CN104849212A - 针孔装置及针孔调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种针孔装置，包括：步进电机、两个活动滑块、两个薄片装载台和两个薄片；步进电机的螺杆的前端设置有销状螺母，薄片设置在薄片装载台上，薄片装载台设置在活动滑块上。两个薄片中都分别设置有一个孔，由两个薄片的孔上下叠加形成针孔，且针孔的大小由两个薄片的孔的叠加区域的大小确定；通过步进电机控制销状螺母的直线运动并使两个活动滑块转动，通过活动滑块的转动调节针孔的大小。本发明还公开了一种针孔调节方法。本发明能实现针孔大小电控连续可调，并且拥有精准的电子反馈位置能力，能获得精确的针孔尺寸参数，能使得共聚焦系统拥有更强的成像能力。

Description

针孔装置及针孔调节方法

技术领域

本发明涉及共聚焦显微扫描系统，特别是涉及一种针孔装置；本发明还涉及一种针孔调节方法。

背景技术

共聚焦系统广泛用于光学显微扫描领域，其中激光扫描共聚焦显微镜（LaserScanning Confocal Microscope,LSCM）是目前生物医学领域中广泛运用到的实验仪器，具有高速成像，高空间分辨率，非介入无损连续光学层析、三维扫描等优点，已成为形态学、分子细胞生物学、材料科学等诸多领域中有力的研究工具。

如图1A所示，是现有激光扫描共聚焦显微镜示意图一，该示意图一对应于聚焦情形；如图1B所示，是现有激光扫描共聚焦显微镜示意图二，该示意图二对应于散焦情形。现有激光扫描共聚焦显微镜包括：激光源101、半透半反镜102、物镜103、样品104、针孔（pinhole）装置105和光探测装置106。所述激光源101用于发射激光；半透半反镜102可为二向色镜，在激光从所述激光源101到样品104的通路中，半透半反镜102用于使激光通过并到达物镜103，物镜103对激光进行聚焦；在示意图一中，样品正好位于物镜103的焦平面上；样品104在激光的作用下产生荧光，荧光通过物镜103并在物镜103的另一侧进行聚焦，其中半透半反镜102对荧光进行反射从而使得荧光聚焦在针孔装置105所在位置处，这样能够使得由物镜103的在样品侧的焦平面上的样品产生的荧光都通过针孔装置105从而被光探测装置106接收。在示意图二中，样品104并不位于物镜103的焦平面上，这时样品104在激光照射下也产生荧光，但是该荧光经过物镜103后并不能聚焦在针孔装置105所在位置处，所以非物镜103的焦平面上的样品104所产生的荧光并不能通过针孔装置105从而不能被光探测装置106接收。

由图1A和图1B可知，在共焦显微系统中，针孔对共聚焦系统的图像分辨率及信号信噪比等起着至关重要的作用，针孔可以有效的调整、约束光束的光斑，当其孔径大小设置在一定的值时，探测器能够只接收到通过针孔的光束，有效地滤除非聚焦平面散射光和聚焦平面上非焦点斑以外的杂散光，获得相对于普通显微系统中更高信噪比的信号。

针孔的直径一般设置成和艾里斑（airy disk）直径一致，将有84%的聚焦光到达探测器，图像的信噪比最好。艾里斑是点光源通过立项透镜成像时，由于衍射而在焦点处形成的光斑。中央是明亮的圆斑，周围有一组较弱的明暗相间的同心环状条纹，把其中以第一暗环为界限的中央亮斑称作艾里斑。为了满足这一条件，在针孔的设计中，针孔的范围通常在10μm到1mm之间，由于有的针孔接近10μm，孔径非常小导致难以在设计后能够和光路有效对准，所以一直是针孔设计中的难点。如果针孔无法和光束中心有效匹配的话，就会造成有效信号光的丢失以及杂散光的渗入。

