專利名稱：一種偏振成像的無損探測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種偏振成像的無損探測裝置，可用于分辨具有雙折射性生物組織 精細(xì)結(jié)構(gòu)及其它雙折射性物質(zhì)，屬于當(dāng)代新興的交叉學(xué)科一生物醫(yī)學(xué)光學(xué)，涉及光學(xué)、聲 學(xué)、電子信息、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
對于生物組織超精細(xì)結(jié)構(gòu)的方法，目前主要有電子顯微鏡，X-射線，生物化學(xué)分 析，組織病理學(xué)分析、多光子熒光技術(shù)等方法。其中電子顯微鏡，X-射線，生物化學(xué)分析，組 織病理學(xué)分析等方法最大的缺點(diǎn)是具有嚴(yán)重的損傷性，而無法實(shí)時(shí)、活體的檢測。而由多光 子顯微技術(shù)結(jié)合的多光子熒光技術(shù)盡管可以實(shí)時(shí)無損地獲得高分辨率，高對比度的顯微結(jié) 構(gòu)，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。而對于多數(shù)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(shí)獲得其腫瘤上皮組織的膠原病變后的方向性信息， 以更準(zhǔn)確的獲得病變組織的結(jié)構(gòu)及生長方向。因此，需要探索一種活體、實(shí)時(shí)又能夠分辨出 組織結(jié)構(gòu)方向性的方法，從而為生物學(xué)領(lǐng)域中包括腫瘤在內(nèi)的生物組織、化學(xué)領(lǐng)域的材料 和各種礦物質(zhì)，實(shí)現(xiàn)其雙折射性的能力實(shí)時(shí)、無損的定量檢測。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)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(shí)時(shí)、動態(tài)的探測 裝置，利用偏光的性質(zhì)結(jié)合光與物質(zhì)相互作用發(fā)射的二次諧波信號對具有雙折射性的物質(zhì) 進(jìn)行顯微的結(jié)構(gòu)成像與分析。該裝置能夠在對生物組織及晶體等的顯微結(jié)構(gòu)進(jìn)行高精度、 高分辨率、高對比度的檢測，并獲得其方向性信息。本發(fā)明的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)方法無損探測裝置由激光器、偏振檢測系統(tǒng)、光路傳輸系 統(tǒng)、載物臺、探測系統(tǒng)和計(jì)算處理系統(tǒng)構(gòu)成。激光器發(fā)射的激光束，依次通過起偏器、光路傳 輸系統(tǒng)、載物臺；激光束到達(dá)載物臺的樣品上后產(chǎn)生二次諧波信號光和熒光信號并反向光 路傳輸系統(tǒng)、偏振檢測系統(tǒng)到達(dá)探測系統(tǒng)；其中探測系統(tǒng)、光路傳輸系統(tǒng)可由計(jì)算機(jī)控制， 偏振檢測系統(tǒng)以及載物臺則由人工控制。所述的激光器是一臺可調(diào)諧的飛秒激光器。該激光器所發(fā)射的光束波長范圍為 700nm-980nm。所述的偏振檢測系統(tǒng)由起偏器和包括波晶片、檢偏器以及相關(guān)電磁控制單元在內(nèi) 的器件所組成。激光束經(jīng)起偏器并經(jīng)整形后形成特定偏振方向的入射光，而來自樣品的接 收光經(jīng)過分束鏡、波晶片、檢偏器等為探測系統(tǒng)所接受。經(jīng)過逆向分析后可以得到包含樣品 偏振結(jié)構(gòu)的信息。所述的光路傳輸系統(tǒng)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(tǒng)中經(jīng)過起偏器的光為X-Y掃描器所接收，隨后進(jìn)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(shí)現(xiàn)光束的放大或縮小。經(jīng)放大的
3激光束，經(jīng)過二色鏡的反射，由物鏡聚焦到旋轉(zhuǎn)載物臺的樣品上并產(chǎn)生二次諧波信號光和 熒光信號，二次諧波信號光和熒光信號將反向通過物鏡并直接透過二色鏡，入射到一個(gè)濾 光片上，由于濾光片的波長選擇作用，熒光信號和二次諧波信號光將分為2路，熒光信號光 直接透過濾光片后經(jīng)過一個(gè)聚光鏡A到達(dá)探測系統(tǒng)；二次諧波信號光則反射后通過一個(gè)聚 光鏡B后通過檢偏器后到達(dá)探測系統(tǒng)。所述的探測系統(tǒng)是由光電倍增管A、光電倍增管B組成。光電倍增管A接收熒光信 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(tǒng)和光路傳輸系統(tǒng)都由計(jì) 算機(jī)進(jìn)行控制，由計(jì)算機(jī)可同時(shí)顯示含偏振信息圖像與常規(guī)非線性或熒光圖像。