基于振镜的扫描显微成像系统的研究

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激光扫描共聚焦显微镜在生物学、基础医学、纳米材料学等领域应用广泛,同时也是进一步研发受激发射损耗显微镜、荧光辐射差分等超分辨成像技术的基础。因此,激光共聚焦显微镜具有极高的应用价值,同时也能为超分辨新技术的研究提供良好的扩展平台。激光共聚焦成像过程需要激光焦斑对样品感兴趣的区域实现单点扫描和光子数记录,两种常用的扫描方式为样品扫描和光束扫描。样品扫描方式一般使用三维压电纳米平移台设备来实现,三维移动控制较容易实现,但存在速度较慢,同时多次反复成像过程中容易产生位置偏移等问题,影响成像精度。光束扫描方式一般使用扫描振镜来实现,成像速度较快,对样品扰动较小,比较适合活体样品的生物成像。本论文开展基于振镜的扫描显微成像系统的研究,实现扰动较小的光束扫描方式,是构建稳定、快速激光共聚焦显微镜的核心技术。设计的硬件光路系统中,使用雪崩光电二极管(Avalanche Photo Diode,APD)作为微弱荧光信号的探测器;采用一种基于时间相关单光子计数采集卡(Time-Correlated Single Photon Counting,TCSPC)的原理实现可控积分时间的光子计数方法,对APD输出的信号进行每个像素时间的计数;收集的数据使用Open GL(Open Graphics Library)进行处理,渲染成所需的2D矢量图形。设计的软件系统主要包括成像应用软件程序和扫描振镜控制程序,在扫描振镜控制程序中编写了三角波、阶梯波、串口通信程序。实验中关键部分在于实现振镜扫描与TCSPC采集卡的同步,因此在成像应用软件中也编写了串口通信模块,用于实现成像应用软件与FPGA开发板之间的通信。搭建了基于扫描振镜的激光共聚焦显微成像系统,开展了系统构建的关键技术研究,并使用直径90纳米金颗粒样品和直径40纳米荧光小球样品开展了成像实验验证。实验结果表明,实现了振镜扫描的控制,及完成了振镜与TCSPC采集卡的数据同步扫描、采集,实现了基于振镜的点扫描成像。另外,论文还对成像系统中成像质量的影响因素展开了讨论。
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