CN102062731A - 可固定于显微镜上的光纤光谱分析探头 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可固定于显微镜上的光纤光谱分析探头，可直接固定于标准显微镜物镜上面，以使显微镜具有光谱分析功能。安装此光纤光谱分析探头的显微镜适合于微区采样，拉曼分析以及荧光分析并可方便地切换重组不同的激发/检测波长。该光纤光谱分析探头仅由少量的光学元器件组成，且紧凑小巧以至于对显微镜光路的影响达到最小。

Description

可固定于显微镜上的光纤光谱分析探头
技术领域
本发明涉及到一种光纤光谱分析探头，更具体的指一种可固定于显微镜上的光纤光谱分析探头。
背景技术
显微拉曼是一种非常有用光谱分析技术，可对样品进行非破坏性、空间分辨测量。传统的拉曼显微镜，如Batchelder等在美国专利5,194,912中所描述的拉曼显微镜，由于其体积庞大限制它们只能在实验室中应用。近年来随着半导体激光器作为激发光源的发展，拉曼光谱仪可以做成紧凑的附件固定于普通的显微镜上作为拉曼显微镜使用。一些典型的例子可在Zhao的美国专利7,102,746和Carron等的美国专利7,403,281上面找到，这里引作参考。然而由于拉曼光谱仪中的光学元器件很多，使它的实际尺寸无法进一步减小。结果是由于拉曼光谱仪的介入不可避免地改变了显微镜的光路长度。进而需要对显微镜的光路做一定的修改以容纳拉曼光谱仪，这或多或少地会影响显微镜的最初设计功能。
因此有必要对光谱分析附件进行改进，使其可直接固定于标准显微镜上面以添加光谱分析功能，同时对显微镜的光路带来最小的影响。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种可固定于显微镜上的光纤光谱分析探头，它可以直接固定于标准显微镜物镜上面以使显微镜具有光谱分析功能。
为解决上述技术问题，本发明可固定于显微镜上的光纤光谱分析探头的技术解决方案为：
包括一个输入光纤，用于传输来自光源的激发光；一个可直接固定在显微镜物镜上面的适配器，用于引导激发光通过物镜到样品上以激发光谱信号光并通过该物镜收集该光谱信号；和一个输出光纤，用于传输光谱信号到光谱分析设备进行光谱分析。
所述光谱信号是拉曼散射信号。
所述光谱信号是荧光或磷光信号。
所述适配器包括一合光/分光元件。
所述合光/分光元件具有与波长相关的透射/反射特性。
所述适配器包括至少两个可切换的合光/分光元件。
所述适配器是可拆卸的。
所述输入光纤和输出光纤是可拆卸的。
所述输入光纤和输出光纤在单模光纤和多模光纤中选择。
在所述输入光纤的输出端前面还包括一个空间针孔。
在所述输入光纤的输出端前面还包括一个光学透镜。
在所述输出光纤的输入端前面还包括一个空间针孔。
在所述输出光纤的输入端前面还包括一个光学透镜。
还包括一个光学滤光片，用于分开激发光波长和光谱信号光波长。
本发明可以达到的技术效果是：
安装本发明光纤光谱分析探头的显微镜适合于微区采样，拉曼分析以及荧光分析，并可方便地切换重组不同的激发/检测波长。该光纤光谱分析探头仅由少量的光学元器件组成，且相当紧凑以至于对显微镜光路的影响达到最小。
附图说明
后面附图连同下面详细的说明用于进一步描述本发明的各种实施方案并解释其各种原理与优点，其中相同的数字标示用于指示各视图中相同或者功能相似的元件。
图1是本发明可固定于显微镜上的光纤光谱分析探头的第一个实施例的侧视图；
图2是图1所示的光纤光谱分析探头的俯视图；
图3是本发明的第二个实施例的侧视图；
图4是图3所示的光纤光谱分析探头的俯视图。
出于简单明了的考虑，图中各元件不一定按比例绘制。例如，为了帮助更好地理解本发明，图中有些元件的尺寸相对其它元件而言被夸大了。
图中附图标记说明：
100、300为光纤光谱分析探头， 102为输入光纤，
104为透镜，                  106为带通光学滤光片，
108为双色分束片，            110为出光筒，
112为双色分束片，            122为透镜，
114为适配器，                116为窗口，
118为反射镜，                120为长通光学滤光片，
124、128为空间针孔，         126为输出光纤，
130、132为光纤适配器，    200为显微镜，
202为物镜盘，             204为物镜头，
206为顶部照明光源，       208为光分束片，
210为样品，               212为工作台，
214为手轮，               216为目镜，
