專利名稱：光纖連續激發顯微熒光光譜成像儀的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種光譜成像儀，尤其是連續可調的顯微熒光光譜成像儀，屬于物理光學領域。
背景技術：
在傳統的顯微熒光圖像系統中，熒光顯微鏡形成被觀察試樣的放大熒光圖像；這種熒光圖像是通過熒光激發光源和濾光片組選擇的一種波長激發光照射試樣使之發射熒光形成的。如要試樣在不同波長照射下激發不同波長的熒光，則需要配置不同的濾光片組。因為熒光顯微鏡結構上的原因或經濟上的原因(濾光片組價格較高)，通常一般落射熒光顯微鏡上只配置2至3組濾光片組，因而只能提供2至3種不同波長范圍的激發光(一般為紫外、藍光和綠光三種)；高檔顯微鏡可提供4至5種甚至更多的濾光片組，不過這些濾光片組的價格可能就會達到顯微鏡本身的價值甚至更高。此外，即使配置多組濾光片組，也只能達到有級調光，不可能獲得激發波長在需要范圍內可連續改變的無級調光效果；而現代生物、醫學、藥物、新材料研究、臨床檢驗和生產中會遇到越來越多的需要不同最佳激發光波長的熒光物質，或不知最佳激發波長的試樣、或可在不同激發波長發射不同熒光的試樣。因此，研發可提供連續可調的顯微熒光光譜圖像系統十分必要。
實用新型內容本實用新型所要解決的技術問題是，克服上述現有技術的不足，提供一種激發波長在需要范圍內可連續改變的光纖連續激發顯微熒光光譜成像儀。
為解決上述技術問題，本實用新型的光纖連續激發顯微熒光光譜成像儀，包括在光路上依次連接的顯微鏡用自動線性可變單色照明裝置、熒光顯微鏡、圖像適配器和CCD攝像器件，在電路上通過數據線依次連接在所述CCD攝像器件與顯微鏡用自動線性可變單色照明裝置之間的圖像采集卡和計算機，以及在電路上通過數據線與所述計算機連接的圖像顯示器；所述的顯微鏡用自動線性可變單色照明裝置，包括光源、具有入縫和出縫的光譜單色器以及設置在所述光源與光譜單色器之間的聚光系統，其特征是，它還包括透紫外純石英光纖，透紫外純石英光纖的一端通過光纖接口與所述光譜單色器的出縫連接，透紫外純石英光纖的另一端通過光纖耦合接口與顯微鏡的燈室連接；所述光譜單色器內，在光路上依次設置有反射凹面鏡、與步進電機的軸連接的光柵和聚光凹面鏡，光譜單色器的相對孔徑f/#＝3.1，聚光凹面鏡焦距為120mm，光柵為1200l/mm光柵；
所述的熒光顯微鏡中的反射鏡是對波長值不敏感的中性半透明半反射鏡片。
所述顯微鏡用自動線性可變單色照明裝置的光源是可以是100瓦的超高壓汞燈，也可以是100瓦的超高壓氙燈。
所述的熒光顯微鏡是落射式熒光顯微鏡。
與現有技術相比，本實用新型具有以下有益效果(1)可獲得試樣顯微熒光光譜圖像上任一點在不同激發波長時的熒光強度變化譜線，因而可找到該試樣上任何點的最佳激發波長，對具體對象獲得定性、定量和定位分析結果；(2)熒光顯微鏡中，采用對波長值不敏感的中性半透明半反射鏡片取代只對特定波長具有透射/反射特性的二向色反射鏡，可對250～680nm全波長范圍適用，不需更換二向色反射鏡；(3)可省掉激發濾光片組；(4)單色光譜范圍可擴展到紫外；(5)可在250～680nm波長范圍內提供連續可調的任意波長、可直接耦入落射式熒光顯微鏡的不同波長激發光；(6)可實現波長反復掃描、定波長繳發、波長步進等熒光繳發功能；(7)在一臺熒光顯微鏡上同時實現顯微熒光圖像分析(獲取圖像信息)和顯微熒光光譜分析(獲取成分和含量信息)。
