CN100424498C - 荧光光学成像装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种荧光光学成像装置。包括光密闭箱，激发光源、成像模块、成像支架和控制部分；激发光源产生用于激发荧光的激发光；成像模块包括成像探测器和荧光滤光片，荧光滤光片置于成像探测器前；成像支架结构为，定位螺杆固定在底座上，直线导轨下端与定位螺杆间隙配合，成像探测器平台与直线导轨间隙配合，活动杆位于底座上；控制部分包括中心控制器、多角度成像控制器，中心控制器通过多角度成像控制器控制直线导轨绕定位螺杆转动实现从多个角度对物体进行成像。本发明结构简单，配置灵活，费用低，体积小、可便携，多种实现方式可适用于不同应用场合，广泛用于生物医学、农业、地质、考古、石油等领域。

Description

荧光光学成像装置

技术领域

本发明涉及一种光学成像的装置，特别是关于从多个方向激发物质的荧光，从多个角度对物质的荧光进行光学成像的装置。

背景技术

一些物质能从外界吸收并储存能量(如光能、化学能等)而进入激发态，当其从激发态再回复到基态时，过剩的能量以电磁辐射的形式发射(即发光)，这个辐射称为荧光，这个利用外界能量获得荧光的过程即为荧光的激发。不同物质的荧光特征会有所不同，利用物质的荧光特征，可将其用于分析物质的组成成份，也可将其作为示踪物标记其它物体，进而跟踪被标记物的行为。荧光光学成像是对物体的荧光进行光学成像，可用于生物、医学、石油、化学化工和考古等各种应用中荧光图像的获取。进行荧光光学成像时，在荧光光谱范围内应无其它的干扰光。

进行荧光光学成像的物体的表面是三维空间中的曲面，单次成像是从三维向二维映射的过程，有些部位会被遮挡，无法获得这些被遮挡部位的信息。成像的物体一般是不宜翻动的，一旦对物体进行翻转，其各构成部分将发生相对滑动，所以不能通过翻转物体本身以实现多角度成像，需要通过改变成像物体与成像探测器之间的相对位置，实现多角度成像，以获得这些被遮挡部位的信息。同样，激发光仅从单方向照射被成像物体或照射方向不对，将出现有些部位会被遮挡，使激发光无法照射到这些被遮挡的部位，不能激发这些被遮挡部位的荧光，无法获得完整的荧光行星。

目前，通常采用体视荧光显微镜和整体荧光成像系统对尺寸达到厘米级的物体进行荧光光学成像。

采用现有体视荧光显微镜的缺点：

(1)采用落射照明方式向被成像物体照射激发光。采用这种非多方向的照明方式，会出现物体靠近物镜方向的部位遮挡远离物镜方向的部位，在成像时也无法根据需要改变激发光照射方向。

(2)很难直接对尺寸大于30mm*40mm的物体进行整体荧光光学成像。

(3)成像系统光学放大倍数的改变需通过体视荧光显微镜完成，而成像探测器参数的设置如曝光时间等要通过计算机完成，这两步操作是分开的，未通过同一设备如计算机控制完成，操作过程复杂。

(4)不是光密闭的，需要在暗室中工作。

采用光密闭的整体荧光成像系统的缺点：

(1)采用双侧平行照明方式照射激发光，激发滤光片安装在导光装置的输出端。仅采用双侧平行照明，难以保证照明场的均匀一致性；将激发滤光片安装在导光装置的两个输出端，更换繁琐。

(2)在成像物体侧边安置反射镜，通过镜面反射实现从三个角度对物体进行成像。通过该方式实现多角度成像，其一，对不同尺寸的物体进行荧光光学成像时，需要调整反射镜位置和方向；其二，降低了成像的空间分辨率；其三，要实现超过三个角度的成像，需要调整反射镜的角度。

(3)光密闭箱的箱门是绕轴旋转打开的。打开箱门时，操作人员与光密闭箱之间必需保持较大距离，即操作时要有较大的操作空间。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足之处，提供一种荧光光学成像装置，该荧光光学成像装置实现从多个角度进行荧光光学成像，获得被成像物体的无遮挡荧光信息。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是，一种荧光光学成像装置，包括光密闭箱，激发光源、成像模块、成像支架和控制部分；激发光源产生用于激发荧光的激发光，激发光源的输出端为二个或二个以上，激发光照射到置于底座上的被成像物体上，激发被成像物体的荧光；成像模块包括成像探测器和荧光滤光片，荧光滤光片置于成像探测器前，荧光和反射的激发光照射到荧光滤光片，激发光被荧光滤光片滤除，荧光通过荧光滤光片进入成像探测器；成像支架的结构为，定位螺杆固定在底座上，直线导轨的下端与定位螺杆间隙配合，用于放置成像模块的成像探测器平台装在直线导轨上，活动杆位于底座上；控制部分包括中心控制器、多角度成像控制器，中心控制器通过多角度成像控制器控制直线导轨绕定位螺杆转动，从而改变成像探测器与被成像物体之间的相对位置，实现从多个角度对物体进行成像。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)本发明荧光光学成像装置实现从多个方向照射激发光，激发光的照射更加均匀；从多个角度对被成像物体进行荧光光学成像，可获得被成像物体全景式的荧光信息，多角度成像的操作简单。

