CN211086789U - 一种高荧光收集率手持式显微镜 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及微型显微镜技术领域，具体为一种高荧光收集率手持式显微镜，包括显微镜镜体，所述显微镜镜体上设有显微物镜镜体，所述显微物镜镜体连接有用于将荧光光子转化为电信号的光电检测器，所述光电检测器为环形，且套设于显微物镜镜体上，所述光电检测器包括内圈、外圈，以及连接内圈、外圈的侧面，所述侧面倾斜设置；还包括用于手持的壳体，所述壳体包覆显微镜镜体。采用本方案能够收集物镜本体接收不到的荧光光子，从而提高荧光收集效率，提高成像的信噪比，提高在高散射介质中的成像深度。

Description

一种高荧光收集率手持式显微镜

技术领域

本实用新型涉及微型显微镜技术领域，具体为一种高荧光收集率手持式显微镜。

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光子。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光，又被用于收集荧光光子。被显微物镜收集的荧光光子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)。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光子的强度越大。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。

因此，近年来，出现了很多收集显微物镜无法收集到的荧光光子的技术，例如，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。例如，2016年出现的一种兼容商用双光子荧光显微镜，采用四分之一椭球反射镜的全发射检测技术，在高数值孔径显微物镜获得2.75倍荧光收集效率增强。

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，使得应用上述增强荧光收集效率技术的仪器体积过大，会对成像区域造成遮挡，同时对进行的电生理实验操作造成阻碍。

因此，亟需一种能够收集物镜本体接收不到的荧光光子，从而提高荧光收集效率，提高成像的信噪比，提高在高散射介质中的成像深度的显微镜。

实用新型内容

本实用新型意在提供一种高荧光收集率手持式显微镜，以解决上述技术问题。

本实用新型提供基础方案是：一种高荧光收集率手持式显微镜，包括显微镜镜体，所述显微镜镜体上设有显微物镜镜体，所述显微物镜镜体连接有用于将荧光光子转化为电信号的光电检测器。

基础方案的工作原理及有益效果是：激光信号穿过显微物镜镜体，到达实验样品上，由于背向反射和背向散射使得激光信号的光路呈现不同角度，经过背向反射和背向散射的激光信号中包含荧光光子，其中一部分激光信号经过显微物镜镜体进入显微镜镜体，经过相关元件后，显微镜镜体将接收的激光信号中的荧光光子转换为电信号，另一部分激光信号经过光电检测器，激光信号中的荧光光子被光电检测器收集，并转换为电信号，从而根据电信号实现显微成像。通过光电检测器收集显微物镜镜体接收不到的荧光光子，从而提高荧光收集效率，提高成像的信噪比，提高在高散射介质中的成像深度。

光电检测器直接收集经过实验样品背向反射和背向散射的激光信号，激光信号无需多次反射，避免对激光信号造成损耗，减少收集的荧光光子。与传统的电子扫描显微镜(即具有上述将经过显微物镜镜体的激光信号中的荧光光子转换为电信号的功能的显微镜)相比，通过光电检测器收集显微物镜镜体接收不到的荧光光子，从而提高荧光收集效率，提高成像的信噪比，提高在高散射介质中的成像深度。

进一步，所述光电检测器为环形，且套设于显微物镜镜体上。有益效果：穿过显微物镜镜体的激光信号，经实验样品背向反射和背向散射的激光信号会集中在显微物镜镜体附近，并以显微物镜镜体为中心向外逐渐减少。光电检测器套设在显微物镜镜体上，其靠近显微物镜镜体，使得光电检测器能够收集更多的荧光光子。

进一步，所述光电检测器包括滤光层，所述滤光层用于滤出背向反射和背向散射的激光信号，并透过荧光光子。有益效果：滤光层的设置，过滤掉长波长的激光信号，使得短波长的荧光光子透过滤光层，从而便于后续对荧光光子进行收集。

进一步，所述光电检测器还包括感光层，所述感光层用于将穿过滤光层的荧光光子转化为电信号。有益效果：感光层位于远离显微镜镜体的一侧，感光层的设置，将透过滤光层的荧光光子转换为电信号，便于后续进行数据传输。

进一步，所述感光层包括若干光电敏感单元，所述光电敏感单元以显微物镜镜体为中心周向分布。有益效果：通过设置若干周向分布的光电敏感单元对荧光光子进行收集，从而收集物镜本体接收不到的荧光光子，提高荧光收集效率。

进一步，所述感光层包括光电敏感单元，所述光电敏感单元与光电检测器形状匹配。有益效果：光电敏感单元与光电检测器的形状匹配，与设置多个光电敏感单元相比，光电敏感单元之间不存在缝隙，从而收集更多的荧光光子，提高荧光收集效率。