圖1是顯微鏡用自動線性可變單色照明裝置與顯微鏡的連接示意圖。
圖2是顯微鏡用自動線性可變單色照明裝置的光纖圓形開口連接端面示意圖。
圖3是顯微鏡用自動線性可變單色照明裝置的光纖及其連接端面示意圖。
圖4是顯微鏡用自動線性可變單色照明裝置的光纖矩形開口連接端面示意圖。
圖5是顯微鏡用自動線性可變單色照明裝置的功能控制器的原理方框圖。
圖6是本實用新型的原理方框圖。
附圖標記1、光源 2、聚光系統 3、入縫 4、聚光凹面鏡5、光柵 6、反射凹面鏡 7、出縫 8、光纖接口9、透紫外純石英光纖 10、光纖耦合接口11、熒光顯微鏡 12、光譜單色器13、耦合成像透鏡具體實施方式
以下結合附圖和具體實施方式
對本實用新型作詳細說明。
如果要滿足自動波長選擇而不是手動濾光片組切換的話，首先必須得到單色光。在此采用光柵色散型分光光譜單色儀來得到單色光。但是由于要將單色光作為顯微鏡的照明光源，它必須具有足夠大的光通量才能觀測到標本或者標本所發射的熒光，這可以通過兩個途徑來實現一是無限增大光源(汞燈或者氙燈)的功率；其二是采用較大的相對孔徑f/#，從而更多地收集入射光能量。增大光源功率涉及到散熱和光學元件的選擇等一系列問題，不能無限增大，而且通常熒光顯微鏡的光源就是100W的超高壓汞燈(HBO)，因此我們采用了第二種增大光通量的途徑，重新設計并生產的光譜單色儀的f/#＝3.1，光柵1200l/mm，聚光凹面鏡焦距為120mm。實驗證明，該單色器可基本滿足照明要求。
光譜單色儀如何與顯微鏡的連接，一種是直接剛性機械連接，一種是采用光纖的軟性連接。由于剛性連接需增加相應的光學系統，而且使得儀器體積龐大笨重，故考慮使用光纖如圖3所示的靈活連接。將光纖一端的連接端面固定在光譜單色儀的出縫，該光纖連接端面有矩形的開口，如圖4所示；另一端的光纖連接端面具有圓形開口，如圖2所示，通過設置在其內的耦合成像透鏡與顯微鏡連接，從而實現光纖的軟性連接。
圖6所示的本實用新型的光纖連續激發顯微熒光光譜成像儀總體框圖，包括在光路上依次連接的顯微鏡用自動線性可變單色照明裝置、熒光顯微鏡、圖像適配器和CCD攝像器件，在電路上通過數據線依次連接在所述CCD攝像器件與顯微鏡用自動線性可變單色照明裝置之間的圖像采集卡和計算機，以及在電路上通過數據線與所述計算機連接的圖像顯示器。
顯微鏡用自動線性可變單色照明裝置用于為熒光顯微鏡提供波長連續可調的單色激發光，包括如圖1所示的光源1、聚光系統2、光譜單色器12、透紫外純石英光纖9和光纖連接端面8、10，以及圖5所示的功能控制器。其中，光譜單色器12由入縫3、反射凹面鏡6、光柵5、聚光凹面鏡4、出縫7組成；光纖連接端面10內設置有耦合成像透鏡13。
光源1可以采用100瓦的超高壓汞燈，也可以采用100瓦的超高壓氙燈，以產生光譜單色器12所需的足夠的光通量。聚光系統2可由2個凸透鏡構成，用于將光源1產生的復合光光束聚焦，在入縫3處得到一個很小的點光源，聚焦后的復合光光束經入縫3射入光譜單色器12內。
光譜單色器12用于產生單色光，光譜單色器12內設置有反射凹面鏡6、聚光凹面鏡4和由步進電機控制的可轉動的光柵5，光譜單色器12的f/#＝3.1，光柵5為1200l/mm光柵，聚光凹面鏡4的焦距為120mm，出縫7處的光束的波長與所述光柵5的轉角的正弦呈線性關系。
