描速率。

进一步地，所述第二nipkow盘还位于所述成像装置与所述像差校正系统之间的光路上。

本技术方案中，样品反射光返回第二nipkow盘进入成像装置后进行成像，以保证最终的成像质量。

进一步地，所述像差校正系统包括波前校正器和波前传感器，所述波前校正器位于所述样品的所述反射光路上，且所述波前校正器与所述波前传感器通信连接，所述波前传感器用于检测所述样品激发的所述反射光的波前像差，所述波前校正器用于根据所述波前像差对应的像差信号进行光束校正。

本技术方案中，样品激发的反射光通过波前传感器检测反射光中的波前像差，其中波前校正器与波前传感器通信连接，波前传感器能够将检测的波前像差参数传输给计算机，计算机根据波前像差的参数生成控制信号，也即所述波前像差对应的像差信号，计算机传输控制信号至波前校正器，以此波前校正器能够根据像差信号将样品的反射光的进行畸变校正，以此实现反射光的自适应像差校正，以更进一步地提高装置的成像效果；其中，波前校正器还将校正后的反射光传输至成像装置，以此，自适应校正后的光学信号传输至成像装置进行成像，使得成像质量更高。

进一步地，所述波前校正器与所述波前传感器之间的光路上还依次设置有第一准直透镜和聚焦透镜。

本技术方案中，在波前校正器与波前传感器之间的光路上还依次设置第一准直透镜和聚焦透镜，以将波前校正器校正后的光束进行准直和聚焦，以能够更准确地通过波前传感器进行波前畸变的探测。

进一步地，所述波前校正器为变形镜，所述变形镜还位于所述nipkow盘组件与所述扫描装置之间。

本技术方案中，波前校正器为变形镜，该变形镜还位于nipkow盘组件与扫描装置之间，在进行扫描时，光束经由第一nipkow盘、第二分束器、第二nipkow盘、变形镜以传输至扫描装置中，进行样品扫描，此时变形镜用以将第二nipkow盘出射的光束进行反射，以传输至扫描装置，在进行成像时，样品激发的反射光的光路传输方向通常与对样品扫描的光束方向反向，此时反射光经用扫描装置、变形镜、nipkow盘组件的第二nipkow盘、第二分束器、成像装置，以进行成像，此时，变形镜的作用为能够对反射光进行像差的校正，其中，采用变形镜对像差进行校正，变形镜的镜面形状可以改变，以此使得nipkow盘组件采集速度不受像差校正系统的限制，以此使得扫描成像效果更好，并且变形镜在进行扫描时，作为反射镜的作用，用于对光束的光路进行调节，在反射光反射时沿原路返回的反射光能够继续经由变形镜进行像差校正，以此，能够使得基于nipkow盘的快速高对比度图像扫描显微成像装置的结构更加合理简单。

进一步地，所述像差校正系统还包括第二准直透镜和第一分束器，所述扫描装置包括第三准直透镜，所述第二准直透镜和所述第一分束器依次位于所述nipkow盘组件与所述变形镜之间的光路上，且所述第一分束器还位于所述变形镜与所述波前传感器之间的光路上，所述第三准直透镜用于接收所述变形镜反射的所述nipkow盘组件出射的照明光束。

本技术方案中，扫描装置包括第三准直透镜，第三准直透镜用于接收变形镜反射的所述nipkow盘组件出射的照明光束，以此，照明光束经由第三准直透镜准直，能够更好的对样品进行扫描，相应地，像差校正系统还包括第二准直透镜与第一分束器，其中，第二准直透镜和第一分束器依次位于nipkow盘组件与变形镜之间的光路上，以此变形镜像差校正后的光束经第二准直透镜准直后传输至nipkow盘组件的第二nipkow盘中，进而传输至成像装置中进行成像，以提高成像质量，其中，第一分束器还位于变形镜与波前传感器之间的光路上，以此，变形镜像差校正后的光束经第一分束器进行光束路径的改变，以此能够传输至波前传感器进行处理，以及传输至成像装置进行成像。