(2)本发明荧光光学成像装置实现从多个角度对各种不同尺寸的被成像物体进行荧光光学成像，不需要调整反射镜。

(3)多角度成像、改变系统的光学放大倍数和设置成像探测器的参数由中心控制器统一控制，操作简单。

(4)激发滤光片置于光源与起分光作用的导光装置之间，这种滤光片前置的滤光方式减少了使用激发滤光片的数量。

(5)光密闭箱高度避光，不受环境光的影响，不需要在暗室中即可工作，通过侧拉实现箱门开或关，使得需要的工作空间小。

(6)即使采用非制冷的成像探测器，也可提高其信噪比7.5dB。

(7)本发明结构简单、配置灵活，可使用多种光源作为激发光源，可通过多种方式获得激发光，适用于不同的应用场合。

附图说明

图1为本发明荧光光学成像装置中，激发光源、成像模块、成像支架和控制部分的结构示意图。

图2为图1中成像模块一种实施例的结构示意图。

图3为图1中控制部分多角度成像控制器一种实施例的结构示意图。

图4为图3的局部放大图。

图5为图3的左视图。

图6为图1中控制部分多角度成像控制器另一种实施例的结构示意图。

图7为图6的左视图。

图8为图1中成像支架直线导轨转动的示意图。

图9为图1中激发光源一种实施例的结构示意图。

图10为图1中激发光源另一种实施例的结构示意图。

图11为图1中激发光源又一种实施例的结构示意图。

图12为活动杆一种实施例的结构示意图。

图13为活动杆另一种实施例的结构示意图。

图14为本发明荧光光学成像装置中，光密闭箱一种实施例的结构示意图。

图15为图14光密闭箱侧拉式箱门的示意图。

图16为图14光密闭箱侧拉式箱门的左视图。

具体实施方式

由图1所示，本发明由激发光源1、成像模块5、成像支架、光密闭箱和控制部分组成。

激发光源1产生用于激发荧光的激发光，激发光照射到置于底座9上的被成像物体上，激发被成像物体的荧光。

成像模块5包括成像探测器12和荧光滤光片11，荧光滤光片11置于成像探测器12前，反射的激发光和被成像物体被激发后发出的荧光照射到荧光滤光片11，激发光被荧光滤光片11滤除，荧光通过荧光滤光片11进入成像探测器12。

成像支架的结构为：定位螺杆2固定在底座9上，直线导轨8的下端与定位螺杆2间隙配合，用于放置成像模块5的成像探测器平台6装在直线导轨8上，活动杆10位于底座9上，活动杆10围绕支点旋转。

控制部分包括中心控制器3、多角度成像控制器14，中心控制器3通过多角度成像控制器14控制直线导轨8绕定位螺杆2转动，改变成像探测器12与被成像物体之间的相对位置，实现从多个角度对物体进行成像。中心控制器3可为计算机。

激发光源1的输出端可以为一个，最好为二个或二个以上，激发光源1从多个方向照射被成像物体。

在本发明中，还可安装有光学放大平台7，光学放大平台7装在直线导轨8上，位于成像探测器平台6的下方，在光学放大平台7上安装光学放大镜。成像探测器12直接提供的空间分辨率有限，成像中在光学放大平台7上安装光学放大镜，以获得更高的空间分辨率，以分辨被成像物体更精细的结构，扩展了本发明的光学放大倍数的变动范围。

由图2所示，在成像模块5中可包含恒温盒13。恒温盒13固定于成像探测器平台6上，成像探测器12置于恒温盒13内，荧光滤光片11安装于恒温盒13上，荧光滤光片11也可安装于恒温盒13外，位于成像探测器12镜头的下方。

