一種同時獲得外觀圖像和元素分布影像的顯微成像系統的製作方法
2023-05-10 06:52:26 1
一種同時獲得外觀圖像和元素分布影像的顯微成像系統的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種同時獲得外觀圖像和元素分布影像的顯微成像系統，主要包括：雷射器，其發射短脈衝雷射信號；照明光源，其發射可見光信號；折射反射光路，其中包過多個透射反射鏡，以使所述雷射器和照明光源發出的光信號均豎直向下傳播；物鏡，其位於所述折射反射光路的下方，豎直向下傳播的光信號穿過所述物鏡，照射在物鏡下方的待檢測物體上；移動機構，其移動所述光信號或移動所述待檢測物體，使得所述光信號遍歷所述待檢測物體的所有部分。本發明將LIBS分析技術與雷射掃描共聚焦技術有機結合，採用光譜顯微成像技術實現對待測樣品的逐點掃描，實現了一種同時獲得外觀圖像和元素分布影像的顯微成像系統。
【專利說明】一種同時獲得外觀圖像和元素分布影像的顯微成像系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種顯微光學成像技術，特別涉及一種同時獲得外觀圖像和元素分布影像的顯微成像系統。
【背景技術】
[0002]高分辨顯微光學成像技術是人們從宏觀轉向微觀，在細胞分子水平實時動態揭示生命的構成和調控機制，獲得一系列原創性科學發現，實現生命科學與物理、化學等學科的全面交叉融合的重要手段。從最早的常規顯微鏡到現在的超級顯微鏡，如超分辨顯微鏡、雙光子顯微鏡以及隧道掃描顯微鏡等，可以說每一項新成像技術的出現都具有裡程碑式的意義。隨著雷射技術的出現，將光與物質相互作用應用於顯微成像和材料分析，不但可以大大地提高光學顯微技術的空間解析度，更可以實現被測物組分和結構的檢測，同時還可以進行三維成像。
[0003]目前報導的非線性光學成像技術如多光子螢光成像、二次諧波及三次諧波成像等，都出現了很好的應用實例。不過多光子螢光技術大多數情況需要注入螢光標記物，而二次諧波和三次諧波成像也由於其對被測物非線性性質的特殊要求，應用範圍受到了極大影響。
[0004]雷射誘導擊穿光譜(LIBS)是目前公認的一種重要的新型分析技術。這種技術對被測樣品的前期準備要求低，適用範圍廣，損傷小等特點。但傳統LIBS需要使用相對複雜的光譜分析系統，測試數據量大，處理時間長；而且，其光譜分析系統的靈敏度一旦不足，需要依靠增加激發光的光強來提高等離子體信號強度，在增加待測物體損傷的同時，大大降低了空間解析度。因此在顯微成像方面，LIBS的應用有很大的局限性。
[0005]正因為LIBS技術的局限性，本發明結合LIBS分析技術與雷射掃描共聚焦技術，實現了一種既可以獲得外觀圖像又可以觀察待測物體的元素分布的新型顯微成像系統，該系統結構簡單，便於操作。
【發明內容】
[0006]本發明針對上述局限性，將LIBS分析技術與雷射掃描共聚焦技術有機結合，採用光譜顯微成像技術實現對待測樣品的逐點掃描，實現了一種同時獲得外觀圖像和元素分布影像的顯微成像系統。該技術適用於生物醫學分析、材料分析、土壤分析及大氣分析等各個領域。
[0007]本發明的一個目的在於，提供一種疊加在雷射掃描共聚焦顯微鏡基礎上的元素分布掃描鏡，以最大限度地降低成本。
[0008]本發明的另一個目的在於，提供一種光路簡單的元素分布掃描鏡，在探測到物體內元素分布的同時，還能夠展示物體的表面影像，實現兩者的結合。