进一步地，所述第一分束器为分束镜，所述分束镜连接有分束镜调节机构。

本技术方案中，第一分束器采用分束镜，具体为能够进行伸缩调节的分束镜，通过连接分束镜调节机构进行调节，从而能够尽可能多的将变形镜输出的光束反射至波前传感器上，以扩大可接受的波长的范围，以此，能够使波前传感器对波前畸变的检测更加准确。

进一步地，所述照明装置与所述nipkow盘组件之间还设置有第一无焦透镜组，所述第一无焦透镜组用于对所述照明装置出射的照明光束进行扩束。

本技术方案中，照明装置与nipkow盘组件之间还设置有第一无焦透镜组，其中第一无焦透镜组包括多个位于同一光路上的透镜，以能够对照明装置车身的照明光束进行扩束，以提高装置的图像扫描效果。

进一步地，所述成像装置包括滤光件、第二无焦透镜组和scmos相机，所述滤光件、所述第二无焦透镜组和所述scmos相机依次位于所述像差校正系统的输出光路上。

本技术方案中，所述成像装置包括滤光件、第二无焦透镜组和scmos相机，经像差校正系统校正后的光束经由滤光件、第二无焦透镜组输入scmos相机进行成像，其中,滤光件可为滤光片，以在成像前进行杂散光的滤除，进一步提高成像效果，其中，选用像素较小的scmos相机实现图像扫描显微成像，能够提高成像的分辨率，提升成像质量。

进一步地，所述扫描装置包括镜筒透镜和成像物镜，所述镜筒透镜和所述成像物镜依次位于所述nipkow盘组件的出射光路上。

本技术方案中，扫描装置包括镜筒透镜和成像物镜，镜筒透镜和成像物镜位于同一光路上，其中，nipkow盘组件出射的光束能够经由镜筒透镜进而经过成像物镜实现对样品的扫描，以保证成像效果。

进一步地，所述照明装置为激光器，所述激光器用于输出频闪激光。

本技术方案中，通过激光器输入频闪激光，以此利用频闪方式进行照明，以此解决使用nipkow盘组件可能存在的针孔串扰效应，以此，确保扫描成像效果。

附图说明

图1为本发明实施例中的基于nipkow盘的快速高对比度图像扫描显微成像装置的原理框图一；

图2为本发明实施例中的基于nipkow盘的快速高对比度图像扫描显微成像装置的原理框图二了；

图3为本发明实施例中的基于nipkow盘的快速高对比度图像扫描显微成像装置的结构示意图。

附图标记说明：

1-照明装置；2-nipkow盘组件；201-第一nipkow盘；202-第二npikow盘；3-扫描装置；301-第三准直透镜；302-镜筒透镜；303-成像物镜；4-样品；5-像差校正系统；501-波前校正器；502-波前传感器；503-第一准直透镜；504-聚焦透镜；505-第二准直透镜；506-第一分束器；6-成像装置；601-滤光件；602-第二无焦透镜组；603-scmos相机；7-第一无焦透镜组；8-第二分束器。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

参照图1所示，本发明提出了一种基于nipkow盘的快速高对比度图像扫描显微成像装置，包括：

照明装置1，用于生成照明光束；

nipkow盘组件2，位于所述照明装置1的出射光路上，所述nipkow盘组件2连接有驱动机构，所述驱动机构用于驱动所述nipkow盘组件2转动；

扫描装置3，位于所述nipkow盘组件2的出射光路上，用于接收所述nipkow盘组件2出射的照明光束，以利用所述照明光束扫描样品4，令所述样品4激发反射光，

像差校正系统5，适于位于所述样品4的反射光路上，用于对所述样品4激发的所述反射光进行像差校正；

成像装置6，位于所述像差校正系统5的输出光路上，用于接收所述像差校正系统5校正后的反射光，以完成所述样品4的成像。

在相关技术中，图像扫描显微技术(ism)可使荧光成像的横向分辨率提高一倍，但该方法的主要缺点是成像速度慢，另外由于显微镜光路系统、浸没介质折射率与样品折射率不匹配和样品折射率不均匀等因素导致点扩散函数发生畸变，产生像差，从而使得图像分辨率和图像对比度下降，成像质量达不到预期效果。

基于此，本实施例提出了一种基于nipkow盘的快速高对比度图像扫描显微成像装置，参照图1-3所示，其包括照明装置1，用于生成照明光束，后续可根据处理后的照明光束对样品4进行扫描，以激发样品4，使样品4激发反射光束，从而通过反射光束以及相应的成像装置6对样品4进行成像。

