專利名稱：近紅外激光掃描共聚焦成像系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種共聚焦顯微系統(tǒng)及其應(yīng)用，尤其涉及一種工作波長范圍在近紅外波段的激光掃描共聚焦成像系統(tǒng)，以及應(yīng)用該系統(tǒng)對近紅外量子點標(biāo)記的生物組織及其它微小器件結(jié)構(gòu)進行成像和觀察的方法，屬于光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
生物熒光成像技術(shù)作為生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域必不可少的技術(shù)手段已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，是觀察細胞形態(tài)、結(jié)構(gòu)和生命現(xiàn)象的有力工具。目前普遍應(yīng)用生物熒光成像技術(shù)是二十世紀(jì)80年代發(fā)展起來的激光掃描共聚焦顯微鏡，它的特點是采用針孔技術(shù)排除焦點以外的光信號對圖像的干擾，從而大大提高了圖像的清晰度和細節(jié)分辨能力，具有很高的軸向?qū)Ρ榷?。由于激光掃描共聚焦顯微鏡使用的激光范圍在488nnT647nm之間，屬于可見光范疇,而生物細胞對可見光散射大，換言之，可見光在生物樣品內(nèi)的穿透深度淺，最深不超過幾百微米，厚標(biāo)本的信息很難采集；另外，由于生物細胞對可見光吸收大，高密度的可見光激發(fā)生物樣品時更容易弓I起光毒性和光漂白現(xiàn)象。為了克服激光掃描共聚焦顯微鏡的這些缺陷，二十世紀(jì)90年代美國康奈爾大學(xué)Denk等人提出了雙光子激發(fā)熒光顯微技術(shù)。它采用具有高光子密度的近紅外激光激發(fā)生物樣品，由于生物細胞對近紅外光的吸收少，對生物細胞的光毒性減少，并降低了光漂白；同時，生物細胞對近紅外光的散射比可見光小，容易穿透更深的生物樣本，更適合觀察厚樣本。然而，盡管雙光子激光熒光成像技術(shù)采用了近紅外光源，能夠?qū)崿F(xiàn)對厚生物樣本的觀察，但是，因采用的熒光染料的發(fā)射波長仍然在可見光范圍，其在生物組織中依然存在吸收和散射問題，因此難以觀察更深層的組織。并且，現(xiàn)有的激光掃描共聚焦顯微系統(tǒng)和雙光子激發(fā)熒光顯微系統(tǒng)還普遍存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、操作不便、成像速度慢、圖像分別率低等問題，尤其難以滿足對生物組織及其他類似樣品進行多維度、深層次觀測的需求。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本發(fā)明的目的之一在于提供一種近紅外激光掃描共聚焦成像系統(tǒng)，其能精確高效的實現(xiàn)對生物組織等樣品的深層次成像，且結(jié)構(gòu)簡單，易于操作。為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案
一種近紅外激光掃描共聚焦成像系統(tǒng)，包括采用共聚焦結(jié)構(gòu)的掃描光路單元和控制單元，其中
所述掃描光路單元包括近紅外激光光源、準(zhǔn)直擴束模塊、激光濾光片、二向色反射鏡、掃描振鏡、f-theta透鏡、第一鏡筒透鏡、第一成像物鏡、熒光濾光片、第二會聚透鏡、第二針孔和探測器；
激光光源發(fā)出的近紅外光經(jīng)準(zhǔn)直擴束模塊形成設(shè)定光斑大小的平行光透射至激光濾光片，再依次經(jīng)二向色反射鏡、掃描振鏡入射到f-theta透鏡上，并會聚到第一像面位置，而后經(jīng)第一鏡筒透鏡準(zhǔn)直形成平行光入射到成像物鏡上，并聚焦在放置于樣品臺上的樣品上，所述第一像面位置與第一鏡筒透鏡的焦點位置以及樣品經(jīng)成像物鏡和第一鏡筒透鏡的第一次成像位置重合，樣品被激發(fā)后發(fā)出的長波熒光經(jīng)過成像物鏡變成平行光，再經(jīng)第一鏡筒透鏡會聚于第一成像面位置，然后經(jīng)過f-theta透鏡變成平行光入射到掃描振鏡上，并經(jīng)掃描振鏡反射至二向色反射鏡，其后依次透過熒光濾光片和第二會聚物鏡聚焦于第二針孔上，所述第二針孔大小為第二會聚透鏡的艾里斑大小，探測器緊靠第二針孔設(shè)置；
