CN205080051U - 一种可应用于瞬态光谱仪和时间分辨成像装置的光斩波器 - Google Patents

Abstract

一种可应用于瞬态光谱仪和时间分辨成像装置的光斩波器，该斩光器含有两个斩光盘，或者含有一个具有两层通光孔的斩光盘；斩光盘转动的时候，在一个测量光路上可以进行两次斩光：第一次针对光源斩光，可将连续光转变为脉冲光；第二次针对样品的发射光进行斩光，相当于控制测量的延迟时间和快门时间。将样品放置于两次斩光的光路中间，对两次斩光进行同步控制，就可以实现样品瞬态光谱的测量以及时间分辨的成像。该斩光器可以搭配任意的稳态光源使用，相对于使用单一波长的脉冲激光器，其激发波长可以使用光栅调节，范围覆盖广，可以测试不同激发波长的物质，大大降低了成本。

Description

一种可应用于瞬态光谱仪和时间分辨成像装置的光斩波器

技术领域

本发明涉及一种光学斩波器，将该光学斩波器用于瞬态光谱仪中，可以测量时间分辨的荧光磷光光谱，也可以用于时间分辨的荧光磷光成像装置中。属于光学仪器制造领域。

背景技术

光斩波器简称斩光器，可以把连续光源发出的光，调制成脉冲或交变的光信号。（参考专利公开说明书CN200710025960.3、CN201310342971.X、CN200410093016.8等。）传统斩光器主要部件之一是斩光盘，也叫斩光片，斩光盘上分布着几个或多个通光孔，通常这些通光孔以轴心为中心成中心对称分布。当电机控制斩光盘，在一定转速下，连续光源经过斩光盘上的通光孔后，即被调制成一定频率的周期性脉冲光。

瞬态光谱仪，包括瞬态吸收和瞬态荧光光谱仪，在光物理光化学的研究中有重要应用。（参考专利公开说明书CN201310392018.6、CN200510092520.0、CN201180017387.6、CN201110005032.7等。）为了实现时间分辨的测量，可采用脉冲光源激发样品，测量其延迟的吸收或者发光信号，以获得分子激发态的寿命等信息。然而为了实现高的时间分辨率，这类光谱仪通常需配备价格昂贵的脉冲激光器。而且激光器是单一波长，不能实现全波段的测量。配置不同波长的激光器可以部分解决这个问题，然而却导致仪器的成本大大增加。为了降低成本，可在光谱仪的激发光的光路后加一个斩光器，这样就将稳态的光源变成了模拟的瞬态光源，同时在探测器的前面再加一个斩光器，用来调节延迟时间和快门时间，以实现时间分辨的测量。同样的方案可以用于时间分辨的荧光显微镜的设计。（参考文献Anal.Chem.2011,83,2294-2300。）并在生物成像领域中有重要应用。

然而在上述解决方法中，需要对两个斩光器进行协同控制，由于现有的斩光器一般采用电机机械调制，其精度受电机转速影响较大，其调制出的脉冲光源本身带有一定的时间误差，加上要对两个斩光器同步控制，必然使误差加大，降低了整体测量的时间分辨率。提高单个斩光器的精度可以提高整体测量的时间精度，但是斩光器的成本随之增加。

发明内容

为了解决上述问题，并提高瞬态光谱仪的时间分辨率，本方案设计了一类新斩光器，在一台光谱仪中使用一个这样的斩光器便可以实现瞬态的测量。由于只使用一个斩光器，因而相对于协同控制两个斩光器，极大提高了时间精度，并降低了光谱仪的成本。

该发明的斩光器同一般机械式斩光器一样，采用电机调制。然而与一般斩光器所不同的是，该斩光器在一个测量的光路上进行两次斩光：第一次针对光源斩光，可将连续光转变为脉冲光；第二次针对样品的发射光进行斩光，相当于控制测量的延迟时间和快门时间。将样品放置于两次斩光的光路中间，对两次斩光进行同步控制，就可以实现样品瞬态光谱的测量以及时间分辨的成像。

为了达到上述目的，本发明采用两类方法来实现两次斩光。

方法一：采用两个斩光盘，而且两个斩光盘的转动通过齿轮啮合或者传送带耦合，当其中一个斩光盘通过电机驱动转动，就会带动另外一个斩光盘转动。相当于一个电机控制两个斩光盘，其中一个斩光盘对激发光斩光，控制脉宽和周期，另外一个斩光盘对待测样品的发光斩光，控制测量的延迟时间和快门。

