一種微區反射透射光譜儀的製作方法

2023-08-07 20:17:01

專利名稱：一種微區反射透射光譜儀的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於微區光學測量領域。
普通的光譜儀對於微米量級尺寸的光學及生物樣品的測量，誤差很大。因為微米級的樣品很難進行固定和定位，特別是對入射方向靈敏的樣品，如光子晶體、多層介質膜等，它們相對於入射光的方向在普通光譜儀上很難加以確認和調整(文獻1，曾昭權、龔光林等，人體血細胞的顯微光譜研究，光譜學與光譜分析，Vol.16，No.6，(51-54)1996)。文獻1中給出的微區光譜儀雖然也能進行樣品的微區透射譜測量，但是它對入射光源的大小及方向沒有明確的限制，故不能將入射光源相對於樣品表面的入射角限制在小的範圍內，且不能測量微區樣品的反射率。
本實用新型的目的在於提供一種微區反射透射光譜儀，用於測量線尺度為5μm-300μm的光學及生物樣品的透射率及反射率。本實用新型由光源系統、倒置顯微鏡系統、成像及聚光系統、光柵光譜儀、光電倍增管及其電源、鎖相放大器及斬波器、計算機實時控制及數據採集處理系統等組成。本實用新型因對入射光源的大小及方向的限制，可使入射光源的面積小於被測樣品的面積，而且可使入射光源相對於樣品表面的入射角限制在很小的範圍內；本實用新型因使用鎖相放大器，可檢測出淹沒在噪聲中的微弱信號。
本實用新型的目的是這樣實現的按

圖1所示，本實用新型的透射光譜儀由光源1，斬波器2，雙光闌3、4，聚光物鏡5，載物臺6，成像物鏡7，半反鏡8，限束光闌9，聚光透鏡10，光柵光譜儀11，光電倍增管12，鎖相放大器13，計算機實時控制及數據採集處理系統14組成。
此設備分為6部分光源系統包括光源1，雙光闌3，4和聚光物鏡5(可以根據不同的要求選擇不同放大倍數的聚光物鏡)，雙光闌之間的距離為顯微鏡光學筒長；倒置顯微鏡系統主要由載物臺6，成像物鏡7，半反射鏡8及目鏡組成；成像及聚光系統包括位於成像處的限束光闌9和光柵光譜儀前的聚光透鏡10；光柵光譜儀11為普通商用儀器；鎖相放大器13及斬波器2；計算機14。
下面結合圖1在描述測量過程中說明其構造在開啟電源前，將斬波器2的斬波片部分插入光源1與雙光闌3、4之間。開啟設備的電源系統，將斬波器的輸出信號接到鎖相放大器13的參考信號輸入端。將待測樣品放在由兩個蓋玻片組成的樣品池中，蓋玻片之間的間距由被測樣品的厚度決定。樣品池放在聚光物鏡5與成像物鏡7之間的載物臺6上。調節載物臺與成像物鏡之間的距離，使得樣品的下表面成像清晰。然後調節光源系統相對於載物臺的距離，使得光源燈絲成像於被測樣品的上表面。去掉倒置顯微鏡目鏡。在物鏡的成像處放置一限束光闌9，用以限制被測樣品成像範圍以外的光進入光譜儀。入射光經成像物鏡7透射到半反鏡8上，該束光經半反鏡反射到限束光闌9上。限束光闌9與聚光透鏡10之間的距離根據光路調節的需要而定。聚光透鏡10將從限束光闌9出射的光聚焦到光柵光譜儀11的入射狹縫，光譜儀的波長選擇由計算機14通過RS-232接口控制。光柵光譜儀的出射狹縫處接光電倍增管12，光電倍增管的靈敏範圍200-900nm。將光電倍增管的輸出信號接入鎖相放大器13的信號輸入端。調節鎖相放大器的相位按鈕，使得鎖相放大器輸出信號最大。鎖相放大器的輸出信號經RS-232接口引入計算機14。通過計算機的實時控制及數據採集處理系統控制光譜儀光柵的轉動，以及採集鎖相放大器的輸出信號。
