CN210155405U - 一种包含光电检测器的显微物镜 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及光学显微成像技术领域，具体涉及一种包含光电检测器的显微物镜，包括显微物镜镜体，显微物镜镜体包括输入端和多个输出端，显微物镜镜体的输入端与外部显微镜镜体的输出端相连，显微物镜镜体的其中一个输出端与外部样品相连，显微物镜镜体的另外输出端之一连接有用于收集荧光光子的光电检测器，光电检测器数量为若干，光电检测器分布于显微物镜镜体的前孔径的四周。本实用新型中利用若干沿显微物镜镜体的前孔径四周分布的光电检测器对显微物镜镜体的前孔径未能收集的荧光光子进行收集，从而提升荧光光子收集效率，解决了现有技术中荧光光子收集效率低得问题，提高了成像的信噪比，使高散射介质中的成像深度得以提高。

Description

一种包含光电检测器的显微物镜

技术领域

本实用新型涉及光学显微成像技术领域，特别涉及一种包含光电检测器的显微物镜。

背景技术

在非线性光学成像显微镜，特别是多光子荧光显微镜中，近红外激光脉冲被显微物镜聚焦后在样品中激发出各向同性发射的荧光信号。生物组织通常表现出较强吸收和高散射的光学特性。对于落射式(Epifluorescence)荧光检测，同一个显微物镜既被用于聚焦激发光，又被用于收集荧光信号。被显微物镜收集的荧光信号的强度取决于显微物镜的数值孔径和物镜前孔径(Objective Front Aperture，OFA)(E.Beaurepaire,et.al,AppliedOptics,vol.41,no.25,pp.5376-5382,2002)。显微物镜的数值孔径和物镜前孔径越大，显微物镜能收集的荧光信号的强度越大。对于双光子荧光显微镜中常见的数值孔径为0.8，放大倍率为40X的显微物镜来说，高散射样品中只有不到10％的立体角内的荧光被显微物镜收集到。

近年来出现了很多技术收集显微物镜无法收集到的荧光光子，2006年折返射显微物镜被提出(D.

et.al,Optics Letters,vol.31,no.16,pp.2447-2449,2006)。2007年采用抛物面镜和2011年采用圆柱面镜的发射检测技术被提出，仿真获得了10倍荧光收集效率增强，实验获得了8.9倍荧光收集效率增强(C.A.Combs,et.al,Journal fMicroscopy,vol.228,no.3,pp.330-337,2007和V.Crosignani,et.al,Journal ofBiophotonics,vol.4,no.9,pp.592-599,2011)。之后，上述技术分别经过改进后被用于落射式荧光检测(C.A.Combs,et.al，Journalof Microscopy,vol.241,no.2,pp.153-161,2011和V.Crosignani,et.al,Journal of Biomedical Optics,vol.17,no.11,pp.116023,2012)。最近报道了一种可用于直立双光子显微镜的紧凑的全发射检测器件(C.A.Combs,et.al，Journal of Microscopy,vol.253,no.2,pp.83-92,2014)。此外通过在显微物镜周围安排5-8根高数值孔径的光纤来收集显微物镜收集不到的荧光，可以在高数值孔径显微物镜获得2倍荧光收集效率增强，在低数值孔径显微物镜获得20倍荧光收集效率增强(C.J.Engelbrecht,et.al,Optics Express,vol.17,no.8,pp.6421-6435,2009和J.D.McMullen,et.al,Journal of Microscopy,vol.241,no.2,pp.119–124,2011)。2016年一种兼容商用双光子荧光显微镜的采用四分之一椭球反射镜的全发射检测技术被提出，在高数值孔径显微物镜获得了2.75倍荧光收集效率增强(Y.Xu,et.al,IEEE PhotonicsJournal,Vol.8,Issue 5,6901109,2016)。

以上用于增强荧光收集效率的技术均采用额外光学元件收集显微物镜无法收集到的荧光光子。由于荧光光子的散射角度离散性很大，进入额外收集光路后荧光光子多次反射路径复杂，损耗大，导致额外光学元件的实际收集效率受限。此外额外光学元件的形状复杂，加工难度很高，成本也较高。上述用于增强荧光收集效率的技术很多体积过大，都会遮挡成像区域，对同时进行的电生理实验操作造成阻碍。

