CN106932374A - 基于锁相放大的显微镜 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于锁相放大的显微镜，所述显微镜包括光源和光开关，其中所述光开关包括机械开关、斩波器和声光调制器AOM中的至少一种；所述显微镜还包括锁相放大器和/或电脑，利用所述锁相放大器和/或电脑调节光电探测器采集数据时与所述光开关同步，然后利用锁相放大器和/或电脑处理信号，将有用的信号放大，抑制噪声信号，其中，所述光电探测器包括相机和/或光电倍增管。本发明与现有的技术相比，在不改变显微镜本身结构的情况下，可提高图像的分辨率及信噪比，同时提高了显微镜的适应性，并且不限制在暗室的条件下采集图像。

Description

基于锁相放大的显微镜
技术领域
本发明涉及一种显微镜，具体涉及一种具有锁相放大功能的显微镜。
背景技术
显微镜，一般是以某种光源发出的窄带光(例如激光)或经过窄带滤光片的宽光谱光作为激发光，辐照在样品上，激发样品自身的荧光、已经被荧光标记样品的荧光、非标记样品的拉曼散射光，经过一系列滤光系统后，再通过物镜和目镜或者相机进行放大并进行观测，利用不同滤光系统，我们分别可以得到荧光图像、拉曼图像、散射光图像、二次谐波(如使用短脉冲激光器)。该显微镜可用于研究细胞内物质的吸收、运输、化学物质的分布及定位、组织的细胞形态和变化规律等。是开展生物学、细胞学、材料学、遗传学、免疫学、药学等研究领域的重要仪器。
显微镜的基本构造是有物镜、目镜(或由CCD、PMT等探测器代替)和照明光源以及一些附件(如滤光片、二向色镜、电光开关等)等器件组成。其光源一般为高压汞灯(经过滤光片组，得到一系列单色光)或者多个波长的激光器作为光源辐照到样品上。除了瑞利散射以外，其他有用的信号光都比激发光弱，除了观测锐利散射以外，我们需要利用特定滤光片去观测特殊的荧光、拉曼、二次谐波等信号，同时阻止激发光进入目镜或者探测器，避免眼睛或者探测器的损伤。
当今世界先进的显微镜厂家包括奥林巴斯、尼康、莱卡、蔡司等，采用的光源主要是氙灯、卤素灯、高压汞灯或者激光器，高端的显微镜甚至采用飞秒激光器，用来激发样品不同波长的荧光、拉曼散射光、二次谐波等信号光。但是有的样品的信号光的强度特别微弱、荧光信号淬灭特别快或者环境光比信号光的强度大的多，使得我们无法准确获得样品的真实信息。
发明内容
本发明提供了一种低成本、且不用更换光源就可以提高图像强度及分辨率的显微镜。
本发明的技术方案：
一种基于锁相放大的显微镜，包括有光源的显微镜、光开关2和控制处理系统；
所述的光开关2设置在光源1和有光源的显微镜间，用于调制进入有光源的显微镜内的光；
所述的控制处理系统为锁相放大器和/或电脑14；
第一种方案：当控制处理系统只包含锁相放大器时，锁相放大器的第一个连接口与光开关2连接，用于控制光开关2的开合，进而控制进入有光源的显微镜内的光；锁相放大器的第二个连接口与目镜或背向探测器7连接，或锁相放大器的第二个连接口与前向探测器13连接；或锁相放大器的第二个连接口与目镜或背向探测器7连接，同时锁相放大器的第三个连接口与前向探测器13连接；
第二种方案：当控制处理系统包含电脑时，电脑代替锁相放大器；
第三种方案：当控制处理系统包含锁相放大器和电脑时，锁相放大器的第一个连接口与光开关2连接，用于控制光开关2的开合，进而控制进入有光源的显微镜内的光；锁相放大器的第二个连接口与目镜或背向探测器7连接，或锁相放大器的第二个连接口与前向探测器13连接；或锁相放大器的第二个连接口与目镜或背向探测器7连接，同时锁相放大器的第三个连接口与前向探测器13连接；锁相放大器的第四个连接口与电脑连接。
利用背向探测器或前向探测器进行数据采集时需要与所述光开关同步，后经过锁相放大器和/或电脑处理信号，提取有用的信号，抑制噪声信号和环境光信号。
所述的光开关为机械开关、斩波器或声光调制器；
所述光源为激光光源和/或连续光源。
所述的有光源的显微镜为扫描显微镜、荧光显微镜、扫描荧光显微镜或共聚焦扫描显微镜。
所述的背向探测器或前向探测器包括相机和/或光电倍增管。
本发明首先利用快门(机械快门、斩波器或者AOM(声光调制器))器件对入射光在辐照到样品之前进行调制，使得其变成以一定频率f变化的入射光；其次，当这种入射光辐照到样品上后，样品发射的信号光(包括瑞利散射光、荧光、二次谐波)等也将是以f频率向外辐射；再次信号光被CCD或PMT等探测器接收，接收时其要通过锁相放大器或者电脑对探测器的快门进行调制，使其与之前的频率f和相位相同。最后在锁相放大器或者电脑中将快门开时得到的信号减去快门闭时的信号，使得有用信号得到放大，而仪器噪声或探测器噪声等无用信号的到抑制，提高信噪比。
因此，本发明不需要对原有的设备结构和器件进行改造，仅在原有的基础上，在光源部分加入一个快门器件，同时使用软件在探测阶段进行一定的同步和处理就可以提高仪器的分辨率、扫描速度、灵敏度等指标，降低了改造成本。
同时，基于锁相放大的显微镜对环境光还可起到抑制作用。众所周知，因为环境光的波长交宽，有时还具有一定频率。显微镜很多时候需要工作在暗室的环境中，以避免环境光对图像的影响，甚至有时显示器的光都会对图像有较大的影响，需要将显示器关闭来采集图像。而本发明可以在不在暗室条件下得到暗室条件下同样的图像分辨率。