[0009]為實現上述目的以及一些其它的目的，本發明通過以下技術方案實現:
[0010]一種同時獲得外觀圖像和元素分布影像的顯微成像系統，包括:[0011 ] 雷射器I，其發射短脈衝雷射信號；
[0012]照明光源12，其發射可見光信號；
[0013]折射反射光路，其中包括多個透射反射鏡，以使所述雷射器I和照明光源12發出的光信號均豎直向下傳播；
[0014]物鏡5，其位於所述折射反射光路的下方，豎直向下傳播的光信號穿過所述物鏡5，照射在物鏡下方的待檢測物體上；
[0015]移動機構，其移動所述光信號或移動所述待檢測物體，使得所述光信號遍歷所述待檢測物體的所有部分；
[0016]其中，所述短脈衝雷射信號激發所述待檢測物體產生等離子體，且所述照明光源12的可見光信號經過所述待檢測物體反射後返回通過物鏡，併到達圖像處理器8，得到待檢測物體的外觀圖像；且所述雷射器I的短脈衝雷射信號經過所述待檢測物體反射後返回通過物鏡，並穿過中階梯光柵14，生成分光光譜，通過凹面鏡6匯聚後，到達光電探測器15，其通過探測分光光譜中的電磁波強度確定待檢測物體的元素分布影像。
[0017]優選的是，一種同時獲得外觀圖像和元素分布影像的顯微成像系統，所述折射反射光路包括:
[0018]第一半透半反鏡，其與水平方向呈45度角設置，所述雷射器I發射的短脈衝雷射信號沿水平方向入射所述第一半透半反鏡，取其反射的豎直向下的短脈衝雷射信號；
[0019]第二半透半反鏡，其與水平方向呈135度角設置，第一半透半反鏡反射的短脈衝雷射信號透過第二半透半反鏡繼續豎直向下傳播，且照明光源12從與所述雷射器I相反的一側沿水平方向入射所述第二半透半反鏡，取其反射的豎直向下的可見光信號，照明光源12的入射點與所述短脈衝雷射信號的穿透點相同；
[0020]由此，短脈衝雷射信號和可見光信號均變成豎直向下傳播的光信號。
[0021]優選的是，一種同時獲得外觀圖像和元素分布影像的顯微成像系統，所述折射反射光路還包括:
[0022]第三半透半反鏡，其與水平方向呈45度角設置，豎直向下傳播的光信號透過第三半透半反鏡繼續向下傳播，且可見光信號在待檢測物體上的反射光返回通過第三半透半反鏡，取其反射光，而短脈衝雷射信號在待檢測物體上的反射光返回第三半透半反鏡，取其透射光，以將照明光源12和雷射器I的返回光路區分開。
[0023]優選的是，一種同時獲得外觀圖像和元素分布影像的顯微成像系統，
[0024]所述移動機構為沿X，Y，Z三向移動的移動架，其設置在所述待檢測物體的下方，帶動所述待檢測物體移動，以實現遍歷。
[0025]優選的是，一種同時獲得外觀圖像和元素分布影像的顯微成像系統，
[0026]所述移動機構為掃描振鏡17，其設置在所述第三半透半反鏡與物鏡5之間，通過改變豎直向下傳播的光信號的角度，以實現遍歷。
[0027]優選的是，一種同時獲得外觀圖像和元素分布影像的顯微成像系統，還包括:
[0028]成像透鏡9，其設置在照明光源的返回光路上，用於匯聚通過第三半透半反鏡的可見光中的反射光；
[0029]圖像處理器8，其設置在所述成像透鏡9的焦距處，並將匯聚的可見光信號轉化為電信號，對圖像進行處理。
[0030]優選的是，一種同時獲得外觀圖像和元素分布影像的顯微成像系統，還包括:
[0031]信號放大器16，其與所述光電探測器通訊連接，用於放大電信號。
[0032]優選的是，一種同時獲得外觀圖像和元素分布影像的顯微成像系統，還包括:
