一種偏振成像的無損探測裝置的製作方法

2023-10-20 16:34:57

專利名稱：一種偏振成像的無損探測裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種偏振成像的無損探測裝置，可用於分辨具有雙折射性生物組織 精細結構及其它雙折射性物質，屬於當代新興的交叉學科一生物醫學光學，涉及光學、聲 學、電子信息、計算機技術以及醫學等領域。
背景技術：
對於生物組織超精細結構的方法，目前主要有電子顯微鏡，X-射線，生物化學分 析，組織病理學分析、多光子螢光技術等方法。其中電子顯微鏡，X-射線，生物化學分析，組 織病理學分析等方法最大的缺點是具有嚴重的損傷性，而無法實時、活體的檢測。而由多光 子顯微技術結合的多光子螢光技術儘管可以實時無損地獲得高解析度，高對比度的顯微結 構，具有非常高的峰值功率和較低的平均功率，減小或者消除光漂白和光毒作用。然而，它 無法獲得上皮組織膠原類型的比例及膠原的方向性信息。而對於多數的具有雙折射性的生 物上皮組織病變，比如腫瘤，這需要及時獲得其腫瘤上皮組織的膠原病變後的方向性信息， 以更準確的獲得病變組織的結構及生長方向。因此，需要探索一種活體、實時又能夠分辨出 組織結構方向性的方法，從而為生物學領域中包括腫瘤在內的生物組織、化學領域的材料 和各種礦物質，實現其雙折射性的能力實時、無損的定量檢測。

發明內容
本發明的目的是為具有雙折射性的生物組織等提供一種無損、實時、動態的探測 裝置，利用偏光的性質結合光與物質相互作用發射的二次諧波信號對具有雙折射性的物質 進行顯微的結構成像與分析。該裝置能夠在對生物組織及晶體等的顯微結構進行高精度、 高解析度、高對比度的檢測，並獲得其方向性信息。本發明的技術方案實現方法無損探測裝置由雷射器、偏振檢測系統、光路傳輸系 統、載物臺、探測系統和計算處理系統構成。雷射器發射的雷射束，依次通過起偏器、光路傳 輸系統、載物臺；雷射束到達載物臺的樣品上後產生二次諧波信號光和螢光信號並反向光 路傳輸系統、偏振檢測系統到達探測系統；其中探測系統、光路傳輸系統可由計算機控制， 偏振檢測系統以及載物臺則由人工控制。所述的雷射器是一臺可調諧的飛秒雷射器。該雷射器所發射的光束波長範圍為 700nm-980nm。所述的偏振檢測系統由起偏器和包括波晶片、檢偏器以及相關電磁控制單元在內 的器件所組成。雷射束經起偏器並經整形後形成特定偏振方向的入射光，而來自樣品的接 收光經過分束鏡、波晶片、檢偏器等為探測系統所接受。經過逆向分析後可以得到包含樣品 偏振結構的信息。所述的光路傳輸系統包含有X-Y掃描器、放大成像器、二色鏡、物鏡、濾光片、聚光 鏡A和聚光鏡B組成。光路傳輸系統中經過起偏器的光為X-Y掃描器所接收，隨後進入放 大成像器。放大成像器是由透鏡A和凸透鏡B組成，可實現光束的放大或縮小。經放大的
3雷射束，經過二色鏡的反射，由物鏡聚焦到旋轉載物臺的樣品上並產生二次諧波信號光和 螢光信號，二次諧波信號光和螢光信號將反向通過物鏡並直接透過二色鏡，入射到一個濾 光片上，由於濾光片的波長選擇作用，螢光信號和二次諧波信號光將分為2路，螢光信號光 直接透過濾光片後經過一個聚光鏡A到達探測系統；二次諧波信號光則反射後通過一個聚 光鏡B後通過檢偏器後到達探測系統。所述的探測系統是由光電倍增管A、光電倍增管B組成。光電倍增管A接收螢光信 號，而光電倍增管B接收包含偏振信息的二次諧波信號。