本发明的有益效果：在原始扫描显微镜的基础上，将快门安装在激发光到样品之间的光路中，对激发光进行调制，在扫描过程中，将原来的信号采集加以调制；然后，将原始扫描中光电探测器每一个像素点将分割成偶数信号，利用锁相放大器或者计算机将探测器的频率及相位调制与快门同步。最后利用锁相放大器或者电脑将快门关的到的信号与相邻的一个快门开的信号做差，然后积分，得到这个点的最终信号。
附图说明
图1为本发明的基于锁相放大的显微镜结构示意图。
图2为本发明的基于锁相放大的显微镜中所涉及的扫描显微镜的结构示意图。
图中：1光源；2光开关；3准直扩束系统；4x向扫描振镜；5y向扫描振镜；
6二向色镜；7目镜或背向探测器；8物镜；9样品；10反射镜；11滤光片；
12凸透镜；13前向探测器；14锁相放大器和/或电脑。
具体实施方式
以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
如图1-2所示，在本发明的基于锁相放大显微镜的一些实施方案中，仅有x向扫描振镜4和y向扫描振镜5在普通显微镜和扫描显微镜中有区别，其他功能基本相同。光源1发出激发光，经过扩束准直系统3将激发光变成光斑较大的平行光，经过二向色镜6反射激发光到物镜8，经物镜8聚焦到样品9，样品9发出的信号光会分成两部分，一部分返回物镜8、经二向色镜6到达目镜或者背向探测器7；另一部分会透过样品9经反光镜10反射、滤光片11滤光，凸透镜12聚焦后到达前向探测器13完成信号的采集。本发明在激发光路上加入光开关2，然后经过锁相放大器或者电脑14将光开关和光电探测器同步，将每个空间位置的信号分割成偶数个，其中奇数为光开关3关闭时探测器7和/或13得到的信号，偶数为光开关开时得到的信号，然后经过锁相放大器和/或者电脑14处理，使得有用的信号得到放大，无用的信号得到压制，从而实现图片质量的提高。
因此，与现有的显微镜技术相比，其改造成本低，且不需要改变显微镜内部的结构更不需要更换现有的光源，就可以提高成像质量，同时解决了环境光对显微镜的影响，扩展了现有显微镜的使用范围。
以上所述的仅是本发明的优选实施方案，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干的变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于锁相放大的显微镜，其特征在于，所述的基于锁相放大的显微镜包括有光源的显微镜、光开关2和控制处理系统；
所述的光开关2设置在光源1和有光源的显微镜间，用于调制进入有光源的显微镜内的光；
所述的控制处理系统为锁相放大器和/或电脑14；
第一种方案：当控制处理系统只包含锁相放大器时，锁相放大器的第一个连接口与光开关2连接，用于控制光开关2的开合，进而控制进入有光源的显微镜内的光；锁相放大器的第二个连接口与目镜或背向探测器7连接，或锁相放大器的第二个连接口与前向探测器13连接；或锁相放大器的第二个连接口与目镜或背向探测器7连接，同时锁相放大器的第三个连接口与前向探测器13连接；
第二种方案：当控制处理系统只包含电脑时，其中电脑代替第一种方案中的锁相放大器；
第三种方案：当控制处理系统包含锁相放大器和电脑时，锁相放大器的第一个连接口与光开关2连接，用于控制光开关2的开合，进而控制进入有光源的显微镜内的光；锁相放大器的第二个连接口与目镜或背向探测器7连接，或锁相放大器的第二个连接口与前向探测器13连接；或锁相放大器的第二个连接口与目镜或背向探测器7连接，同时锁相放大器的第三个连接口与前向探测器13连接；锁相放大器的第四个连接口与电脑连接。
2.根据权利要求1所述的基于锁相放大的显微镜，其特征在于，利用背向探测器或前向探测器进行数据采集时，背向探测器和前向探测器13与所述的光开关2同步，后经过锁相放大器和/或电脑处理信号，提取有用的信号，抑制噪声信号和环境光信号。
3.根据权利要求1或2所述的基于锁相放大的显微镜，其特征在于，所述的光开关2为机械开关、斩波器或声光调制器。
4.根据权利要求1或2所述的基于锁相放大的显微镜，其特征在于，所述光源为激光光源和/或连续光源。
5.根据权利要求1或2所述的基于锁相放大的显微镜，其特征在于，所述光源为激光光源和/或连续光源。
6.根据权利要求1、2或5所述的基于锁相放大的显微镜，其特征在于，所述的有光源的显微镜为扫描显微镜、荧光显微镜、扫描荧光显微镜或共聚焦扫描显微镜。
7.根据权利要求3所述的基于锁相放大的显微镜，其特征在于，所述的有光源的显微镜为扫描显微镜、荧光显微镜、扫描荧光显微镜或共聚焦扫描显微镜。
8.根据权利要求4所述的基于锁相放大的显微镜，其特征在于，所述的有光源的显微镜为扫描显微镜、荧光显微镜、扫描荧光显微镜或共聚焦扫描显微镜。
9.根据权利要求1、2、5、7或8所述的基于锁相放大的显微镜，其特征在于，所述的背向探测器或前向探测器包括相机和/或光电倍增管。
10.根据权利要求6所述的基于锁相放大的显微镜，其特征在于，所述的背向探测器或前向探测器包括相机和/或光电倍增管。
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