现有针孔装置分别具有其不足之处：例如Thorlabs公司的电动针孔转轮，该针孔装置中内置了16个大小不同的针孔，使用时只能选取其中一个最接近用户需求的针孔，没有调节度选择，无法选取到更为精确的针孔尺寸。又例如Jobin Yvon公司的手动针孔转轮，其手动调节系统虽然能够调节针孔的大小，但是无法精确反馈已调节的针孔尺寸，导致无法捕获到精确的针孔参数信息。这些不足使得现有的针孔设计方案无法提供更为精准的针孔尺寸，继而在一定程度上约束了共聚焦系统的成像能力。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种针孔装置，能实现针孔大小电控连续可调，并且拥有精准的电子反馈位置能力，能获得精确的针孔尺寸参数，能使得共聚焦系统拥有更强的成像能力。本发明还提供一种针孔装置的针孔调节方法。

为解决上述技术问题，本发明提供的针孔装置，包括：步进电机、两个活动滑块、两个薄片装载台和两个薄片。

所述步进电机的螺杆的前端设置有销状螺母，所述步进电机控制所述销状螺母做直线运动。

两个所述活动滑块的第一侧都设置在同一轴承上，两个所述活动滑块能够绕所述轴承转动。

两个所述薄片装载台分别设置在所述活动滑块上、且一个所述薄片装载台对应于一个所述活动滑块；两个所述薄片分别设置在所述薄片装载台上、且一个所述薄片对应于一个所述薄片装载台；各所述活动滑块带动设置于其上的所述薄片装载台和所述薄片做相同的转动。

两个所述薄片中都分别设置有一个孔，由两个所述薄片的孔上下叠加形成针孔，且所述针孔的大小由两个所述薄片的孔的叠加区域的大小确定。

两个所述活动滑块分别和对应的拉伸弹簧相连，所述拉伸弹簧未被拉伸时使两个所述活动滑块处于初始位置，所述拉伸弹簧在对应的所述活动滑块转动时被拉伸并产生一回复力。

两个所述活动滑块的第二侧和所述销状螺母相对应，所述销状螺母从两个所述活动滑块的第二侧插入并使两个所述活动滑块分别转动，通过控制所述销状螺母插入深度控制两个所述活动滑块的转动角度、通过控制两个所述活动滑块的转动角度控制两个所述薄片的孔的叠加区域的大小从而调节所述针孔大小。

进一步的改进是，两个所述薄片中设置的所述孔的形状为方形、圆形或椭圆形。

进一步的改进是，所述针孔的大小调节范围为10微米至1毫米。

进一步的改进是，所述针孔装置设置在共聚焦显微扫描系统中，所述针孔装置用于使所述共聚焦显微扫描系统的物镜的焦平面上的散射光通过所述针孔装置到达探测器、并将所述物镜的非焦平面上的散射光滤除。

为解决上述技术问题，本发明提供的针孔装置的针孔调节方法包括如下步骤：

步骤一、所述销状螺母未和两个所述活动滑块接触，两个所述活动滑块在所述拉伸弹簧的作用下处于初始位置，所述针孔也处于初始位置。

步骤二、通过所述步进电机控制所述销状螺母做前进或后退的直线运动，在所述步进电机的控制下所述销状螺母从两个所述活动滑块的第二侧进入到两个所述活动滑块之间并使两个所述活动滑块转动，通过控制所述销状螺母插入深度控制两个所述活动滑块的转动角度，通过控制两个所述活动滑块的转动角度控制两个所述薄片的孔的叠加区域的大小从而调节所述针孔大小。

步骤三、所述销状螺母从两个所述活动滑块的第二侧退出到两个所述活动滑块的外侧，两个所述活动滑块恢复到初始位置。

进一步的改进是，两个所述薄片中设置的所述孔的形状为方形、圆形或椭圆形。

进一步的改进是，所述针孔的大小调节范围为10微米至1毫米。

进一步的改进是，所述针孔装置设置在共聚焦显微扫描系统中，所述针孔装置用于使所述共聚焦显微扫描系统的物镜的焦平面上的散射光通过所述针孔装置到达探测器、并将所述物镜的非焦平面上的散射光滤除。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和技术效果：

1、本发明使用步进电机作为驱动，实现了电控制，并能获得点反馈，易于精确定位及控制。

2、本发明采用两个薄片的孔叠加形成针孔，并利用椎体即销状螺母的推进实现针孔大小调节，不仅能实现针孔大小连续可调，还能能够实现较高的针孔调节精度。

3、本发明拉伸弹簧能调节针孔归位时的中心位置，每次归位后相当于一次自动校准，具有较高的重复定位精度。

4、本发明能够更好的提高信号光的通过率，抑制杂散光，增强共聚焦系统中的光学共聚焦能力。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1A是现有激光扫描共聚焦显微镜示意图一；