所述控制單元包括用于控制掃描振鏡的運動控制模塊，用于采集探測器輸出信號的數(shù)據(jù)采集模塊以及與運動控制模塊和 數(shù)據(jù)采集模塊連接的數(shù)據(jù)處理模塊。進一步的，它還包括柯勒照明單元，所述柯勒照明單元包括白光光源、一個以上透鏡、第二鏡筒透鏡和光電傳感模塊，白光光源發(fā)出的光經(jīng)該一個以上透鏡照射在樣品上形成均勻照明，而經(jīng)樣品反射的光依次經(jīng)過成像物鏡和第二鏡筒透鏡，并最終成像于光電成像模塊上。所述柯勒照明單元采用反射式柯勒照明系統(tǒng)，包括白光光源、成像透鏡、半反半透反射鏡、反射鏡、第二鏡筒透鏡和光電傳感模塊，白光光源經(jīng)成像透鏡成像，再依次通過半反半透反射鏡和反射鏡的反射，將白光光源的像反射到成像物鏡的后焦點位置，并在樣品上形成均勻照明，樣品反射的光依次經(jīng)成像物鏡、反射鏡、半反半透反射鏡和第二鏡筒透鏡，最后成像于光電成像模塊上；
所述第一、第二鏡筒透鏡到成像物鏡的距離相等，所述光電傳感模塊位于第二鏡筒透鏡的焦點位置。所述柯勒照明單元采用透射式柯勒照明系統(tǒng)，所述透射式柯勒照明系統(tǒng)包括白光光源、第一透鏡、第二透鏡、反射鏡和第二鏡筒透鏡，白光光源經(jīng)第一透鏡成像在第二透鏡的焦點位置，白光光源像發(fā)出的光經(jīng)第二透鏡變成平行光，從樣品的下方均勻照明樣品，樣品反射的光經(jīng)成像物鏡成像后，經(jīng)反射鏡反射入第二鏡筒透鏡，并最后成像于光電成像模塊上。所述光電成像模塊采用CXD。所述準(zhǔn)直擴束系統(tǒng)包括第一會聚透鏡，第一針孔和準(zhǔn)直透鏡，激光光源發(fā)出的近紅外光經(jīng)過第一會聚透鏡會聚到第一針孔上，第一針孔大小為第一會聚物鏡艾里斑的大小，第一針孔發(fā)射的光經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡變成平行光入射至激光濾光片。所述準(zhǔn)直擴束系統(tǒng)包括光耦合模塊、單模光纖和準(zhǔn)直透鏡，激光光源發(fā)出的光經(jīng)光耦合模塊耦合到單模光纖中，單模光纖輸出的光經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡變成平行光入射至激光濾光片。所述單模光纖的稱合效率大于73%。所述準(zhǔn)直擴束系統(tǒng)還包括一個以上擴束透鏡，由準(zhǔn)直透鏡輸出的平行光經(jīng)過所述擴束透鏡入射至激光濾光片。所述數(shù)據(jù)處理模塊等設(shè)于計算機系統(tǒng)內(nèi)。所述樣品內(nèi)標(biāo)記有熒光發(fā)射光譜在932 1250nm之間的近紅外量子點，尤其優(yōu)選采用熒光發(fā)射光譜峰值在1200nm的近紅外量子點。所述探測器優(yōu)選采用半導(dǎo)體制冷InGaAs探測器。所述控制單元還包括用于對探測器進行制冷的溫控盒。
所述掃描振鏡包括反射率> 95%的第一、第二反射鏡，該第一、第二反射鏡在運動控制模塊的控制下轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)對樣品的二維掃描。所述近紅外激光光源的工作波長范圍在725 820nm。
所述激光濾光片優(yōu)選中心波長為785nm，F(xiàn)ffHM為3nm的窄帶濾光片。所述二向色反射鏡優(yōu)選對于波長在400nnT872nm的光反射率> 90%，對波長在932nnTl300nm的光透過率大于90%的長通濾光片。所述成像物鏡和會聚透鏡對選定近紅外光的透過率均> 65%，所述第一鏡筒透鏡對選定近紅外光的透過率> 82%，所述f-theta透鏡的工作波長725nnTl250nm，透過率>90%，所述選定近紅外光的波長在725 820nm。所述突光濾光片優(yōu)選對波長大于820nm的突光透過率高于90%,且對截止波長為OD > 6的長通濾光片。