专利名称：一种偏振成像的无损探测装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种偏振成像的无损探测装置，可用于分辨具有双折射性生物组织 精细结构及其它双折射性物质，属于当代新兴的交叉学科一生物医学光学，涉及光学、声 学、电子信息、计算机技术以及医学等领域。
背景技术：
对于生物组织超精细结构的方法，目前主要有电子显微镜，X-射线，生物化学分 析，组织病理学分析、多光子荧光技术等方法。其中电子显微镜，X-射线，生物化学分析，组 织病理学分析等方法最大的缺点是具有严重的损伤性，而无法实时、活体的检测。而由多光 子显微技术结合的多光子荧光技术尽管可以实时无损地获得高分辨率，高对比度的显微结 构，具有非常高的峰值功率和较低的平均功率，减小或者消除光漂白和光毒作用。然而，它 无法获得上皮组织胶原类型的比例及胶原的方向性信息。而对于多数的具有双折射性的生 物上皮组织病变，比如肿瘤，这需要及时获得其肿瘤上皮组织的胶原病变后的方向性信息， 以更准确的获得病变组织的结构及生长方向。因此，需要探索一种活体、实时又能够分辨出 组织结构方向性的方法，从而为生物学领域中包括肿瘤在内的生物组织、化学领域的材料 和各种矿物质，实现其双折射性的能力实时、无损的定量检测。
发明内容
本发明的目的是为具有双折射性的生物组织等提供一种无损、实时、动态的探测 装置，利用偏光的性质结合光与物质相互作用发射的二次谐波信号对具有双折射性的物质 进行显微的结构成像与分析。该装置能够在对生物组织及晶体等的显微结构进行高精度、 高分辨率、高对比度的检测，并获得其方向性信息。本发明的技术方案实现方法无损探测装置由激光器、偏振检测系统、光路传输系 统、载物台、探测系统和计算处理系统构成。激光器发射的激光束，依次通过起偏器、光路传 输系统、载物台；激光束到达载物台的样品上后产生二次谐波信号光和荧光信号并反向光 路传输系统、偏振检测系统到达探测系统；其中探测系统、光路传输系统可由计算机控制， 偏振检测系统以及载物台则由人工控制。所述的激光器是一台可调谐的飞秒激光器。该激光器所发射的光束波长范围为 700nm-980nm。所述的偏振检测系统由起偏器和包括波晶片、检偏器以及相关电磁控制单元在内 的器件所组成。激光束经起偏器并经整形后形成特定偏振方向的入射光，而来自样品的接 收光经过分束镜、波晶片、检偏器等为探测系统所接受。经过逆向分析后可以得到包含样品 偏振结构的信息。所述的光路传输系统包含有X-Y扫描器、放大成像器、二色镜、物镜、滤光片、聚光 镜A和聚光镜B组成。光路传输系统中经过起偏器的光为X-Y扫描器所接收，随后进入放 大成像器。放大成像器是由透镜A和凸透镜B组成，可实现光束的放大或缩小。经放大的
3激光束，经过二色镜的反射，由物镜聚焦到旋转载物台的样品上并产生二次谐波信号光和 荧光信号，二次谐波信号光和荧光信号将反向通过物镜并直接透过二色镜，入射到一个滤 光片上，由于滤光片的波长选择作用，荧光信号和二次谐波信号光将分为2路，荧光信号光 直接透过滤光片后经过一个聚光镜A到达探测系统；二次谐波信号光则反射后通过一个聚 光镜B后通过检偏器后到达探测系统。所述的探测系统是由光电倍增管A、光电倍增管B组成。光电倍增管A接收荧光信 号，而光电倍增管B接收包含偏振信息的二次谐波信号。探测系统和光路传输系统都由计 算机进行控制，由计算机可同时显示含偏振信息图像与常规非线性或荧光图像。所述的载物台为可旋转载物台，其上放置样品，样品经激光束照射后产生不同偏 振主导方向的二次谐波信号光和荧光信号。所述的二色镜，可反射大于700nm波长的光，可透射小于700nm波长的光。所述的滤光片，可反射小于450nm的光，可透射大于450nm的光。本发明装置能够实时，快速，无损地检测生物组织、植物以及晶体等具有双折射性 的物质，并获得高分辨率、高对比度的图像及强度和方向。其关键技术在于偏振分析方法的 应用，使得可以获得附加的偏振信息，获得偏振的二次谐波信号时，可根据需要旋转起偏器 控制入射光偏振方向，同时载物台的样品亦可以旋转。组织成像所用的光是通过偏振模块 的超短脉冲激光束产生的。而偏振方法是在偏振的平行方向和水平方向的夹角来激发偏振 轴来得到的荧光发射。样品激发和发射偶极方向可以确定。同时也可以获得荧光偏振光谱。本发明装置的其优点是结合偏振特征，获得超微结构的双折射物质的显微结构， 同时获得双折射物质的二次谐波强度、其组织的方向性信息和其它的二次非线性感受器的 参数，从而具备为包括肿瘤在内的生物组织和化学领域各种材料和矿物质定量检测其双折 射性的能力。
图1为本发明装置的结构原理图。图2为本发明装置具体实施的构造示意图。
