CN106980176A - 双变径式椭球面反射镜全内反射荧光显微成像装置 - Google Patents

Abstract

本发明双变径式椭球面反射镜的全内反射荧光显微成像装置属于光学显微照明领域；该装置采用了由光阑和遮光片调制的环形光，经过椭球面反射镜的反射后，产生了在椭球面反射镜第一焦点处的聚焦的大顶角空心锥光束，进而实现了全内反射荧光成像现象；该装置能够通过移动遮挡片和调节光阑的方法，改变空心光锥顶角的大小，最终改变倏逝场的激发深度，扩展了荧光像的轴向信息，而遮挡片和光阑能够实现并行调节，增强了仪器的适用性，并且该装置提供的0°～360°的环形照明光能够实现无阴影照明，从而减弱图像中的干涉条纹，增加图像的对比度，从而提高成像质量。

Description

双变径式椭球面反射镜全内反射荧光显微成像装置

技术领域

本发明双变径式椭球面反射镜全内反射荧光显微成像装置属于光学显微成像领域，在生命科学、物理化学和材料科学等研究领域具有广泛应用。

背景技术

随着生命科学领域新机理的发现和材料科学领域新物质的合成，光学显微镜得到了迅猛的发展，一些高精尖技术不断得到了突破。生命科学中大量的事实证明：细胞的动力学特征是起源于单个蛋白质分子的聚合和相互作用。为此，需要大力发展超分辨成像技术，从而在分子尺度上探测细胞各种生命活动的细节，进一步揭示生命活动的过程。目前，国际上公认的最具前途的单分子光学成像技术有全内反射荧光显微术、共聚焦荧光显微术、全场相衬显微术和近场光学扫描显微术。

全内反射荧光显微术(Total Internal Reflection Fluorescence Microscopy，TIRFM)，能够对单个的荧光分子直接地进行探测。在发生全内反射时，限定在表面的一薄层范围内的样品会受到倏逝波照明，荧光也仅在这一薄层范围被激发，因此收集到的荧光图像具有高的信噪比和对比度。棱镜型TIRF是早期的TIRF成像方法。该方法利用棱镜将照明光耦合到接触面来实现全内反射(TIR)，棱镜的几何参数决定了最大入射角度。物镜型TIRF是另一种普及的显微成像技术，它具有结构紧密、操作简单等特点。倏逝波的激发深度由入射角等因素决定。在这种的方法中，大数值孔径(NA)的物镜虽然能够提供大角度照明，但入射角度的调节范围仍然有限，因此激发深度也限制在一定的范围内。

半圆柱透镜能够改变入射角度从而控制激发深度，但是这种调整激发深度的方法自由度高，需要使用较多的精密光学器件，从而增加了光路的调整难度。另外，检流计型反射镜也用来实现入射角的改变。在这种方法中，最大入射角为65°左右，仍然小于最大的孔径角。

发明内容

在光学显微技术领域和生物单分子成像领域中，针对全内反射荧光成像装置所面临的激发深度调节问题，本发明设计了一种双变径式椭球面反射镜全内反射荧光显微成像装置。该装置能够通过移动遮挡片和调节光阑的方法，改变空心光锥顶角的大小，最终改变倏逝场的激发深度，扩展了荧光像的轴向信息，而遮挡片和光阑能够实现并行调节，增强了仪器的适用性，并且该装置提供的0°～360°的环形照明光能够实现无阴影照明，从而减弱图像中的干涉条纹，增加图像的对比度，从而提高成像质量。

本发明的目的是这样实现的：

双变径式椭球面反射镜全内反射荧光显微成像装置，沿光线传播方向依次设置激光器、透镜a、遮挡片a、透镜b、光阑、遮挡片b、透镜c、透镜d、平面反射镜、照明物镜、椭球面反射镜、半球透镜、玻璃台、成像物镜、滤光片、管镜和CCD；所述透镜a和透镜b之间的距离等于透镜a的焦距与透镜b的焦距和；所述遮挡片a能够沿光轴移动，所述光阑的内径大小能够调整；所述透镜c和透镜d之间的距离等于透镜c的焦距与透镜d的焦距和；所述椭球面反射镜的第二焦点与聚焦透镜的焦点位置重合，椭球面反射镜的第一焦点位于的玻璃台上表面；所述半球透镜的回转轴与光轴重合，半球透镜的球心位于玻璃台的上表面，半球透镜的上表面与玻璃台的下表面贴合在一起；制作半球透镜材料的折射率不大于制作玻璃台材料的折射率；

从激光器发出的光束，依次经过透镜a、透镜b、透镜c和透镜d透射，平面反射镜反射，照明物镜透射，椭球面反射镜反射，会聚半球透镜的球心处，照射到玻璃台；入射到所述玻璃台中的光线入射角大于能够发生全反射的最小入射角；全反射产生的倏逝波对玻璃台上表面覆盖的样品进行照明，信号光依次经过成像物镜、滤光片和管镜透射，会聚到CCD表面成像。

上述双变径式椭球面反射镜全内反射荧光显微成像装置，所述遮挡片a包括中心镀有圆形金属膜的透明玻璃和设置在玻璃外围的把持端，所述圆形金属膜起遮挡作用，通过移动把持端，使圆形金属膜沿光轴运动，实现遮挡片a沿光轴移动。