透紫外純石英光纖9的一端通過光纖連接端面8與光譜單色器12的出縫7連接，用于將在出縫7處的單色光耦合到光纖9并輸出，光纖連接端面8有矩形的開口；另一端光纖連接端面10與所述的熒光顯微鏡軟性連接，光纖連接端面10內設置有耦合成像透鏡13，耦合成像透鏡13用于將光纖傳輸的單色光耦合到熒光顯微鏡。
圖5所示的功能控制器，由微處理器、通過數據線分別與微處理器連接的數字顯示器、輸入鍵盤、電機驅動裝置和通信接口以及通過數據線與所述電機驅動裝置連接的步進電機組成，微處理器、數字顯示器、電機驅動裝置和步進電機還分別與電源連接。微處理器內存儲有控制軟件，用于實現參數設置、移動到指定波長及雙波長掃描等功能。電機驅動裝置在微控制器的控制下通過驅動步進電機帶動光柵5轉動，以實現光譜單色器12內單色光波長的自動線性可變。通信接口用于與外部設備和網絡進行數據交換。
功能控制器的面板上有復位、移動到指定波長掃描、掃描、功能設置選項等按鍵，可以實現定波長掃描、雙波掃描波長、步進移動等功能，可以設置掃描速度、停留間隔時間、步進方向、顯示模式等參數。獲取某個指定波長的單色光既可通過控制器與計算機通信控制，也可以直接從控制器上輸入指令。
圖2、3、4所示的石英光纖及其連接端口，透紫外純石英光纖9的一端通過矩形開口連接端面8與光譜單色器12的出縫7連接，用于將在出縫7處的單色光耦合到光纖9并輸出；另一端通過圓形開口連接端面10與所述的熒光顯微鏡軟性連接，光纖連接端面10內設置有耦合成像透鏡13，耦合成像透鏡13用于將光纖傳輸的單色光耦合到熒光顯微鏡。
顯微鏡用自動線性可變單色照明裝置的工作原理如下，光源1超高壓汞燈或(超高壓氙燈)發出的光，經過聚光系統2，在光譜單色器12的入縫3處得到一個很小的點光源，光譜單色器12的聚光凹面鏡4、光柵5、反射凹面鏡6一起組成光柵色散型分光系統，在出縫7處得到單色光。波長的調整是由在微處理器控制下的步進電機帶動光柵5轉動來完成的，由于光柵色散在成像譜面上是按照波長均勻分布的，出縫處光的波長與光柵5的轉角的正弦值是線性關系，因此只要調整步進電機的轉動步數，就可以線性可變地得到不同波長的單色光。單色光是通過固定在出縫7處的光纖連接端面8中的透紫外純石英光纖9輸出的。
顯微鏡用自動線性可變單色照明裝置與顯微鏡11連接時，需將熒光顯微鏡11的燈室取下，使光纖連接端面10通過其中的耦合成像物鏡13和熒光顯微鏡物鏡后成像在略大于顯微鏡工作距離的地方，再微微移動光纖端面，盡量使單色光照明均勻。試樣可以通過目鏡觀察或者CCD光電轉換和圖像采集系統獲得數字化圖像。
在250nm～680nm之間，光柵色散系統使得所獲得的單色光的波長隨步進電機的轉動步數線性變化，因此，單色光的線性可變調整可通過在微處理器控制下設置步進電機的轉動步數來實現的。獲取某個指定波長的單色光既可通過控制器與計算機通信控制，也可以直接從控制器上輸入指令。控制器具有復位、定波長掃描、雙波長掃描、步進移動等功能，可以設置掃描速度、停留間隔時間、步進方向、顯示模式等參數。
有關醫院利用該單色照明裝置的顯微鏡觀察用猴肝等染色試片，觀察到了粗顆粒型、細顆粒型、鞭毛蟲等核型熒光，數字成像后可重現在250～680nm范圍內的光譜圖像，特別是能夠觀察到紫外激發熒光。