[0033]計算機2，用於收集和分析信號放大器和圖像處理器的電信號，進行顯示和分析圖像。
[0034]優選的是，一種同時獲得外觀圖像和元素分布影像的顯微成像系統，還包括:
[0035]步進電機7，其與所述計算機2線路連接，用於控制所述中階梯光柵14的轉動。
[0036]本發明公開的一種同時獲得外觀圖像和元素分布影像的顯微成像系統的有益效果至少包括:將LIBS分析技術與雷射掃描共聚焦技術有機結合，採用光譜顯微成像技術實現對待測樣品的逐點掃描，實現了一種同時獲得外觀圖像和元素分布影像的顯微成像系統。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0037]圖1為本發明一實施例所述的一種同時獲得外觀圖像和元素分布影像的顯微成像系統不意圖。
【具體實施方式】
[0038]下面結合實施例對本發明做進一步的詳細說明，以令本領域技術人員參照說明書文字能夠據以實施。
[0039]如附圖1所示，本發明公開了一種同時獲得外觀圖像和元素分布影像的顯微成像系統，即既能夠展示物體的外觀影像，又能夠反映出物體內各種元素的分布狀況。例如對鐵皮進行檢測，在展示其細微影像的同時，還反應出該鐵皮內包含內的鉻元素、碳元素、氧化鐵化合物等的含量及分布。所述顯微成像系統包括:
[0040]雷射器1，其發射出短脈衝雷射信號。短脈衝雷射打到待分析物質的某一位置處時，能夠在該位置激發物體產生等離子體。而通過等離子對該短脈衝雷射產生的反射光進行分光，得到反射光的光譜之後，又能夠通過分析光譜而得到物質在被掃描位置處的元素成分。因此，只要讓短脈衝雷射逐行掃描待分析物質的所有位置，就能得到所有位置處的元素成分，將位置關係和相應的元素成分繪製成圖表，就能夠的得到待測物體的元素分布圖。
[0041]照明光源12，其發射出可見光信號，用於照射待測物體。同樣，照明光源一次照射待測物體上的一個位置點，得到該位置點的反射光，利用反射光對這個位置點進行成像。之後通過移動待測物體本身或通過移動照明光源的照射角度，使得照明光源12遍歷待測物體上的每一個位置點，直到最後獲得了待測物體所有位置的圖像。最後將位置關係和相應的圖像繪製成圖表，就能夠得到其外觀圖像。
[0042]折射反射光路，其中包括多個透射反射鏡，以使所述雷射器I和照明光源12發出的光信號均豎直向下傳播，正好可以正入射進物鏡。在折射放射光路中，本領域技術人員可以根據光路的基礎知識，設置透射反射鏡，使得最終所述雷射器I和照明光源12發出的光信號均豎直向下傳播即可。並且最好是使得所述雷射器I和照明光源12發出的光信號沿相同的路徑傳播，這樣待檢測物體上的某個位置點同時獲得光照和短脈衝雷射。
[0043]在本發明的一個優選實例中，所述折射放射光路可以包括:
[0044]第一半透半反鏡，其與水平方向呈45度角設置，所述雷射器I發射的短脈衝雷射信號沿水平方向入射所述第一半透半反鏡，取其反射的豎直向下的短脈衝雷射信號；
[0045]第二半透半反鏡，其與水平方向呈135度角設置，第一半透半反鏡反射的短脈衝雷射信號透過第二半透半反鏡繼續豎直向下傳播，且照明光源12從與所述雷射器I相反的一側沿水平方向入射所述第二半透半反鏡，取其反射的豎直向下的可見光信號，照明光源12的入射點與所述短脈衝雷射信號的穿透點相同；
[0046]由此，短脈衝雷射信號和可見光信號均變成豎直向下傳播的光信號。
