CN209992396U - 一种显微成像全谱段高压模块时间分辨荧光测量系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及样品光学检测领域，具体地说是一种显微成像全谱段高压模块时间分辨荧光测量系统，其中白光光源、金刚石对顶砧、物镜、分束片和透射荧光反射镜依次呈一线排列，显微成像时，可移动反射镜移动至分束片和透射荧光反射镜之间，白光光源发出的白光依次经过金刚石对顶砧、物镜和分束片后，经可移动反射镜反射射入显微成像系统中，测量时，可移动反射镜移出，脉冲激光光源发出的激光光束射入分束片中，且反射光部分经物镜会聚于金刚石对顶砧，样品辐射的荧光经物镜后射入分束片中，且透射荧光部分经透射荧光反射镜反射后经聚焦镜射入光谱仪中。本实用新型在测量前利用显微成像实现选区对焦，并可实现对高压模块全谱段时间分辨荧光的测量。

Description

一种显微成像全谱段高压模块时间分辨荧光测量系统

技术领域

本实用新型涉及样品光学检测领域，具体地说是一种显微成像全谱段高压模块时间分辨荧光测量系统。

背景技术

时间分辨荧光测量系统是利用激发光激发样品分子特征谱段，然后收集其辐射的荧光在不同时间延迟后的光强的过程，对时间分辨荧光的测量可以辅助分析分子的化学特性。

时间分辨荧光的测量方法有光克尔门测量法、时间分辨单光子计数法等。考虑到系统的简洁性与维护性，通常采用时间分辨单光子计数法进行时间分辨荧光测量。

在采用时间分辨单光子计数法的前提下，在测量时间分辨荧光的过程中，通常是将未经过聚焦处理的激发脉冲光入射到被测量样品中，物镜从与激发脉冲光入射方向呈90°的方向收集比色皿中测量样品的时间分辨荧光信息，此种方法已广泛应用于时间分辨荧光测量中，如HORIBA品牌的型号为Delta pro的超快时间分辨荧光光谱仪，以及Newport品牌的型号为TRFLS的时间分辨荧光光谱仪均采用此种方法，该方法结合单色仪或光谱仪可以实现对测量样品全谱段时间分辨荧光信息的测量。

但在高压模块样品的测量过程中，尤其是金刚石对顶砧内封装的样品测量过程中，上述设备则无法实现相应功能。金刚石对顶砧相对于四面通光的比色皿，其通光口径小，只有几百个微米，未经聚焦的激发光无法对金刚石对顶砧内的样品进行激发，并且金刚石对顶砧中只有共线的进出光方向，所述90°方向收集时间分辨荧光信息的方法无法应用于金刚石对顶砧样品的时间分辨荧光测量，另外由于现有测量系统中不含对焦成像系统，经常导致无法准确地将激发脉冲光入射至金刚石对顶砧上。

而在显微荧光成像领域中，同样采用时间分辨单光子计数方法，如PicoQuan品牌的型号为MicroTime200的时间分辨共聚焦荧光显微系统，其利用聚焦的脉冲激光入射至位于载玻片上的样品，物镜系统对样品的时间分辨荧光信息进行背向收集，并用光电二极管采集该荧光信息。但该方法的物镜系统工作距离短，无法满足金刚石对顶砧的测试距离要求，且较低的荧光信息采集效率也导致无法对所收集的荧光信息进行波长分光探测，使系统无法获得全谱段的时间分辨荧光信息。

因此从目前现有技术来看，无论是标准的时间分辨荧光测量设备，还是显微荧光成像设备，均无法满足高压模块样品的全谱段时间分辨荧光测量的需求，尤其是金刚石对顶砧内封装的样品测量。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种显微成像全谱段高压模块时间分辨荧光测量系统，在测量前利用显微成像实现选区对焦，并可实现对高压模块样品全谱段时间分辨荧光的测量。