方法二：采用一个具有两层通光孔的斩光盘，两层通光孔同轴转动，但是公转半径不同，光路经过其中一层通光孔，经过反射或散射再经过另外一层通光孔。其中一层通光孔对激发光斩光，控制脉宽和周期，另外一层通光孔对待测样品的发光斩光，控制测量的延迟时间和快门。相当于一个斩光盘既控制脉宽和周期，又控制测量的延迟时间和快门。

在方法一中，待测样品可放置于两个斩光盘之间，即第一个斩光盘位于光源和样品之间，第二个斩光盘位于样品和探测器之间，从光源到样品，再到探测器是荧光磷光测量的完整光路。瞬态测量的大致原理是：当光源通过第一个斩光盘的通光孔照射到样品上的时候，第二个斩光盘正好挡住了样品到探测器的光路；当斩光盘转动使第一个斩光盘挡住了光源到样品的光路的时候，第二个斩光盘正好也转过了一个角度，使得样品的荧光磷光可以通过第二个斩光盘的通光孔到达探测器，相当于快门开启并收集光信号。

方法二与方法一的原理类似，待测样品放置于两次斩光的光路中间。瞬态测量的大致原理是：当光源通过斩光盘的第一层通光孔照射到样品上的时候，第二层通光孔还没有转到样品到探测器的光路上，即斩光盘的另外一部分正好挡住了样品到探测器的光路；当斩光盘转动使光源到样品的光路被挡住的时候，斩光盘上第二层通光孔正好也绕轴转过了一个角度，使得样品的荧光磷光可以通过该通光孔到达探测器，相当于快门开启并收集光信号。

由于一次照射所收集的信号较弱，可以使斩光盘匀速转动，反复上述测量过程，并累积多次测量的信号，以获得理想的信号强度。在上述方法中，方法一中的两个斩光盘通过齿轮耦合转动，可以确保二者同步转动，设置好两个斩光盘的通光孔在完整的光路上交替出现，就可以使每次测量的两次斩光时间完全错开；而方法二仅使用一个斩光盘进行两次斩光，放置好样品的位置，使入射光和出射光分别经过两层通光孔的公转半径，也可以确保两次斩光在时间上完全错开。因而在这两个方法中，即使电机转速稍有不稳定，使频率出现偏差，进行多次测量也不会出现漏光现象，即完全排除了背景散射光的干扰。相对于分别使用两个斩光器控制脉冲光和快门，极大提高了检测的信噪比。此外，由于该斩光器将快门控制与斩光控制同步，因而在延迟光谱及时间分辨的成像应用中，无需再配备脉冲发生器、延迟发生器和快门附件等，简化了仪器装置并降低了成本。

从该测试的原理可知，该斩光器可以搭配任意的稳态光源使用，如汞灯、氙灯等，相对于使用单一波长的脉冲激光器，其激发波长可以使用光栅调节，范围覆盖广，可以测试不同激发波长的物质，大大降低了成本。该斩光器也可以搭配大功率的近红外激光器，如980nm、808nm等，可以用于上转化材料或近红外发射材料的时间分辨成像。

附图说明

图1为一种斩光器结构示意图，101为斩光盘，102为斩光盘，103为转动轴，104为锥形齿轮，105为通光孔，106为通光孔，107为比色皿，108为光探测器。

图2为斩光盘结构示意图，201为斩光盘，202为通光孔，203为转动轴，204为斩光盘，205为通光孔，206为转动轴。

图3为另外一种斩光器结构示意图，301为斩光盘，302为斩光盘，303为转动轴，304为通光孔，305为通光孔，306为比色皿，307为光探测器。

图4为锥形斩光器的一种结构示意图，401为斩光盘，402为外圈通光孔，403为内圈通光孔，404为转动轴，405为比色皿。

图5为锥形斩光盘结构示意图，401为斩光盘，402为外圈通光孔，403为内圈通光孔，404为转动轴，405为比色皿。

图6为含有两层通光孔的平面型斩光盘结构示意图。图7为含有两层通光孔的圆台型斩光盘结构示意图。

图8为配备了本发明的斩光器的时间分辨的成像装置的结构示意图，501为斩光盘，502为外圈通光孔，503为内圈通光孔，504为样品，505为照相机。

图9为配备了本发明的斩光器的时间分辨的显微成像装置的结构示意图，601为斩光盘，602为外圈通光孔，603为内圈通光孔，604为反光镜，605为反光镜，606为载物台，607为样品，608为物镜，609为目镜，610为照相机。

