共聚焦激光扫描荧光显微镜扫描系统研制

为适应三维光学微细加工及三维光学信息存储研究的需要,研制了共聚焦激光扫描荧光显微镜的工作台式扫描系统,扫描范围138μm×138μm。

第10卷　第6期2002年12月

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Dec.　2002OpticsandPrecisionEngineering

光学　精密工程

Vol.10　No.6

文章编号　1004-924X(2002)06-0582-06

共聚焦激光扫描荧光显微镜扫描系统研制

周拥军,陈德强,黄文浩,夏安东

1

1

1

1,2

(1.中国科学技术大学精密机械及精密仪器系,安徽合肥230026;

2.中国科学院化学所分子反应动力学实验室,北京100800)

摘要:为适应三维光学微细加工及三维光学信息存储研究的需要,研制了共聚焦激光扫描荧光显微镜的

工作台式扫描系统,扫描范围138μm×138μm。工作台采用压电陶瓷驱动器(PZTactuator)驱动的方式来获得高分辨率的位移,采用带柔性铰链的杠杆放大装置来获得较大的位移范围。描述了工作台的工作原理,并对其静态和动态性能进行了测试,实验表明这一扫描系统能很好的应用于共聚焦激光扫描荧光显微镜系统。关　键　词:共焦显微镜;压电陶瓷驱动器;柔性铰链中图分类号:TH742.64　　文献标识码:A

路中加入扫描振镜使光束发生偏转,从而实现焦

1　引　言

　　共聚焦激光扫描显微镜(confocallaserscan-ningmicroscopy,简称CLSM)及其在此基础上发展起来的双光子激光扫描显微镜(two_photonlaserscanningmicroscopy,简称TPLSM)以其优异三维成像能力在生物学、半导体工艺及三维微细加工等诸多领域得到日益广泛的应用[1_2]。共聚焦激光扫描荧光显微镜(CLSM)光学部分的基本原理如图1所示。点光源发出的光通过分光镜和物镜聚焦到样品上,并在样品中激发出荧光。荧光由物镜收集并通过分光镜会聚到共焦小孔上,并由探测器检测。由于共焦小孔、点光源和物镜焦面处于共轭位置,因此非焦面的荧光和杂散光将被共焦小孔阻挡。通过逐点扫描工作台上的样品,便可得到样品的荧光图象。

扫描方式的选择和设计是共聚焦显微镜研制的重要环节。自共聚焦扫描显微镜出现以来,其扫描方式主要有三种:工作台扫描(stagescan-ning),光束扫描(beamscanning)和转盘扫描

[5]

(spinningdisk)。工作台扫描是指激发光的会聚焦点静止而承载样品的工作台进行二维平面运动实现逐点扫描。光束扫描与其相反,通过在光

　　收稿日期:2002-04-09;修订日期:2002-09-24　　基金项目:“百人计划”及其创新基金项目资助

[3]

[4]

点在样品上的扫描[6]。转盘扫描是利用快速旋转的NipkowDisk来实现光束对样品的光栅式扫

描。

目前,利用双光子及其共聚焦显微镜来进行三维光学高密信息存储及三维光学微细加工的研究工作已成为微型电子器件和光子器件的重要方法[7_8]。三维光学微细加工要求聚焦脉冲的宽度要小,光斑的空间轮廓形状光滑。光束扫描方式由于在扫描过程中使光束发生偏转而产生球差,从而容易导致光斑的空间轮廓形状凹凸不平。NipkowDisk扫描方式在利用飞秒激光作为光源时,将不可避免地造成飞秒激光脉宽的变形和加宽,同样也无法提供高质量的光斑。所以我们开发了一套专门用于此研究方向的工作台扫描的共聚焦显微镜扫描系统,它的扫描过程不改变光束的参数从而使光斑质量达到最优。

本文主要报道了利用压电陶瓷驱动器较高的位移分辨率和基于柔性铰链的微动工作台组建的共聚焦荧光显微镜的扫描系统的原理与设计,对工作台的有关性能如扫描范围、非线性及其动态性能进行了测试,并通过实验获得了良好的效果。

为适应三维光学微细加工及三维光学信息存储研究的需要,研制了共聚焦激光扫描荧光显微镜的工作台式扫描系统,扫描范围138μm×138μm。

第6期　　　　　　　　　　　周拥军,等:共聚焦激光扫描荧光显微镜扫描系统研制　　　　　　　　　　　　583

动微位移工作台及其上面的样品实现二维扫描。

图1　共聚焦激光扫描荧光显微镜原理图Fig.1　Principlesoftheconfocallaserscanningfluores-cencemicroscopy.