探測系統和光路傳輸系統都由計 算機進行控制，由計算機可同時顯示含偏振信息圖像與常規非線性或螢光圖像。所述的載物臺為可旋轉載物臺，其上放置樣品，樣品經雷射束照射後產生不同偏 振主導方向的二次諧波信號光和螢光信號。所述的二色鏡，可反射大於700nm波長的光，可透射小於700nm波長的光。所述的濾光片，可反射小於450nm的光，可透射大於450nm的光。本發明裝置能夠實時，快速，無損地檢測生物組織、植物以及晶體等具有雙折射性 的物質，並獲得高解析度、高對比度的圖像及強度和方向。其關鍵技術在於偏振分析方法的 應用，使得可以獲得附加的偏振信息，獲得偏振的二次諧波信號時，可根據需要旋轉起偏器 控制入射光偏振方向，同時載物臺的樣品亦可以旋轉。組織成像所用的光是通過偏振模塊 的超短脈衝雷射束產生的。而偏振方法是在偏振的平行方向和水平方向的夾角來激發偏振 軸來得到的螢光發射。樣品激發和發射偶極方向可以確定。同時也可以獲得螢光偏振光譜。本發明裝置的其優點是結合偏振特徵，獲得超微結構的雙折射物質的顯微結構， 同時獲得雙折射物質的二次諧波強度、其組織的方向性信息和其它的二次非線性感受器的 參數，從而具備為包括腫瘤在內的生物組織和化學領域各種材料和礦物質定量檢測其雙摺 射性的能力。


圖1為本發明裝置的結構原理圖。圖2為本發明裝置具體實施的構造示意圖。
具體實施例方式為了對本發明有進一步的理解，以下結合附圖2對本發明的實施例作詳細的描 述。圖2中，1.雷射器；2.起偏器；3. X-Y掃描系統；4.凸透鏡A;5.凸透鏡B;6.旋 轉載物臺；7.物鏡；8. 二色鏡；9.波晶片、檢偏器以及相關電磁控制單元；10.聚光鏡B; 11.濾光片；12.聚光鏡A;13.光電倍增管A;14.計算機；15.光電倍增管B。可調諧波長的雷射器1發射的光束經過一個起偏器2獲得定向的線偏振光。而後 傳輸到X-Y掃描系統3和成像放大系統中的凸透鏡A4、凸透鏡B5，接著通過一個二色鏡8 的光由物鏡7聚焦到旋轉載物臺6的樣品上。由雷射和樣品產生的二次諧波信號反向通過 物鏡7並透過二色鏡8到濾光片11上分為兩路。波長長於特定波長的光直接透過濾光片 11後經過一個聚光鏡A12到達光電倍增管A13的接收端，即獲得螢光的信號並轉換為電信 號。波長短於特定波長的光在濾波片11反射後通過一個聚光鏡BlO後通過波晶片、檢偏器
4以及相關電磁控制單元9後到達光電倍增管B15的接收端，即獲得偏振二次諧波的信號並 在光電倍增管轉化為電信號。兩路的光電信號在計算機14中顯示。X-Y掃描系統3也由計 算機14接受控制。 在本發明的實施中，以皮膚真皮層膠原為樣品；選擇最佳的可調諧雷射器1的波 長為850nm，因為該波長可以較好的激發二次諧波信號。雷射通過起偏器2後變成一個可 改變方向的線偏振光。由於二色鏡8可反射大於700nm的光，故光反射後通過物鏡7到達 載物臺6上的皮膚樣品。雷射和雙折射的膠原介質相互作用產生二次諧波光原路返回。當 然，真皮還有其他物質，比如彈力纖維，其與光相互作用後產生的螢光也是原路返回。螢光 與二次諧波光到達二色鏡8後小於700nm的光透射後經過濾光片11。濾光片11的鍍膜為 小於450nm的光反射，而對450nm_650nm的光是透射的。故對大於450nm的螢光通過一個 聚光鏡A12後直接被光電倍增管A13接收，而對於二次諧波效應產生的光則通過聚焦鏡BlO 後需要經過波晶片、檢偏器以及相關電磁控制單元9，分析檢測其偏振狀態後被光電倍增管 B15接收，得到物質雙折射纖維的變化，故在計算機14上顯示二次諧波強度的同時可以獲 得樣品的方向性。此方法可以快速，活體，實時檢測生物組織在病變或者光熱損傷下膠原方 向的變化情況。
