一種用于延遲發光測量的圓柱式光斬波器的制作方法

本發明涉及一種光斬波器，該光斬波器可以用于延遲發光的測量和成像。屬于光學儀器制造領域。

背景技術：

在光致發光現象中，分子受光照激發躍遷到激發態，激發態的分子可通過釋放光子回到基態，即分子的熒光或磷光。分子的激發態存在壽命，即激發態的分子要在過一段時間之后才釋放光子回到基態，且不同分子的激發態壽命各不不同，分子激發態壽命越長，其發光持續時間越長。通常情況下，分子的熒光壽命在納秒級，磷光壽命可以達到微秒級以上。延遲熒光分子，其壽命也可以達到微秒級甚至毫秒級。近些年發展的一些磷光分子，壽命可以達到秒級。此外一些無機納米材料，其壽命在毫秒級以上。這些長壽命的發光統稱為延遲發光，也被稱為輝光。

在熒光和磷光的測量中，一般需要構建兩個光路：光路一是激發光照射樣品的光路，即從光源發出的光經過透鏡、光柵等部件后會聚到樣品上，其目的是使樣品中的分子受光照激發；光路二是探測器探測樣品發光的光路，即樣品發光經過透鏡、光柵等部件后到達探測器。在穩態的測量過程中，光路一和光路二同時打開，即激發光一直照射樣品的條件下測量，這種方式可以獲得樣品發光光譜和強度的信息，但是不能得到樣品激發態壽命的信息。

隨著科學的發展，分子的激發態研究在基礎科學和檢測應用中越來約重要。為了獲得分子激發態壽命的信息和時間分辨的光譜，人們發展了瞬態光譜儀。瞬態光譜儀，包括瞬態吸收和瞬態熒光光譜儀，在光物理光化學的研究中有重要應用。（參考專利公開說明書CN201310392018.6、CN200510092520.0、CN201180017387.6、CN201110005032.7等。）為了實現時間分辨的測量，可采用脈沖光源激發樣品，同時利用具有高時間分辨率的光電倍增管、單光子計數器或具有門控功能的CCD測量其延遲的吸收或者發光信號，以獲得分子激發態的壽命等信息。然而為了實現高的時間分辨率，這類光譜儀通常需配備價格昂貴的脈沖激光器和CCD。而且激光器是單一波長，不能實現全波段的測量。配置不同波長的激光器可以部分解決這個問題，然而卻導致儀器的成本大大增加。為了降低成本，人們將光斬波器應用到瞬態光譜的測量中。

光斬波器簡稱斬光器，可以把連續光源發出的光，調制成脈沖或交變的光信號。（參考專利公開說明書CN200710025960.3、CN201310342971.X、CN200410093016.8，中國專利申請號201520771676.0等。）傳統斬光器主要部件之一是斬光盤，也叫斬光片，斬光盤上分布著幾個或多個通光孔，通常這些通光孔以軸心為中心成中心對稱分布。當電機控制斬光盤，在一定轉速下，連續光源經過斬光盤上的通光孔后，即被調制成一定頻率的周期性脈沖光。

在一些應用中，可在光譜儀的激發光的光路后加一個斬波器，這樣就將穩態的光源變成了模擬的瞬態光源，同時在探測器的前面再加一個斬波器，用來調節延遲時間和快門時間，以實現時間分辨的測量。同樣的方案可以用于時間分辨的熒光顯微鏡的設計。（參考文獻Anal. Chem. 2011, 83, 2294-2300。）并在生物成像領域中有重要應用。

然而在上述解決方法中，需要對兩個斬波器進行協同控制，或者協同控制脈沖光源和斬波器，由于現有的斬波器一般采用電機機械調制，其精度受電機轉速影響較大，其調制出的脈沖光源本身帶有一定的時間誤差，加上要對兩個斬波器同步控制，必然使誤差加大，降低了整體測量的時間分辨率。提高單個斬波器的精度可以提高整體測量的時間精度，但是斬波器的成本隨之增加。