其中，nipkow(尼普科夫)盘组件2用于接收照明装置1出射的所述照明光束，并通过nipkow盘组件2中盘体上的针孔出射照明光束，具体的，参照图3中，nipkow盘组件2位于照明装置1的出射光路上，nipkow盘组件2能够连接驱动机构，如驱动电机，以驱动nipkow盘组件2转动运行，照明装置1出射的照明光束通过nipkow盘组件处理，在快速成像和合理分辨率之间提供了一个很好的折衷，以此能够在保证高分辨率成像的同时，又保证成像速度的提升，能够解决现有成像方法中成像分辨率和成像时间不可兼得的难题，能够较好地适用于生物研究领域中的活细胞超分辨成像。

nipkow盘组件2出射的照明光束在光路中传输后进入扫描装置3，具体地，参照图3中，扫描装置3位于微透镜阵列2的出射光路上，通过扫描装置3，如包括有物镜等机构的扫描装置3对准样品4进行样品4的扫描，以激发样品4，使样品4激发反射光束，基于此，在反射光束的光路上设置有像差校正系统5，用于对样品4激发的所述反射光进行像差校正，通常情况下，激发光和发射荧光在生物组织样品内传播时均会由于折射、散射、吸收等作用使得光波波前发生明显畸变,造成激发光点扩散函数以及荧光成像点扩散函数的性能显著降低，基于此，通过像差校正系统5可对经由生物组织传播产生的波前畸变进行实时探测和精确校正,从而提升激发光照明和发射荧光成像的空间分辨率和深度，以此，通过像差校正，以能够提高图像对比度和信噪比，以此在通过成像装置6成像时，能够提高图像的成像质量，消除图像异常，提高成像质量。

像差校正后的样品4的反射光经由成像装置6进行成像，其中具体地，成长装置6位于像差校正系统5的输出光路上，成像装置6可包括探测器等成像结构，通过接收像差校正系统5输出的光学信号，根据探测器对光学信号进行成像，以此完成样品4的成像。

在本发明的一个可选的实施例中，所述nipkow盘组件2包括第一nipkow盘201和第二nipkow盘202，所述第一nipkow201盘适于与所述第二nipkow盘202同动，所述第一nipkow盘201的针孔内设置有微透镜，所述第一nipkow盘201和所述第二nipkow盘202依次位于所述照明装置1与所述扫描装置3之间的光路上。

参照图3所示，本实施例中nipkow盘组件2包括第一nipkow盘201和第二nipkow盘202，其中第一nipkow盘201能够与第二nipkow盘202同动，其中可通过分别连接驱动机构等进行同时驱动，在本实施例中，第一nipkow盘201和第二nipkow盘202通过连杆连接，以实现同动，通常情况下，nipkow盘，为具有多个针孔的盘体，在本实施例中，第一nipkow盘201的各个针孔中设置有微透镜，以此在盘体上形成微透镜阵列，能够汇聚照明光束，以此相较于普通nipkow盘能够提高照明光束的透过率，提高光束的利用率，尽可能多地汇聚穿过第一nipkow盘201中各个小孔的光线，第一nipkow盘201输出的直射入第二nipkow盘202的针孔上，进而输出后，经光路传输至扫描装置3以对样品4进行扫描。

在本发明的一个可选的实施例中，所述第二nipkow盘202还位于所述成像装置6与所述像差校正系统5之间的光路上。

参照图3所示，在本实施例中，第二nipkow盘202还位于所述成像装置6与所述像差校正系统5之间的光路上，经像差校正系统5校正后的反射光在进入成像装置6之前，先经过第二nipkow盘202的针孔，具体地，在第一nipkow盘201与第二nipkow盘202之间可设置第二分束器8，第二分束器8具体可为分束镜，在进行扫描时，光束经由第一nipkow盘201、第二分束器8、第二nipkow盘202以传输至扫描装置3中，进行样品4扫描，在进行成像时，样品4激发的反射光经由像差校正系统5、第二nipkow盘202、第二分束器8、成像装置6，以进行成像，通过设置第二分束器8以用于改变光束的传播方向，在成像过程中，带有微透镜阵列的第一nipkow盘201和第二nipkow盘202同步旋转，每旋转一定角度，穿过nipkow盘组件2上针孔的光纤会扫描样品4上对应的一块区域，以此来实现对样品4的完整扫描，样品4反射光返回第二nipkow盘202进入成像装置6后进行成像，以保证最终的成像质量。