温度控制器4与恒温盒13相接，温度控制器4可以采用半导体制冷方式或其它制冷方式来维持恒温盒13内的温度。以采用半导体制冷方式为例，在恒温盒13的顶端开有槽，半导体制冷器固定在槽内，冷端朝内，热端朝外，中心控制器3通过温度控制器4控制恒温盒13内的温度，使成像探测器12工作于设定的温度。成像探测器12可采用具有计算机控制接口的相机，这些相机可以是普通的、非制冷的相机。在本实施例中，恒温盒13的工作温度设置为0℃，成像探测器12工作的环境温度从室温25℃降低到0℃，相应地提高了图像的信噪比：(25-0)/10×3＝7.5dB。

由图3～图5所示，本发明多角度成像控制器14一种实施例的结构为，多角度成像控制器14包括电机、行星齿轮和导轨15，导轨15固定在底座9上，多角度成像控制器14可通过铰链连接于直线导轨8的上端，行星齿轮与导轨15上的齿纹啮合。由中心控制器3控制电机，电机施加动力于行星齿轮，行星齿轮沿导轨15转动，使多角度成像控制器14带动直线导轨8绕定位螺杆2转动，调整直线导轨8到指定位置后，成像探测器12曝光获取荧光信息；完成荧光信息获取后，中心控制器3再控制电机，根据新的需要调整直线导轨8到新的位置，由成像探测器获取新的信息。直线导轨8绕定位螺杆2转动是在垂直于定位螺杆2轴线的平面内转动。电机可选用步进电机。

在成像探测器12曝光获取荧光信息前，先根据需要调整好成像探测器平台6的位置，再通过紧固螺杆16将成像探测器平台6与直线导轨8相固定。若不需要调整成像探测器平台6，也可将成像探测器平台6设计成直接与直线导轨8相固定。

在成像探测器12曝光获取荧光信息前，先根据需要调整好光学放大平台7的位置，再通过紧固螺杆17将光学放大平台7与直线导轨8相固定。若不需要调整光学放大平台7，也可将光学放大平台7设计成直接与直线导轨8相固定。

由图6、图7所示，本发明多角度成像控制器14另一种实施例的结构为，多角度成像控制器14包括电机、太阳齿轮和行星齿轮18，行星齿轮18固定在直线导轨8的下端，定位螺杆2穿过行星齿轮18和直线导轨8的下端，太阳齿轮与行星齿轮18相啮合。电机施加动力于太阳齿轮，太阳齿轮带动行星齿轮18绕定位螺杆2转动，从而带动直线导轨8绕定位螺杆2转动。直线导轨8绕定位螺杆2转动是在垂直于定位螺杆2轴线的平面内转动。电机可选用步进电机。

由图8所示，直线导轨8绕定位螺杆2转动改变了成像探测器12与被成像物体之间的相对位置，从而实现了从多个角度对被成像物体进行成像。

由图9所示，激发光源的一种结构为，光源19发出的光照射到激发滤光片20，由激发滤光片20选出激发光，激发光经起分光作用的导光装置21照射到被成像物体上。光源19可以采用汞灯、氙灯等光源。

由图10所示，激发光源的另一种结构为，光源19发出的光经起聚光作用的导光装置22照射到激发滤光片20，由激发滤光片20选出激发光，激发光经起分光作用的导光装置21照射到被成像物体上。光源19可采用小功率光源，如小功率的发光二极管。

图9与图10中所说的起分光作用的导光装置21和起聚光作用的导光装置22可采用光纤。在上述激发光源1的两种实施例中，导光装置21的输出端个数为4个，激发光从4个方向照射被成像物体。活动杆10的个数与导光装置21的输出端的个数一致。

由图11所示，激发光源的又一种结构为，光源19发出的光照射到激发滤光片20，由激发滤光片20选出激发光，激发光照射到被成像物体上。光源19可采用大功率的发光二极管，耦合器23用来固定光源19和激发滤光片20。

在图10和图11中，光源19使用发光二极管时，本发明荧光光学成像装置的功耗低，体积小、可便携、需要的工作空间小，使用寿命长，费用低。光源19的个数由成像中激发荧光时需要的激发光的光功率和光源19输出激发光的光功率确定。

如图12所示，活动杆10可由紧固件24、连杆25组成，连杆25的下端置于底座9上的槽内，通过紧固件24将连杆25固定在底座9上。在成像探测器12曝光获取荧光信息前，可根据需要调整活动杆10的方向。活动杆10方向的调整：松开紧固件24，调整连杆25的方向，连杆25的方向调整好后，上紧紧固件24，固定连杆25。紧固件24可为螺杆或紧固螺钉。

如图13所示，活动杆10可由紧固件24、球体26和连杆27组成，球体26置于连杆27下端的槽内，且球体26固定于底座9上，通过紧固件24将连杆27与球体26相固定。在成像探测器12曝光获取荧光信息前，可根据需要调整活动杆10的方向。活动杆10方向的调整：松开紧固件24，调整连杆27的方向，连杆27的方向调整好后，上紧紧固件24，固定连杆27。

