CN204116229U - 一种具有轴向定位功能的荧光显微成像装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种具有轴向定位功能的荧光显微成像装置，包括：激光器、第一透镜、二色镜、物镜、滤光片、筒镜、第三透镜、相位板、第二透镜、探测器和计算机；所述相位板和所述物镜的光瞳处于共轭位置。本实用新型在传统荧光显微系统中加入相位信息，它能够在准确探测微粒在XY方向位置的基础上可以精确探测微粒轴向位置信息，从而获知荧光微粒的三维位置信息，进一步扩大了荧光显微成像技术在多个科研领域的应用范围；与现有大型荧光显微成像设备相比，装置结构更简单，造价成本更低廉，速度快。

Description

一种具有轴向定位功能的荧光显微成像装置

技术领域

本实用新型涉及一种荧光显微成像领域，特别是涉及一种基于相位信息的微粒轴向定位荧光成像装置。

背景技术

荧光微粒，通常是指那些在激光照射下能够受激发并发出荧光的一类物质。在生物组织成像或单分子成像中经常遇到离散的荧光微粒，在大多数情况下，这些荧光微粒会随时间向空间各个方向运动，而正是由于这些不确定性的运动限制了该成像技术在其他领域的应用范围，因此，能够精确地探测荧光微粒的空间位置变化情况对许多应用都显得至关重要。在现有技术中，普通的荧光显微镜可以较精确地探测微粒在横向方向的位置变化，即X、Y方向的位置变化，而沿光轴方向的位置变化即沿Z轴的位置变化则难以探测，共聚焦显微镜虽然具有轴向层析成像能力，但成像速度慢，不能够捕捉荧光微粒在空间方向的快速位置变化。

实用新型内容

为克服现有技术的不足，本实用新型在荧光显微镜成像光路中引入一个光学相位分布装置，使获得的荧光微粒图像含有微粒的轴向位置信息。在物镜的焦面区域的荧光微粒经光路系统后在探测器上获得形状为双旁瓣图案的图像；当荧光微粒处于物镜焦面位置时，即物面处于物镜焦面位置时，荧光微粒经光学系统后所生成的双旁瓣图案中心连线作为基准线；当物面处于离焦位置时，荧光微粒所生成的旁瓣图像中心连线将与基准线成一角度，该角度值与离焦程度相关；由于荧光显微成像技术本身可以探测微粒在X、Y方向上的位置，通过定量测定该角度值后，可以获得荧光微粒的三维位置信息。

为实现上述目的，本实用新型通过以下技术方案实现：

一种具有轴向定位功能的荧光显微成像装置，包括：

激光器、第一透镜、二色镜、物镜、滤光片、筒镜、第三透镜、相位板、第二透镜、探测器；所述相位板其用于将荧光转化为多阶成像性质的荧光光束，以保证荧光光束带有相位信息；所述相位板和所述物镜的光瞳处于共轭位置；所述第三透镜位于所述筒镜和所述相位板之间，用于保证相位板和物镜的光瞳处于共轭位置；所述相位板位于所述第二透镜的后焦面上。

激光器，其为激光光源；

第一透镜，设置在所述激光器光路上，所述第一透镜位置可在所述激光器光路上前后调节；

二色镜，用于反射激光并透射荧光，所述二色镜设置在所述激光器光路上；

物镜，用于聚焦由所述二色镜反射而来的激光并收集由被激光照射的荧光物质所发出的荧光；

滤光片，用于滤除残留激光和杂散光，并透射荧光；

筒镜，与所述物镜匹配，并输出荧光；

第二透镜，其用于将具有多阶成像性质的荧光光束聚焦；

探测器，其为CCD传感器，用于接收所述具有多阶成像性质的荧光光束，生成双旁瓣图像；

计算机，采集和处理所述探测器所得数据。

沿激光光路行进方向，激光依次经过激光器、第一透镜、二色镜和物镜，并最终到达被照射样本，被照射样本经激光激发后发出荧光；沿荧光光路行进方向，荧光依次经过物镜、二色镜、滤光片、筒镜、第三透镜、相位板和第二透镜，并最终被探测器接收。

本实用新型的有益效果是：1)在传统荧光显微系统中加入相位信息，它能够在准确探测微粒在XY方向位置的基础上可以精确探测微粒轴向位置信息，从而获知荧光微粒的三维位置信息，进一步扩大了荧光显微成像技术在多个科研领域的应用范围；2)与现有大型荧光显微成像设备相比，装置结构更简单，造价成本更低廉，速度快。

附图说明

图1为本实用新型的具有轴向定位功能的荧光显微成像装置的结构示意图。

图2为本实用新型的双旁瓣图像中心连线和水平轴夹角与荧光微粒轴向位置的关系示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

如图1所示，该具有轴向定位功能的荧光显微成像装置包括：激光器1、第一透镜2、二色镜3、物镜4、滤光片5、筒镜6、第三透镜7、相位板8、第二透镜9、探测器10和计算机11。

