应用于荧光成像系统的区域光源匀光结构及荧光成像系统
技术领域
本发明涉及一种荧光成像系统,特别涉及一种荧光成像系统的区域光源匀光结构及其应用,属于光学照明技术领域。
背景技术
荧光成像技术是载体光学分子影像技术中的重要组成部分。荧光成像需要外部光源激发生物体内的荧光标记物,从而获得影像信号。常用的荧光标记物有荧光基团之称。荧光基团的原子核外层电子收到外部光子激发后从基态跃迁至高能级激发态,激发态电子不稳定自动回落至低能级轨道,同时辐射出特定的光子,这部分由于能级跃迁辐射出的光子经过生物组织的吸收和散射作用,最终被高灵敏度与分辨率的光学探测器捕获与放大。这就是荧光成像的基本原理。
由于样品自身大小及荧光成像的原理的限制,荧光成像系统的激发光源要求照明面积大,强度高。且荧光成像技术多用于科研及药物开发领域因此高均匀性的激发光源方可达到定性定量使用的目的。激光具有亮度高,单色性好(相干性),方向性好等特点,非常适合作为荧光成像系统的激发光源。而LED光源则具有可选择性好,造价低廉,发光效率高等优点,也非常适合作为荧光成像系统的激发光源。
激光作为高斯光束,直接经扩束准直后会造成中心强边缘弱的照明效果。而使用微透镜阵列实现光线的匀化,由于微透镜阵列尺寸很小,使得使用微透镜阵列实现匀光装置的光学功率密度很高,需使用特殊材料制作,成本高加工困难。而LED光源不经匀化直接照射待照明面,往往会造成照明不均匀,照明强度低的缺点。
因此,开发一种照明强度高,均匀性好,照明面积大且可同时用于激光和LED的激发光照明系统成为荧光成像系统亟待解决的问题。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种应用于荧光成像系统的区域光源匀光结构及荧光成像系统,以解决荧光成像系统所需的高强度,高均匀性和大照明面积等激发光源问题。
为解决上述问题,本发明提供的技术方案如下:
本发明实施例提供了一种应用于荧光成像系统的区域光源匀光结构,其包括收束准直单元、消干涉单元和匀光单元,所述消干涉单元包括偏心球,所述匀光单元包括匀光棒,由激发光源输出的激发光经所述收束准直单元后输出为平行光,所述平行光入射所述偏心球后被聚焦进匀光棒,之后由匀光棒输出匀化的光;其中,所述偏心球为球形透镜并可以绕一轴线做圆周运动,所述轴线垂直于所述平行光的光轴。
在一些实施方式中,所述收束准直单元包括收束透镜和准直透镜,由激发光源输出的激发光入射所述收束透镜后被聚集,再进入所述准直透镜并被输出为平行光,
较为优选的,所述收束透镜、准直透镜均为外凸弧面透镜。
在一些实施方式中,所述消干涉单元还包括两个偏心轮,所述两个偏心轮分布于所述平行光光轴的两侧,所述两个偏心轮的圆心连线垂直于所述平行光光轴,所述偏心球被分别分布于两个偏心轮上的两个圆形缺口固定,并且所述圆形缺口的圆心偏离相应偏心轮的圆心。优选的,所述轴线为连接两个圆形缺口圆心的直线。
较为优选的,所述偏心球的口径等于或大于任一圆形缺口圆心与相应偏心轮圆心之间距离的两倍和所述准直透镜的口径之和。
较为优选的,任一偏心轮的圆形缺口圆心与该偏心轮圆心之间的距离小于匀光棒入光面口径的1/2。
在一些实施方式中,所述匀光棒的入光面和/或出光面处还设置有散射片,所述散射片的口径大于匀光棒的口径。
在一些较为具体的实施方式中,所述散射片紧贴匀光棒的入光面和/或出光面设置。
在一些较为优选的实施方式中,所述匀光棒的入光面和/或出光面为散射面。
在一些较为优选的实施方式中,所述匀光棒的长度为端面口径的3倍以上,更优选为4 倍以上。
在一些实施方式中,所述匀光棒的端面形状包括正三角形、矩形或正六边形等,但不限于此。
在一些较为优选的实施方式中,由所述匀光棒输出的光线入射投射单元,所述投射单元可以包括滤光收束透镜、临界成像透镜等。
进一步的,由所述匀光棒输出的光线入射滤光收束透镜。
较为优选的,所述滤光收束镜的口径大于匀光棒的口径。
进一步的,由所述滤光收束透镜输出的光线入射临界成像透镜。
较为优选的,所述滤光收束透镜为与临界成像透镜结构相同的外凸的弧面透镜,且所述滤光收束透镜与临界成像透镜两者的凸面相向放置。
本发明实施例还提供了一种荧光成像系统,包括激发光照明系统和光探测单元,所述激发光照明系统包括激发光源,所述激发光照明系统还包括前述的任一种匀光结构。
在本发明的前述实施例中,所述激发光源可以选自激光光源、LED光源等,且不限于此。