具体实施方式

为了说明本发明的原理以及其优势，下面通过具体实施例对本发明作进一步的说明，其目的在于帮助更好的理解本发明的内容，但这些具体实施方案不以任何方式限制本发明的保护范围。

在实际应用中，可以根据具体情况实施最合适的方案。

实施实例1，斩光器用于瞬态光谱的测量。

如图1所示，为斩光器的核心结构，两个斩光盘101和102的转动轴垂直，并通过锥形齿轮104连接，两个锥形齿轮齿数与半径相同，斩光盘101绕转动轴103转动的时候带动斩光盘102同步转动。其中，斩光盘101置于稳态光源和样品之间，用于产生脉冲光。斩光盘102置于样品和探测器之间，用于控制延迟时间和快门时间。此例子中，通光孔105的扇形对应的圆心角角度为a度，通光孔106扇形圆心角对应的圆心角为b度，二者满足条件：a+b≦180。下面具体叙述该测量的原理。

每个斩光盘的两个通光孔以各自的旋转轴为中心成中心对称，则斩光盘转一圈产生2次脉冲，当斩光盘1转速为每秒x圈时，稳态的光通过斩光盘1可以得到周期为0.5/x秒的脉冲光，其脉宽为斩光盘转动a度所需的时间，即a/(360x)秒。

样品放在比色皿中，被模拟的脉冲光激发后，发射出荧光或者磷光。其中垂直于入射光方向的荧光或磷光需要经过斩光盘102的通光孔106才能够被探测器108收集。为了测量延迟的光信号，当入射光通过通光孔105正好照在比色皿107上的时候，斩光盘102正好斩断了比色皿107到探测器108的光路；随着斩光盘101转过>a度，即斩光盘101阻断了入射光的光路的时候，斩光盘102正好也转过相同的角度，使通光孔106转到探测器的光路上，即打开了快门。

由于光速非常快，散射光在入射光被斩光盘101挡住的瞬间，就很快散射完闭，这个时间等于光从斩光盘101到斩光盘102的时间，该光程距离一般小于1米，则光通过的时间为纳秒级。在测量微秒级的延迟信号时，光通过该光程的时间可以忽略；在测量纳秒级的延迟信号时，可以将斩光盘102推后合适的转动角度，以遮挡散射光。如果忽略该时间，则从斩光盘101阻断光路的时刻起，到斩光盘102正好打开光路的时间即为延迟时间。延迟时间可以通过设置两个斩光盘的相对位置和转速来调节。转速越快，延迟时间越短。

斩光盘102转过b度的时间即为快门时间，即b/(360x)秒。要延长快门时间，可以增大通光孔106所对的圆心角b。但是在瞬态测量方式中，快门必须在下次脉冲照射之前关闭。即一次脉冲的脉宽时间与快门时间之和小于等于一个周期的时间，即图1例子需满足要求：a/(360x)+b/(360x)≦0.5/x，简化得：a+b≦180。

由于一次脉冲所收集的信号较弱，可以使斩光盘匀速转动，反复上述测量过程，并累积多次测量的信号，以获得理想的信号强度。

图1的例子使用的斩光盘只含有2个通光孔，为了增加脉冲频率，可以增加斩光盘的通光孔数量，图2为含有三孔、四孔的斩光盘，201、204为盘面，202、205为通光孔，203、206为转动轴。通光孔202和205所对应的圆心角分别为a、b度。

以此类推，更多孔数的斩光盘也可以用于本发明的斩光器中。在其他的例子中，斩光盘的通光孔不一定是扇形，可以根据需要设计成其他形状。图3的例子与图1的斩光器类似，也含有两个斩光盘，所不同的是两个斩光盘为齿轮型，并且齿数相同，其中斩光盘301绕转动轴303转动可以通过端面齿带动另外一个斩光盘302同步转动。其余的测试原理与图1的斩光器一样，入射光经过通光孔304照射到比色皿306上，其中样品被激发后发出的光经过通光孔305才能被探测器307所检测。更具体的原理参考图1斩光器的说明。

