CN106979460A - 一种荧光光源及荧光显微成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种荧光光源及荧光显微成像系统，荧光光源包括激光光源、荧光轮单元、反射/透射单元；所述激光光源包括用于提供激发光的一个或多个激光器；所述反射/透射单元对激发光反射而对发射光透射，或者对激发光透射而对发射光反射；所述激光光源发出的激发光经反射/透射单元反射或透射后进入所述荧光轮单元，激发光经所述荧光轮单元后产生的发射光经反射/透射单元透射或反射后进入后端的荧光显微成像模块，通过配置共聚焦成像、单分子荧光成像、结构光成像等显微成像模块，实现用价格相对低廉的激光器代替原有显微光学系统原有激光器，在保持原系统性能的前提下，大幅降低系统成本。

Description

一种荧光光源及荧光显微成像系统

技术领域

本发明涉及一种光学系统，具体涉及一种荧光光源及荧光显微成像系统。

背景技术

光学显微镜是人类认识微观世界最基本、最重要和使用最广泛的工具。当前，全球高端荧光显微镜向着高分辨、多功能、全自动以及智能分析等方向发展。高分辨荧光显微技术，可以以纳米级的空间分辨率直观地显示被标记分子在被标记物内的空间分布，并能用来研究被标记分子之间的相互作用过程，可用于生物领域研究细胞内DNA、RNA与蛋白质分子之间的相互作用和运动规律。

光源是显微成像系统的关键部分，由于生物医学研究的复杂性，存在着多种多样的荧光染料，不同的荧光染料对应的激发光吸收谱和荧光发射谱均不相同，因此需要单分子成像系统中配置多种波长的光源，以适应多种染料的激发需要。

激光具有单色性好、能量密度大的优点，目前的荧光显微成像系统多采用激光作为光源，配置多个固定波长的激光器，增加或调整激光器实施起来比较困难，在开展某些生物学实验时，由于激光染料和系统具有的激光波长不匹配，使系统得不到好的成像结果。不同波长的激光器，由于基本结构不同，部分特定波长的激光器价格昂贵，而部分波长的激光器价格相对低廉。为实现特定波长的荧光成像，必须采用价格昂贵的激光器，从而大幅增加了设备成本。配置过多的激光光源，又会带来其它问题：一方面系统的体积、复杂性和造价会增大很多，另一方面对于具体的用户，其中一些激光器可能用得很少，造成很大的浪费。另外，激光具有极强的相干性，宽场照明条件下的激光散斑也会对成像效果产生影响。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的以上问题，提供一种基于荧光激发的显微光学系统光源，采用价格相对低廉的激光器，通过荧光激发的方式得到所需特定波长的激光光，克服原激光器价格高昂的缺陷，降低系统成本。

为实现上述技术目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种荧光光源，包括；

激光光源、荧光轮单元、反射/透射单元，其中：

激光光源，其具备一个或多个激光器，用于提供激发光；

反射/透射单元，其对激发光反射而对发射光透射，或对激发光透射而对发射光反射；

荧光轮单元，激光光源发出的激发光经反射/透射单元反射或透射后进入所述荧光轮单元，激发光经所述荧光轮单元后产生的发射光经反射/透射单元透射或反射后向后端输出。

作为本发明的进一步改进，所述荧光轮单元包括荧光轮基板、涂覆于荧光轮基板上的荧光粉和带动所述荧光轮基板转动的马达。

作为本发明的更进一步改进，所述荧光粉沿着所述荧光轮基板的外围周向布置。

作为本发明的又进一步改进，所述反射/透射单元包括二色镜、滤波片和准直透镜组，二色镜、滤波片、准直透镜组三者重合于同一条直线。

作为本发明的又进一步改进，所述二色镜和所述滤波片与所述激发光和发射光的波长匹配。

作为本发明的又进一步改进，所述显微成像系统包括如权利要求1至5中任一项所述的荧光光源和设置于其后端的显微成像模块。

作为本发明的又进一步改进，所述显微成像模块为共聚焦显微成像模块，包括：声光调制器、二色镜单元、XY扫描振镜、扫描透镜、筒镜和物镜、成像透镜，其中：XY扫描振镜、扫描透镜、筒镜和物镜布置在同一直线上。