在製作微區反射光譜儀時(如圖2所示)，其它部分與上述製作微區透射光譜儀一致，但是需將光源系統中的聚光物鏡5去掉，並將光源系統及斬波器2移至倒置顯微鏡另一端的反射光源埠，反射光源由一全反鏡15引入倒置顯微鏡的成像物鏡7。此時倒置顯微鏡的成像物鏡同時起著聚光和成像的作用。調節光源系統的三維位置、及載物臺與成像物鏡之間的距離，使得光源燈絲成像於樣品的下表面。
本實用新型可用於測量線尺度為5μm-300μm的光學及生物樣品的透射率及反射率。
其原理為首先測出有樣品時光對樣品的透射譜或反射譜，再測出無樣品時的光源譜，然後進行相應的除法處理求得樣品的透射率與反射率。
光源系統由燈源，雙光闌和聚光物鏡組成。雙光闌的孔徑大小φ與聚光物鏡的放大倍數m決定了入射到樣品上的燈絲像直徑d及入射到樣品的半發散角α。當光闌孔徑遠小於物鏡的通光孔徑及物鏡的焦距遠小於顯微鏡的光學筒長時，它們間的關係可近似地表達為d=m----(1)]]>tan=2f----(2)]]>根據上述關係，可以選擇不同光闌孔徑φ，聚光物鏡的放大倍數m以及雙光闌之間的距離，使得燈絲像小於被測樣品的線尺度，以及光束的半發散角α在所要求的範圍內。
下面介紹具體的測量方法透過率的測量1)順序開啟各個系統電源。此時光譜儀的入射狹縫要置於關閉狀態(開機之前，務必使計算機與光譜儀及鎖相放大器通過RS-232接口保持連接狀態)。2)用同軸電纜將鎖相放大器參考信號輸入埠與斬波器的輸出信號埠相連，用同軸電纜將鎖相放大器信號輸入埠與光電倍增管的輸出信號埠相連。3)將被測樣品裝入樣品池，並將此樣品池放在載物臺上，調節載物臺的橫向位置，使被測樣品位於光源系統與成像系統的光軸上。4)調節載物臺與成像物鏡之間的距離使得樣品的下表面成像於倒置顯微鏡光學筒長的目鏡端。然後調節光源系統相對於載物臺的縱向距離，使得燈絲成像於被測樣品的上表面。光的透射信號由限束光闌出射。限束光闌的孔徑要略大於埠處樣品像的尺寸。5)打開光譜儀的入射狹縫，並調節聚光透鏡L的位置，使得限束光闌的出射光進入光譜儀的入射狹縫。6)啟動計算機核心控制軟體中的調整光路功能，微調聚光透鏡L的三維位置，使得鎖相放大器接收到的輸入信號最大。7)啟動計算機核心控制軟體中的掃描功能，此時計算機能自動控制光譜儀光柵的掃描以及接收鎖相放大器的輸出信號。8)將此輸出信號保存到計算機的硬碟上待處理。
反射率的測量將光源系統移至倒置顯微鏡下端的反射光源埠。調節光源系統的三維位置以及載物臺與成像物鏡之間的距離，使得燈絲成像於樣品的下表面。其它部分的調節與透射率測量的成像部分相同。
本實用新型可將光源限定於比待測樣品小的視場範圍內，用於測量直徑為5μm-300μm的光學樣品及生物樣品的透射率與反射率。對於要求入射光為垂直表面的平行光或準平行光的微米級樣品的透射率與反射率同樣可以測試，這在普通光譜儀上很難做到。本實用新型的信號處理系統使用的是鎖相放大器，可以測出淹沒在噪聲中的微弱信號。計算機的實時控制及數據採集處理系統的處理功能包括信號平均，實時顯示透射譜和反射譜，去除本底信號，調節光路時透射或反射信號隨時間的變化曲線。本實用新型還可對高反射率的樣品進行反射譜的測試。