进一步，所述光电检测器还包括用于透光的保护层，所述保护层包裹滤光层和感光层。有益效果：保护层的设置，隔离实验样品，避免实验样品与滤光层接触，同时隔离感光层与实验样品、显微镜镜体、显微物镜镜体，避免当感光层为雪崩光电二极管等带有内部增益的元件时所需的高电压对实验样品、显微镜镜体、显微物镜镜体、操作人员等造成伤害。

进一步，所述光电检测器的一侧与显微物镜本体的一侧齐平。有益效果：光电检测器的一侧与显微物镜本体的一侧齐平，即代表光电检测器内嵌于显微物镜本体内，从而避免由于光电检测器突出所造成的磨损。

进一步，所述光电检测器包括内圈、外圈，以及连接内圈、外圈的侧面，所述侧面倾斜设置。有益效果：光电检测器具有一定角度，与光电检测器水平相比，光电检测器所能收集的荧光光子的角度更大，即收集荧光光子的范围更大，从而收集更多的荧光光子，提高荧光收集效率。

进一步，还包括用于手持的壳体，所述壳体包覆显微镜镜体。有益效果：壳体的设置便于手持，使用方便，同时壳体的设置能够保护显微镜镜体。

附图说明

图1为本实用新型一种高荧光收集率手持式显微镜实施例一的结构示意图；

图2为本实用新型一种高荧光收集率手持式显微镜实施例一光电检测器的结构示意图；

图3为本实用新型一种高荧光收集率手持式显微镜实施例二光电检测器的结构示意图；

图4为本实用新型一种高荧光收集率手持式显微镜实施例三的结构示意图。

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：显微镜镜体1、光电检测器2、显微物镜镜体3、实验样品4、外部计算机5、保护层21、滤光层22、光电敏感单元23。

实施例一

一种高荧光收集率手持式显微镜，如图1所示，包括显微镜镜体1，显微镜镜体1的底部开设有物镜安装孔，安装孔用于嵌入显微物镜镜体3。显微物镜镜体3连接有用于将荧光光子转化为电信号的光电检测器2，光电检测器2为环形，且套设于显微物镜镜体3上，光电检测器2内嵌于显微镜镜体1的底部。光电检测器2包括内圈、外圈，以及连接内圈、外圈的侧面，光电检测器2的底侧与显微镜本体的底部齐平，即光电检测器2的光电敏感单元23与显微物镜镜体3相对的内侧与显微物镜镜体3的焦平面之间的距离等于光电检测器2的光电敏感单元23与显微物镜镜体3相对的外侧与显微物镜镜体3的焦平面之间的距离。

如附图2所示，光电检测器2包括连接滤光层22和感光层，以及包裹滤光层22和感光层的保护层21。保护层21用于隔离实验样品4、用于液浸的液体、滤光层22，还用于电气隔离，防止感光层的高电压对实验样品4、显微镜、操作人员造成伤害；保护层21还用于透过包含荧光光子的激光信号。保护层21为透光的绝缘材料制成的光学元件，在本实施例中，透光的绝缘材料优选为光学玻璃。保护层21的厚度大于100微米，在本实施例中，保护层21的厚度优选为50010微米。当感光层为雪崩二极管时，数百微米级厚度足够承受雪崩二极管的高驱动电压，避免对实验样品4、显微镜、操作人员造成伤害，本领域技术人员可根据需求选择不同厚度的保护层21。

滤光层22用于滤出背向反射和背向散射的激光信号，并透过荧光光子，即滤除长波长的激光信号，并透过短波长的荧光光子。滤光层22采用滤光片，滤光片为可透射可见光波长的绝缘材料制成的光学元件，滤光片的介电强度大于5MV/mm。在本实施例中，滤光片的介电强度为1.2MV/mm，本领域技术人员可根据实际情况选择不同介电强度的滤光片。

感光层用于将穿过滤光层22的荧光光子转化为电信号，感光层包括光电敏感单元23，光电敏感单元23与光电检测器2形状匹配。光电敏感单元23为雪崩二极管、光电耦合器件、金属半导体氧化物器件、光电倍增管器件、单光子计数器件、以及基于任何以上多种光电转换原理的混合器件中的一种，在本实施例中，光电敏感单元23优选为雪崩二极管。在本实施例中，雪崩二极管为由单一的大面积雪崩二极管(Large Area Avalanche PhotoDiode,LAAPD)经过机械钻孔或腐蚀加工制成中部开孔的光学元件，在其他实施例中，雪崩二极管为由单一的大面积雪崩二极管采用透明材料制作而成的中部能够透过激光信号的光学元件。光电检测器2还包括驱动电路，驱动电路用于对光电检测器2的光电敏感单元23提供高电压和驱动信号，驱动电路及其使用为现有技术，因此不再赘述。显微镜镜体1中构建光路的其他光学元件可采用现有显微镜中记载的光学元件，其属于现有技术，因此不再赘述。