较之现有技术,本发明至少具有如下优点:提供的匀光结构同时适用于基于激光和LED 的激发光照明系统,而且至少还可以使照明强度高、均匀性好、照明面积大,有效消除激光干涉散斑,进而利于实现清晰、准确的荧光成像,从而显著改善荧光成像的灵敏度和分辨率。
附图说明
图1是本发明一实施例中的区域光源匀光结构示意图。
图2a-图2b分别是本发明一实施例中收束透镜的左视图、立体图。
图3a-图3b分别是本发明一实施例中准直透镜的左视图、立体图。
图4是本发明一实施例中一个偏心轮的结构示意图。
图5是本发明一实施例中另一个偏心轮的结构示意图。
图6是本发明一实施例中偏心球的结构示意图。
图7是本发明一实施例中散射片的结构示意图。
图8a是本发明一实施例中一种匀光棒的结构示意图。
图8b是本发明一实施例中另一种匀光棒的结构示意图。
图8c是本发明一实施例中又一种匀光棒的结构示意图。
图9a-图9b分别是本发明一实施例中滤光收束透镜的左视图、立体图。
图10a-图10b分别是本发明一实施例中临界成像透镜的左视图、立体图。
附图标记说明:1—收束透镜;11—收束透镜入光面;2—准直透镜;21—准直透镜入光面;3—偏心轮3;31—偏心轮3圆型缺口;4—偏心轮4;41—偏心轮4圆型缺口;5——偏心球;6—散射片;7—匀光棒;71—匀光棒入光面;72—匀光棒出光面;8—滤光收束透镜;81—滤光收束透镜入光面;9—临界成像透镜;91—临界成像透镜入光面。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例对本发明的技术方案作更为具体的解释说明,但不作为对本发明的限定。
本发明实施例的一个方面提供了一种应用于荧光成像系统的区域光源匀光结构,其包括:
激发光收束准直单元(亦称收束准直单元),其至少用于将激发光源发出的激发光转为平行光供下一步处理;
消干涉单元,其包括可以旋转的偏心球,所述偏心球至少用于对收束准直后的激发光进行聚焦和消干涉;以及
匀光单元,其至少用于对经偏心球聚焦的激发光进行匀化。
在一些实施方式中,所述收束准直单元包括沿光轴方向依次设置的收束透镜和准直透镜。进一步的,所述的收束透镜和准直透镜均可以为外凸弧面透镜。
在一些实施方式中,所述消干涉单元包括沿光线传播方向设置在所述准直透镜出光面后方的偏心球,所述偏心球为球型透镜,特别是圆球形透镜。
进一步的,所述偏心球由偏心轮固定,所述偏心轮由电机等设备驱动转动,进而带动偏心球做平行于光轴的圆周运动。优选的,所述偏心球直径大于前端准直透镜口径。其中,所述电机可以与偏心轮一侧中心连接,并驱动偏心轮转动。
更进一步地,用于固定所述偏心球的偏心轮为两面平行且完全相同的、带有圆型缺口的圆形转盘。两偏心轮的圆心连线垂直于光轴。且所述偏心轮用于固定偏心球的圆形缺口的圆心不与偏心轮圆心重合。
优选的,所述偏心球的口径大于任一偏心轮的圆形缺口圆心与该偏心轮圆心之间的距离的2倍再加上准直透镜的口径。
进一步地,任一偏心轮的圆形缺口圆心与该偏心轮圆心之间的距离小于匀光棒入光面口径的一半。
在一些实施方式中,所述匀光单元包括沿光线传播方向设置在所述偏心球后方的匀光棒,所述匀光棒的入光面平行于出光面,且面型一致。
进一步地,所述匀光棒的入光面、出光面的形状可以为矩形、正三角形、正六边形等且不限于此。
进一步地,所述匀光棒的长度优选为端面口径的3倍以上,尤其是在4倍以上。
在一些实施方式中,沿光线传播方向在所述偏心球后方还设置有散射片。进一步的,所述散射片紧贴匀光棒入光面,和/或,所述散射片紧贴匀光棒出光面设置。
更进一步地,所述匀光棒入光面或出光面还可以为散射面。
在一些实施方案中,所述匀光结构还可以进一步包括投射单元,其至少用于将经匀化的光投射到待激发的荧光物质上。
进一步的,所述投射单元包括沿光线传播方向在所述匀光棒出光面后方依次设置的滤光收束透镜和临界成像透镜。进一步的,所述滤光收束透镜和临界成像透镜均为外凸弧面透镜。
进一步地,所述滤光收束透镜的口径大于匀光棒的口径。
更进一步地,所述滤光收束透镜与临界成像透镜结构一致,所述滤光收束透镜的出光面正对临界成像透镜的入光面,滤光收束透镜的出光面为外凸的弧面,临界成像透镜的入光面为外凸的弧面。
本发明前述实施例提供的区域光源匀光结构可以将高斯分布的入射光束整形为平顶分布的光束,消除了激发光的干涉散斑,且可以很好的满足体积小、照明面积大、照明强度高的要求。