中國專利（申請號201520771676.0）公開了一種光學斬波器，將兩個斬光盤的轉動通過齒輪或傳送帶耦合，使一個電機同時控制兩個斬光盤，避免了電機轉速不穩導致的散射光干擾，專利CN106066317A公開了將光學斬波器用于延遲發光測量的方法，利用反光鏡或棱鏡反射，以控制測量光路的方向，使用一個斬光盤也可以用于延遲發光的測量。

上述兩種方法具有較廣泛的適用性。然而使用兩個斬光盤或者改變光路方向，都增加了儀器的復雜程度。此外，在測量延遲時間非常短的發光信號時，需要斬光盤高速轉動，以達到快速斬光的目的，這必然會加劇齒輪嚙合處的磨損。

技術實現要素：

為了解決上述問題，降低散射光干擾，并簡化儀器，本發明設計了一種光斬波器，該斬波器使用電機調制，其斬光盤由圓柱的底面和側面構成，圓柱的底面和側面分別分布有通光孔，當該光斬波器繞圓柱軸轉動的時候，可以同時對垂直于圓柱底面和側面的光路進行斬光控制。

將上述斬波器應用于延遲發光的測量方法為：測量中有兩條光路：光路一是激發光照射樣品的光路，其目的是使樣品中的分子受光照激發；光路二是探測器探測樣品發光的光路，即樣品發光到達探測器。將樣品放置于合適的位置，使兩條光路不分先后，分別經過圓柱式斬波器的側面和底面，當斬波器繞圓柱的軸轉動，其側面和底面可以分別對兩條光路進行斬光，即實現兩次斬光：對光路一的斬光相當于把穩態光源轉變成脈沖光源；對光路二的斬光相當于探測器快門的開合。兩次斬光就實現了脈沖信號發生和延遲探測的協同控制。

該斬波器不需要齒輪嚙合，結構簡單，并且適用于許多熒光儀和成像系統。

按照上述方法將上述斬波器裝載在熒光光譜儀或熒光成像裝置中，構建合適的光路，可以實現樣品延遲發光的測量或成像。在這樣的裝置中，其含有光源、樣品架或樣品室、探測器等一般穩態熒光儀或成像裝置的基本零部件，還含有一個上述斬波器。此外，該裝置的光路為：光源發出的光經過斬波器的側面或底面，作為激發光照射樣品，然后樣品的光經過斬波器的底面或側面，到達探測器。

在光路上，還可以搭配狹縫、光柵、透鏡、濾光片、分光片、衰減片等，還可以增加二向色鏡、棱鏡、反光鏡或光纖以改變光路的方向。只要測量中，光源照射樣品之前先經過了斬波器，樣品的發光經過斬波器后再到達探測器，則測量延遲發光的原理都是一樣。

本發明的斬波器非常適合于含有二向色鏡的熒光成像系統中，將二向色鏡置于圓柱斬波器的內部，可以將垂直于圓柱側面的入射光反射到圓柱底面的方向，處于該方向的樣本受激發后，其發光延反方向透過二向色鏡，并穿過圓柱另外一個底面，即可實現兩次斬光。

上述延遲發光的測量或成像中，當光源發光通過斬波器的側面通光孔照射到樣品上的時候，斬波器的底面正好擋住了樣品到探測器的光路；當斬波器轉動使光源到樣品的光路被斬波器的側面擋住的時候，斬波器的底面正好也繞軸轉過了一個角度，使得樣品的發光可以通過斬波器底面的通光孔的到達探測器，相當于快門開啟并收集光信號。由于一次照射所收集的信號較弱，可以使斬光盤勻速轉動，反復上述測量過程，并累積多次測量的信號，以獲得理想的信號強度。

該裝置用于時間分辨的成像（時間門的成像，又或者延遲成像），其原理與前面延遲發光的測量的原理一致，都是通過一個斬波器對光源和樣品發光同時進行斬光：對光源斬光，可以將光源轉化為脈沖光源；對樣品發光斬光，相當于控制延遲時間和快門時間。由于兩次斬光是由一個斬波器進行，放置好樣品的位置，使入射光和出射光不在同一時間經過通光孔，即可以確保兩次斬光在時間上完全錯開。因而在這個方法中，即使電機轉速稍有不穩定，使頻率出現偏差，進行多次測量也不會出現漏光現象，即完全排除了背景散射光的干擾。相對于分別使用兩個斬波器控制脈沖光和快門，極大提高了檢測的信噪比。此外，由于該方法將快門控制與斬光控制同步，因而在延遲光譜及時間分辨的成像應用中，無需再配備脈沖發生器、延遲發生器和快門附件等，簡化了儀器裝置并降低了成本。