实用新型内容

为了解决上述问题，本实用新型提供了一种包含光电检测器的显微物镜，解决了现有技术中额外收集光学元件复杂，荧光光子收集效率低的问题。

为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是：一种包含光电检测器的显微物镜，包括显微物镜镜体，显微物镜镜体包括输入端和多个输出端，显微物镜镜体的输入端与外部显微镜镜体的输出端相连，显微物镜镜体的其中一个输出端与外部样品相连，显微物镜镜体的另外输出端之一连接有用于收集荧光光子的光电检测器，光电检测器数量为若干，光电检测器分布于显微物镜镜体的前孔径的四周。

本实用新型的原理是：显微物镜既被用于聚焦激发光，又被用于收集荧光信号，在进行光电检测时，由显微物镜镜体输出端射出的近红外激光脉冲射向外部样品，使近红外激光脉冲被显微物镜聚焦后在样品中激发出各向同性发射的荧光信号，部分荧光光子经过显微物镜镜体前孔径被收集，未能进入到显微物镜镜体前孔径的荧光光子被光电检测器收集，由于光电检测器数量为若干，且若干光电检测器分布于显微物镜前孔径的四周，使得未能被显微物镜镜体的荧光光子能尽量多的被光电检测器收集到，从而提升荧光光子的收集效率，提高了成像的信噪比，最终使高散射介质中的成像深度得以提高。

采用上述方案的优点在于：

1.能够提升荧光光子的收集效率；相比于现有技术中采用圆柱面镜或者椭球型反射镜等技术来提升荧光光子的收集效率，由于荧光光子的散射角度离散性很大，进入额外收集光路后荧光光子多次反射路径复杂，损耗大，导致额外光学元件的实际收集效率受限。本申请中利用光电检测电路对显微物镜镜体的前孔径未能收集的荧光光子进行收集，由于光电检测电路中荧光光子沿显微物镜镜体的前孔径四周分布，使得尽可能多的荧光光子能被收集，从而提升荧光光子的收集效率。

2.体积小、制作成本低：相比于现有技术中额外光学元件的形状复杂，加工难度很高，控制复杂，使得整体成本较高。本申请中相邻光电检测器之间对于荧光光子收集互不影响，单个光电检测器的结构简单，制造成本低，体积更小，避免其他对于收集荧光光子的无效组件占用收集空间，从而使荧光光子的收集效率更高。

本发明与普通物镜相比，以常用的数值孔径为0.8，放大倍率为40X的液浸物镜为例说明，该液浸物镜的荧光发射半角为arcsin(0.8/1.33)＝30度，可以计算出，本发明在同款显微物镜的前孔径周围布置宽度为1mm的环形光电检测器可以收集到荧光发射半角为30度至60度之间的荧光光子，相当于具有激发数值孔径为0.8，而收集数值孔径为1.0，因此大大提高了荧光收集效率，提高了成像的信噪比，提高了在高散射介质中的成像深度。

进一步，光电检测器与外部样品之间的填充物为真空或用于折射率匹配的任何气体或任何液体或任何固体。

利用真空或用于折射率匹配的任何气体或任何液体或任何固体作为光电检测器与外部试验样品之间的填充物，避免外部样品对光电检测器收集荧光光子的结果产生影响，从而保证检测结果更加准确。

进一步，光电检测器包括依次相连的滤光片、光电敏感单元和驱动电路，滤光片与显微物镜镜体的其中一个输出端相连，驱动电路的输出端和外部放大电路以及计算机相连。

未能被显微物镜的前孔径收集的荧光光子由显微物镜的一个输出端射向滤光片，滤光片用于滤出背向反射和背向散射的激发光，光电敏感单元用于将穿过滤光片的荧光光子转化为电信号，驱动电路用于对光电检测器的光电敏感单元提供高电压和驱动信号，并与外部放大电路和计算机相连，光电检测器用于收集显微物镜收集不到的荧光光子，从而提升检测结果的准确性。

进一步，光电检测器还包括保护元件，保护元件位于显微物镜镜体和滤光片之间，保护元件的输入端与显微物镜镜体的其中一个输出端相连，保护元件的输出端与滤光片的输入端相连。

保护元件用于隔离外部样品和光电检测器，避免外部样品对光电检测器对荧光光子收集造成影响；同时，保护元件还用于电气隔离，防止光电检测器的光电敏感单元的高电压(特别是当光电检测器为雪崩光电二极管等带有内部增益的元件)对样品和操作人员造成危险。

