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
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 Download PDFInfo
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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
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。
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Granted publication date: 20160309 Termination date: 20181007 |