218为相机，               220为底部照明光源，
310为出光筒，             312、316为双色分束片，
314为适配器，             334为接口。
具体实施方式
在详细描述本发明的实施例之前，应该指出这些实施例主要涉及与该可安装于显微镜上的光纤光谱分析探头有关的方法步骤和设备元件。相应地，图中只显示了与这些设备元件及方法步骤相关的细节信息以更好地理解本发明的实施例，对稍有经验的人来讲显而易见的细节并没有在这里进行说明。
在本文件中描述相对关系的术语，比如第一和第二、顶部与底部以及类似的术语可能仅用于区分某一实体或步骤与其它实体或步骤，而不一定要求或者暗示这些实体或步骤之间具有某种联系或先后顺序。术语“包括”，“包含着”或者其它变化形式意在涵盖非排它性包含，因此包括一系列组成部分的一个过程、方法、器件或装置并不只是包括那个已列入的组成部分，还可能包括其他的未列入的、或在这些过程、方法、物件或装置中不是固有的组成部分。一个组成部分前面有“一”字并不排除多个同样的组成部分包括在其过程、方法、器件或装置中。
图1和图2分别显示了本发明可固定于显微镜上的光纤光谱分析探头的第一个实施例的侧视图和俯视图。
在本实施例中光纤光谱分析探头100是一个光纤拉曼探头，该探头可固定于标准显微镜200上面将其转化成拉曼显微镜。
如图1所示，显微镜200是一个标准的光学显微镜，包括以下部件：提供照明用的一个顶部照明光源206和一个底部照明光源220，一个用于固定样品210的工作台212，一个物镜盘202和用于收集样品反射或透射光的一组物镜头204，以及作为观察用的一个目镜216和一个相机218。由光源206提供的顶部照明光被一光分束片208(如一半反射镜)反射到显微镜的主光路上。显微镜的焦距可以通过手轮214来调节。
如图1、图2所示，光纤拉曼探头100包括一输入光纤102，用于传输一激光光源(图中未显示)产生的激发光。来自输入光纤102的激光被透镜104准直后穿过一带通光学滤光片106以滤掉其线宽外的背景噪音。经过滤波的激光再被一双色分束片108反射后输出到出光筒110。出光筒110装在适配器114上并通过其直接固定在显微镜200的物镜盘202和物镜204上面。出光筒110的尾端包括两个透明的窗口(或者两开口)116及一个45度的双色分束片112。双色分束片112对照明光透明并反射长于激光波长的光使得激光反射到物镜204并聚焦到样品210上。这里激光光路与显微镜的照明光路是重合的。激光激发样品210产生拉曼散射光(一种光谱信号)被物镜204收集后再被双色分束片112反射进入出光筒110。拉曼散射光透过双色分束片108被反射镜118反射到长通光学滤光片120和透镜122。长通滤光片120作为一个瑞利阻止滤光片以除去拉曼散射光中的瑞利散射光。透镜122将拉曼散射光汇聚到输出光纤126中以传输到光谱分析设备(图中未显示)进行光谱分析。在本实施例中激光光源的优先选择是波长在近红外区域的半导体激光器。双色分束片108的截止波长在激光波长附近以反射激发光同时透过较长波长的拉曼散射光。光纤拉曼探头100还可包括两个光纤适配器130和132，以允许用户根据所用光谱分析设备及激光器的特性来改变输入、输出光纤类型。例如用户可选择一个单模激光器及一个单模光纤作为激发光输入光纤以使激光在样品上被聚焦成一个小光斑以提高拉曼显微镜的空间分辨率。用户也可以选择一个多模激光器及一个多模光纤作为激发光输入光纤以便提高激发光的功率以增强拉曼散射光的强度。
光纤拉曼探头100的输入光纤102与输出光纤126的通光孔径都限制在几百微米以内(对单模光纤而言小于几个微米)。因此激发光可在样品上被聚焦成一个小光斑。同时输出光纤126会滤除来自样品上焦点以外的光。这种空间滤波的效果使该拉曼显微镜具备共聚焦的功能以允许其检测样品在不同深度上的一系列截面。两个空间针孔124和128(固定的或者可调式)可分别加在输出光纤126的输入端及输入光纤102的输出端以更进一步的控制它们的通光孔径使得这种“共聚焦”的空间滤波效果进一步地加强。
光纤拉曼探头100仅包含了少量的光学器件，因此其厚度可做得很小(例如＜1cm)以至于该光纤拉曼探头的引入仅使显微镜的光路长度产生微小变化。这带来几个优势。首先，光纤拉曼探头100可直接固定在显微镜的物镜盘202和物镜204上面，该区域是显微镜光路中光束最小的区域。因此来自样品的拉曼散射光可被光纤拉曼探头有效地收集同时来自样品210的可见反射光(顶部照明模式)或透射光(底部照明模式)不会被阻止。其次，显微镜的照明条件(比如顶部照明模式的柯勒照明)并不会因光纤拉曼探头的引入而受到影响。第三，光纤科曼探头并不占用任何观察口因此显微镜正常的观察功能不受影响。