进一步，保护元件包括可透射可见光波长的绝缘外壳，滤光片包括可透射可见光波长的绝缘滤光片，绝缘滤光片和保护元件的介电强度均大于5MV/mm。

保护元件和滤光片均采用绝缘材料制成，防止外界环境对光电检测器呢测试结果的影响，同时，保护元件和滤光片的材料均可透射可见光波长，使荧光光子能够穿过保护元件和滤光片而达到光电敏感单元，便于光电敏感单元将接收到的荧光光子信号转换为电信号。具体地，将绝缘滤光片和保护元件的介电强度设置为均大于5MV/mm，保障绝缘滤光片和保护元件的绝缘性能。

进一步，保护元件的表面固定连接有防反射光学镀膜层。

保护元件的表面固定连接有防反射光学镀膜层，用于提高荧光光子的透射率，从而进一步提升荧光光子的收集效率，使检测结果更加准确。

进一步，若干光电检测器的保护元件一体成型。

将若干光电检测器的保护元件一体成型，一方面，便于保护元件的加工制造，另一方面，所有保护元件连成一体，使保护元件形成一个保护罩，使其保护作用更强。

进一步，光电敏感单元与显微物镜镜体相对的内侧与显微物镜的焦平面之间的距离大于等于光电敏感单元与显微物镜镜体相对的外侧与显微物镜的焦平面之间的距离。

光电敏感单元与显微物镜镜体相对的内侧与显微物镜的焦平面之间的距离大于等于光电敏感单元与显微物镜镜体相对的外侧与显微物镜的焦平面之间的距离，使得光电敏感单元相对于焦平面倾斜设置，且光电敏感单元向向显微物镜镜体的外侧倾斜，使所有光电敏感单元正对外部样品，从而使光电敏感单元接收荧光光子的有效面积更大，使更多的荧光光子能被收集到，从而使检测结果更加准确。

进一步，光电敏感单元可以为雪崩二极管或者光电耦合器件或者金属半导体氧化物器件或者焦平面阵器件或者光电倍增管器件或单光子计数器件或者基于任何以上一种或者多种光电转换原理器件的混合器件。

本方案中可以使用多种光电敏感单元的器件，在实际制造中可以选择一种或者多种器件的组合，进一步提升显微物镜的实用性。

进一步，保护元件与光电敏感单元相对的表面为微透镜阵列。

保护元件与光电敏感单元相对的表面为微透镜阵列，用于将荧光光子聚焦到光电敏感单元的每个像素，从而提高光电敏感单元的感光效率，使测试结果更加准确。

附图说明

图1为本实用新型的结构框图。

图2为本发明的光电检测器的结构示意图。

图3为本实用新型实施例一中一种包含光电检测器的显微物镜的示意图。

图4为本实用新型实施例一中一种包含光电检测器的显微物镜中光电检测器的示意图。

图5为本实用新型实施例二中一种包含光电检测器的显微物镜的示意图。

图6为本实用新型实施例二中一种包含光电检测器的显微物镜中光电检测器的示意图。

图7为本实用新型实施例三中一种包含光电检测器的显微物镜中光电检测器的示意图

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细说明：

说明书附图中的附图标记包括：显微物镜镜体1、外部样品2、保护元件3、滤光片4、光电敏感单元5、驱动电路6、外部放大电路7、计算机8、前孔径9。

实施例一：

实施例一基本如图1、图2、图3和图4所示，一种包含光电检测器的显微物镜，包括显微物镜镜体1和光电检测器，显微物镜镜体1和光电检测器之间有相互连接，但没有电气和光路连接，显微物镜下方放置有外部样品2，光电检测器与外部样品2之间存在填充物(图中未画出)，本实施例中，填充物为用于折射率匹配的液体。

如图2所示，光电检测器包括相互依次相连的保护元件3、滤光片4、光电敏感单元5和驱动电路6，保护元件3和显微物镜镜体固定连接，保护元件3的输出端和滤光片4的输入端相连，滤光片4的输出端和光电敏感单元5的输入端相连，光电敏感单元5的输出端和驱动电路6的输入端相连，结合图1，驱动电路6的输出端和外部放大电路7和计算机8相连。