[0047]所述折射反射光路還包括:第三半透半反鏡，其與水平方向呈45度角設置，豎直向下傳播的光信號透過第三半透半反鏡繼續向下傳播，且可見光信號在待檢測物體上的反射光返回通過第三半透半反鏡，取其反射光，而短脈衝雷射信號在待檢測物體上的反射光返回第三半透半反鏡，取其透射光，以將照明光源12和雷射器I的返回光路區分開；
[0048]物鏡5，其位於所述折射反射光路的下方，豎直向下傳播的光信號穿過所述物鏡5，照射在物鏡下方的待檢測物體上；
[0049]移動機構，其通過微移掃描振鏡17來改變豎直向下傳播的光信號的角度或沿X，Y，Z三向移動移動架來移動所述待檢測物體。也可以同時採用兩者，通過兩者的緊密配合，使得所述光信號遍歷所述待檢測物體的所有部分；
[0050]進一步地，一種同時獲得外觀圖像和元素分布影像的顯微成像系統，還包括:
[0051]成像透鏡9，其設置在照明光源的返回光路上，用於匯聚通過第三半透半反鏡的可見光中的反射光。
[0052]圖像處理器8，其設置在所述成像透鏡9的焦距處，並將匯聚的可見光信號轉化為電信號，實現圖像的獲取、存儲、傳輸、處理和復現。
[0053]進一步地，一種同時獲得外觀圖像和元素分布影像的顯微成像系統，還包括:
[0054]信號放大器16，其與所述光電探測器通訊連接，用於放大所述光電探測器所轉化出的電信號。
[0055]進一步地，一種同時獲得外觀圖像和元素分布影像的顯微成像系統，還包括:
[0056]計算機2，用於收集和分析信號放大器和圖像處理器的電信號，並根據電信號繪製成其外觀成像以及其元素分布影像。
[0057]進一步地，一種同時獲得外觀圖像和元素分布影像的顯微成像系統，還包括:
[0058]步進電機7,其與計算機2線路連接,用於控制中階梯光柵14的轉動。
[0059]進一步地，一種同時獲得外觀圖像和元素分布影像的顯微成像系統，構成四條光路:
[0060]第I條光路:由照明光源12發出的照明光，經過第二半透半反鏡11反射後進入物鏡5，聚焦在待檢測物體3 ;
[0061]第2條光路:待檢測物體3反射的照明光沿照明光的反方向傳播，再被物鏡5收集後，依次經過第三半透半反鏡10、成像透鏡9及圖像處理器8，通過計算機2實現觀察待檢測物體的外觀圖像；
[0062]第3條光路:短脈衝雷射器I輸出的雷射脈衝經過第一半透半反鏡13的反射後進入物鏡5，經該物鏡聚焦後照射到待檢測物體3 ；
[0063]第4條光路:雷射激發待檢測物體3產生的等離子體輻射光沿激發光相反的方向傳播，經物鏡5收集，通過第一半透半反鏡13和中階梯光柵14，生成分光光譜，通過凹面鏡6匯聚到高靈敏光電探測器15，轉化為電信號，再通過信號放大器16放大電信號，並傳輸給計算機2，從而觀察待檢測物體的元素分布。
[0064]儘管本發明的實施方案已公開如上，但其並不僅僅限於說明書和實施方式中所列運用，它完全可以被適用於各種適合本發明的領域，對於熟悉本領域的人員而言，可容易地實現另外的修改，因此在不背離權利要求及等同範圍所限定的一般概念下，本發明並不限於特定的細節和這裡示出與描述的圖例。
【權利要求】
1.一種同時獲得外觀圖像和元素分布影像的顯微成像系統，其特徵在於，包括: 雷射器(I)，其發射短脈衝雷射信號； 照明光源(12)，其發射可見光信號； 折射反射光路，其中包括多個透射反射鏡，以使所述雷射器(I)和照明光源(12)發出的光信號均豎直向下傳播； 物鏡(5)，其位於所述折射反射光路的下方，豎直向下傳播的光信號穿過所述物鏡(5)，照射在物鏡下方的待檢測物體上； 移動機構，其移動所述光信號或移動所述待檢測物體，使得所述光信號遍歷所述待檢測物體的所有部分； 其中，所述短脈衝雷射信號激發所述待檢測物體產生等離子體，且所述照明光源(12)的可見光信號經過所述待檢測物體反射後返回通過物鏡，併到達圖像處理器(8)，得到待檢測物體的外觀圖像；且所述雷射器(I)的短脈衝雷射信號經過所述待檢測物體反射後返回通過物鏡，並穿過中階梯光柵(14)，生成分光光譜，通過凹面鏡(6)匯聚後，到達光電探測器(15)，其通過探測分光光譜中的電磁波強度確定待檢測物體的元素分布影像。