本發(fā)明還提供了一種近紅外激光掃描共聚焦成像方法，該方法為以熒光發(fā)射光譜在932 1250nm之間的近紅外量子點標(biāo)記樣品，再以如上所述的近紅外激光掃描共聚焦成像系統(tǒng)對樣品進行檢測。本發(fā)明基于生物組織在近紅外波長范圍吸收少和散射小的特性，結(jié)合依據(jù)共聚焦成像技術(shù)的優(yōu)勢，并輔以近紅外量子點標(biāo)記生物組織類樣品的創(chuàng)新性應(yīng)用，從而提出了該近紅外激光掃描共聚焦成像系統(tǒng)及方法，它利用近紅外量子點的激發(fā)光和反射熒光都在近紅外區(qū)域的特點，優(yōu)選采用波長范圍在725 820nm的近紅外激光激發(fā)標(biāo)記于樣品內(nèi)的熒光發(fā)射光譜在932 1250nm的近紅外量子點，從而能實現(xiàn)深層生物組織的成像，成像深度可達到數(shù)厘米，遠遠高出了現(xiàn)有技術(shù)中的毫米級的成像深度。


圖I是本發(fā)明一優(yōu)選實施例的主體結(jié)構(gòu)示意 圖2是本發(fā)明實施例I的結(jié)構(gòu)示意 圖3是本發(fā)明實施例2的結(jié)構(gòu)示意 圖4是本發(fā)明實施例3的結(jié)構(gòu)示意 圖5是本發(fā)明實施例4的結(jié)構(gòu)示意 圖中各組件及其附圖標(biāo)記分別為I一激光光源，2—會聚透鏡，2-a—單模光纖，3—針孔，3-a—光纖輸出端，4一準(zhǔn)直透鏡，4-1 一準(zhǔn)直透鏡，4-2—擴束透鏡，5—反射鏡，6—激光濾光片，7—二向色反射鏡，8—掃描振鏡，9一f-theta透鏡，10—鏡筒透鏡，11 一成像物鏡，12—樣品，13 一突光濾光片，14 一會聚透鏡，15 一針孔,16 一探測器，17 一白光光源，18 一透鏡，19一半反半透分光鏡，20—反射鏡，21—鏡筒透鏡，22 — (XD，23—探測器溫控盒，24—運動控制卡，25—數(shù)據(jù)米集卡，26—計算機，27一透鏡,28一半反半透分光鏡、29—第一像面位置。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖和若干較佳實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案做進一步說明。參閱圖I系本發(fā)明一優(yōu)選實施例中近紅外激光掃描共聚焦成像系統(tǒng)的主體結(jié)構(gòu)，它主要由光學(xué)系統(tǒng)和電學(xué)系統(tǒng)兩部分構(gòu)成。光學(xué)系統(tǒng)包括激光光源I，準(zhǔn)直擴束系統(tǒng)A (包括會聚透鏡2,針孔3,準(zhǔn)直透鏡4),激光濾光片6, 二向色反射鏡7,掃描振鏡8,f-theta透鏡9，鏡筒透鏡10，成像物鏡11，樣品臺12，熒光濾光片13，會聚透鏡14，針孔15，探測器16。電學(xué)系統(tǒng)包括探測器溫控盒23、運動控制系統(tǒng)24、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)25、計算機26。該近紅外激光掃描共聚焦成像系統(tǒng)的具體實施過程如下
激光發(fā)出的近紅外光經(jīng)過會聚透鏡2會聚到針孔3上，針孔3大小為會聚物鏡2艾里斑的大小，針孔3作為點光源，針孔3發(fā)射的光經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡4變成平行光，平行光經(jīng)過激光濾光片6、二向色反射鏡7、掃描振鏡8入射到f-theta透鏡9上，f-theta透鏡9將平行光會聚到第一像面位置29。第一像面位置同時是鏡筒透鏡10的焦點位置，第一像面位置也是生物樣品12經(jīng)成像物鏡11和鏡筒透鏡10的第一次成像位置。激光平行光經(jīng)f-theta透鏡9會聚和鏡筒透鏡10準(zhǔn)直又變成平行激光入射到成像物鏡11上，成像物鏡11將入射的平行激光聚焦于樣品12上。