本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种显微成像全谱段高压模块时间分辨荧光测量系统，包括脉冲激光光源、分束片、物镜、金刚石对顶砧、白光光源、可移动反射镜、透射荧光反射镜、聚焦镜、光谱仪和显微成像系统，其中白光光源、金刚石对顶砧、物镜、分束片和透射荧光反射镜依次呈一线排列，对金刚石对顶砧样品区进行显微成像时，可移动反射镜移动至分束片和透射荧光反射镜之间，白光光源发出的白光依次经过金刚石对顶砧、物镜和分束片后，经所述可移动反射镜反射射入显微成像系统中，对金刚石对顶砧样品区进行测量时，可移动反射镜移出，脉冲激光光源发出的激光光束射入分束片中，且激光光束的反射光部分射入物镜中，并经所述物镜会聚于金刚石对顶砧样品区，样品受激发辐射的荧光经所述物镜后变为平行荧光光束并射入分束片中，且所述平行荧光光束的透射荧光部分经过透射荧光反射镜反射后射向聚焦镜，并经所述聚焦镜聚焦后射入光谱仪中。

所述可移动反射镜具有移动和转动两个自由度。

所述可移动反射镜通过一个驱动机构驱动调整，所述驱动机构包括移动驱动装置、丝杠、丝母、移动板和转动驱动装置，所述丝杠通过所述移动驱动装置驱动旋转，丝母安装于所述丝杠上，移动板与所述丝母固连，在所述移动板上设有转动驱动装置，且所述可移动反射镜通过所述转动驱动装置驱动转动。

所述移动驱动装置后端和转动驱动装置后端均设有编码器。

在所述分束片和透射荧光反射镜之间的光线传播路径上设有一个导光壳体，所述可移动反射镜出入所述导光壳体。

所述金刚石对顶砧设于一个支撑架上，且所述支撑架设于一个三维移动机构的平板移动台上，所述平板移动台具有X、Y、Z自由度。

所述支撑架呈V字型结构，金刚石对顶砧放置于支撑架的V型槽之间。

所述光谱仪通过第一数据传输线与第一计算机相连。

所述显微成像系统包括相机和第二计算机，所述相机通过第二数据传输线与所述第二计算机相连。

在所述分束片远离脉冲激光光源一侧设有遮光板。

本实用新型的优点与积极效果为：

1、本实用新型设有可移动反射镜，当所述可移动反射镜移动至分束片和透射荧光反射镜之间的光线传播路径上时，白光光源射出的白光经所述可移动反射镜反射后射入显微成像系统中成像，可进行选区和对焦，测量时所述可移动反射镜移出分束片和透射荧光反射镜之间的光线传播路径，脉冲激光光源启动对金刚石对顶砧样品区进行全谱段时间分辨荧光的测量，既保证了脉冲激光准确射入，又弥补了现有技术中无法测量高压模块时间分辨荧光的技术空白。

2、本实用新型的可移动反射镜通过一个驱动机构驱动调整，并且所述可移动反射镜具有移动和转动两个自由度，既能准确快速地实现成像和测量工序之间的转换，也能实现成像光路校正，保证显微成像准确。

3、本实用新型的金刚石对顶砧可通过一个具有X、Y、Z三个自由度的三维移动机构调整位置，方便显微成像调整。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图，

图2为图1中的金刚石对顶砧结构示意图，

图3为图1中的可移动反射镜示意图，

图4为图3中可移动反射镜的驱动机构示意图。

其中，1为脉冲激光光源，2为分束片，3为物镜，4为遮光板，5为第二计算机，6为金刚石对顶砧，7为可移动反射镜，701为底座，8为透射荧光反射镜，9为聚集镜，10为光谱仪，11为第一数据传输线，12为第二数据传输线，13为支撑架，14为第一计算机，15为白光光源，16为相机镜头，17为相机，18为导光壳体，181为通光孔，182为反射镜通孔，19为移动驱动装置，20为丝杠，21为丝母，22为移动板，23为转动驱动装置。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步详述。

如图1所示，本实用新型包括脉冲激光光源1、分束片2、物镜3、金刚石对顶砧6、白光光源15、可移动反射镜7、透射荧光反射镜8、聚焦镜9、光谱仪10和显微成像系统，其中白光光源15、金刚石对顶砧6、物镜3、分束片2和透射荧光反射镜8依次呈一线排列，对金刚石对顶砧6样品区进行显微成像时，可移动反射镜7移动至分束片2和透射荧光反射镜8之间，白光光源15发出的白光依次经过金刚石对顶砧6、物镜3和分束片2后，经所述可移动反射镜7反射射入显微成像系统中，对金刚石对顶砧6样品区进行测量时，可移动反射镜7移出，脉冲激光光源1发出的激光光束射入分束片2中，且激光光束的反射光部分射入物镜3中，并经所述物镜3会聚于金刚石对顶砧6样品区，样品受激发辐射的荧光经所述物镜3后变为平行荧光光束并射入分束片2中，且所述平行荧光光束的透射荧光部分经过透射荧光反射镜8反射后射向聚焦镜9，并经所述聚焦镜9聚焦后射入光谱仪10中。