根据斩光盘通光孔的数量，以及其转速可以计算周期、频率、脉宽等。假设一个斩光盘上有n个均匀分布的通光孔，将该斩光盘用于产生脉冲光，则该斩光盘转一圈可以产生n次脉冲；若该斩光盘恒速转动，每秒钟转x圈，则产生的脉冲光频率为nx赫兹，周期为1/(nx)秒。假设一个斩光盘上有n个均匀分布的通光孔，将该斩光盘用于产生快门，则该斩光盘转一圈可以打开n次快门；若该斩光盘恒速转动，每秒钟转x圈，则产生的快门的频率为nx赫兹。脉宽、快门时间等参数的计算方法与前面的叙述一致。从这些计算可知：该斩光器的性能以及其可以测量的时间范围与电机的转速、稳定性有直接关系。

图1所示的斩光器中，其n=2，若x=1000，a=0.72，则频率为2000赫兹，周期为500微秒，脉宽为2微秒。即该脉冲光可以用于寿命在微秒级以上的荧光、磷光物质的延迟发光测量。具体可以测量的物质有发光的金属配合物如铱、铂、镧系金属配合物，也可以用于有机化合物的延迟荧光和室温、低温磷光的测量，以及稀土纳米发光材料的测量。

从该测试的原理可知，该斩光器可以搭配任意的稳态光源使用，如汞灯、氙灯等，相对于使用单一波长的脉冲激光器，其激发波长可以使用光栅调节，范围覆盖广，可以测试不同激发波长的物质，大大降低了成本。也可以使用合适的带通滤光片，相对于使用单一波长的脉冲激光器，该方案中单个周期的光照时间长，激发光亮度高，可以使更多的分子被激发到激发态，从而增加样品发光的亮度。

由于该斩光器的两个斩光盘通过齿轮啮合转动，可以确保二者同步转动，设置好两个斩光盘的通光孔在完整的光路上交替出现，因而，即使电机转速稍有不稳定，使频率出现偏差，也不会出现漏光现象，即完全排除了背景散射光的干扰。相对于分别使用两个斩光器控制脉冲光和快门，极大提高了检测的信噪比。

此外，该斩光器可以安装在普通的稳态荧光仪上，可以在普通荧光仪上实现瞬态光谱的测量，并且不需要改变原荧光仪的光路，斩光器的频率脉宽等可以单独控制，不需要安装额外的软件。

实施实例2，斩光器用于瞬态光谱的测量。

如图4所示为一个斩光器的斩光盘以及相关的测量光路。该斩光盘401为锥面型，其结构如图5所示，该锥面投影到与轴垂直的平面上，如图5所示，为一圆盘，类似一个平面型的斩光盘，其中外圈透光孔402的投影对应的圆心角为a度，内圈通光孔403对应的圆心角为b度。

如图4所示，该锥形斩光盘外圈通光孔对入射光斩光，内圈通光孔对出射光斩光，由于两类通光孔绕转动轴404旋转的轨迹的半径不同，因而将入射光和出射光分别对准各自的通光孔公转轨迹，就可以实现延迟的测量，并避免散射光干扰。其原理为：如图4所示的光路，入射光经过外圈通光孔402照射比色皿405中的样品，此时斩光盘挡住了出射光的光路；当斩光盘绕轴404转过a度之后，斩光盘挡住了入射光；当斩光盘再转过c度，出射光可以通过内圈通光孔403到达探测器，此时入射光仍被斩光盘外沿挡住。

与实施实例1中的方法类似，斩光盘控制光的脉冲和探测的快门，所不同的是该实例使用一个斩光盘集合了上述两个功能。相对于分别使用两个斩光盘，省略了齿轮结构，减小了机械的转动磨损。在该例子中，若该斩光盘恒速转动，每秒钟转x圈，则脉冲频率为2xHz；周期为0.5/x秒；其脉宽为斩光盘转动a度所需的时间，即a/(360x)秒；快门时间为为斩光盘转动b度所需的时间，即b/(360x)秒；延迟时间为斩光盘转动c度所需的时间，即c/(360x)秒。可根据样品发光的性质使用合适的斩光盘。