本发明实施例的另一个发明还提供了一种荧光成像系统,包括激发光照明系统和光探测单元,所述激发光照明系统包括激发光源,所述激发光照明系统还包括前述的任一种匀光结构。所述荧光成像系统因采用了前述匀光结构,在应用时具有灵敏度和分辨率高等优点。
以下结合更为具体的实施例及相应对比例对本发明的技术方案作更为详细的解释说明。但仍需强调的是,这些实施例不应被视作对本发明的保护范围构成任何限制。
本发明一典型实施例中提供的一种区域光源匀光结构是应用于荧光成像系统,该荧光成像系统中采用的激发光源可以是多个LED点光源阵列组成的区域面光源,也可以是激光器。
请参阅图1所示,该区域光源匀光结构包括沿光轴方向依次设置的收束透镜1和准直透镜2;所述收束透镜1和准直透镜2均为外凸弧面透镜,所述收束透镜1的出光面正对准直透镜2的入光面21。
在工作过程中由多个LED点光源阵列组成的区域面光源所发出的光线或由激光器发出经光纤传导的光线,从收束透镜1的入光面11入射,经收束透镜1折射而聚集,再从准直透镜2的入光面21进入,经准直透镜2折射后水平射出平行光,以便进入后续的光学元件进行处理。
其中,由于所述收束透镜1初步对激发光光束进行收束,缩小了准直透镜2的口径要求,对后续的光学元件口径都起到了压缩的效果,同时将大部分的光线收集,提高了光源的利用率,提高了照明强度。所述收束透镜1的结构可以参阅图2a-图2b所示。
请继续参阅图3a-图3b所示,准直透镜2位于收束透镜1之后,将由收束透镜1出射的发散光进行准直。便于之后的光学元件进行处理。
进一步的,该区域光源匀光结构还包括如图4、图5所示的偏心轮3和偏心轮4,偏心轮 3、4位于准直透镜之后,分别位于光轴的两侧。偏心轮3、4的两个圆形缺口31、41用于固定偏心球5,偏心球5口径大于前端准直透镜2口径再加上圆形缺口圆心与偏心轮圆心之间的距离的2倍。这保证了由准直透镜2出射的平行光皆可入射到偏心球5。
进一步的,该区域光源匀光结构还包括如图6所示的偏心球5,偏心球5位于准直透镜2 之后,为圆形的球体,这便于偏心轮带动它做圆周运动,使得入射的平行光聚焦进匀光棒,同时随着偏心球的转动将对光源进行消干涉。
进一步的,该区域光源匀光结构还包括如图7所示的散射片6,散射片6可位于偏心球5 之后紧贴匀光棒7的入光面71也可位于匀光棒7出光面72,散射片6的口径要大于匀光棒7 的口径。散射片6将由偏心球5出射的光进一步消干涉,同时进行初步匀化,提高照明匀光度。
更进一步的,还可将匀光棒7的入光面71或出光面72处理为散射面,以进一步提高照明匀光度。
进一步的,该区域光源匀光结构还包括如图8a-图8c中任一者所示的匀光棒7,匀光棒7 位于散射片6之后。匀光棒7的端面可为正三角形、矩形和正六边形等。匀光棒7的长度为端面口径的4倍以上。这样光线在匀光棒7中可以进行充分的全反射,提高了匀光棒7出射面光线的均匀度。
进一步的,该区域光源匀光结构还包括如图9a图9b所示的滤光收束透镜8,滤光收束透镜8位于匀光棒7之后,滤光收束镜8的口径大于匀光棒7的口径,这保证了由匀光棒7出射的光线可全部由滤光收束镜8接收,同时便于其后的临界成像透镜9成像,提高照明均匀度和照明面积。
进一步的,该区域光源匀光结构还包括如图10a-图10b所示的临界成像透镜9,临界成像透镜9位于滤光收束透镜8之后,滤光收束透镜8与临界成像透镜9结构完全一致,皆为外凸的弧面透镜,且凸面相向放置。
其中,滤光收束透镜8和临界成像透镜9配合使用,可获得较大的照明面积和较高的照明均匀度。
以上实施例提供的区域光源匀光结构可以有效解决荧光成像系统所需的高强度,高均匀性和大照明面积等激发光源问题。
需要说明的是,在本文中,术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含,从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素,而且还包括没有明确列出的其他要素,或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
应当理解,上述实施例仅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据以实施,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之内。