其中，激光器1是激光光源，第一透镜2设置在激光器光路上，它的位置可沿该光路进行前后调节，以在物镜4相对的样本面上生成预期尺寸的均匀照明光斑；二色镜3用于反射激光并透射荧光，它也设置在激光器1光路上，并与激光器1光路呈锐角角度；物镜4用于聚焦由二色镜3反射而来的激光并收集由被激光照射的荧光物质激发出的荧光；滤光片5用于滤除残留激光，并透射荧光；筒镜6与物镜4相匹配，并用于输出荧光；相位板8用于将荧光转化为多阶成像性质的荧光光束，以保证荧光光束带有相位信息，同时，相位板8和物镜4的光瞳应处于共轭位置；相位板8位于第二透镜9的后焦面上；第二透镜9用于将具有多阶成像性质的荧光光束聚焦；探测器10为一种CCD传感器，主要用于接收具有多阶成像性质的荧光光束，生成双旁瓣图像；计算机11与探测器10相连，采集和处理探测器10所得的数据；第三透镜7位于筒镜6和相位板8之间，它用于中转荧光，以保证相位板8和物镜4的光瞳处于共轭位置。

该荧光显微成像装置的工作过程是：

激光器1、第一透镜2、二色镜3、物镜4作为照明模块；激光器1为照明光源，激光器1所发激光经第一透镜2后，经二色镜3反射和物镜4会聚在样本物体即荧光微粒上，形成均匀照明光斑。这个过程也可从激光行进路线来描述：沿激光光路行进方向，激光依次经过激光器1、第一透镜2、二色镜3和物镜4，并最终到达位于物镜4焦面的被照射样本，被照射样本优选为荧光微粒，荧光微粒经激光激发后发出荧光。

荧光信号经物镜4收集后，二色镜3和滤光片5滤除激光和杂散光，并且透射荧光，滤光片5和探测器10之间从靠近二色镜3的一端依次布置有筒镜6、第三透镜7、相位板8和第二透镜9，相位板8和物镜4光瞳处于共轭位置，且相位板8位于第二透镜9的后焦面上，这种布置保证物镜4焦面上每个物点经上述光学系统后将在探测器10上形成双旁瓣图案。滤除激发光和杂散光后，荧光经过筒镜6和第三透镜7至相位板8，经相位板8后，带相位信息的荧光光束通过第二透镜9成像在探测器10上，获得双旁瓣图像，该过程从荧光行进路线可描述为：沿荧光光路行进方向，荧光依次经过物镜4、二色镜3、滤光片5、筒镜6、第三透镜7、相位板8和第二透镜9，并最终被探测器10接收。双旁瓣图像将由计算机11采集并进行进一步分析处理。

双旁瓣图像中心基准线的制定：调节第一透镜2前后位置，获得预期尺寸均匀照明光斑；调节样本(荧光微粒)至物镜4焦面，在探测器10上获取焦面位置上荧光微粒的图像，以此时获得的双旁瓣图像中心连线作为基准线。(如图2所示)

当荧光微粒偏离焦面时，探测器10将获取新的双旁瓣图像，新的双旁瓣图像中心连线与基准线之间存在一定角度(如图2所示)，且双旁瓣图像中心连线和基准线的夹角随物点在物镜焦点附近沿光轴的位置坐标存在一定的变换关系。因此可以在光学系统设计之时，预先对系统进行标定，确定双旁瓣中心连线和基准线之间角度与荧光微粒在轴向上位置的对应关系，同时计算机11中将预先存储这些数据，在实验数据计算中直接调用。

在实际应用时，当荧光微粒偏离焦面时，探测器10将获取新的双旁瓣图像；计算机11采集新的双旁瓣图像后，将计算新的双旁瓣图像中心连线和已建立基准线之间的角度，并且根据角度和离焦量对应关系进一步确定荧光微粒在轴向上的位置。

尽管本实用新型的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本实用新型的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本实用新型并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (2)

1.一种具有轴向定位功能的荧光显微成像装置，其特征在于，包括：

激光器，其为激光光源；

第一透镜，设置在所述激光器光路上，所述第一透镜位置可在所述激光器光路上前后调节；

二色镜，用于反射激光并透射荧光，所述二色镜设置在所述激光器光路上；

物镜，用于聚焦由所述二色镜反射而来的激光并收集由被激光照射物体激发出的荧光；

滤光片，用于滤除残留激光和杂散光，并透射荧光；

筒镜，与所述物镜匹配，并输出荧光；

相位板，其用于将荧光转化为多阶成像性质的荧光光束，以保证荧光光束带有相位信息，所述相位板和所述物镜的光瞳处于共轭位置；

第二透镜，其用于将具有多阶成像性质的荧光光束聚焦，所述相位板位于所述第二透镜的后焦面上；

第三透镜，其位于所述筒镜和所述相位板之间，用于保证相位板和物镜光瞳位于共轭位置；

探测器，其为CCD传感器；

计算机，其与所述探测器相连。

2.如权利要求1所述的具有轴向定位功能的荧光显微成像装置，其特征在于，沿激光光路行进方向，激光依次经过激光器、第一透镜、二色镜和物镜，并最终到达被照射样本，被照射样本经激光激发后发出荧光；沿荧光光路行进方向，荧光依次经过物镜、二色镜、滤光片、筒镜、第三透镜、相位板和第二透镜，并最终被探测器接收。