CN109765213A - 相干反斯托克斯拉曼散射显微镜成像装置 - Google Patents
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Abstract
一种相干反斯托克斯拉曼散射显微镜成像装置，包括：激光光源、二维振镜组件、第一滤光片、物镜、位移台、采集器及数据处理模组；激光光源用于产生第一激光束及第二激光束；第一激光束与第二激光束共线输出；第一激光束、第二激光束入射二维振镜组件，二维振镜组件对第一激光束及第二激光束的光路进行调节；离开二维振镜组件的第一激光束、第二激光束依次通过第一滤光片、物镜；物镜将第一激光束、第二激光束聚焦到位移台上；位移台上产生的信号光通过物镜，采集器根据信号光产生初始数据，并将初始数据输出至数据处理模组；避免需要对激光器输出的单一波长激光束进行分光及波长调整，从而提高紧凑性，减少体积，有利于商业开发。
Description
技术领域
本发明涉及光学显微成像技术，特别是涉及一种相干反斯托克斯拉曼散射显微镜成像装置。
背景技术
光学显微镜成像***由于具备较高的空间分辨率，已经在材料学领域和生物医学领域被广泛应用。近些年来，基于分子内部振动特性的相干反斯托克斯拉曼散射显微镜(CoherentAnti-StokesRamanScatteringMicroscope，简称CARSMicroscope)由于无需采用荧光探针、灵敏度高等优点，逐渐成为分子研究的有力工具。请参阅说明书附图图4，CARS过程基于三阶非线性光学效应，是一个四波混频的非线性光学过程。通常采用两束中心频率不同的飞秒/皮秒激光脉冲分别作为泵浦光(ωP)和斯托克斯光(ωS)来激发被测样品的分子键共振，当两束光的频率差(ωvib)与被测样品中分子的固有振动频率一致时，分子的固有振动频率会得到共振增强，随后在探测光(ωPR)的作用下产生反斯托克斯信号(ωCARS)。传统的相干反斯托克斯拉曼散射显微镜成像***采用近红外钛宝石脉冲激光器作为激光源，体型较为庞大，光路较为复杂，不利于该技术的商业开发及应用。
发明内容
基于此，有必要提供一种结构紧凑的相干反斯托克斯拉曼散射显微镜成像装置。
一种相干反斯托克斯拉曼散射显微镜成像装置，包括：激光光源、二维振镜组件、第一滤光片、物镜、位移台、采集器及数据处理模组；所述激光光源用于产生第一激光束及第二激光束；所述第一激光束与所述第二激光束共线输出；所述第一激光束、所述第二激光束入射所述二维振镜组件，所述二维振镜组件对所述第一激光束及所述第二激光束的光路进行调节；离开所述二维振镜组件的所述第一激光束、所述第二激光束依次通过所述第一滤光片、所述物镜；所述物镜将所述第一激光束、所述第二激光束聚焦到所述位移台上；所述位移台上产生的信号光通过所述物镜，所述第一滤光片将所述信号光反射至所述采集器，所述采集器根据所述信号光产生初始数据，并将所述初始数据输出至所述数据处理模组。
上述相干反斯托克斯拉曼散射显微镜成像装置，通过激光光源产生第一激光束、第二激光束，第一激光束与第二激光束共线输出，且第一激光束作为泵浦光，第二激光束作为斯托克斯光，从而简化了激光器与物镜之间的光路结构，避免需要对激光器输出的单一波长激光束进行分光及波长调整，从而方便提高相干反斯托克斯拉曼散射显微镜成像装置的紧凑性，减少体积，有利于商业开发。
在其中一个实施例中，还包括自动聚焦机构，所述自动聚焦机构包括聚焦检测单元、第二滤光片及移动组件；所述第二滤光片分别与所述第一滤光片、所述物镜对应设置；所述第一激光束、所述第二激光束通过所述第一滤光片后，经所述第二滤光片反射至所述物镜；所述信号光通过所述物镜后经所述第二滤光片反射至所述第一滤光片；所述聚焦检测单元产生第三激光束；所述第三激光束透射所述第二滤光片；所述第三激光束经所述物镜聚焦到所述位移台上，所述第三激光束在所述位移台上产生反射光；所述反射光沿所述第三激光束的原路返回到所述聚焦检测单元；所述聚焦检测单元对所述反射光进行检测；所述物镜安装在所述移动组件上；所述移动组件根据所述聚焦检测单元的检测结果移动所述物镜。