如果將生物樣品放置在成像物鏡11的焦點位置，生物樣品被激光激發(fā)后，發(fā)出長波熒光，熒光經(jīng)過成像物鏡11變成平行光，經(jīng)鏡筒透鏡10會聚于第一成像面位置，然后經(jīng)過f-theta物鏡9變成平行光入射到掃描振鏡8上，熒光經(jīng)掃描振鏡8的反射入射到二向色反射鏡7，熒光透過二向色反射鏡7、濾光片13和會聚物鏡14，最終會聚于針孔15上，針孔15位于會聚透鏡14的焦點位置，針孔15的大小為會聚透鏡14的艾里斑大小，探測器16放置在緊靠針孔15的位置，盡可能減少光能量的損失。本發(fā)明的掃描光路中，從振鏡發(fā)射的光需要經(jīng)過f-theta透鏡、鏡筒透鏡和成像物鏡到達樣品，實現(xiàn)樣品的掃描。在保證入射到成像物鏡的平行光束寬度等于(略大于)成像物鏡孔徑的情況下，選擇合適的f-theta透鏡、鏡筒透鏡和成像物鏡的尺寸及位置，可以保證在掃描過程中，光束始終充滿整個成像物鏡的孔徑，這樣光束能量利用率接近甚至達到100%。再及，為了充分利用成像物鏡的NA，通常要求入射到成像物鏡的光束直徑等于或者大于成像物鏡的孔徑。本發(fā)明掃描光路中，前述f-theta透鏡、鏡筒透鏡兩者除滿足掃描要求，同時二者組合還可以起到擴束的作用，這樣入射到振鏡的光束直徑可以小于成像物鏡的孔徑，所以振鏡中可采用尺寸較小的反射鏡。又及，通過采用嚴(yán)格校正像差的f-theta透鏡，還可保證掃描樣品與振鏡轉(zhuǎn)動角度之間存在很好的線性關(guān)系。溫控盒23用于實現(xiàn)對探測器16的制冷，掃描振鏡8的振動通過運動控制卡24來控制，來自探測器16的信號通過數(shù)據(jù)采集卡25采集，運動控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和圖像顯示程序均設(shè)定于計算機26中。為獲得良好的檢測效果，前述每個光學(xué)元件應(yīng)在近紅外具有很高的透過率或反射率，探測器要具有高的近紅外靈敏度響應(yīng)。具體特征如下
激光器I的波長選擇要保證近紅外熒光量子點具有最佳轉(zhuǎn)換效率，比如，可優(yōu)采用785nm激光器；
準(zhǔn)直擴束系統(tǒng)應(yīng)保證從準(zhǔn)直透鏡4輸出的光斑在整個掃描過程中充滿整個成像物鏡11的孔徑；
激光濾光片6應(yīng)選擇窄帶濾光片，本發(fā)明中選擇的激光濾光片6的中心波長785nm，F(xiàn)ffHM為3nm，有效地抑制非激發(fā)光引入的背景信號。、
二向色反射鏡7屬于長通濾光片，對近紅外熒光量子點的激發(fā)波長具有高反射率，對發(fā)射光譜具有高透過率。作為優(yōu)選的方案之一，二向色反射鏡7對400nnT872nm的波長范圍反射率大于90% ;對932nnTl300nm透過率大于90% ；掃描振鏡8的兩個反射鏡8a和8b反射率高于95% ；
掃描振鏡8和f-theta透鏡9實現(xiàn)對樣品的線性掃描，掃描振鏡8運動由運動控制卡24和計算機26來實現(xiàn)。成像物鏡11、筒鏡10和f-theta物鏡9在近紅外熒光量子點的激發(fā)波長和發(fā)射光譜范圍內(nèi)要具有盡可能高的透光率。本發(fā)明中成像物鏡11在要求的近紅外工作波長透過率大于65% ;鏡筒透鏡10在要求的近紅外工作波長范圍內(nèi)透過率大于82% ；f-theta透鏡9工作波長725nnTl250nm，透過率大于90% ；
鏡筒透鏡10輔助無限遠成像物鏡11實現(xiàn)對生物樣品的成像，鏡筒透鏡10和成像物鏡11兩者組合將生物樣品的第一次成像于f-theta透鏡9的焦點位置；
突光濾光片13是長通濾光片，對于大于820nm的近紅外突光透過率大于90%,截止波長OD大于6，排除抑制激發(fā)光對熒光探測信號的影響。 會聚透鏡14在近紅外的透過率高于65% ；
針孔3和15的大小分別等于會聚透鏡2和會聚透鏡14相應(yīng)艾里斑大小，兩個針孔依次會聚透鏡14 (或者會聚透鏡2)、熒光濾光片13 (或者激光濾光片6)、二向色反射鏡7、掃描振鏡8、f_theta透鏡9、鏡筒透鏡10和成像物鏡11，成像于生物樣品上，即兩個針孔在成像物鏡11的焦平面上形成共軛像；
探測器16優(yōu)選采用半導(dǎo)體制冷InGaAs探測器，因其在近紅外具有非常高的響應(yīng)，等效噪聲功率為3. 2X1(T15W。前述電子學(xué)系統(tǒng)的主要功能是實現(xiàn)對數(shù)據(jù)采集處理和掃描振鏡的運動控制，具體特征如下