落射式熒光顯微鏡用于將單色激發光向下投射到試樣，并收集試樣各處發出的熒光形成顯微熒光圖像，熒光顯微鏡中的反射鏡是對波長值不敏感的中性半透明半反射鏡片。圖像適配器可以由2個凸透鏡組成，用于將熒光顯微鏡形成的顯微熒光圖像成像到CCD攝像器件。
CCD攝像器件用于將顯微熒光圖像的光信號轉換成相應的模擬電信號。采用可同時接收一個平面上各點的光信號、并轉換成相應電信號的面陣CCD光電攝像器件，可形成連續可變波長或若干不同波長激發光下的一系列二維熒光圖像，從而實現不同的觀測目的。
圖像采集卡用于將顯微熒光圖像的模擬電信號轉換成數字電信號，輸出至所述的計算機，計算機對顯微熒光圖像的數字電信號進行處理后輸出至所述的圖像顯示器顯示，計算機還對其顯微熒光圖像的電信號的傳輸、存儲進行操作控制。
權利要求1.一種光纖連續激發顯微熒光光譜成像儀，其特征是，它包括在光路上依次連接的顯微鏡用自動線性可變單色照明裝置、熒光顯微鏡、圖像適配器和CCD攝像器件，在電路上通過數據線依次連接在所述CCD攝像器件與顯微鏡用自動線性可變單色照明裝置之間的圖像采集卡和計算機，以及在電路上通過數據線與所述計算機連接的圖像顯示器；所述的顯微鏡用自動線性可變單色照明裝置，包括光源、具有入縫和出縫的光譜單色器以及設置在所述光源與光譜單色器之間的聚光系統，其特征是，它還包括透紫外純石英光纖，透紫外純石英光纖的一端通過光纖接口與所述光譜單色器的出縫連接，透紫外純石英光纖的另一端通過光纖耦合接口與顯微鏡的燈室連接；所述光譜單色器內，在光路上依次設置有反射凹面鏡、與步進電機的軸連接的光柵和聚光凹面鏡，光譜單色器的相對孔徑f/#＝3.1，聚光凹面鏡焦距為120mm，光柵為1200l/mm光柵；所述的熒光顯微鏡中的反射鏡是對波長值不敏感的中性半透明半反射鏡片。
2.根據權利要求1所述的一種光纖連續激發顯微熒光光譜成像儀，其特征是所述顯微鏡用自動線性可變單色照明裝置的光源是100瓦的超高壓汞燈。
3.根據權利要求1所述的一種光纖連續激發顯微熒光光譜成像儀，其特征是所述顯微鏡用自動線性可變單色照明裝置的光源是100瓦的超高壓氙燈。
4.根據權利要求1所述的一種光纖連續激發顯微熒光光譜成像儀，其特征是所述的熒光顯微鏡是落射式熒光顯微鏡。
專利摘要本實用新型公開了一種光纖連續激發顯微熒光光譜成像儀，包括在光路上依次連接的顯微鏡用自動線性可變單色照明裝置、熒光顯微鏡、圖像適配器和CCD攝像器件，在電路上通過數據線依次連接在所述CCD攝像器件與顯微鏡用自動線性可變單色照明裝置之間的圖像采集卡和計算機，以及在電路上通過數據線與所述計算機連接的圖像顯示器；顯微鏡用自動線性可變單色照明裝置的光譜單色器的相對孔徑f/#＝3.1，聚光凹面鏡焦距為120mm，光柵為1200l/mm光柵。本實用新型可找到試樣上任何點的最佳激發波長，對具體對象獲得定性、定量和定位分析結果；可在一臺熒光顯微鏡上同時實現顯微熒光圖像分析和顯微熒光光譜分析。
文檔編號G01J3/00GK2672632SQ20032013096
公開日2005年1月19日 申請日期2003年12月31日 優先權日2003年12月31日
發明者范世福, 肖松山, 趙友全, 李昀, 趙玉春, 張思祥 申請人:天津大學