作为本发明的又进一步改进，所述XY扫描振镜与声光调制器之间设有利用小孔摄入光线的探测器。

作为本发明的又进一步改进，所述显微成像模块为单分子荧光成像模块，包括声光调制器、二色镜单元、物镜、筒镜、成像相机、图像处理器和控制单元。

作为本发明的又进一步改进，所述显微成像模块为结构光照明荧光显微成像模块，包括多个透镜组成的光束整形模块、用于反射结构光条纹的中间像面、二色镜单元、物镜、筒镜、荧光探测单元及控制单元。

采用上述技术方案的有益效果是：

本发明提供的荧光光源及显微光学系统在高强度荧光光源处配置技术成熟且成本相对低廉的大功率激光二极管模组，通过激发荧光粉和二向色镜、滤光片选色的方式，形成具有多种波长的激发光，从而能满足多种染料对不同激发光的需求，扩大了显微光学系统的适应性；同时，上述高强度荧光光源只要更换选色模组，就可以根据用户的需要灵活地配置激发光，简便易行，能够满足具体的用户对多样化激发光的需求。通过用价格较低廉的激光器结合荧光激发的方式产生显微光学系统所需的特定波长，从而无需配置多种固定波长的激光器，大幅降低系统成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的所涉及的荧光显微成像系统的整体结构示意图；

图2为本发明所涉及的荧光光源具体实施例1结构示意图；

图3为本发明所涉及的荧光光源具体实施例2结构示意图；

图4为本发明所涉及的荧光光源具体实施例3结构示意图；

图5为本发明所涉及的荧光轮单元的结构示意图；

图6为本发明所涉及的荧光轮单元的俯视结构示意图；

图7为本发明所涉及的共聚焦显微成像系统的工作光路示意图；

图8为本发明所涉及的单分子荧光成像系统的工作光路示意图；

图9为本发明所涉及的结构光照明荧光显微成像系统的工作光路示意图。

11-荧光轮基板；12-荧光粉；13-二向色层；14-马达；2-激光光源；31-准直组件；32-滤波片；33-聚焦透镜组。

具体实施方式

下面结合具体实施例，对本发明的内容做进一步的详细说明：

如图1，本发明的所涉及的荧光显微成像系统包括荧光光源和设置于后端的荧光成像模块。其中荧光光源包括激光光源2、荧光轮单元、反射/透射单元；所述激光光源2包括用于提供激发光的一个或多个激光器；所述反射/透射单元对激发光反射而对发射光透射，或者对激发光透射而对发射光反射；所述激光光源2发出的激发光经反射/透射单元反射或透射后进入所述荧光轮单元，激发光经所述荧光轮单元后产生的发射光经反射/透射单元透射或反射后向后端显微成像模块输出。

荧光轮单位结构如图2、3所示，所述荧光轮单元包括荧光轮基板11、涂覆于荧光轮基板11上的荧光粉12和带动所述荧光轮基板11转动的马达14。所述荧光粉12沿着所述荧光轮基板11的外围方向布置。

实施例1：

图4为本发明所涉及的荧光光源具体实施例1结构示意图。激光光源2为一波长为405nm的单路激光，设置于荧光轮单位上的荧光粉12发射波长为580nm的黄光，荧光粉12底部设置有二向色层13，对405nm的紫光有很强的透过性性而对580nm的黄光有极强的反射性。激光经荧光轮单元的激光分激发得到的580nm发射光经聚光透镜31整形为平行光束，再经滤波片32的过滤，只留下一种单色性较好的光透过。