有益效果：

第一、在本发明中，移动遮挡片a和调节光阑能够分别改变照明环形光束的内径和外径，从而改变空心光锥顶角的大小，最终改变倏逝场的激发深度，扩展了荧光像的轴向信息，并且遮挡片和光阑能够实现并行调节，增强了仪器的适用性；

第二、在本发明中，椭球面反射镜能够对任意照明角度的光线进行反射，产生照明方向0°～360°的照明光线，从而减少了单向照明引起的遮挡效应，实现了无阴影照明，这种方法能够减弱相干光的干涉条纹，增加图像的信噪比并且提高成像质量。

附图说明

图1是本发明双变径式椭球面反射镜全内反射荧光显微成像装置的结构示意图。

图中：1激光器、2透镜a、3遮挡片a、4透镜b、5光阑、6遮挡片b、7透镜c、8透镜d、9平面反射镜、10照明物镜、11椭球面反射镜、12半球透镜、13玻璃台、14成像物镜、15滤光片、16管镜、17CCD。

具体实施例

下面结合附图对本发明具体实施例做进一步详细说明。

本实施例双变径式椭球面反射镜全内反射荧光显微成像装置，结构示意图如图1所示。该显微成像装置双变径式椭球面反射镜全内反射荧光显微成像装置，沿光线传播方向依次设置激光器1、透镜a2、遮挡片a3、透镜b4、光阑5、遮挡片b6、透镜c7、透镜d8、平面反射镜9、照明物镜10、椭球面反射镜11、半球透镜12、玻璃台13、成像物镜14、滤光片15、管镜16和CCD17；所述透镜a2和透镜b4之间的距离等于透镜a2的焦距与透镜b4的焦距和；所述遮挡片a3能够沿光轴移动，所述光阑5的内径大小能够调整；所述透镜c7和透镜d8之间的距离等于透镜c7的焦距与透镜d8的焦距和；所述椭球面反射镜11的第二焦点与聚焦透镜10的焦点位置重合，椭球面反射镜11的第一焦点位于的玻璃台13上表面；所述半球透镜12的回转轴与光轴重合，半球透镜12的球心位于玻璃台13的上表面，半球透镜12的上表面与玻璃台13的下表面贴合在一起；制作半球透镜12材料的折射率不大于制作玻璃台13材料的折射率；

所述光阑5采用Thorlabs公司生产的环驱动可变光阑SM1D12C，直接实现光阑5的内径大小能够调整。

从激光器1发出的光束，依次经过透镜a2、透镜b4、透镜c7和透镜d8透射，平面反射镜9反射，照明物镜10透射，椭球面反射镜11反射，会聚半球透镜12的球心处，照射到玻璃台13；入射到所述玻璃台13中的光线入射角大于能够发生全反射的最小入射角；全反射产生的倏逝波对玻璃台13上表面覆盖的样品进行照明，信号光依次经过成像物镜14、滤光片15和管镜16透射，会聚到CCD17表面成像。

Claims (2)

1.双变径式椭球面反射镜全内反射荧光显微成像装置，其特征在于，沿光线传播方向依次设置激光器(1)、透镜a(2)、遮挡片a(3)、透镜b(4)、光阑(5)、遮挡片b(6)、透镜c(7)、透镜d(8)、平面反射镜(9)、照明物镜(10)、椭球面反射镜(11)、半球透镜(12)、玻璃台(13)、成像物镜(14)、滤光片(15)、管镜(16)和CCD(17)；所述透镜a(2)和透镜b(4)之间的距离等于透镜a(2)的焦距与透镜b(4)的焦距和；所述遮挡片a(3)能够沿光轴移动，所述光阑(5)的内径大小能够调整；所述透镜c(7)和透镜d(8)之间的距离等于透镜c(7)的焦距与透镜d(8)的焦距和；所述椭球面反射镜(11)的第二焦点与聚焦透镜(10)的焦点位置重合，椭球面反射镜(11)的第一焦点位于的玻璃台(13)上表面；所述半球透镜(12)的回转轴与光轴重合，半球透镜(12)的球心位于玻璃台(13)的上表面，半球透镜(12)的上表面与玻璃台(13)的下表面贴合在一起；制作半球透镜(12)材料的折射率不大于制作玻璃台(13)材料的折射率；

从激光器(1)发出的光束，依次经过透镜a(2)、透镜b(4)、透镜c(7)和透镜d(8)透射，平面反射镜(9)反射，照明物镜(10)透射，椭球面反射镜(11)反射，会聚半球透镜(12)的球心处，照射到玻璃台(13)；入射到所述玻璃台(13)中的光线入射角大于能够发生全反射的最小入射角；全反射产生的倏逝波对玻璃台(13)上表面覆盖的样品进行照明，信号光依次经过成像物镜(14)、滤光片(15)和管镜(16)透射，会聚到CCD(17)表面成像。

2.根据权利要求1所述的双变径式椭球面反射镜全内反射荧光显微成像装置，其特征在于，所述遮挡片a(3)包括中心镀有圆形金属膜的透明玻璃和设置在玻璃外围的把持端，所述圆形金属膜起遮挡作用，通过移动把持端，使圆形金属膜沿光轴运动，实现遮挡片a(3)沿光轴移动。