通过少量光学器件的修改，同样的光纤探头100也可用于其它光谱分析应用。例如，通过把近红外激光器换成一个紫外或者可见光源并相应地调整光学元件的光谱特性，该光纤探头可以将一个标准的显微镜转化成一个荧光显微镜用以检测样品的荧光或者磷光特性。
图3和图4分别显示了本发明的第二个实施例的侧视及俯视图。光纤光谱分析探头300与图1和图2所示的光纤拉曼探头100有相似的结构，区别在于适配器314可从光纤探头上拆下。适配器314有一个接口334用以固定光纤探头的出光筒310并将光纤探头固定于显微镜200的物镜盘202和物镜204上面。这种结构允许用户在不同光纤光谱分析探头中进行切换而不改变适配器，从而保证光纤探头输出光路与显微镜光路的对准性。此外，适配器314还可包括两个或者更多可切换的、在不同工作波长的双色分束片312和316以便用户可以选择一系列的激发/检测波长。例如，用户可简单地通过切换适配器314的双色分束片在532nm和785nm拉曼探头之间进行切换使用。这种重组能力允许用户根据待测样品的种类来选择最优的激发/检测波长。另外，适配器314还可包括一多波段的分束片(未显示)，在不同波长具有多个反射波段以用于不同激发/检测波长。
在前述实施例的一个稍微不同的变化中，图2中双色分束片112或者图4中双色分束片312和316可改为一光反射镜。该反射镜的物理尺寸与激光束的光斑相近但小于照明光束直径，使得来自样品的反射(顶部照明模式)或者透射(底部照明模式)的照明光仅有一部分被遮挡住。因此显微镜正常的观察功能并没有因光纤光谱分析探头的引入而受到影响。反射镜的透射/反射性能是不依赖于波长的。因此它可用于所有激发/检测波长。
在前面详细说明中本发明的特定的实施方案已经做出了描述。然而，显而易见的是在不超出本发明后面列出的权利要求范围上仍可做出各种的修改和变化。具体的实施例中所列举的数值均为示意性而不具限定意义。相应地，说明书和附图应解释为仅仅是示意性的而并非限定性的，所有变化均包括在本发明意图保护的范围内。文中所提到的一切好处、优点、问题解决方案或者任何可能带来或增强好处、优点、问题解决方案的元件均不能解释为任何权利要求的关键的或必须的或本质的技术特征或元件。本发明的权利仅由所附权利要求书所定义，包括在申请过程中所做的任何修改，以及授权权利要求书中的所有等同权利要求。

Claims (14)

1.一种可固定于显微镜上的光纤光谱分析探头，其特征在于，包括：
一个输入光纤，用于传输来自光源的激发光；
一个可直接固定在显微镜物镜上面的适配器，用于引导激发光通过物镜到样品上以激发光谱信号光并通过该物镜收集该光谱信号；和
一个输出光纤，用于传输光谱信号到光谱分析设备进行光谱分析。
2.根据权利要求1所述的可固定于显微镜上的光纤光谱分析探头，其特征在于，所述光谱信号是拉曼散射信号。
3.根据权利要求1所述的可固定于显微镜上的光纤光谱分析探头，其特征在于，所述光谱信号是荧光或磷光信号。
4.根据权利要求1所述的可固定于显微镜上的光纤光谱分析探头，其特征在于，所述适配器包括一合光/分光元件。
5.根据权利要求4所述的可固定于显微镜上的光纤光谱分析探头，其特征在于，所述合光/分光元件具有与波长相关的透射/反射特性。
6.根据权利要求1所述的可固定于显微镜上的光纤光谱分析探头，其特征在于，所述适配器包括至少两个可切换的合光/分光元件。
7.根据权利要求1所述的可固定于显微镜上的光纤光谱分析探头，其特征在于，所述适配器是可拆卸的。
8.根据权利要求1所述的可固定于显微镜上的光纤光谱分析探头，其特征在于，所述输入光纤和输出光纤是可拆卸的。
9.根据权利要求1所述的可固定于显微镜上的光纤光谱分析探头，其特征在于，所述输入光纤和输出光纤在单模光纤和多模光纤中选择。
10.根据权利要求1所述的可固定于显微镜上的光纤光谱分析探头，其特征在于，在所述输入光纤的输出端前面还包括一个空间针孔。
11.根据权利要求1所述的可固定于显微镜上的光纤光谱分析探头，其特征在于，在所述输入光纤的输出端前面还包括一个光学透镜。
12.根据权利要求1所述的可固定于显微镜上的光纤光谱分析探头，其特征在于，在所述输出光纤的输入端前面还包括一个空间针孔。
13.根据权利要求1所述的可固定于显微镜上的光纤光谱分析探头，其特征在于，在所述输出光纤的输入端前面还包括一个光学透镜。
14.根据权利要求1所述的可固定于显微镜上的光纤光谱分析探头，其特征在于，还包括一个光学滤光片，用于分开激发光波长和光谱信号光波长。
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