溫控盒23將InGaAs探測器16制冷到_40°C，有效地減少近紅外探測器16的熱噪聲；運動控制卡24優(yōu)選采用分辨率16bit的規(guī)格，其用于控制掃描振鏡8中兩個反射鏡8a和8b的轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)對樣品二維掃描；
數(shù)據(jù)采集卡25優(yōu)選采用分辨率16bit，最大采樣率2MS/s的規(guī)格；
計算機26通過軟件發(fā)出采集和控制指令，完成對樣品的掃描和數(shù)據(jù)采集，同時用于對數(shù)據(jù)進行處理和圖像顯示。本發(fā)明的近紅外激光共聚焦成像系統(tǒng)優(yōu)選采用波長在725 820nm的近紅外激光作為激發(fā)光源，能夠?qū)崿F(xiàn)熒光發(fā)射譜在932 1250nm的近紅外量子點標(biāo)記生物樣品的最佳成像效果。實施例I
參閱圖2，本實施例的主體結(jié)構(gòu)與圖I相近，但加入了柯勒照明系統(tǒng)B，柯勒照明系統(tǒng)的功能是輔助近紅外激光掃描共聚焦成像系統(tǒng)找到成像物鏡的焦平面位置，即通過柯勒照明系統(tǒng)將生物樣品放置在紅外激光掃描共聚焦成像系統(tǒng)的焦點位置?？吕照彰飨到y(tǒng)B由白光光源17、成像透鏡18、半反半透反射鏡19、反射鏡20、成像物鏡11、鏡筒透鏡21和(XD22組成。白光光源17經(jīng)成像透鏡18像，通過半反半透反射鏡19和反射鏡20的反射，將白光光源的像反射到成像物鏡11后焦點位置，這樣，在生物樣品12上形成均勻照明。生物樣品12經(jīng)成像物鏡11、反射鏡20、半反半透反射鏡19、鏡筒透鏡21，最后成像于(XD22上。鏡筒透鏡21和鏡筒透鏡10選用相同的鏡筒透鏡，且兩個鏡筒透鏡到成像物鏡11的距離相等，(XD22位于鏡筒透鏡21的焦點位置，即(XD22到鏡筒透鏡21的距離等于等一成像面到鏡筒透鏡10的距離。這樣，保證通過(XD22看到清晰生物樣品圖像的位置非常接近近紅外激光掃描共聚焦成像系統(tǒng)的焦點位置。通過柯勒照明系統(tǒng)確定好生物樣品位置后，將反射鏡20移開鏡筒透鏡10和成像物鏡11之間的光路，同時關(guān)閉白光光源。然后，進行生物樣品的近紅外熒光成像。激光發(fā)出的近紅外光依次經(jīng)過準(zhǔn)直擴束系統(tǒng)A、反射鏡5、激光濾光片6、二向色反射鏡7、掃描振鏡8、f_theta透鏡9、鏡筒透鏡10和成像物鏡11入射到生物樣品12上。生物樣品被激光激發(fā)后，發(fā)出長波熒光，熒光經(jīng)過成像物鏡11、鏡筒透鏡10、f-theta透鏡9、掃描振鏡8、二向色反射鏡7、突光濾光片13、會聚透鏡14、針孔15后,入射到探測器16上進行探測。本實施例的柯勒照明方式屬于反射式照明方式。
實施例2
參閱圖3，本實施例與實施例I的工作原理相似，區(qū)別僅在于柯勒照明方式是采用透射式照明，其具體實施過程為
白光光源17經(jīng)透鏡18成像在透鏡27的焦點位置，白光光源像發(fā)出的光經(jīng)透鏡27變成平行光，從生物樣品的下方均勻照明生物樣品12。樣品發(fā)射的光經(jīng)成像物鏡11后成像，經(jīng)反射鏡20反射、鏡筒透鏡21最后成像在(XD22上。通過柯勒照明系統(tǒng)確定好生物樣品位置后，將反射鏡20移開鏡筒透鏡10和成像物鏡11之間的光路，同時關(guān)閉白光光源。然后，進行生物樣品的近紅外熒光成像。同實施例I的反射式照明方案相比，本實施例的透射式柯勒照明方案可以獲取更加清晰的生物樣品像，更容易確定生物樣品在近紅外激光掃描共聚焦成像系統(tǒng)中的焦點位置。實施例3
參閱圖4，本實施例與實施例2 —樣采用透射式柯勒照明方式，其區(qū)別是柯勒照明系統(tǒng)的探測光路進行了修改。具體實施過程為
采用實施例2中的白光照明光路從生物樣品下方均勻照明生物樣品12，將實施例1(參閱圖2)和實施例2 (參閱圖3)中的濾光片6放置在反射鏡5和準(zhǔn)直透鏡4之間，同時用半反半透反射鏡28代替反射鏡5，去掉反射鏡20。將鏡筒透鏡21和(XD22放置到圖4所示的位置。這樣，柯勒照明生物成像探測光路和激光激發(fā)生物熒光探測光路共用成像物鏡11、鏡筒透鏡10、f-theta透鏡9和掃描振鏡8。