從該測試的原理可知，該光譜儀可以搭配任意的穩態光源使用，如汞燈、氙燈等，相對于使用單一波長的脈沖激光器，其激發波長可以使用光柵調節，范圍覆蓋廣，可以測試不同激發波長的物質，大大降低了成本。該方法也可以搭配大功率的近紅外激光器，如980nm、808nm等，可以用于上轉化材料或近紅外發射材料的時間分辨的成像。

附圖說明

圖1為圓柱式斬波器用于測量延遲發光的結構示意圖，101為斬波器，102為側面通光孔，103為底面通光孔，104為樣品池。

圖2為一種可分離式斬波器。

圖3為正置的延遲發光成像裝置結構示意圖，201為斬波器，202為側面通光孔，203為底面通光孔，204為二向色鏡，205為物鏡，206為樣品臺，207為樣品，208為透鏡，209為探測器。

圖4為倒置的延遲發光成像裝置結構示意圖，各零部件與圖3相同。

圖5為圓柱式斬波器與激發模塊聯用的結構示意圖，301為斬波器，302為底面通光孔，303為側面通光孔，304為激發模塊，305為濾光片，306為二向色鏡，307為濾光片。

具體實施方式

為了說明本發明的原理以及其優勢，下面通過具體實施例對本發明作進一步的說明，其目的在于幫助更好的理解本發明的內容，但這些具體實施方案不以任何方式限制本發明的保護范圍。 在實際應用中，可以根據具體情況實施最合適的方案。

實施實例1 ，斬波器用于測量延遲發光。

如圖1所示，為圓柱式斬波器測量延遲發光的示意圖，圓柱式斬波器101上具有側面通光孔102和底面通光孔103，激發光通過側面照射到樣品池104上，樣品受激發后發出熒光或者磷光經過底面射出，之后被探測器檢測。

該裝置測量延遲發光的原理如下：當斬波器繞圓柱軸轉動的時候，側面通光孔102對入射光進行斬光，將入射光變為脈沖光，在某一時刻，入射光照射到樣品上的時候，樣品的發光被斬波器的底面擋住，當斬波器轉過一個角度，使側面擋住了入射光，此時底面的通光孔103正好轉到了樣品池的上方，使樣本的延遲發光射出。斬波器勻速轉動，如此循環，可以累積多次測量的信號。只要樣品發光通過底面通光孔103的時候，斬波器的側壁擋住了入射激發光，就可以實現樣本延遲發光的測量。

從上述過程可知，脈沖、延遲、快門均由一個斬波器控制，多周期測量的過程中，即使斬光盤轉速不穩，而使頻率有所抖動，也可以確保脈沖、延遲、快門依次發生，使樣品散射光被阻擋在外，降低了非延遲發光的干擾。

按同樣的原理，斬波器側面和底面的通光孔數量不限于2個，其它孔數的斬波器也可以用于上述延遲發光的測量，在具體的測試中，可以根據樣品的激發態壽命選擇合適孔數的斬波器。

在這種測量方式中，斬波器轉速、側面通光孔和底面通光孔的大小和相對位置決定了測量的大致延遲時間和快門時間。

假設斬波器轉速為x轉/秒，側面和底面分別均勻分布了y個通光孔，以轉軸為圓心，側面通光孔對應的弧度為2π/m，底面通光孔對應的弧度為2π/n，當入射光被擋住后，斬波器需要再轉過2π/l的弧度才使樣本發光從斬波器射出，則脈沖頻率為xy赫茲，周期為1/(xy)秒，脈寬為1/(xm)秒，快門時間為1/(xn)秒，延遲時間為1/(xl)秒。

如果x=200，y=10，n=50，m=l=500，則周期為1000微秒，快門為100微秒，延遲時間為10微秒。可以測量許多物質的延遲發光，這些樣品有磷光金屬配合物，長壽命的延遲熒光分子，稀土納米材料等。