在其中一个实施例中，还包括手动聚焦组件，所述手动聚焦组件包括指示光源、第一凸透镜、及CCD相机；所述指示光源设置在所述位移台的一侧；所述指示光源产生参照光，所述参照光通过所述物镜及所述第二滤光片；所述第一凸透镜使所述参照光聚焦进入所述CCD相机。
在其中一个实施例中，还包括主壳；所述激光光源、所述二维振镜组件、所述第一滤光片、所述物镜、所述位移台、所述采集器、所述自动聚焦机构及所述手动聚焦组件安装在所述主壳中。
在其中一个实施例中，所述自动聚焦机构还包括第一反射镜，所述第一反射镜分别与所述第二滤光片、所述聚焦检测单元对应设置，所述第三激光束及所述反射光在所述第一反射镜上发生反射。
在其中一个实施例中，所述第一反射镜上镀有金或银。
在其中一个实施例中，还包括窄带滤光片，所述窄带滤光片设置在所述第一滤光片与所述采集器之间；所述信号光透射所述窄带滤光片，进入所述采集器；所述窄带滤光片对所述第一激光束、所述第二激光束进行吸收或反射。
在其中一个实施例中，还包括4F***，所述4F***处于所述二维振镜组件与所述第一滤光片之间。
在其中一个实施例中，还包括调节组件；所述第一激光束、所述第二激光束从所述激光光源射出后，所述第一激光束、所述第二激光束经所述调节组件反射至所述二维振镜组件。
在其中一个实施例中，所述调节组件包括第二反射镜及第三反射镜，所述第一激光束、所述第二激光束依次经所述第二反射镜及所述第三反射镜反射至所述二维振镜组件。
附图说明
图1为本发明一实施例的相干反斯托克斯拉曼散射显微镜成像装置的结构图；
图2为图1所示的相干反斯托克斯拉曼散射显微镜成像装置加入自动聚焦机构后的结构图；
图3为图2所示的相干反斯托克斯拉曼散射显微镜成像装置加入手动聚焦组件后的结构图；
图4为相干反斯托克斯拉曼散射显微镜的原理图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将对本发明进行更全面的描述。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
请参阅图1，为本发明一实施方式的相干反斯托克斯拉曼散射显微镜成像装置100，用于对获取样品800的显微图像信息。该相干反斯托克斯拉曼散射显微镜成像装置100包括激光光源21、二维振镜组件22、第一滤光片23、物镜24、位移台25、采集器26及数据处理模组；激光光源21用于产生第一激光束及第二激光束；第一激光束与第二激光束共线输出；第一激光束作为泵浦光，第二激光束作为斯托克斯光；第一激光束、第二激光束入射二维振镜组件22，二维振镜组件22对第一激光束及第二激光束的光路进行调节；离开二维振镜组件22的第一激光束、第二激光束依次通过第一滤光片23、物镜24；第一激光束、第二激光束透射第一滤光片23；物镜24将第一激光束、第二激光束聚焦到位移台25上；位移台25上的样品800在第一激光束、第二激光束的作用下产生信号光，信号光通过物镜24后，第一滤光片23将信号光反射至采集器26，采集器26根据信号光产生初始数据，并将初始数据输出至数据处理模组。
通过激光光源21产生第一激光束、第二激光束，第一激光束与第二激光束共线输出，且第一激光束作为泵浦光，第二激光束作为斯托克斯光，从而简化了激光器与物镜24之间的光路结构，避免需要对激光器输出的单一波长激光束进行分光及波长调整，从而方便提高相干反斯托克斯拉曼散射显微镜成像装置100的紧凑性，减少体积，有利于商业开发。
请参阅图2，在其中一个实施方式中，为通过物镜24将第一激光束、第二激光束准确地聚焦到处于位移台25上的样品800上，相干反斯托克斯拉曼散射显微镜成像装置100还包括自动聚焦机构，自动聚焦机构包括聚焦检测单元32、第二滤光片31及移动组件；第二滤光片31分别与第一滤光片23、物镜24对应设置；第一激光束、第二激光束通过第一滤光片23后，经第二滤光片31反射至物镜24；信号光通过物镜24后经第二滤光片31反射至第一滤光片23；聚焦检测单元32产生第三激光束；第三激光束透射第二滤光片31，且第三激光束在透射第二滤光片31后分别与第一激光束、第二激光束平行或共线；第三激光束经物镜24聚焦到位移台25上，第三激光束在位移台25上产生反射光；反射光沿第三激光束的原路返回到聚焦检测单元32；聚焦检测单元32对反射光进行检测；物镜24安装在移动组件上；移动组件根据聚焦检测单元32的检测结果移动物镜24，以调整物镜24与位移台25之间的距离。