通過柯勒照明系統(tǒng)確定好生物樣品位置后，不需要移動任何光學(xué)元件，只需將柯勒照明光源關(guān)閉，就可以對生物樣品12進行近紅外熒光成像。同實施例2的柯勒照明方案相比，本實施例避免了對光學(xué)元件移出移入光路帶來的不便，同時保留了透射式柯勒照明的優(yōu)點。實施例4
參閱圖5，本實施例與實施例3 —樣采用透射式柯勒照明方式，其區(qū)別是對激光準(zhǔn)直擴束系統(tǒng)進行了修改。具體實施過程為
激光器輸出的激光耦合(光纖耦合光學(xué)系統(tǒng)未示出)到單模光纖2-a中，單模光纖輸出端3-a作為點光源，經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡4-1變成平行光，平行光經(jīng)過擴束器4-2 (擴束鏡)擴束成整個近紅外激光掃描共聚焦成像系統(tǒng)要求的光斑大小。
藉由前述光纖I禹合準(zhǔn)直系統(tǒng)，可以將光源輸出光變?yōu)橘|(zhì)量非常好的高斯光束，從而大幅提升整個光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量。單模光纖耦合效率大于73%。本實施例只是表達了本發(fā)明的一種光纖作為點光源的擴束準(zhǔn)直系統(tǒng)和實施例3中柯勒照明系統(tǒng)組成的實施方式。另外，實施例4中的光纖作為點光源的擴束準(zhǔn)直系統(tǒng)還可以分別和實施例I、實施例2中的柯勒照明系統(tǒng)組成另外兩種實施方式，且不限于此。并且，單模光纖輸出端作為點光源發(fā)出光經(jīng)準(zhǔn)直透鏡變成平行光后，若點光源經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡后的平行光光斑能滿足近紅外激光掃描共聚焦成像系統(tǒng)對入射光斑的要求，則前述擴速器亦可省略，或者，若一個擴散器無法滿足需求，亦可需要加入多個擴散器擴展到所述要求的光斑大小。應(yīng)當(dāng)指出的是，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下， 還可以根據(jù)前述實施例之啟示而很容易的做出若干變形和改變，但這些變形和改變均應(yīng)屬于本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種近紅外激光掃描共聚焦成像系統(tǒng)，包括采用共聚焦結(jié)構(gòu)的掃描光路單元和控制單元，其特征在于，所述掃描光路單元包括近紅外激光光源、準(zhǔn)直擴束模塊、激光濾光片、二向色反射鏡、掃描振鏡、f-theta透鏡、第一鏡筒透鏡、第一成像物鏡、熒光濾光片、第二會聚透鏡、第二針孔和探測器；激光光源發(fā)出的近紅外光經(jīng)準(zhǔn)直擴束模塊形成設(shè)定光斑大小的平行光透射至激光濾光片，再依次經(jīng)二向色反射鏡、掃描振鏡入射到f-theta透鏡上，并會聚到第一像面位置， 而后經(jīng)第一鏡筒透鏡準(zhǔn)直形成平行光入射到成像物鏡上，并聚焦在放置于樣品臺上的樣品上，所述第一像面位置與第一鏡筒透鏡的焦點位置以及樣品經(jīng)成像物鏡和第一鏡筒透鏡的第一次成像位置重合，樣品被激發(fā)后發(fā)出的長波熒光經(jīng)過成像物鏡變成平行光，再經(jīng)第一鏡筒透鏡會聚于第一成像面位置，然后經(jīng)過f-theta透鏡變成平行光入射到掃描振鏡上， 并經(jīng)掃描振鏡反射至二向色反射鏡，其后依次透過熒光濾光片和第二會聚物鏡聚焦于第二針孔上，所述第二針孔大小為第二會聚透鏡的艾里斑大小，探測器緊靠第二針孔放置；所述控制單元包括用于控制掃描振鏡的運動控制模塊，用于采集探測器輸出信號的數(shù)據(jù)采集模塊以及與運動控制模塊和數(shù)據(jù)采集模塊連接的數(shù)據(jù)處理模塊。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的近紅外激光掃描共聚焦成像系統(tǒng)，其特征在于，它還包括柯勒照明單元，所述柯勒照明單元包括白光光源、一個以上透鏡、第二鏡筒透鏡和光電傳感模塊，白光光源發(fā)出的光經(jīng)該一個以上透鏡照射在樣品上形成均勻照明，而經(jīng)樣品反射的光依次經(jīng)過成像物鏡和第二鏡筒透鏡，并最終成像于光電成像模塊上。