图9、10所示导光装置21的输出端和图11所示激发光源1既可固定于图12所示的连杆25上，也可固定于图13所示的连杆27上。激发光源1与活动杆10相连，成像时调整活动杆10的方向，从而改变激发光的照射方向。

由图14～图16所示，光密闭箱包括由四块挡板28构成的箱壁、底座9、横杆29和箱门30，箱门30为侧拉式或卷帘门式箱门，通过侧拉或卷放实现箱门30的开或关。箱门30为侧拉式时，横杆29与左右两侧的挡板28相固定，往左右两侧拉动箱门30，使箱门30沿着横杆29的轴向移动，实现开关光密闭箱。箱门30也可采用卷帘门式箱门，横杆29与左右两侧的挡板28间隙配合，箱门30的上端固定于横杆29上，横杆29绕自身的轴线转动，卷上放下箱门30，实现开关光密闭箱。上述成像支架固定于光密闭箱内。

Claims (9)

1. 一种荧光光学成像装置，包括光密闭箱，其特征在于：还包括激发光源(1)、成像模块(5)、成像支架和控制部分；

激发光源(1)产生用于激发荧光的激发光，激发光源(1)的输出端为二个或二个以上，激发光照射到置于底座(9)上的被成像物体上，激发被成像物体的荧光；

成像模块(5)包括成像探测器(12)和荧光滤光片(11)，荧光滤光片(11)置于成像探测器(12)前，荧光和反射的激发光照射到荧光滤光片(11)，激发光被荧光滤光片(11)滤除，荧光通过荧光滤光片(11)进入成像探测器(12)；

成像支架的结构为，定位螺杆(2)固定在底座(9)上，直线导轨(8)的下端与定位螺杆(2)间隙配合，用于放置成像模块(5)的成像探测器平台(6)装在直线导轨(8)上，活动杆(10)位于底座(9)上；

控制部分包括中心控制器(3)、多角度成像控制器(14)，中心控制器(3)通过多角度成像控制器(14)控制直线导轨(8)绕定位螺杆(2)转动，改变成像探测器(12)与被成像物体之间的相对位置，实现从多个角度对物体进行成像。

2. 根据权利要求1所述的荧光光学成像装置，其特征在于：还安装有光学放大平台(7)，光学放大平台(7)装在直线导轨(8)上，位于成像探测器平台(6)的下方，在光学放大平台(7)上安装光学放大镜。

3. 根据权利要求1或2所述的荧光光学成像装置，其特征在于：在成像模块(5)中包含恒温盒(13)，恒温盒(13)固定于成像探测器平台(6)上，成像探测器(12)置于恒温盒(13)内，中心控制器(3)通过温度控制器(4)控制恒温盒(13)内的温度。

4. 根据权利要求1或2所述的荧光光学成像装置，其特征在于：多角度成像控制器(14)的结构为，多角度成像控制器(14)包括电机、行星齿轮和导轨(15)，导轨(15)固定在底座(9)上，多角度成像控制器(14)连接于直线导轨(8)的上端，行星齿轮与导轨(15)上的齿纹啮合。

5. 根据权利要求1或2所述的荧光光学成像装置，其特征在于：多角度成像控制器(14)的结构为，多角度成像控制器(14)包括电机、太阳齿轮和行星齿轮(18)，行星齿轮(18)固定在直线导轨(8)的下端，定位螺杆(2)穿过行星齿轮(18)和直线导轨(8)的下端，太阳齿轮与行星齿轮(18)相啮合。

6. 根据权利要求1或2所述的荧光光学成像装置，其特征在于：激发光源(1)的结构为，光源(19)发出的光照射到激发滤光片(20)，由激发滤光片(20)选出激发光，激发光经起分光作用的导光装置(21)照射到被成像物体上。

7. 根据权利要求1或2所述的荧光光学成像装置，其特征在于：激发光源(1)的结构为，光源(19)发出的光经起聚光作用的导光装置(22)照射到激发滤光片(20)，由激发滤光片(20)选出激发光，激发光经起分光作用的导光装置(21)照射到被成像物体上。

8. 根据权利要求1或2所述的荧光光学成像装置，其特征在于：激发光源(1)的结构为，光源(19)发出的光照射到激发滤光片(20)，由激发滤光片(20)选出激发光，激发光照射到被成像物体上。

9. 根据权利要求1或2所述的荧光光学成像装置，其特征在于：光密闭箱的箱门(30)为侧拉式或卷帘门式箱门。

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