具体地，反射光由第三激光束在样品800表面反射后形成；通过对物镜24的调节，从而使第三激光束在样品800上具有良好的聚焦效果，同时，由于第三激光束在透射第二滤光片31后分别与第一激光束、第二激光束平行或共线，在物镜24的调节完成后，第一激光束、第二激光束也能在样品800上具有良好的聚焦效果；可选地，聚焦检测单元32可根据反射光的光强强度或图像清晰度等产生检测结果；通过第二滤光片31分别与第一滤光片23、物镜24对应设置，且在激光光源21发出第一激光束、第二激光束前自动聚焦机构调整物镜24的位置，从而实现自动聚焦和反斯托克斯信号光的共存、缩短了数据采集时间，有利于大面积样品800的检测，且使用过程简洁省时，方便操作者的使用；进一步地，可对物镜24进行远程编程控制。
在其中一个实施方式中，为合理布局自动聚焦机构，提高相干反斯托克斯拉曼散射显微镜成像装置100的紧凑性，自动聚焦机构还包括第一反射镜33，第一反射镜33分别与第二滤光片31、聚焦检测单元32对应设置，第三激光束及反射光在第一反射镜33上发生反射；从而可调整聚焦检测单元32的位置，提高相干反斯托克斯拉曼散射显微镜成像装置100整体的紧凑性；具体地，第一凸透镜42、第三滤光片44处于聚焦检测单元32与第一反射镜33之间，通过物镜24的参照光经第一反射镜33反射至第一凸透镜42。
在其中一个实施方式中，为提高第一反射镜33对第三激光束、反射光或参照光的反射效果，第一反射镜33上镀有金或银；为进一步提高第一反射镜33反射能力，第一反射镜33上还镀有特殊的介质膜。
在其中一个实施方式中，为提高采集器26的接收准确性，相干反斯托克斯拉曼散射显微镜成像装置100还包括窄带滤光片261，窄带滤光片261设置在第一滤光片23与采集器26之间；信号光透射窄带滤光片261，进入采集器26；窄带滤光片261对第一激光束、第二激光束进行吸收或反射；从而避免第一激光束、第二激光束对采集器26的采样造成影响，提高输出的初始数据的质量；具体地，窄带滤光片261上镀有介质膜，以实现信号光的高透过率，以及泵浦光和斯托克斯光的低透过率，在本实施方式中，窄带滤光片261的OD在6至8之间。
在其中一个实施方式中，为使激光光源21的输出光斑与物镜24匹配，相干反斯托克斯拉曼散射显微镜成像装置100还包括4F***60，4F***60处于二维振镜组件22与第一滤光片23之间；通过4F***60对激光光源21的输出光斑进行放大，令激光光源21的输出光斑的大小与物镜24的口径相匹配，从而使经物镜24聚焦所得的光斑尺寸大小合适，提高相干反斯托克斯拉曼散射显微镜成像装置100的显微效果；4F***60至少包含两个凸透镜，以实现第一激光束、第二激光束扩束及投射到物镜24；在本实施方式中，4F***60包括第二凸透镜61及第三凸透镜62，第二凸透镜61的焦距小于第三凸透镜62的焦距，第二凸透镜61与第三凸透镜62之间的距离应为二者的焦距之和。
在其中一个实施方式中，为使第一激光束、第二激光束准确进入至二维振镜组件22，相干反斯托克斯拉曼散射显微镜成像装置100还包括调节组件70；第一激光束、第二激光束从激光光源21射出后，第一激光束、第二激光束经调节组件70反射至二维振镜组件22。
在其中一个实施方式中，为使第一激光束、第二激光束以预定角度进入二维振镜组件22，调节组件70包括第二反射镜71及第三反射镜72，第一激光束、第二激光束依次经第二反射镜71及第三反射镜72反射至二维振镜组件22；在相干反斯托克斯拉曼散射显微镜成像装置100装配过程中，在固定激光光源21后，通过调整第二反射镜71的角度，可调整第一激光束及第二激光束在第三反射镜72上的反射点，通过调整第三反射镜72的角度，可调整第一激光束及第二激光束进入二维振镜组件22的角度；具体地，第二反射镜71、第三反射镜72的表面镀有介质膜，以提高对第一激光束、第二激光束的反射率。