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的近紅外激光掃描共聚焦成像系統(tǒng)，其特征在于，所述柯勒照明單元采用反射式柯勒照明系統(tǒng)，包括白光光源、成像透鏡、半反半透反射鏡、反射鏡、第二鏡筒透鏡和光電傳感模塊，白光光源經(jīng)成像透鏡成像，再依次通過半反半透反射鏡和反射鏡的反射，將白光光源的像反射到成像物鏡的后焦點位置，并在樣品上形成均勻照明，樣品反射的光依次經(jīng)成像物鏡、反射鏡、半反半透反射鏡和第二鏡筒透鏡，最后成像于光電成像模塊上；所述第一、第二鏡筒透鏡到成像物鏡的距離相等，所述光電傳感模塊位于第二鏡筒透鏡的焦點位置。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的近紅外激光掃描共聚焦成像系統(tǒng)，其特征在于，所述柯勒照明單元采用透射式柯勒照明系統(tǒng)，所述透射式柯勒照明系統(tǒng)包括白光光源、第一透鏡、第二透鏡、反射鏡和第二鏡筒透鏡，白光光源經(jīng)第一透鏡成像在第二透鏡的焦點位置，白光光源像發(fā)出的光經(jīng)第二透鏡變成平行光，從樣品的下方均勻照明樣品，樣品反射的光經(jīng)成像物鏡成像后，經(jīng)反射鏡反射入第二鏡筒透鏡，并最后成像于光電成像模塊上。
5.根據(jù)權(quán)利要求2-4中任一項所述的近紅外激光掃描共聚焦成像系統(tǒng)，其特征在于， 所述光電成像模塊米用(XD。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項所述的近紅外激光掃描共聚焦成像系統(tǒng)，其特征在于， 所述準(zhǔn)直擴束系統(tǒng)包括第一會聚透鏡，第一針孔和準(zhǔn)直透鏡，激光光源發(fā)出的近紅外光經(jīng)過第一會聚透鏡會聚到第一針孔上，第一針孔大小為第一會聚物鏡艾里斑的大小，第一針孔發(fā)射的光經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡變成平行光入射至激光濾光片。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項所述的近紅外激光掃描共聚焦成像系統(tǒng)，其特征在于， 所述準(zhǔn)直擴束系統(tǒng)包括光纖耦合模塊、單模光纖和準(zhǔn)直透鏡，激光光源發(fā)出的光經(jīng)光纖耦合模塊耦合到單模光纖中，單模光纖輸出的光經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡變成平行光入射至激光濾光片；所述激光輸出單模光纖耦合效率大于73%。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的近紅外激光掃描共聚焦成像系統(tǒng)，其特征在于，所述準(zhǔn)直擴束系統(tǒng)還包括一個以上擴束透鏡，由準(zhǔn)直透鏡輸出的平行光經(jīng)過所述擴束透鏡入射至激光濾光片。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項所述的近紅外激光掃描共聚焦成像系統(tǒng)，其特征在于， 所述運動控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)處理模塊設(shè)于計算機系統(tǒng)中。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的近紅外激光掃描共聚焦成像系統(tǒng)，其特征在于，所述樣品內(nèi)標(biāo)記有熒光發(fā)射光譜在932 1250nm之間的近紅外量子點。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的近紅外激光掃描共聚焦成像系統(tǒng)，其特征在于，所述近紅外量子點的熒光發(fā)射光譜峰值進一步優(yōu)選為1200nm。