保护元件3用于将外部样品2、用于液浸的液体与滤光片4、光电敏感单元5和驱动电路6进行隔离，保护元件3还用于电气隔离，防止光电敏感单元5的高电压(特别是当光电检测器为雪崩光电二极管等带有内部增益的元件)对样品和操作人员造成危险；同时，保护元件3的表面还镀有防反射光学镀膜层(图中未画出)，用于提高荧光光子的透射率。滤光片4用于滤出背向反射和背向散射的激发光，光电敏感单元5用于将穿过滤光片4的荧光光子转化为电信号，驱动电路6用于对光电敏感单元5提供高电压和驱动信号，并与外部放大电路7和计算机8相连。

为防止外部环境对光电检测器内部造成影响以及保证滤光片4的透射质量，本实施例中，保护元件3是由可透射可见光波长的绝缘材料制成的绝缘外壳，滤光片4是由可透射可见光波长绝缘材料制成的绝缘滤光片4，且绝缘滤光片4和保护元件3的介电强度均为6MV/mm。

如图1所示，显微物镜镜体1包括输入端和两个输出端，结合图1和图4，显微物镜镜体1的输入端与外部显微镜镜体,的输出端相连，显微物镜镜体1的其中一个输出端与外部样品2相连，显微物镜镜体1的输入端与外部显微镜镜体的输出端相连，显微物镜镜体1的另一个输出端与保护元件3的输入端相连，显微物镜镜体1的前孔径9用于收集孔径之内的荧光光子。

如图4所示，光电检测器的数量为多个，多个光电检测器呈环状均匀分布于显微物镜镜体1的前孔径9的四周，光电检测器的光电敏感单元5与显微物镜镜体1相对的内侧与显微物镜的焦平面之间的距离等于光电敏感单元5与显微物镜镜体1相对的外侧与显微物镜的焦平面之间的距离，使得光电敏感单元5相对于显微物镜的焦平面倾斜，且光电敏感单元5的高端一侧靠近显微物镜镜体1的轴心，从而使得光电敏感单元5正对外部样品2，使光电敏感单元5接收荧光光子的有效面积更大。

为了使保护元件3的保护作用更强，多个光电检测器中所有保护元件3一体成型，使所有保护元件3连为一体，从而更好地将所有滤光片4、光电敏感单元5和驱动电路6进行统一保护。本实施例中，光电敏感单元5由单一的大面积雪崩二极管经过机械钻孔或腐蚀加工或采用透明材料而成，中央的孔或透明材料用于透过显微物镜的激发光，大面积光电倍增管的其余环形部分用于接收显微物镜接收不到的荧光光子。由于雪崩二极管需要工作在反向偏置模式下，阴极面对液浸液体和生物样品，驱动电压高达数百至2000伏特，因此保护元件3由透光的光学玻璃制成，数百微米级厚度足够承受雪崩二极管的高驱动电压；光电敏感单元5由多片的普通尺寸雪崩二极管组成环形阵列，中央的孔或透明材料用于透过显微物镜的激发光，多片的普通尺寸雪崩二极管用于接收显微物镜接收不到的荧光光子，光电敏感单元5由二维像素光电传感器组成环形阵列，具体型号可采用滨松公司生产的混合光电探测器(HPD)，同时，保护元件3与光电敏感单元5相互正对的表面为微透镜阵列，用于将荧光聚焦到光电敏感单元5的每个像素，提高感光效率。

具体实施过程如下：

在需要进行检测时，将外部样品2放置在显微物镜镜体1的下方，显微物镜镜体1输出端向外部样品2射出近红外激光脉冲射，使近红外激光脉冲被显微物镜聚焦后在样品中激发出各向同性发射的荧光信号，部分荧光光子经过显微物镜镜体1前孔径9被收集，未能进入到显微物镜镜体1前孔径9的荧光光子被光电检测器收集。

未能进入到显微物镜镜体1前孔径9的荧光光子被光电检测器收集的具体过程为：未能进入到显微物镜镜体1前孔径9的荧光光子经显微物镜镜体1的输出端进入保护元件3的输入端，然后荧光光子经过保护元件3、滤光片4后达到光电敏感单元5，光电敏感单元5将穿过滤光片4的荧光光子转化为电信号，同时驱动电路6对光电敏感单元5提供高电压和驱动信号，使光电敏感单元5产生的电信号传向外部放大电路7和计算机8，由于设置光电检测器，使得荧光光子的收集效率得到提升，使得显微物镜的信噪比得到有效提高，提高了在高散射介质中的成像深度。