实施例2：

图3为本发明所涉及的荧光光源具体实施例2结构示意图，为产生足够强度的发射光，满足荧光显微系统的需求，本实施例作为优选的方案，将实施例1中的激光光源2替换为激光二极管阵列，所述激光二极管波长为405nm，数量为8个，聚焦透镜组33将激光收集并聚焦于荧光轮单元的荧光粉12上，形成聚焦光斑，并激发荧光粉12产生高强度荧光。所述荧光粉12底部设置有强反射层，高强度荧光经过准直组件31整形为平行光束，再经滤波片32的过滤，只留下一种单色性较好的光透过。实施例2较实施例1使用了更多的激光光源2，可以得到强度更高的发射光。

实施例3：

图4为本发明所涉及的荧光光源具体实施例3结构示意图。激光二极管阵列同实施例2，波长为405nm，数量为8个，聚焦透镜组33将透过二向色层13将激发光聚焦于荧光粉12上，二向色层13对激光光源2发出的激光具有很高的透射率，对其激发的荧光具有很高的反射率，保证光能利用率，提高荧光能量密度。

图7为本发明所涉及的共聚焦显微成像系统的工作光路示意图。基于荧光光源的共聚焦显微系统包括荧光光源、声光调制器、二色镜单元、XY扫描振镜、扫描透镜、筒镜、物镜、成像透镜、针孔、荧光探测单元及控制单元。所述荧光光源为实施例3中的荧光光源，其出射荧光进入声光调制器，在控制单元的控制下声光调制器对出射荧光进行选通和功率调节。二色镜单元包括若干片激发光/发射光二色镜，激发光/发射光二色镜与高强度荧光光源的选色组件相对应，激发光/发射光二色镜的通光范围与高强度荧光光源中的选色组件匹配且能够反射与之对应的激发光并透射对应的发射光。

控制单元控制二色镜单元进行切换运动，将声光调制器调制后的、所述激发光对应的激发光/发射光二色镜移入光路中，激发光/发射光二色镜对激发光进行反射，反射后的激发光进入XY扫描振镜，经XY扫描振镜扫描反射出的光束依次经过扫描透镜、筒镜、物镜后在物镜的焦面聚焦并激发样本产生发射光。

发射光依次经物镜、筒镜、扫描透镜后进入到XY扫描振镜，经XY扫描振镜扫描反射后进入激发光/发射光二色镜，激发光/发射光二色镜透射进入的发射光并经成像透镜聚焦在针孔处，再由荧光探测单元探测，经图像重建后得到共聚焦图像。

图8为本发明所涉及的单分子荧光成像系统的工作光路示意图。基于荧光光源的单分子成像系统包括高强度荧光光源、声光调制器、二色镜单元、物镜、筒镜、成像相机、图像处理单元和控制单元。

荧光方案共4组，作为后端荧光显微系统的激发光或开关光。4组出射荧光经4组二色镜进入声光调制器，在控制单元的控制下声光调制器对出射荧光进行选通和功率调节，使得样品开关光、激发光对应波长的出射荧光分时依次通过。二色镜单元包括若干片激发光/发射光二色镜，激发光/发射光二色镜与高强度荧光光源的选色组件相对应，激发光/发射光二色镜的通光范围与高强度荧光光源中的选色组件匹配且能够反射与之对应的激发/开关光并透射对应的发射光。

控制单元控制二色镜单元进行切换运动，将声光调制器调制后的、所述激发/开关光对应的激发光/发射光二色镜移入光路中，激发光/发射光二色镜对激发光和开关光进行反射，反射后的激发/开关光进入物镜后在物镜的焦面聚焦，开关光实现样品的荧光激活或荧光关闭，激发光激发样品产生发射光。

发射光经物镜准直后进入激发光/发射光二色镜，激发光/发射光二色镜透射进入的发射光并经筒镜聚焦在成像相机处，成像相机将光信号转换为图像信号并发送给图像处理器，图像处理器将图像信号进行处理，获得纳米级别分辨率的超分辨显微图像。