要測量壽命更短的樣品，可以提高斬波器的轉速或頻率。如果斬波器的頻率為200千赫茲，則周期為5微秒，調節側面通光孔和底面通光孔的大小，及相對位置，可以使脈寬、延遲和快門時間總和在5微秒以內，可以測量大部分延遲熒光分子和磷光分子的延遲發光。

在上述光路中，還可以增加透鏡，使激發光集中于樣品上，或者使樣品發光集中到探測器上，以增強信號強度。

此外，該斬波器可以設計成可分離式，如附圖2所示，底面和側面可以拆開、重新組合，這樣就可以調節底面和側面通光孔的相對位置，達到調節延遲時間的目的。其中底面和側面的組合方式不限于附圖中的方式，其它的組合方式以及一些常用的緊固件也可以用于這類斬波器中。

該斬波器可以搭配任意的穩態光源使用，也可以搭配大功率激光器，用于上轉換發光的時間分辨光譜的測量。

實施實例2 ，斬波器用于延遲發光的成像。

成像設備的結構示意圖如附圖3和附圖4所示，激發光經過圓柱式斬波器201的側面轉變為脈沖光源，再經過二向色鏡204反射，經過物鏡205后照射樣品臺206中的樣品207，樣品發光依此經過物鏡205、二向色鏡204，再經過斬波器的底面、透鏡208后到達探測器209。

斬波器轉動過程中，激發光必須經過斬波器201的側面通光孔202才能照射樣品，樣品發光也必須經過底面通光孔203才能到達探測器，但是這兩次光經過通光孔的時間不同，存在先后次序，因而探測器可以可以拍攝樣品的延遲發光照片。延遲測量的原理與實施實例1相同。

圖3和圖4采用了相同的元件，區別在于，圖3是正置成像系統，圖4是倒置成像系統，分別適用于不同的檢測用途。

省略物鏡205和透鏡208，該裝置也可以用于延遲發光成像，只是成像的焦平面不同。

二向色鏡204也可以換成分光片、長波通、短波通、帶通、帶阻濾光片或顏色濾光片，以實現反射和透射光譜的分離，可以根據激發光光譜和樣品發光顏色選擇合適的濾光片。

選擇合適的物鏡和透鏡，該裝置可以用于延遲發光的顯微成像。相對于一般的熒光顯微鏡，其優勢在于，測量延遲發光，可以簡化濾光系統，顯著降低成本。相對于其它的時間分辨的顯微鏡，該裝置不需要專門的脈沖光源，也不需要延遲控制器，帶有門控功能的CCD探測器，因而成本低廉。此外，可以搭配各種穩態光源，包括氙燈汞燈LED，大功率近紅外光源，用于上轉換的時間分辨成像。

實施實例3，斬波器用于熒光顯微鏡的時間分辨成像。

市面上現有的熒光顯微鏡大多采用二向色鏡的激發模塊，如圖5所示，304為激發模塊，其中含有三塊濾光片，其中二向色鏡306與濾光片305和307呈45度夾角放置，這類激發模塊在熒光顯微鏡中廣泛使用，入射光經過濾光片305過濾再被二向色鏡306反射至樣品處，樣品的熒光透過二向色鏡和濾光片307后再到達探測器，該光路與圖3和圖4中的光路類似，因而，本發明的斬波器可以結合激發模塊裝載在這些熒光顯微鏡上，實現時間分辨的熒光成像。圖5為斬波器301和激發模塊304聯合使用的示意圖，入射光必須經過斬波器的側面通光孔303才能進入激發模塊304，從激發模塊射出的熒光必須經過底面通光孔302才能被探測器檢測。因而當斬波器301勻速轉動的時候，入射光和出射光交替通過斬波器和激發模塊，從而屏蔽了散射光，實現時間分辨的熒光成像。

此外，實例1到實例3中的所有裝置中，可以使用其它孔數的斬光盤，以改變斬光頻率。還可以根據被測物發光的性質，在光路上添加狹縫、光柵、透鏡、濾光片、分光片、衰減片等，還可以增加二向色鏡、棱鏡、反光鏡或光纖以改變光路的方向，以增強檢測的信噪比。