图1B是现有激光扫描共聚焦显微镜示意图二；

图2是本发明实施例针孔装置纵剖面构造图；

图3是本发明实施例针孔装置的俯视图；

图4是本发明实施例针孔装置的右视图；

图5是本发明实施例针孔装置的立体图；

图6A是本发明实施例针孔装置的薄片示意图；

图6B是本发明实施例针孔装置的针孔示意图。

具体实施方式

如图2所述，是本发明实施例针孔装置纵剖面构造图；如图3所述，是本发明实施例针孔装置的俯视图；如图4所述，是本发明实施例针孔装置的右视图；如图5所述，是本发明实施例针孔装置的立体图；如图6A所述，是本发明实施例针孔装置的薄片12示意图；如图6B所述，是本发明实施例针孔装置的针孔14示意图。

本发明实施例针孔装置包括：步进电机11、两个活动滑块2、两个薄片装载台3和两个薄片12。

所述步进电机11的螺杆的前端设置有销状螺母1，所述步进电机11控制所述销状螺母1做直线运动。所述销状螺母1的顶部为销状，也即为销状螺母1的顶部到底部的厚度逐渐减少，但是销状螺母1的侧面为一平面。所述步进电机11的螺杆的后端加装压缩弹簧4和固定螺母10。

两个所述活动滑块2的第一侧都设置在同一轴承5上，两个所述活动滑块2能够绕所述轴承5转动。

两个所述薄片装载台3分别设置在所述活动滑块2上、且一个所述薄片装载台3对应于一个所述活动滑块2；两个所述薄片12分别设置在所述薄片装载台3上、且一个所述薄片12对应于一个所述薄片装载台3；各所述活动滑块2带动设置于其上的所述薄片装载台3和所述薄片12做相同的转动。

如图6A所示，两个所述薄片12中都分别设置有一个孔13，所述孔13的形状为方形、圆形或椭圆形。

如图6B所示，由两个所述薄片12的孔13上下叠加形成针孔14，且所述针孔14的大小由两个所述薄片12的孔13的叠加区域的大小确定；如当两个孔13完全叠加时，这时针孔14的大小最大且为孔13的大小，当两个孔13叠加区域变小时，针孔14的大小逐渐变小；所以本发明实施例能够实现针孔14的大小的连线调节。较佳为，所述针孔14的大小调节范围为10微米至1毫米。

两个所述活动滑块2分别和对应的拉伸弹簧相连，所述拉伸弹簧未被拉伸时使两个所述活动滑块2处于初始位置，所述拉伸弹簧在对应的所述活动滑块2转动时被拉伸并产生一回复力。本发明实施例中两个所述活动滑块2处于初始位置对应于针孔14归位时的中心位置。本发明实施例中使用了多处弹簧，如拉伸弹簧7、拉伸弹簧8和拉伸弹簧9，以帮助活动滑动块2拥有与销状螺母1反向的拉力，使其在销状螺母1推进时，能完全同步于电机的步进，而在销状螺母1退出时，帮助针孔14回归到中心位置。

两个所述活动滑块2的第二侧和所述销状螺母1相对应，所述销状螺母1从两个所述活动滑块2的第二侧插入并使两个所述活动滑块2分别转动，通过控制所述销状螺母1插入深度控制两个所述活动滑块2的转动角度、通过控制两个所述活动滑块2的转动角度控制两个所述薄片12的孔13的叠加区域的大小从而调节所述针孔14大小。

较佳为，本发明实施例的所述针孔装置设置在共聚焦显微扫描系统中，所述针孔装置用于使所述共聚焦显微扫描系统的物镜的焦平面上的散射光通过所述针孔装置到达探测器、并将所述物镜的非焦平面上的散射光滤除。共聚焦显微扫描系统能为如图1A所示的激光扫描共聚焦显微镜，用本发明实施例的所述针孔装置替换图1A中的针孔装置105。