所述的載物臺為可旋轉(zhuǎn)載物臺，其上放置樣品，樣品經(jīng)激光束照射后產(chǎn)生不同偏 振主導(dǎo)方向的二次諧波信號光和熒光信號。所述的二色鏡，可反射大于700nm波長的光，可透射小于700nm波長的光。所述的濾光片，可反射小于450nm的光，可透射大于450nm的光。本發(fā)明裝置能夠?qū)崟r(shí)，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(zhì)，并獲得高分辨率、高對比度的圖像及強(qiáng)度和方向。其關(guān)鍵技術(shù)在于偏振分析方法的 應(yīng)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(shí)，可根據(jù)需要旋轉(zhuǎn)起偏器 控制入射光偏振方向，同時(shí)載物臺的樣品亦可以旋轉(zhuǎn)。組織成像所用的光是通過偏振模塊 的超短脈沖激光束產(chǎn)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(fā)偏振 軸來得到的熒光發(fā)射。樣品激發(fā)和發(fā)射偶極方向可以確定。同時(shí)也可以獲得熒光偏振光譜。本發(fā)明裝置的其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)合偏振特征，獲得超微結(jié)構(gòu)的雙折射物質(zhì)的顯微結(jié)構(gòu)， 同時(shí)獲得雙折射物質(zhì)的二次諧波強(qiáng)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(shù)，從而具備為包括腫瘤在內(nèi)的生物組織和化學(xué)領(lǐng)域各種材料和礦物質(zhì)定量檢測其雙折 射性的能力。


圖1為本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)原理圖。圖2為本發(fā)明裝置具體實(shí)施的構(gòu)造示意圖。
具體實(shí)施例方式為了對本發(fā)明有進(jìn)一步的理解，以下結(jié)合附圖2對本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)的描 述。圖2中，1.激光器；2.起偏器；3. X-Y掃描系統(tǒng)；4.凸透鏡A;5.凸透鏡B;6.旋 轉(zhuǎn)載物臺；7.物鏡；8. 二色鏡；9.波晶片、檢偏器以及相關(guān)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(jì)算機(jī)；15.光電倍增管B。可調(diào)諧波長的激光器1發(fā)射的光束經(jīng)過一個(gè)起偏器2獲得定向的線偏振光。而后 傳輸?shù)絏-Y掃描系統(tǒng)3和成像放大系統(tǒng)中的凸透鏡A4、凸透鏡B5，接著通過一個(gè)二色鏡8 的光由物鏡7聚焦到旋轉(zhuǎn)載物臺6的樣品上。由激光和樣品產(chǎn)生的二次諧波信號反向通過 物鏡7并透過二色鏡8到濾光片11上分為兩路。波長長于特定波長的光直接透過濾光片 11后經(jīng)過一個(gè)聚光鏡A12到達(dá)光電倍增管A13的接收端，即獲得熒光的信號并轉(zhuǎn)換為電信 號。波長短于特定波長的光在濾波片11反射后通過一個(gè)聚光鏡BlO后通過波晶片、檢偏器
4以及相關(guān)電磁控制單元9后到達(dá)光電倍增管B15的接收端，即獲得偏振二次諧波的信號并 在光電倍增管轉(zhuǎn)化為電信號。兩路的光電信號在計(jì)算機(jī)14中顯示。X-Y掃描系統(tǒng)3也由計(jì) 算機(jī)14接受控制。 在本發(fā)明的實(shí)施中，以皮膚真皮層膠原為樣品；選擇最佳的可調(diào)諧激光器1的波 長為850nm，因?yàn)樵摬ㄩL可以較好的激發(fā)二次諧波信號。激光通過起偏器2后變成一個(gè)可 改變方向的線偏振光。由于二色鏡8可反射大于700nm的光，故光反射后通過物鏡7到達(dá) 載物臺6上的皮膚樣品。激光和雙折射的膠原介質(zhì)相互作用產(chǎn)生二次諧波光原路返回。當(dāng) 然，真皮還有其他物質(zhì)，比如彈力纖維，其與光相互作用后產(chǎn)生的熒光也是原路返回。熒光 與二次諧波光到達(dá)二色鏡8后小于700nm的光透射后經(jīng)過濾光片11。濾光片11的鍍膜為 小于450nm的光反射，而對450nm_650nm的光是透射的。故對大于450nm的熒光通過一個(gè) 聚光鏡A12后直接被光電倍增管A13接收，而對于二次諧波效應(yīng)產(chǎn)生的光則通過聚焦鏡BlO 后需要經(jīng)過波晶片、檢偏器以及相關(guān)電磁控制單元9，分析檢測其偏振狀態(tài)后被光電倍增管 B15接收，得到物質(zhì)雙折射纖維的變化，故在計(jì)算機(jī)14上顯示二次諧波強(qiáng)度的同時(shí)可以獲 得樣品的方向性。此方法可以快速，活體，實(shí)時(shí)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(quán)利要求