如图3所示，所述可移动反射镜7具有移动和转动两个自由度，在所述分束片2和透射荧光反射镜8之间的光线传播路径上设有一个导光壳体18，所述可移动反射镜7可出入所述导光壳体18，其中在对金刚石对顶砧6样品区进行显微成像时，所述可移动反射镜7移入所述导光壳体18中，并旋转调整至合适角度以保证显微成像系统成像，在对金刚石对顶砧6样品区进行测量时，所述可移动反射镜7移出所述导光壳体18。本实施例中，所述导光壳体18为笼式立方体结构，在所述导光壳体18上设有供光线出入的通光孔181以及供所述可移动反射镜7出入的反射镜通孔182。

如图4所示，所述可移动反射镜7通过一个驱动机构驱动调整，所述驱动机构包括移动驱动装置19、丝杠20、丝母21、移动板22和转动驱动装置23，移动驱动装置19和丝杠20均设置于一个底板上，且所述丝杠20通过所述移动驱动装置19驱动旋转，丝母21安装于所述丝杠20上，移动板22与所述丝母21固连，在所述移动板22上设有转动驱动装置23，且所述可移动反射镜7的底座701与所述转动驱动装置23的输出轴固连。机构工作时，所述丝杠20通过所述移动驱动装置19驱动旋转，进而驱动所述丝母21移动，并带动所述移动板22移动调整可移动反射镜7的位置，可移动反射镜7的位置确定后再通过所述转动驱动装置23驱动旋转调整角度。本实施例中，所述移动驱动装置19和转动驱动装置23均为减速电机，并且所述移动驱动装置19后端和转动驱动装置23后端均设有编码器，其中移动驱动装置19后端的编码器通过检测旋转圈数并通过系统计算可实现精确控制所述丝母21的移动距离，进而精确控制移动板22及可移动反射镜7的移动距离，转动驱动装置23后端的编码器用于控制可移动反射镜7的旋转角度，所述编码器为市购产品。

如图2所示，所述金刚石对顶砧6设于一个支撑架13上，且所述支撑架13设于一个三维移动机构的平板移动台上，所述三维移动机构可驱动所述支撑架13沿着X、Y、Z方向进行调整，进而调整所述金刚石对顶砧6上的样品区位置，所述白光光源15也设于所述平板移动台上，显微成像时，所述白光光源15跟随金刚石对顶砧6移动，不会影响成像效果。所述三维移动机构为市购产品，本实施例中，所述三维移动机构的生产厂家为Thorlabs公司，型号为PT3/M。

如图2所示，本实施例中，所述支撑架13呈V字型结构，金刚石对顶砧6放置于支撑架13的V型槽之间，所述支撑架13也可为其他支撑结构。

如图1所示，所述光谱仪10通过第一数据传输线11与第一计算机14相连，所述光谱仪10对入射荧光进行分析后将数据传输至所述第一计算机14中进行处理，并在所述第一计算机14的显示屏上显示相关全谱段时间分辨荧光数据。

如图1所示，所述显微成像系统包括相机17和第二计算机5，所述相机17通过第二数据传输线12与所述第二计算机5相连，对金刚石对顶砧6样品区进行显微成像时，白光光源15发出的白光经可移动反射镜7反射后射入相机17前端的相机镜头16中，且所述相机17的成像数据传输至第二计算机5中，并经过处理后在所述第二计算机5的显示屏上显示成像信息。

如图1所示，在所述分束片2远离脉冲激光光源1一侧设有遮光板4，激光光束经过分束片2后，其透射光部分被所述遮光板4遮挡而截止。

本实用新型的工作原理为：

如图1所示，本实用新型在所述分束片2与透射荧光反射镜8之间设有可移动反射镜7，在对金刚石对顶砧6进行全谱段时间分辨荧光测量之前，本实用新型可以通过对金刚石对顶砧6样品区进行显微成像，从而实现对激发区域的选择和脉冲激光的对焦。