本发明实施例针孔装置的针孔调节方法包括如下步骤：

步骤一、所述销状螺母1未和两个所述活动滑块2接触，两个所述活动滑块2在所述拉伸弹簧的作用下处于初始位置，所述针孔14也处于初始位置。

步骤二、通过所述步进电机11控制所述销状螺母1做前进或后退的直线运动，在所述步进电机11的控制下所述销状螺母1从两个所述活动滑块2的第二侧进入到两个所述活动滑块2之间并使两个所述活动滑块2转动，通过控制所述销状螺母1插入深度控制两个所述活动滑块2的转动角度，通过控制两个所述活动滑块2的转动角度控制两个所述薄片12的孔13的叠加区域的大小从而调节所述针孔14大小。

步骤三、所述销状螺母1从两个所述活动滑块2的第二侧退出到两个所述活动滑块2的外侧，两个所述活动滑块2恢复到初始位置。

以上通过具体实施例对本发明进行了详细的说明，但这些并非构成对本发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员还可做出许多变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种针孔装置，其特征在于，包括：步进电机、两个活动滑块、两个薄片装载台和两个薄片；

所述步进电机的螺杆的前端设置有销状螺母，所述步进电机控制所述销状螺母做直线运动；

两个所述活动滑块的第一侧都设置在同一轴承上，两个所述活动滑块能够绕所述轴承转动；

两个所述薄片装载台分别设置在所述活动滑块上、且一个所述薄片装载台对应于一个所述活动滑块；两个所述薄片分别设置在所述薄片装载台上、且一个所述薄片对应于一个所述薄片装载台；各所述活动滑块带动设置于其上的所述薄片装载台和所述薄片做相同的转动；

两个所述薄片中都分别设置有一个孔，由两个所述薄片的孔上下叠加形成针孔，且所述针孔的大小由两个所述薄片的孔的叠加区域的大小确定；

两个所述活动滑块分别和对应的拉伸弹簧相连，所述拉伸弹簧未被拉伸时使两个所述活动滑块处于初始位置，所述拉伸弹簧在对应的所述活动滑块转动时被拉伸并产生一回复力；

两个所述活动滑块的第二侧和所述销状螺母相对应，所述销状螺母从两个所述活动滑块的第二侧插入并使两个所述活动滑块分别转动，通过控制所述销状螺母插入深度控制两个所述活动滑块的转动角度、通过控制两个所述活动滑块的转动角度控制两个所述薄片的孔的叠加区域的大小从而调节所述针孔大小。

2.如权利要求1所述的针孔装置，其特征在于：两个所述薄片中设置的所述孔的形状为方形、圆形或椭圆形。

3.如权利要求1所述的针孔装置，其特征在于：所述针孔的大小调节范围为10微米至1毫米。

4.如权利要求1所述的针孔装置，其特征在于：所述针孔装置设置在共聚焦显微扫描系统中，所述针孔装置用于使所述共聚焦显微扫描系统的物镜的焦平面上的散射光通过所述针孔装置到达探测器、并将所述物镜的非焦平面上的散射光滤除。

5.如权利要求1所述的针孔装置的针孔调节方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一、所述销状螺母未和两个所述活动滑块接触，两个所述活动滑块在所述拉伸弹簧的作用下处于初始位置，所述针孔也处于初始位置；

步骤二、通过所述步进电机控制所述销状螺母做前进或后退的直线运动，在所述步进电机的控制下所述销状螺母从两个所述活动滑块的第二侧进入到两个所述活动滑块之间并使两个所述活动滑块转动，通过控制所述销状螺母插入深度控制两个所述活动滑块的转动角度，通过控制两个所述活动滑块的转动角度控制两个所述薄片的孔的叠加区域的大小从而调节所述针孔大小；

步骤三、所述销状螺母从两个所述活动滑块的第二侧退出到两个所述活动滑块的外侧，两个所述活动滑块恢复到初始位置。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于：两个所述薄片中设置的所述孔的形状为方形、圆形或椭圆形。

7.如权利要求5所述的方法，其特征在于：所述针孔的大小调节范围为10微米至1毫米。

8.如权利要求5所述的方法，其特征在于：所述针孔装置设置在共聚焦显微扫描系统中，所述针孔装置用于使所述共聚焦显微扫描系统的物镜的焦平面上的散射光通过所述针孔装置到达探测器、并将所述物镜的非焦平面上的散射光滤除。