实施例二

实施例二与实施例一的区别在于：如图5和图6所示，实施例二与实施例一的区别在于，光电敏感单元5与显微物镜的焦平面相互平行，光电敏感单元5由多片的普通尺寸雪崩二极管(Avalanche Photo Diode,LAAPD)组成环形阵列，中央的孔或透明材料用于透过显微物镜的激发光，滤光片4和光电敏感单元5竖向上下设置，且滤光片4和光电敏感单元5沿显微物镜镜体1的前孔径9周向均匀分布，此时所有保护元件3连接为一个平面，多片的普通尺寸雪崩二极管用于接收显微物镜镜体1接收不到的荧光光子。

实施例三

实施例三与实施例一的区别在于：如图7所示，实施例三与实施例一的区别在于，光电敏感单元5由二维像素光电传感器组成环形阵列，本实施例中，二维像素光电传感器可采用CCD(光电耦合器件)器件、CMOS(金属半导体氧化物)器件、FPA(焦平面阵列)器件、PMT(光电倍增管)器件、单光子计数器件或基于任何以上多种光电转换原理的混合器件，具体型号如滨松公司混合光电探测器(HPD)，在中央的孔或透明材料用于透过显微物镜的激发光，二维像素光电传感器的环形阵列用于接收显微物镜镜体1接收不到的荧光光子。

以上所述的仅是本实用新型的实施例，方案中公知的具体结构或特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本实用新型结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本实用新型的保护范围，这些都不会影响本实用新型实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (10)

1.一种包含光电检测器的显微物镜，包括显微物镜镜体，所述显微物镜镜体包括输入端和多个输出端，所述显微物镜镜体的输入端与外部显微镜镜体的输出端相连，显微物镜镜体的其中一个输出端与外部样品相连，所述显微物镜镜体的另外输出端之一连接有用于收集荧光光子的光电检测器，其特征在于：所述光电检测器数量为若干，所述光电检测器分布于显微物镜镜体的前孔径的四周。

2.根据权利要求1所述的一种包含光电检测器的显微物镜，其特征在于：所述光电检测器与外部样品之间的填充物为真空或用于折射率匹配的任何气体或任何液体或任何固体。

3.根据权利要求2所述的一种包含光电检测器的显微物镜，其特征在于：所述光电检测器包括依次相连的滤光片、光电敏感单元和驱动电路，所述滤光片与显微物镜镜体的其中一个输出端相连，所述驱动电路的输出端和外部放大电路以及计算机相连。

4.根据权利要求3所述的一种包含光电检测器的显微物镜，其特征在于：所述光电检测器还包括保护元件，所述保护元件位于显微物镜镜体和滤光片之间，所述保护元件的输入端与显微物镜镜体的其中一个输出端相连，保护元件的输出端与滤光片的输入端相连。

5.根据权利要求4所述的一种包含光电检测器的显微物镜，其特征在于：所述保护元件包括可透射可见光波长的绝缘外壳，所述滤光片包括可透射可见光波长的绝缘滤光片，所述绝缘滤光片和保护元件的介电强度均大于5MV/mm。

6.根据权利要求5所述的一种包含光电检测器的显微物镜，其特征在于：所述保护元件的表面固定连接有防反射光学镀膜层。

7.根据权利要求6所述的一种包含光电检测器的显微物镜，其特征在于：若干光电检测器的保护元件一体成型。

8.根据权利要求6所述的一种包含光电检测器的显微物镜，其特征在于：所述光电敏感单元与显微物镜镜体相对的内侧与显微物镜的焦平面之间的距离大于等于光电敏感单元与显微物镜镜体相对的外侧与显微物镜的焦平面之间的距离。

9.根据权利要求8所述的一种包含光电检测器的显微物镜，其特征在于：所述光电敏感单元可以为雪崩二极管或者光电耦合器件或者金属半导体氧化物器件或者焦平面阵器件或者光电倍增管器件或单光子计数器件或者基于任何以上一种或者多种光电转换原理器件的混合器件。

10.根据权利要求9所述的一种包含光电检测器的显微物镜，其特征在于：所述保护元件与光电敏感单元相对的表面为微透镜阵列。

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