以下結合附圖及實施例對本實用新型做進一步說明圖1是本實用新型作為微區透射光譜儀時的示意圖。
圖2是本實用新型作為微區反射光譜儀時的示意圖。
圖3是單個衣藻細胞的透射率測量圖。在測試細胞時，聚光物鏡的放大倍數為100，光闌孔徑為0.5mm。衣藻細胞為8μm左右，樣品放在含有培養液的池中。從其透射譜中可明顯觀察到在紅外680nm處有一吸收峰。
圖4是人工蛋白石光子晶體反射率測量圖。光子晶體是由不同介電體周期排列的新型光學材料，具有帶隙特徵。在處於光子帶隙波長的光不能透過光子晶體而全被反射回來。其帶隙截止峰與入射方向與樣品法線的夾角θ的關係2n·d·cosθ＝λ為其中n為平均折射率，d為層間距，λ為帶隙的中心波長。在測量時要求入射光線限制在幾度範圍內。光源信號放於倒置顯微鏡下端的反射光源埠，被測面積為50μm。物鏡的放大率為40，此時樣品的入射光束髮散角被限制在8°以內。在實際測試時，用上述的測量方法先測出反射譜，存入計算機硬碟，然後將一全反的銀鏡放在原樣品池的位置處，測出本底信號，以此作為背景譜，用軟體程序處理，將樣品信號除以背景信號，測出反射率曲線。
實施例1按圖1製作一臺微區透射光譜儀。
開啟電源前，將斬波器的斬波片部分插入燈源與雙光闌之間。開啟設備的電源系統，將斬波器的輸出信號接到鎖相放大器的參考信號輸入端。將待測樣品放在由兩個蓋玻片組成的樣品池中，蓋玻片之間的間距由被測樣品的厚度決定。樣品池放在聚光物鏡與成像物鏡之間的載物臺上。調節載物臺與成像物鏡之間的距離，使得樣品的下表面成像清晰。然後調節光源系統相對於載物臺的距離，使得光源燈絲成像於被測樣品的上表面。去掉倒置顯微鏡目鏡，在物鏡的成像處放置限束光闌9，用以限制被測樣品成像範圍以外的光進入光譜儀。入射光經成像物鏡7透射到半反鏡8上，該束光經半反鏡反射到限束光闌9上。限束光闌9與聚光透鏡10之間的距離根據光路調節的需要而定。聚光透鏡10將從限束光闌9出射的光聚焦到光柵光譜儀的入射狹縫，光譜儀的波長選擇由計算機通過RS-232接口控制。光柵光譜儀的出射狹縫處接光電倍增管12，光電倍增管的靈敏範圍200-900nm。將光電倍增管的輸出信號接入鎖相放大器13的信號輸入端。調節鎖相放大器的相位按鈕，使得鎖相放大器輸出信號最大。鎖相放大器的輸出信號經RS-232接口引入計算機。通過計算機的實時控制及數據採集處理系統14控制光譜儀光柵的轉動，以及採集鎖相放大器的輸出信號。
以此透射光譜儀測得的直徑8微米的單個衣藻細胞的透射率曲線見圖3。
實施例2按圖2製作一臺微區反射光譜儀。
在製作微區反射光譜儀時，其它部分與實施例1一致，但是需將光源系統(此時需去掉圖1中的聚光物鏡5)及斬波器移至倒置顯微鏡另一端的反射光源埠，反射光源由一全反鏡15引入倒置顯微鏡的成像物鏡7。此時倒置顯微鏡的成像物鏡同時起著聚光和成像的作用。調節光源系統的三維位置、及載物臺與成像物鏡之間的距離，使得光源燈絲成像於樣品的下表面。在實際測試時，用上述的測量方法先測出反射譜，存入計算機硬碟，然後將一全反的銀鏡放在原樣品池的位置處，鍍銀面朝向成像物鏡的前光瞳，測出此時的本底信號，以此作為背景信號，通過計算機的實時控制及數據採集處理系統，將樣品信號除以背景信號，測出反射率曲線。