如图1所示，对金刚石对顶砧6样品区进行显微成像时，可移动反射镜7移动至所述分束片2和透射荧光反射镜8之间的光线传播路径上，白光光源15射出的白光照亮金刚石对顶砧6样品区，所述样品区被照亮后，光线经过物镜3并通过所述可移动反射镜7反射后射入相机17前端的相机镜头16中，其中分束片2对光具有透射作用，不会影响系统成像过程，所述相机17的成像数据传输至第二计算机5中并经处理后在所述第二计算机5的显示屏上显示成像信息，作业人员可以直接从第二计算机5的显示屏上实时观测到相机17获得成像信息。本实施例中，所述金刚石对顶砧6样品区大小为直径100～150微米的圆形区域，金刚石对顶砧6样品区被白光光源15照亮后，在第二计算机5的显示屏上看到的圆形亮区即为金刚石对顶砧6样品区，另外在在显微成像过程中，可以使脉冲激光光源1处于开机状态，这样脉冲激光光源1发出的激光光束经过分束片2分束后，其反射光部分经过物镜3聚焦于金刚石对顶砧6的样品区时，由于所述样品区并非完全透明的状态，因此所述聚焦于金刚石对顶砧6样品区的脉冲激光在样品区上存在散射现象，这个现象使得在显微成像过程中可以在第二计算机5的显示屏上观察到散射光斑，所述散射光斑即为所述会聚脉冲激光打在金刚石对顶砧6样品区的光斑，在正确对焦的情况下，第二计算机5的显示屏上显示的会聚脉冲激光的散射光斑直径与金刚石对顶砧6样品区直径比为1：12至1：18，如果此时调节承载金刚石对顶砧6的三维移动机构的平板移动台，可以从第二计算机5的显示屏中观察到所述散射光斑随着调节的进行而变换大小，选取光斑最小的位置即为所述会聚脉冲激光焦点与金刚石对顶砧6重合最好的位置，此过程可以通过调节所述平板移动台的X方向实现，如果此时调节三维移动机构的平板平移台Y方向和Z方向(如图1所示，Z向即垂直于X向和Y向所在平面的方向)，则可以调整所述会聚脉冲激光的焦点打在金刚石对顶砧6样品区的位置，可以对金刚石对顶砧6样品区进行选区激发。

另外如图3～4所示，所述可移动反射镜7通过一个驱动机构驱动调整并具有移动和转动两个自由度，其中所述可移动反射镜7移动到位后，可通过转动自由度实现成像光路校正，以保证金刚石对顶砧6成像落在相机17的光电探测器上。

本实用新型完成激发区域的选择和脉冲激光的对焦后，再对金刚石对顶砧6样品区进行全谱段时间分辨荧光测量。

如图1所示，进行金刚石对顶砧6全谱段时间分辨荧光测量时，可移动反射镜7向外移动并脱离所述分束片2和透射荧光反射镜8之间的光线传播路径，此时光线经过分束片2后可直接射入透射荧光反射镜8中。测量时脉冲激光光源1发出的平行激光光束入射至分束片2的分光面，分束片2按照50:50的分光比将入射的激光光束分成透射光与反射光两部分，在所述分束片2远离脉冲激光光源1一侧设有遮光板4，激光光束经过分束片2后，其透射光部分被所述遮光板4遮挡而截止，反射光部分经分束片2反射后射入物镜3中，并经所述物镜3作用由平行激光光束变为会聚激光光束，且所述会聚激光光束聚焦于金刚石对顶砧6的样品区中，使样品区中的测试样品受激发而辐射荧光，所述荧光与所述会聚激光光束入射方向相反的部分经所述物镜3作用变为平行荧光光束，且所述平行荧光光束入射至所述分束片2分光面，所述分束片2按照50:50的分光比将入射的平行荧光光束分成透射荧光和反射荧光部分，其中透射荧光直接射向透射荧光反射镜8，并经所述透射荧光反射镜8反射射向聚焦镜9，经聚焦镜9聚焦后射入光谱仪10中，所述光谱仪10对入射荧光进行分析，且光谱仪10分析的数据传输至所述第一计算机14进行处理，并在所述第一计算机14的显示屏上显示相关全谱段时间分辨荧光数据。