图3　扫描工作台结构

Fig.3　Drawingofthescanningstage.

2　共聚焦激光扫描荧光显微镜的扫描系统

研制的共聚焦显微镜的扫描系统由两部分组成,一是计算机控制电子系统(CLSM控制器)(图2);二是微位移工作台(图3)

。

压电陶瓷驱动器的变形量与两端的电压大致

成正比,采用的压电陶瓷驱动器在120V电压下可输出约10.8μm的位移。这样压电陶瓷驱动器提供了一种将电压信号转换为微位移的简便方式,而且它具有非常好的可控性。

微位移工作台的结构如图3所示。它在两个方向上将压电陶瓷驱动器的位移放大,实际的放大倍数为12.8,并实现在二维平面上的扫描。压电陶瓷驱动器具有非常高的位移精度,但它的位移量相对于共焦显微镜的需要来说仍然较小。因此,采用了基于柔性铰链的杠杆放大机构来获得更大范围的位移。柔性铰链是一种圆弧切口结构,利用其有限的角位移可实现精密的运动[9]。

图2　共焦激光扫描荧光显微镜电子及控制系统Fig.2　Electronicalandcontrollingsystemoftheconfo-callaserscanninfluorescencemicroscope.

考虑到与压电陶瓷驱动器的线膨胀系数比较接近,工作台材料选用整块的铝合金LD31,并用线

切割方法加工而成。为保证扫描运动的直线性,工作台由平行四杆机构加上一个杠杆放大机构组成(图4)。平行四杆机构的对称性保证在杠杆做微转动时,工作台中承载样品的部分始终做平动。工作台在两个方向上的结构完全相同。图4为在一个方向上的机构简图。

放大机构对压电陶瓷驱动器的变形量dp作二级杠杆放大,理想情况下总输出位移为:

=2d,扫描系统的基本工作原理是:计算机通过D/

A转换器和高压放大电路产生两路独立的峰值在0～120V的扫描电压,波形为三角波或锯齿波(图2)。这两路扫描电压分别驱动两个压电陶瓷驱动器,使它们分别在两个方向(x和y)上产生相应的伸缩运动。一个微位移工作台(图3)将嵌入在

为适应三维光学微细加工及三维光学信息存储研究的需要,研制了共聚焦激光扫描荧光显微镜的工作台式扫描系统,扫描范围138μm×138μm。

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动器的电压位移曲线,测试仪器VRZ480电感测微仪,分辨率0.1μm。图5(B)为用激光干涉仪HP5528A对工作台进行的测试,分辨率0.1μm。

测试结果表明工作台最大位移量138μm。与理想值的差距除了柔性铰链引入的位移损失外,其余主要由压电陶瓷驱动器的刚度及驱动器与工作台的粘接处的刚度引入。但从(A)、(B)两图中可以看出它们的位移曲线基本相同,工作台的位移输出与压电陶瓷驱动器的位移输出成固定的比

图4　工作台在一个方向上的机构简图。A～F为柔

性铰链,a,b,c为杠杆,d为运动部分

Fig.4　Schematicofthestagedesigninonedirection,

whereA～Fareflexurehinges,a,b,carelevers,anddisthemovingpart.

例关系(12.8∶1),表明工作台的位移能由压电陶

瓷驱动器上的电压准确的控制。

　　其中:m1=1+R1/R,m2=1+R3/R2在设计中,R=15mm,R1=60mm,R2=10mm,R3=40mm,由(1)式可得理想情况下总输出位移应为270μm。

由于柔性铰链和压电陶瓷驱动器的刚度均为有限的,因此总输出位移必然有一定的损失。F …… 此处隐藏：3015字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……