權利要求
1.一種偏振成像的無損探測裝置，其特徵是裝置由雷射器、偏振檢測系統、光路傳輸 系統、載物臺、探測系統和計算處理系統構成，雷射器發射的雷射束，依次通過起偏器、光路 傳輸系統、載物臺；雷射束到達載物臺的樣品上後產生二次諧波信號光和螢光信號並反向 光路傳輸系統、偏振檢測系統到達探測系統；探測系統、光路傳輸系統由計算機控制，偏振 檢測系統以及載物臺則由人工控制。
2.根據權利要求1所述的一種偏振成像的無損探測裝置，其特徵是所述的雷射器為可 調諧的飛秒雷射器，波長範圍為700nm 980nm。
3.根據權利要求1所述的一種偏振成像的無損探測裝置，其特徵為所述的二色鏡可 反射大於700nm波長的光，可透射小於700nm的光。
4.根據權利要求1所述的一種偏振成像的無損探測裝置，其特徵為濾光片可反射小 於450nm的光，透射大於450nm的光。
5.根據權利要求1所述的一種偏振成像的無損探測裝置，其特徵為所述的光路傳輸 系統包含有X-Y掃描器、放大成像器、二色鏡、物鏡、濾光片、聚光鏡A和聚光鏡B組成；光路 傳輸系統中的X-Y掃描器接收來自於起偏器的光；經過放大成像器的雷射束，再經過二色 鏡的反射，由物鏡聚焦到旋轉載物臺的樣品上並產生二次諧波信號光和螢光信號，二次諧 波信號光和螢光信號將反向通過物鏡並直接透過二色鏡，入射到一個濾光片上；螢光信號 和二次諧波信號光將分為2路，螢光信號光直接透過濾光片後經過一個聚光鏡A到達探測 系統；二次諧波信號光則反射後通過一個聚光鏡B後通過檢偏器後到達探測系統。
6.根據權利要求5所述的一種偏振成像的無損探測裝置，其特徵為所述的放大成像 器是由透鏡A和凸透鏡B組成。
7.根據權利要求1所述的一種偏振成像的無損探測裝置，其特徵為所述的偏振檢測 系統由起偏器和包括波晶片、檢偏器以及相關電磁控制單元在內的器件所組成；雷射束經 起偏器並經整形後形成特定偏振方向的入射光，而接收光經過分束鏡、波晶片、檢偏器等為 探測系統所接受；經過逆向分析後可以得到包含樣品偏振結構的信息。
8.根據權利要求7所述的一種偏振成像的無損探測裝置，其特徵為所述的起偏器和偏 振檢測系統單元均可進行旋轉。
9.根據權利要求1所述的一種偏振成像的無損探測裝置，其特徵為所述的載物臺為 可旋轉載物臺，以產生不同偏振主導方向的二次諧波信號光和螢光信號。
全文摘要
本發明涉及了一種偏振成像的無損探測半自動裝置，其特徵是裝置由雷射器、偏振檢測系統、光路傳輸系統、載物臺、探測系統和計算處理系統構成，雷射器發射的雷射束，依次通過偏振檢測系統、光路傳輸系統、載物臺；雷射束到達載物臺的樣品上後產生二次諧波信號光和螢光信號並反向光路傳輸系統、偏振檢測系統到達探測系統；探測系統、光路傳輸系統由計算機控制，偏振檢測系統以及載物臺則由人工控制。本發明裝置能夠實時，快速，無損地檢測晶體、生物組織、植物等具有雙折射效應的物質，並獲得高解析度、高對比度的圖像及其強度與方向。
文檔編號G01N21/64GK102095690SQ201010596940
公開日2011年6月15日 申請日期2010年12月20日 優先權日2010年12月20日
發明者吳淑蓮, 李志芳, 李暉, 章小曼 申請人:福建師範大學