以該設備測得的直徑50微米的人工蛋白石光子晶體反射率曲線見圖4。
權利要求1.一種微區反射透射光譜儀，其特徵在於主要由光源系統、倒置顯微鏡系統、成像及聚光系統、光柵光譜儀(11)、鎖相放大器(13)及斬波器(2)、計算機實時控制及數據採集處理系統(14)組成；其中光源系統包括光源(1)，雙光闌(3)，(4)和聚光物鏡(5)，雙光闌之間的距離為顯微鏡光學筒長；倒置顯微鏡系統主要由載物臺(6)，成像物鏡(7)，半反射鏡(8)及目鏡組成；成像及聚光系統包括位於成像處的限束光闌(9)和光柵光譜儀前的聚光透鏡(10)；光柵光譜儀(11)為普通商用儀器；其結合調試安裝的構造如下在開啟電源前，將斬波器(2)的斬波片部分插入光源(1)與雙光闌(3)、(4)之間；開啟設備的電源系統，將斬波器的輸出信號接到鎖相放大器(13)的參考信號輸入端；將待測樣品放在由兩個蓋玻片組成的樣品池中，蓋玻片之間的間距由被測樣品的厚度決定；樣品池放在聚光物鏡(5)與成像物鏡(7)之間的載物臺(6)上；調節載物臺與成像物鏡之間的距離，使得樣品的下表面成像清晰；調節光源系統相對於載物臺的距離，使得光源燈絲成像於被測樣品的上表面；去掉倒置顯微鏡目鏡；在物鏡的成像處放置一限束光闌(9)；入射光經成像物鏡(7)透射到半反鏡(8)上，該束光經半反鏡反射到限束光闌(9)上；限束光闌(9)與聚光透鏡(10)之間的距離根據光路調節的需要而定；聚光透鏡(10)將從限束光闌(9)出射的光聚焦到光柵光譜儀(11)的入射狹縫，光柵光譜儀的波長選擇由與此相連的計算機控制；光柵光譜儀的出射狹縫處接光電倍增管(12)，光電倍增管的靈敏範圍為200-900nm；將光電倍增管的輸出信號接入鎖相放大器(13)的信號輸入端；調節鎖相放大器的相位按鈕，使得鎖相放大器輸出信號最大鎖相放大器的輸出信號經RS-232接口引入計算機；通過計算機的實時控制及數據採集處理系統(14)控制光柵光譜儀的光柵轉動，以及採集鎖相放大器的輸出信號。
2.按權利要求1所述的微區反射透射光譜儀，其特徵在於還可以作如下改動，便成為一臺微區反射光譜儀將光源系統中的聚光物鏡(5)去掉，並將光源系統及斬波器(2)移至倒置顯微鏡另一端的反射光源埠，反射光源由一全反鏡(15)引入倒置顯微鏡的成像物鏡(7)；此時倒置顯微鏡的成像物鏡同時起著聚光和成像的作用；調節光源系統的三維位置、及載物臺與成像物鏡之間的距離，使得光源燈絲成像於樣品的下表面。
3.按權利要求1所述的微區反射透射光譜儀，其特徵在於可用於測量線尺度為5μm-300μm的光學及生物樣品的透射率及反射率。
專利摘要本實用新型屬於微區光學測量領域。本實用新型提供的微區反射透射光譜儀可測量線尺度為5μm—300μm的光學及生物樣品的透射率及反射率,由光源系統、倒置顯微鏡系統、成像及聚光系統、光譜儀、光電倍增管及其電源、鎖相放大器及斬波器、計算機實時控制及數據採集處理系統等組成。本實用新型因對光源的限制使入射光源的面積小於被測樣品,且可使光源的入射角限制在很小範圍內。本實用新型還可檢測淹沒在噪聲中的微弱信號。
文檔編號G01N21/59GK2482688SQ0122999
公開日2002年3月20日 申請日期2001年7月12日 優先權日2001年7月12日
發明者程丙英, 周博, 郭紅蓮, 金崇君, 張道中 申請人:中國科學院物理研究所