整个过程中，开关光与激发光的开关、切换和功率调节均由声光调制器实现，声光调制器、成像相机和图像处理器的同步，由控制单元统一完成。

图9为本发明所涉及的结构光照明荧光显微成像系统的工作光路示意图。包括荧光光源、产生亮暗条纹的DMD、包括多个透镜组成的光束整形模块，用于光束的准直、匀光；位于结构光条纹发射光路上的用于透射结构光条纹的二向色镜；接收透过二向色镜的结构光条纹并将其按照一定倍率放大后投影的投影物镜；位于荧光经二向色镜反射后的光路上，用于透射所述荧光的筒镜；用于对透过筒镜的荧光进行滤光的窄带滤光片；用于接收所述荧光的探测器。

所述荧光光源为实施例3中的荧光光源，其出射荧光进入后端光束整形单元扩束后投射于DMD表面，经DMD反射产生具有亮暗条纹的结构光。后方光学系统结构与单分子荧光成像系统大体一致。探测器将光信号转换为图像信号，经处理后获得结构光超分辨显微图像

采用上述技术方案的有益效果是：

本发明提供的荧光光源及显微光学系统在高强度荧光光源处配置技术成熟且成本相对低廉的大功率激光二极管模组，通过激发荧光粉和二向色镜、滤光片选色的方式，形成具有多种波长的激发光，从而能满足多种染料对不同激发光的需求，扩大了显微光学系统的适应性；同时，上述高强度荧光光源只要更换选色模组，就可以根据用户的需要灵活地配置激发光，简便易行，能够满足具体的用户对多样化激发光的需求。通过用价格较低廉的激光器结合荧光激发的方式产生显微光学系统所需的特定波长，从而无需配置多种固定波长的激光器，大幅降低系统成本。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种荧光光源，包括；

激光光源、荧光轮单元、反射/透射单元，其中：

激光光源，其具备一个或多个激光器，用于提供激发光；

反射/透射单元，其对激发光反射而对发射光透射，或对激发光透射而对发射光反射；

荧光轮单元，激光光源发出的激发光经反射/透射单元反射或透射后进入所述荧光轮单元，激发光经所述荧光轮单元后产生的发射光经反射/透射单元透射或反射后向后端输出。

2.根据权利要求1所述的荧光光源，其特征在于：所述荧光轮单元包括荧光轮基板、涂覆于荧光轮基板上的荧光粉和带动所述荧光轮基板转动的马达。

3.根据权利要求2所述的荧光光源，其特征在于：所述荧光粉沿着所述荧光轮基板的外围周向布置。

4.根据权利要求1所述的荧光光源，其特征在于：所述反射/透射单元包括二色镜、滤波片和光束整形透镜组，二色镜、滤波片、光束整形透镜组三者的中心重合于同一条直线。

5.根据权利要求1所述的荧光光源，其特征在于：所述反射/透射单元包括滤波片、光束整形透镜组和准直透镜，准直透镜、滤波片、光束整形透镜组三者的中心重合于同一条直线。

6.根据权利要求1所述的荧光光源，其特征在于：所述二色镜和所述滤波片与所述激发光和发射光的波长匹配。

7.一种荧光显微成像系统，其特征在于：所述显微成像系统包括如权利要求1至6中任一项所述的荧光光源和设置于其后端的显微成像模块。

8.根据权利要求7所述的荧光显微成像系统，其特征在于：所述显微成像模块为共聚焦显微成像模块，包括：

声光调制器、二色镜单元、XY扫描振镜、扫描透镜、筒镜和物镜、成像透镜，其中：

XY扫描振镜、扫描透镜、筒镜和物镜的中心布置在同一直线上。

9.根据权利要求6所述的荧光显微成像系统，其特征在于：所述显微成像模块为单分子荧光成像模块，包括声光调制器、二色镜单元、物镜、筒镜、成像相机、图像处理器和控制单元。

10.根据权利要求6所述的荧光显微成像系统，其特征在于：所述显微成像模块为结构光照明荧光显微成像模块，包括多个透镜组成的光束整形模块、用于反射结构光条纹的中间像面、二色镜单元、物镜、筒镜、荧光探测单元及控制单元。