具体的，显微物镜镜体3的输入端与显微镜镜体1的输出端相连，显微物镜镜体3的一个输出端与实验样品4相连，实验样品4的输出端与光电检测器2的保护元件的输入端相连，光电检测器2的保护元件的输出端和光电检测器2的滤光片的输入端相连，光电检测器2的滤光片的输出端和光电检测器2的光电敏感单元23的输入端相连，光电检测器2的光电敏感单元23的输出端和光电检测器2的驱动电路的输入端相连，光电检测器2的驱动电路的输出端和外部计算机5相连。

显微物镜镜体3用于收集孔径之内的荧光光子，而光电检测器2位于显微物镜镜体3的底部即光电检测器2位于显微镜镜体1靠近实验样品4的一侧。光电检测器2呈环状，且位于显微物镜镜体3的前孔径周围，光电检测器2的保护元件用于隔离实验样品4、用于液浸的液体和光电检测器2的滤光片，光电检测器2的保护元件还用于电气隔离，防止光电检测器2的光电敏感单元23的高电压(特别是当光电检测器2为雪崩光电二极管等带有内部增益的元件)对实验样品4和操作人员造成危险。在其他实施例中，光电检测器2的保护元件的表面还镀有防反射光学镀膜，用于提高荧光光子的透射率。光电检测器2的滤光片用于滤出背向反射和背向散射的激光信号，光电检测器2的光电敏感单元23用于将穿过滤光片的荧光光子转化为电信号，光电检测器2的驱动电路用于向光电检测器2的光电敏感单元23提供高电压和驱动信号，并与外部计算机5相连，驱动电路、以及驱动电路与外部计算机5的连接均为现有技术，因此不再赘述，光电检测器2用于收集显微物镜收集不到的荧光光子。

本实施例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，由此可以计算出，本方案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2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。

实施例二

本实施例与实施例一的不同之处在于：如附图3所示，光电敏感单元23的数量为多个，在本实施例中，光电敏感单元23的数量为八个，光电敏感单元23为普通尺寸雪崩二极管(Avalanche Photo Diode,LAAPD)，多个光电敏感单元23以显微物镜镜体3为中心周向分布，组成环形阵列。在本实施例中，感光层为经过机械钻孔或腐蚀加工制成的中部开孔的光学元件，在其他实施例中，感光层为采用透明材料制作而成的中部能够透过激光信号的光学元件。多个普通尺寸雪崩二极管用于接收显微物镜镜体3接收不到的荧光光子。

实施例三

本实施例与上述实施例的不同之处在于：如附图4所示，光电检测器2的形状。光电检测器2包括内圈、外圈，以及连接内圈、外圈的侧面，其中侧面包括顶侧和底侧，顶侧远离实验样品4，底侧倾斜设置，即光电检测器2的光电敏感单元23与显微物镜镜体3相对的内侧与显微物镜镜体3的焦平面之间的距离大于光电检测器2的光电敏感单元23与显微物镜镜体3相对的外侧与显微物镜镜体3的焦平面之间的距离。即光电检测器2整体的形状呈喇叭状。

实施例四

本实施例与上述实施例的不同之处在于：还包括用于手持的壳体，壳体包覆显微镜镜体1，用于保护显微镜镜体1，以及便于操作人员进行使用。

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及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前实用新型所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。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)

1.一种高荧光收集率手持式显微镜，包括显微镜镜体，所述显微镜镜体上设有显微物镜镜体，其特征在于：所述显微物镜镜体连接有用于将荧光光子转化为电信号的光电检测器。

2.根据权利要求1所述的一种高荧光收集率手持式显微镜，其特征在于：所述光电检测器为环形，且套设于显微物镜镜体上。

3.根据权利要求1所述的一种高荧光收集率手持式显微镜，其特征在于：所述光电检测器包括滤光层，所述滤光层用于滤出背向反射和背向散射的激光信号，并透过荧光光子。

4.根据权利要求3所述的一种高荧光收集率手持式显微镜，其特征在于：所述光电检测器还包括感光层，所述感光层用于将穿过滤光层的荧光光子转化为电信号。

5.根据权利要求4所述的一种高荧光收集率手持式显微镜，其特征在于：所述感光层包括若干光电敏感单元，所述光电敏感单元以显微物镜镜体为中心周向分布。

6.根据权利要求4所述的一种高荧光收集率手持式显微镜，其特征在于：所述感光层包括光电敏感单元，所述光电敏感单元与光电检测器形状匹配。

7.根据权利要求4所述的一种高荧光收集率手持式显微镜，其特征在于：所述光电检测器还包括用于透光的保护层，所述保护层包裹滤光层和感光层。

8.根据权利要求1所述的一种高荧光收集率手持式显微镜，其特征在于：所述光电检测器的一侧与显微物镜本体的一侧齐平。

9.根据权利要求2所述的一种高荧光收集率手持式显微镜，其特征在于：所述光电检测器包括内圈、外圈，以及连接内圈、外圈的侧面，所述侧面倾斜设置。

10.根据权利要求1所述的一种高荧光收集率手持式显微镜，其特征在于：还包括用于手持的壳体，所述壳体包覆显微镜镜体。

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