请参阅图3，在其中一个实施方式中，为在必要时可通过人工进行聚焦调节，相干反斯托克斯拉曼散射显微镜成像装置100还包括手动聚焦组件，手动聚焦组件包括指示光源41、第一凸透镜42、及CCD相机43；指示光源41设置在位移台25的一侧；指示光源41产生参照光，参照光通过物镜24及第二滤光片31；第一凸透镜42使参照光聚焦进入CCD相机43；在人工进行聚焦调节时，CCD相机43根据参照光而获取位移台25上的样品800的图像，调试人员根据样品800图像的清晰度而确定人工聚焦调节是否准确；具体地，指示光源41为白光LED器件；第一凸透镜42的焦距及安装位置与CCD相机43的感应单元的尺寸相匹配；具体地，CCD相机43的感应单元的尺寸及分辨率与物镜24的分辨率对应设置。
进一步地，为提高相干反斯托克斯拉曼散射显微镜成像装置100的紧凑性，手动聚焦组件还包括第三滤光片44，第一凸透镜42、第三滤光片44处于第三激光束的光路上，第三滤光片44处于聚焦检测单元32与第一凸透镜42之间，第三激光束、反射光分别透射第三滤光片44；参照光经第一凸透镜42聚焦后，第三滤光片44对参照光产生反射，使参照光进入CCD相机43，从而使第三激光束、反射光、及参照光的光路重合。
在其中一个实施方式中，相干反斯托克斯拉曼散射显微镜成像装置100还包括主壳；激光光源21、二维振镜组件22、第一滤光片23、物镜24、位移台25、采集器26、数据处理模组、自动聚焦机构及手动聚焦组件安装在主壳中；从而重要组件或机构提供有效保护。
具体地，为采用风冷降温，提高紧凑性，激光光源21为飞秒脉冲光纤激光器或皮秒脉冲光纤激光器；在其中一种实施方式中，激光光源21采用德国Refined Laser公司的DualColor激光器；第一激光束与第二激光束在时间上和空间上同步输出；在本实施方式中，第一激光束还作为探测光。
在其中一种实施方式中，激光光源21输出800nm的第一激光束作为泵浦光和输出1040nm的第二激光束作为斯托克斯光，得到的信号光的波长为652nm，本实施方式可以实现对包含C-H化学键的物质的探测成像。
在其中一种实施方式中，激光光源21可以输出波长可调的780-900nm的第一激光束作为泵浦光，和输出1040nm的第二激光束作为斯托克斯光，本实施方式可以实现对包含C-H以及C-D化学键的物质的探测成像。
在其中一种实施方式中，激光光源21可以输出波长可调的930-1030nm第二激光束作为斯托克斯光和输出780nm的第一激光束作为泵浦光，本实施方式可以实现对包含C-H以及C-D化学键的物质的探测成像。在本实施方式中，第一滤光片23、第三滤光片44为长波滤波片，第一滤光片23表面镀有介质膜，以实现长波长较高的透过率、短波长的反射，从而保证可以通过泵浦光和斯托克斯光、反射反斯托克斯信号光；第二滤光片31为短波滤波片，第二滤光片31表面镀有介质膜，以实现第一激光束、第二激光束及信号光的反射，同时实现第三激光束、反射光及参照光的通过；第三激光束的波长分布与第二滤光片31、第三滤光片44相匹配。
样品800放置在位移台25上；通过位移台25的移动，可将样品800移动至二维振镜组件22的扫描范围内，位移台25可以根据样品800大小及实际应用需求调节扫描范围；进一步地，可对位移台25进行远程编程控制；二维振镜组件22的镜面尺寸应大于激光光源21的光斑尺寸，并可以根据样品800扫描范围来调节扫描角度，二维振镜组件22对第一激光束、第二激光束的光路进行调整，令第一激光束、第二激光束能透射向样品800表面扫描范围内的不同部位，采集器26在二维扫描组件每次调整后产生样品800不同部位对应的初始数据。
具体地，采集器26为光电倍增管，且具备过饱和关闭功能，以及手动开启和远程开启功能；数据处理模组将采集器26采集到的初始数据整合成完整图像信息，在本实施方式中，数据处理模组为计算机。