2.如權利要求1所述的同時獲得外觀圖像和元素分布影像的顯微成像系統，其特徵在於，所述折射反射光路包括: 第一半透半反鏡，其與水平方向呈45度角設置，所述雷射器(I)發射的短脈衝雷射信號沿水平方向入射所述第一半透半反鏡，取其反射的豎直向下的短脈衝雷射信號； 第二半透半反鏡，其與水平方向呈135度角設置，第一半透半反鏡反射的短脈衝雷射信號透過第二半透半反鏡繼續豎直向下傳播，且照明光源(12)從與所述雷射器(I)相反的一側沿水平方向入射所述第二半透半反鏡，取其反射的豎直向下的可見光信號，照明光源(12)的入射點與所述短脈衝雷射信號的穿透點相同； 由此，短脈衝雷射信號和可見光信號均變成豎直向下傳播的光信號。
3.如權利要求2所述的同時獲得外觀圖像和元素分布影像的顯微成像系統，其特徵在於，所述折射反射光路還包括: 第三半透半反鏡，其與水平方向呈45度角設置，豎直向下傳播的光信號透過第三半透半反鏡繼續向下傳播，且可見光信號在待檢測物體上的反射光返回通過第三半透半反鏡，取其反射光，而短脈衝雷射信號在待檢測物體上的反射光返回第三半透半反鏡，取其透射光，以將照明光源(12)和雷射器(I)的返回光路區分開。
4.如權利要求3所述的同時獲得外觀圖像和元素分布影像的顯微成像系統，其特徵在於， 所述移動機構為沿X，Y，Z三向移動的移動架，其設置在所述待檢測物體的下方，帶動所述待檢測物體移動，以實現遍歷。
5.如權利要求4所述的同時獲得外觀圖像和元素分布影像的顯微成像系統，其特徵在於， 所述移動機構為掃描振鏡(17)，其設置在所述第三半透半反鏡與物鏡(5)之間，通過改變豎直向下傳播的光信號的角度，以實現遍歷。
6.如權利要求5所述的同時獲得外觀圖像和元素分布影像的顯微成像系統，其特徵在於，還包括: 成像透鏡(9)，其設置在照明光源的返回光路上，用於匯聚通過第三半透半反鏡的可見光中的反射光； 圖像處理器(8)，其設置在所述成像透鏡(9)的焦距處，並將匯聚的可見光信號轉化為電信號，對圖像進行處理。
7.如權利要求6所述的同時獲得外觀圖像和元素分布影像的顯微成像系統，其特徵在於，還包括: 信號放大器(16)，其與所述光電探測器通訊連接，用於放大電信號。
8.如權利要求7所述的同時獲得外觀圖像和元素分布影像的顯微成像系統，其特徵在於，還包括: 計算機(2)，用於收集和分析信號放大器和圖像處理器的電信號，進行顯示和分析圖像。
9.如權利要求8所述的同時獲得外觀圖像和元素分布影像的顯微成像系統，其特徵在於，還包括: 步進電機(7)，其與所述計算機(2)線路連接，用於控制所述中階梯光柵(14)的轉動。
【文檔編號】G01N21/63GK104390943SQ201410682413
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年11月24日 優先權日:2014年11月24日
【發明者】姜琛昱, 張運海 申請人:中國科學院蘇州生物醫學工程技術研究所