12.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項所述的近紅外激光掃描共聚焦成像系統(tǒng)，其特征在于， 所述探測器優(yōu)選采用半導(dǎo)體制冷InGaAs探測器。
13.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項所述的近紅外激光掃描共聚焦成像系統(tǒng)，其特征在于， 所述控制單元還包括用于對探測器進行制冷的溫控盒。
14.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項所述的近紅外激光掃描共聚焦成像系統(tǒng)，其特征在于， 所述掃描振鏡包括反射率> 95%的第一、第二反射鏡，該第一、第二反射鏡在運動控制模塊的控制下轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)對樣品的二維掃描。
15.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項所述的近紅外激光掃描共聚焦成像系統(tǒng)，其特征在于， 所述近紅外激光光源的工作波長范圍在725 820nm。
16.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項所述的近紅外激光掃描共聚焦成像系統(tǒng)，其特征在于， 所述激光濾光片優(yōu)選中心波長為785nm，F(xiàn)ffHM為3nm的窄帶濾光片。
17.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項所述的近紅外激光掃描共聚焦成像系統(tǒng)，其特征在于，所述二向色反射鏡優(yōu)選對于波長在400nnT872nm的光反射率> 90%,對波長在 932nnTl300nm的光透過率大于90%的長通濾光片。
18.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項所述的近紅外激光掃描共聚焦成像系統(tǒng)，其特征在于， 所述成像物鏡和會聚透鏡對選定近紅外光的透過率均> 65%，所述第一鏡筒透鏡對選定近紅外光的透過率> 82%，所述f-theta透鏡的工作波長725nnTl250nm，透過率> 90%，所述選定近紅外光的波長在725 820nm。
19.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項所述的近紅外激光掃描共聚焦成像系統(tǒng)，其特征在于， 所述突光濾光片優(yōu)選對波長大于820nm的突光透過率高于90%,且對截止波長為OD > 6的長通濾光片。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種近紅外激光掃描共聚焦成像系統(tǒng)，包括采用共聚焦結(jié)構(gòu)的掃描光路單元和控制單元，該掃描光路單元包括近紅外激光光源、準(zhǔn)直擴束模塊、激光濾光片、二向色反射鏡、掃描振鏡、f-theta透鏡、鏡筒透鏡、成像物鏡、熒光濾光片、會聚透鏡、針孔和探測器等，該控制單元包括用于控制掃描振鏡的運動控制模塊，用于采集探測器輸出信號的數(shù)據(jù)采集模塊以及與運動控制模塊和數(shù)據(jù)采集模塊連接的數(shù)據(jù)處理模塊等。其配套的方法為以熒光發(fā)射光譜在932~1250nm之間的近紅外量子點標(biāo)記樣品，再以前述近紅外激光掃描共聚焦成像系統(tǒng)對樣品進行檢測。本發(fā)明能精確高效地實現(xiàn)對生物組織等樣品的深層次成像，且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，易于操作。
文檔編號G01N21/64GK102706846SQ20121019584
公開日2012年10月3日 申請日期2012年6月14日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月14日
發(fā)明者吳東岷, 李敏, 王懋, 翟曉敏 申請人:中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所