该例子中斩光盘的锥面母线与轴的夹角为d度，也可以根据需要选择合适角度的斩光盘。另外，斩光盘也可以设计成图6中平面型或者图7中的圆台型。也可以增加通光孔的数量来增加脉冲频率。

实施实例3，斩光器用于时间分辨的荧光磷光成像。

图8所示的斩光器可以用于时间分辨的成像，如图8所示，入射光经过斩光盘501的外圈透光孔502照射样品504，样品被激发后发光，经过内圈透光孔503到达照相机505。同实例2中的原理类似，外圈透光孔502对入射光斩光，控制脉冲；内圈通光孔503对出射光斩光，控制快门。其具体测量过程为：如图所示的光路，入射光经过外圈通光孔照射样品，假设斩光盘转动速度远远小于光速，则散射光的时间可以忽略，此时斩光盘挡住了出射光的光路；当斩光盘转过a度之后，斩光盘挡住了入射光；当斩光盘再转过c度，出射光可以通过内圈通光孔到达探测器，此时入射光仍被斩光盘外沿挡住，因而出射光中不含有散射光的成分，只有样品的延迟荧光、磷光。此例子中的斩光盘501也可以换成锥面型斩光盘，以方便入射光和出射光进出。

相对于使用脉冲激光器和带有门控功能的CCD，该成像装置可以搭配大功率的稳态光源和彩色CCD，甚至普通的数码相机，无需额外的门控功能，简化了仪器，并极大降低了成本。在出射光的光路上可以搭配目镜，使用裸眼观察样品的延迟发光。

实施实例4，斩光器用于显微成像。

图9所示的斩光器可以用于时间分辨的显微成像，如图9所示，斩光盘601为平面型，含有两层通光孔，入射光经过外圈透光孔602，再经过反射镜604和605两次反射之后照射载物台606上的样品607，样品被激发后发光，经过显微装置的物镜608和目镜609之后，再经过内圈透光孔603到达照相机610。同实例3中的原理类似，外圈透光孔602对入射光斩光，控制脉冲；内圈通光孔603对出射光斩光，控制快门。其具体测量过程为：如图所示的光路，入射光经过外圈通光孔602，再经过反射镜604和605两次反射之后照射载物台606上的样品607，假设斩光盘转动速度远远小于光速，则散射光的时间可以忽略，此时斩光盘挡住了出射光的光路；当斩光盘转过一个角度之后，使斩光盘刚挡住了入射光，此时出射光也被斩光盘挡住；当斩光盘再转过一个角度，使出射光经过显微装置的物镜608和目镜609之后，刚刚可以通过内圈通光孔603到达探测器，此时入射光仍被斩光盘外沿挡住，因而出射光中不含有散射光的成分，只有样品的延迟荧光、磷光。

相对于使用脉冲激光器和带有门控功能的CCD，该成像装置可以搭配大功率的稳态光源和彩色CCD，无需额外的门控功能，简化了仪器，并极大降低了成本。在出射光的光路上可以搭配目镜，使用裸眼观察样品的延迟发光的图像。

Claims (3)

1.一种可应用于瞬态光谱仪和时间分辨成像装置的光斩波器，该光斩波器在一个测量的光路上进行两次斩光：第一次针对光源斩光，第二次针对样品的发射光进行斩光；其特征在于：该光斩波器含有两个斩光盘，两个斩光盘的转动通过齿轮啮合或者传送带耦合，当其中一个斩光盘通过电机驱动转动，就会带动另外一个斩光盘转动；相当于一个电机控制两个斩光盘，其中一个斩光盘对激发光斩光，控制脉宽和周期，另外一个斩光盘对待测样品的发光斩光，控制测量的延迟时间和快门。

2.一种可应用于瞬态光谱仪和时间分辨成像装置的光斩波器，该光斩波器在一个测量的光路上进行两次斩光：第一次针对光源斩光，第二次针对样品的发射光进行斩光；其特征在于：该光斩波器含有一个具有两层通光孔的斩光盘，两层通光孔同轴转动，但是公转半径不同，光路经过其中一层通光孔，经过反射或散射再经过另外一层通光孔；其中一层通光孔对激发光斩光，控制脉宽和周期，另外一层通光孔对待测样品的发光斩光，控制测量的延迟时间和快门。

3.如权利要求2所述的光斩波器，其特征在于：该光斩波器的斩光盘为平面型，或锥面型，或圆台型。