本实施例中，通过激光光源产生第一激光束、第二激光束，第一激光束与第二激光束共线输出，且第一激光束作为泵浦光，第二激光束作为斯托克斯光，从而简化了激光器与物镜之间的光路结构，避免需要对激光器输出的单一波长激光束进行分光及波长调整，从而方便提高相干反斯托克斯拉曼散射显微镜成像装置的紧凑性，减少体积，有利于商业开发。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种相干反斯托克斯拉曼散射显微镜成像装置，其特征在于，包括：激光光源、二维振镜组件、第一滤光片、物镜、位移台、采集器及数据处理模组；所述激光光源用于产生第一激光束及第二激光束；所述第一激光束与所述第二激光束共线输出；所述第一激光束、所述第二激光束入射所述二维振镜组件，所述二维振镜组件对所述第一激光束及所述第二激光束的光路进行调节；离开所述二维振镜组件的所述第一激光束、所述第二激光束依次通过所述第一滤光片、所述物镜；所述物镜将所述第一激光束、所述第二激光束聚焦到所述位移台上；所述位移台上产生的信号光通过所述物镜，所述第一滤光片将所述信号光反射至所述采集器，所述采集器根据所述信号光产生初始数据，并将所述初始数据输出至所述数据处理模组。
2.根据权利要求1所述的相干反斯托克斯拉曼散射显微镜成像装置，其特征在于，还包括自动聚焦机构，所述自动聚焦机构包括聚焦检测单元、第二滤光片及移动组件；所述第二滤光片分别与所述第一滤光片、所述物镜对应设置；所述第一激光束、所述第二激光束通过所述第一滤光片后，经所述第二滤光片反射至所述物镜；所述信号光通过所述物镜后经所述第二滤光片反射至所述第一滤光片；所述聚焦检测单元产生第三激光束；所述第三激光束透射所述第二滤光片；所述第三激光束经所述物镜聚焦到所述位移台上，所述第三激光束在所述位移台上产生反射光；所述反射光沿所述第三激光束的原路返回到所述聚焦检测单元；所述聚焦检测单元对所述反射光进行检测；所述物镜安装在所述移动组件上；所述移动组件根据所述聚焦检测单元的检测结果移动所述物镜。
3.根据权利要求2所述的相干反斯托克斯拉曼散射显微镜成像装置，其特征在于，还包括手动聚焦组件，所述手动聚焦组件包括指示光源、第一凸透镜、及CCD相机；所述指示光源设置在所述位移台的一侧；所述指示光源产生参照光，所述参照光通过所述物镜及所述第二滤光片；所述第一凸透镜使所述参照光聚焦进入所述CCD相机。
4.根据权利要求3所述的相干反斯托克斯拉曼散射显微镜成像装置，其特征在于，还包括主壳；所述激光光源、所述二维振镜组件、所述第一滤光片、所述物镜、所述位移台、所述采集器、所述自动聚焦机构及所述手动聚焦组件安装在所述主壳中。
5.根据权利要求2所述的相干反斯托克斯拉曼散射显微镜成像装置，其特征在于，所述自动聚焦机构还包括第一反射镜，所述第一反射镜分别与所述第二滤光片、所述聚焦检测单元对应设置，所述第三激光束及所述反射光在所述第一反射镜上发生反射。
6.根据权利要求5所述的相干反斯托克斯拉曼散射显微镜成像装置，其特征在于，所述第一反射镜上镀有金或银。
7.根据权利要求1所述的相干反斯托克斯拉曼散射显微镜成像装置，其特征在于，还包括窄带滤光片，所述窄带滤光片设置在所述第一滤光片与所述采集器之间；所述信号光透射所述窄带滤光片，进入所述采集器；所述窄带滤光片对所述第一激光束、所述第二激光束进行吸收或反射。
8.根据权利要求1至7任意一项所述的相干反斯托克斯拉曼散射显微镜成像装置，其特征在于，还包括4F***，所述4F***处于所述二维振镜组件与所述第一滤光片之间。
9.根据权利要求1至7任意一项所述的相干反斯托克斯拉曼散射显微镜成像装置，其特征在于，还包括调节组件；所述第一激光束、所述第二激光束从所述激光光源射出后，所述第一激光束、所述第二激光束经所述调节组件反射至所述二维振镜组件。
10.根据权利要求9所述的相干反斯托克斯拉曼散射显微镜成像装置，其特征在于，所述调节组件包括第二反射镜及第三反射镜，所述第一激光束、所述第二激光束依次经所述第二反射镜及所述第三反射镜反射至所述二维振镜组件。
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