在本发明的一个可选的实施例中，所述像差校正系统5包括波前校正器501和波前传感器502，所述波前校正器501位于所述样品4的所述反射光路上，且所述波前校正器501与所述波前传感器502通信连接，所述波前传感器502用于检测所述样品4激发的所述反射光的波前像差，所述波前校正器501用于根据所述波前像差对应的像差信号进行光束校正。

参照图2和3所示，本实施例中，像差校正系统5包括波前校正器501和波前传感器502，波前校正器501可为变形镜、液晶波前校正器等，在本实施例中，波前校正器501为变形镜，其中波前校正器501位于所述样品4的所述反射光路上，具体地，即样品激发的反射光依次通过波前校正器501和波前传感器502，其中波前校正器501进行反射光的像差校正，波前传感器502接收样品激发的反射光后，能够检测反射光中的波前像差，其中波前校正器501与波前传感器502通信连接，具体地，可设置控制器、计算机等，波前校正器501与波前传感器502通过计算机进行通信连接，波前传感器502将检测的波前像差的参数传输给计算机，计算机可通过micao软件计算出控制信号，也即所述波前像差对应的所述像差信号，并以此计算机传输控制信号至波前校正器501，以此波前校正器501能够根据像差参数将样品4的反射光的进行畸变校正，以此实现反射光的自适应像差校正，以更进一步地提高装置的成像效果；其中，波前校正器501还将校正后的反射光传输至成像装置6，以此，自适应校正后的光学信号传输至成像装置6进行成像，使得成像质量更高。

在本发明的一个可选的实施例中，所述波前校正器501与所述波前传感器502之间的光路上还依次设置有第一准直透镜503和聚焦透镜504。

参照图3所示，本实施例中，在波前校正器与波前传感器502之间的光路上还依次设置第一准直透镜503和聚焦透镜504，以将波前校正器501校正后的光束进行准直和聚焦，以能够更准确地通过波前传感器502进行波前畸变的探测。

在本发明的一个可选的实施例中，所述波前校正器501为变形镜，所述变形镜还位于所述nipkow盘组件2与所述扫描装置3之间。

参照图3所述，在本实施例中，波前校正器501为变形镜，该变形镜还位于nipkow盘组件2与扫描装置3之间，在进行扫描时，光束经由第一nipkow盘201、第二分束器8、第二nipkow盘202、变形镜以传输至扫描装置3中，进行样品4扫描，此时变形镜用以将第二nipkow盘202出射的光束进行反射，以传输至扫描装置3，在进行成像时，样品4激发的反射光的光路传输方向通常与对样品4扫描的光束方向反向，此时反射光经用扫描装置3、变形镜、nipkow盘组件2的第二nipkow盘202、第二分束器8、成像装置6，以进行成像，此时，变形镜的作用为能够对反射光进行像差的校正，其中，采用变形镜对像差进行校正，变形镜的镜面形状可以改变，本实施例中，具体可在1-5ms内改变，以此使得nipkow盘组件2采集速度不受像差校正系统5的限制，以此使得扫描成像效果更好，并且变形镜在进行扫描时，作为反射镜的作用，用于对光束的光路进行调节，在反射光反射时沿原路返回的反射光能够继续经由变形镜进行像差校正，以此，能够使得基于nipkow盘的快速高对比度图像扫描显微成像装置的结构更加合理简单。

在本发明的一个可选的实施例中，所述像差校正系统5还包括第二准直透镜505和第一分束器506，所述扫描装置3包括第三准直透镜301，所述第二准直透镜505和所述第一分束器506依次位于所述nipkow盘组件2与所述变形镜之间的光路上，且所述第一分束器506还位于所述变形镜与所述波前传感器502之间的光路上，所述第三准直透镜301用于接收所述变形镜反射的所述nipkow盘组件2出射的照明光束。