1.一種偏振成像的無損探測裝置，其特征是裝置由激光器、偏振檢測系統(tǒng)、光路傳輸 系統(tǒng)、載物臺、探測系統(tǒng)和計(jì)算處理系統(tǒng)構(gòu)成，激光器發(fā)射的激光束，依次通過起偏器、光路 傳輸系統(tǒng)、載物臺；激光束到達(dá)載物臺的樣品上后產(chǎn)生二次諧波信號光和熒光信號并反向 光路傳輸系統(tǒng)、偏振檢測系統(tǒng)到達(dá)探測系統(tǒng)；探測系統(tǒng)、光路傳輸系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)控制，偏振 檢測系統(tǒng)以及載物臺則由人工控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種偏振成像的無損探測裝置，其特征是所述的激光器為可 調(diào)諧的飛秒激光器，波長范圍為700nm 980nm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種偏振成像的無損探測裝置，其特征為所述的二色鏡可 反射大于700nm波長的光，可透射小于700nm的光。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種偏振成像的無損探測裝置，其特征為濾光片可反射小 于450nm的光，透射大于450nm的光。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種偏振成像的無損探測裝置，其特征為所述的光路傳輸 系統(tǒng)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(tǒng)中的X-Y掃描器接收來自于起偏器的光；經(jīng)過放大成像器的激光束，再經(jīng)過二色 鏡的反射，由物鏡聚焦到旋轉(zhuǎn)載物臺的樣品上并產(chǎn)生二次諧波信號光和熒光信號，二次諧 波信號光和熒光信號將反向通過物鏡并直接透過二色鏡，入射到一個(gè)濾光片上；熒光信號 和二次諧波信號光將分為2路，熒光信號光直接透過濾光片后經(jīng)過一個(gè)聚光鏡A到達(dá)探測 系統(tǒng)；二次諧波信號光則反射后通過一個(gè)聚光鏡B后通過檢偏器后到達(dá)探測系統(tǒng)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種偏振成像的無損探測裝置，其特征為所述的放大成像 器是由透鏡A和凸透鏡B組成。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種偏振成像的無損探測裝置，其特征為所述的偏振檢測 系統(tǒng)由起偏器和包括波晶片、檢偏器以及相關(guān)電磁控制單元在內(nèi)的器件所組成；激光束經(jīng) 起偏器并經(jīng)整形后形成特定偏振方向的入射光，而接收光經(jīng)過分束鏡、波晶片、檢偏器等為 探測系統(tǒng)所接受；經(jīng)過逆向分析后可以得到包含樣品偏振結(jié)構(gòu)的信息。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種偏振成像的無損探測裝置，其特征為所述的起偏器和偏 振檢測系統(tǒng)單元均可進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種偏振成像的無損探測裝置，其特征為所述的載物臺為 可旋轉(zhuǎn)載物臺，以產(chǎn)生不同偏振主導(dǎo)方向的二次諧波信號光和熒光信號。
全文摘要
本發(fā)明涉及了一種偏振成像的無損探測半自動裝置，其特征是裝置由激光器、偏振檢測系統(tǒng)、光路傳輸系統(tǒng)、載物臺、探測系統(tǒng)和計(jì)算處理系統(tǒng)構(gòu)成，激光器發(fā)射的激光束，依次通過偏振檢測系統(tǒng)、光路傳輸系統(tǒng)、載物臺；激光束到達(dá)載物臺的樣品上后產(chǎn)生二次諧波信號光和熒光信號并反向光路傳輸系統(tǒng)、偏振檢測系統(tǒng)到達(dá)探測系統(tǒng)；探測系統(tǒng)、光路傳輸系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)控制，偏振檢測系統(tǒng)以及載物臺則由人工控制。本發(fā)明裝置能夠?qū)崟r(shí)，快速，無損地檢測晶體、生物組織、植物等具有雙折射效應(yīng)的物質(zhì)，并獲得高分辨率、高對比度的圖像及其強(qiáng)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(yōu)先權(quán)日2010年12月20日
發(fā)明者吳淑蓮, 李志芳, 李暉, 章小曼 申請人:福建師范大學(xué)