本实施例中，脉冲激光光源1优选为皮秒脉冲激光，其出射激光中心波长为405nm，脉冲宽度为20皮秒，光谱仪10优选为光栅光谱仪，分束片2优选为50:50分光比的介质膜分束片，物镜3优选为焦距为200毫米的物镜，白光光源15优选为LED白光光源。所述脉冲激光光源1、光谱仪10、分束片2、物镜3、白光光源15、透射荧光反射镜8和聚焦镜9均为本领域公知技术且均为市购产品。

Claims (10)

1.一种显微成像全谱段高压模块时间分辨荧光测量系统，其特征在于：包括脉冲激光光源(1)、分束片(2)、物镜(3)、金刚石对顶砧(6)、白光光源(15)、可移动反射镜(7)、透射荧光反射镜(8)、聚焦镜(9)、光谱仪(10)和显微成像系统，其中白光光源(15)、金刚石对顶砧(6)、物镜(3)、分束片(2)和透射荧光反射镜(8)依次呈一线排列，对金刚石对顶砧(6)样品区进行显微成像时，可移动反射镜(7)移动至分束片(2)和透射荧光反射镜(8)之间，白光光源(15)发出的白光依次经过金刚石对顶砧(6)、物镜(3)和分束片(2)后，经所述可移动反射镜(7)反射射入显微成像系统中，对金刚石对顶砧(6)样品区进行测量时，可移动反射镜(7)移出，脉冲激光光源(1)发出的激光光束射入分束片(2)中，且激光光束的反射光部分射入物镜(3)中，并经所述物镜(3)会聚于金刚石对顶砧(6)样品区，样品受激发辐射的荧光经所述物镜(3)后变为平行荧光光束并射入分束片(2)中，且所述平行荧光光束的透射荧光部分经过透射荧光反射镜(8)反射后射向聚焦镜(9)，并经所述聚焦镜(9)聚焦后射入光谱仪(10)中。

2.根据权利要求1所述的显微成像全谱段高压模块时间分辨荧光测量系统，其特征在于：所述可移动反射镜(7)具有移动和转动两个自由度。

3.根据权利要求2所述的显微成像全谱段高压模块时间分辨荧光测量系统，其特征在于：所述可移动反射镜(7)通过一个驱动机构驱动调整，所述驱动机构包括移动驱动装置(19)、丝杠(20)、丝母(21)、移动板(22)和转动驱动装置(23)，所述丝杠(20)通过所述移动驱动装置(19)驱动旋转，丝母(21)安装于所述丝杠(20)上，移动板(22)与所述丝母(21)固连，在所述移动板(22)上设有转动驱动装置(23)，且所述可移动反射镜(7)通过所述转动驱动装置(23)驱动转动。

4.根据权利要求3所述的显微成像全谱段高压模块时间分辨荧光测量系统，其特征在于：所述移动驱动装置(19)后端和转动驱动装置(23)后端均设有编码器。

5.根据权利要求2所述的显微成像全谱段高压模块时间分辨荧光测量系统，其特征在于：在所述分束片(2)和透射荧光反射镜(8)之间的光线传播路径上设有一个导光壳体(18)，所述可移动反射镜(7)出入所述导光壳体(18)。

6.根据权利要求1所述的显微成像全谱段高压模块时间分辨荧光测量系统，其特征在于：所述金刚石对顶砧(6)设于一个支撑架(13)上，且所述支撑架(13)设于一个三维移动机构的平板移动台上，所述平板移动台上具有X、Y、Z自由度。

7.根据权利要求6所述的显微成像全谱段高压模块时间分辨荧光测量系统，其特征在于：所述支撑架(13)呈V字型结构，金刚石对顶砧(6)放置于支撑架(13)的V型槽之间。

8.根据权利要求1所述的显微成像全谱段高压模块时间分辨荧光测量系统，其特征在于：所述光谱仪(10)通过第一数据传输线(11)与第一计算机(14)相连。

9.根据权利要求1所述的显微成像全谱段高压模块时间分辨荧光测量系统，其特征在于：所述显微成像系统包括相机(17)和第二计算机(5)，所述相机(17)通过第二数据传输线(12)与所述第二计算机(5)相连。

10.根据权利要求1所述的显微成像全谱段高压模块时间分辨荧光测量系统，其特征在于：在所述分束片(2)远离脉冲激光光源(1)一侧设有遮光板(4)。

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