在上述实施例中，波前校正器501为变形镜，在装置进行扫描时，光束经由变形镜至扫描装置3以对样品4进行扫描，参照图3所示，在本实施中，扫描装置3包括第三准直透镜301，第三准直透镜301用于接收变形镜反射的所述nipkow盘组件2出射的照明光束，以此，照明光束经由第三准直透镜301准直，能够更好的对样品4进行扫描，相应地，像差校正系统5还包括第二准直透镜505与第一分束器506，其中，第二准直透镜505和第一分束器506依次位于nipkow盘组件2与变形镜之间的光路上，以此变形镜像差校正后的光束经第二准直透镜505准直后传输至nipkow盘组件2的第二nipkow盘202中，进而传输至成像装置6中进行成像，以提高成像质量，其中，第一分束器506还位于变形镜与波前传感器502之间的光路上，以此，变形镜像差校正后的光束经第一分束器506进行光束路径的改变，以此能够传输至波前传感器502进行处理，以及传输至成像装置6进行成像。

在本发明的一个可选的实施例中，所述第一分束器506为分束镜，所述分束镜连接有分束镜调节机构。

在本实施例中，第一分束器506采用分束镜，具体为能够进行伸缩调节的分束镜，通过连接分束镜调节机构进行调节，从而能够尽可能多的将变形镜输出的光束反射至波前传感器502上，以扩大可接受的波长的范围，以此，能够使波前传感器对波前畸变的检测更加准确。

在本发明的一个可选的实施例中，所述照明装置1与所述nipkow盘组件2之间还设置有第一无焦透镜组7，所述第一无焦透镜组7用于对所述照明装置1出射的照明光束进行扩束。

参照图3所示，在本实施例中，照明装置1与nipkow盘组件2之间还设置有第一无焦透镜组7，其中第一无焦透镜组7包括多个位于同一光路上的透镜，以能够对照明装置1出射的照明光束进行扩束，以提高装置的图像扫描效果。

在本发明的一个可选的实施例中，所述成像装置6包括滤光件601、第二无焦透镜组602和scmos相机603，所述滤光件601、所述第二无焦透镜组602和所述scmos相机603依次位于所述像差校正系统5的输出光路上。

在本实施例中，所述成像装置包括滤光件601、第二无焦透镜组602和scmos相机603，经像差校正系统5校正后的光束经由滤光件601、第二无焦透镜组602输入scmos相机603进行成像，其中,滤光件601可为滤光片，以在成像前进行杂散光的滤除，进一步提高成像效果，其中，选用像素较小的scmos相机603实现图像扫描显微成像，能够提高成像的分辨率，提升成像质量。

在本发明的一个可选的实施例中，所述扫描装置3包括镜筒透镜302和成像物镜303，所述镜筒透镜302和所述成像物镜303依次位于所述nipkow盘组件2的出射光路上。

参照图3所示，扫描装置3包括镜筒透镜302和成像物镜303，镜筒透镜302和成像物镜303位于同一光路上，其中，nipkow盘组件2出射的光束能够经由镜筒透镜302进而经过成像物镜303实现对样品4的扫描，以保证成像效果；在上述实施例中，扫描装置3包括第三准直透镜301，基于此，本实施例中，第三准直透镜301、镜筒透镜302和成像物镜303均位于同一光路上，且适于位于像差校正系统5的变形镜与样品4之间的光路上，变形镜反射的光束以此通过第三准直透镜301、镜筒透镜302和成像物镜303对样品进行扫描，以此完成装置的样品扫描。

在本发明的一个可选的实施例中的照明装置1可为激光器，所述激光器用于输出频闪激光，具体的，该激光器适于产生400-700nm中任一波长激光，并在频闪方式照明，输出频闪照明光束，即照明光束一次只激发几微秒，

在照明光束通过nipkow盘组件2时，可能会存在针孔串扰效应，基于此，通过激光器输入频闪激光，以此利用频闪方式进行照明，以此解决使用nipkow盘组件2可能存在的针孔串扰效应，确保扫描成像效果，其中，为达到更加理想的效果，可令激光器出射的激光、成像装置6的scmos相机603以及nipkow盘组件2同步工作，以达到更好的扫描成像效果。

虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。