具体实施例方式为了对本发明有进一步的理解，以下结合附图2对本发明的实施例作详细的描 述。图2中，1.激光器；2.起偏器；3. X-Y扫描系统；4.凸透镜A;5.凸透镜B;6.旋 转载物台；7.物镜；8. 二色镜；9.波晶片、检偏器以及相关电磁控制单元；10.聚光镜B; 11.滤光片；12.聚光镜A;13.光电倍增管A;14.计算机；15.光电倍增管B。可调谐波长的激光器1发射的光束经过一个起偏器2获得定向的线偏振光。而后 传输到X-Y扫描系统3和成像放大系统中的凸透镜A4、凸透镜B5，接着通过一个二色镜8 的光由物镜7聚焦到旋转载物台6的样品上。由激光和样品产生的二次谐波信号反向通过 物镜7并透过二色镜8到滤光片11上分为两路。波长长于特定波长的光直接透过滤光片 11后经过一个聚光镜A12到达光电倍增管A13的接收端，即获得荧光的信号并转换为电信 号。波长短于特定波长的光在滤波片11反射后通过一个聚光镜BlO后通过波晶片、检偏器
4以及相关电磁控制单元9后到达光电倍增管B15的接收端，即获得偏振二次谐波的信号并 在光电倍增管转化为电信号。两路的光电信号在计算机14中显示。X-Y扫描系统3也由计 算机14接受控制。 在本发明的实施中，以皮肤真皮层胶原为样品；选择最佳的可调谐激光器1的波 长为850nm，因为该波长可以较好的激发二次谐波信号。激光通过起偏器2后变成一个可 改变方向的线偏振光。由于二色镜8可反射大于700nm的光，故光反射后通过物镜7到达 载物台6上的皮肤样品。激光和双折射的胶原介质相互作用产生二次谐波光原路返回。当 然，真皮还有其他物质，比如弹力纤维，其与光相互作用后产生的荧光也是原路返回。荧光 与二次谐波光到达二色镜8后小于700nm的光透射后经过滤光片11。滤光片11的镀膜为 小于450nm的光反射，而对450nm_650nm的光是透射的。故对大于450nm的荧光通过一个 聚光镜A12后直接被光电倍增管A13接收，而对于二次谐波效应产生的光则通过聚焦镜BlO 后需要经过波晶片、检偏器以及相关电磁控制单元9，分析检测其偏振状态后被光电倍增管 B15接收，得到物质双折射纤维的变化，故在计算机14上显示二次谐波强度的同时可以获 得样品的方向性。此方法可以快速，活体，实时检测生物组织在病变或者光热损伤下胶原方 向的变化情况。
权利要求
1.一种偏振成像的无损探测装置，其特征是装置由激光器、偏振检测系统、光路传输 系统、载物台、探测系统和计算处理系统构成，激光器发射的激光束，依次通过起偏器、光路 传输系统、载物台；激光束到达载物台的样品上后产生二次谐波信号光和荧光信号并反向 光路传输系统、偏振检测系统到达探测系统；探测系统、光路传输系统由计算机控制，偏振 检测系统以及载物台则由人工控制。
2.根据权利要求1所述的一种偏振成像的无损探测装置，其特征是所述的激光器为可 调谐的飞秒激光器，波长范围为700nm 980nm。
3.根据权利要求1所述的一种偏振成像的无损探测装置，其特征为所述的二色镜可 反射大于700nm波长的光，可透射小于700nm的光。
4.根据权利要求1所述的一种偏振成像的无损探测装置，其特征为滤光片可反射小 于450nm的光，透射大于450nm的光。
5.根据权利要求1所述的一种偏振成像的无损探测装置，其特征为所述的光路传输 系统包含有X-Y扫描器、放大成像器、二色镜、物镜、滤光片、聚光镜A和聚光镜B组成；光路 传输系统中的X-Y扫描器接收来自于起偏器的光；经过放大成像器的激光束，再经过二色 镜的反射，由物镜聚焦到旋转载物台的样品上并产生二次谐波信号光和荧光信号，二次谐 波信号光和荧光信号将反向通过物镜并直接透过二色镜，入射到一个滤光片上；荧光信号 和二次谐波信号光将分为2路，荧光信号光直接透过滤光片后经过一个聚光镜A到达探测 系统；二次谐波信号光则反射后通过一个聚光镜B后通过检偏器后到达探测系统。
6.根据权利要求5所述的一种偏振成像的无损探测装置，其特征为所述的放大成像 器是由透镜A和凸透镜B组成。
7.根据权利要求1所述的一种偏振成像的无损探测装置，其特征为所述的偏振检测 系统由起偏器和包括波晶片、检偏器以及相关电磁控制单元在内的器件所组成；激光束经 起偏器并经整形后形成特定偏振方向的入射光，而接收光经过分束镜、波晶片、检偏器等为 探测系统所接受；经过逆向分析后可以得到包含样品偏振结构的信息。
8.根据权利要求7所述的一种偏振成像的无损探测装置，其特征为所述的起偏器和偏 振检测系统单元均可进行旋转。
9.根据权利要求1所述的一种偏振成像的无损探测装置，其特征为所述的载物台为 可旋转载物台，以产生不同偏振主导方向的二次谐波信号光和荧光信号。
全文摘要
本发明涉及了一种偏振成像的无损探测半自动装置，其特征是装置由激光器、偏振检测系统、光路传输系统、载物台、探测系统和计算处理系统构成，激光器发射的激光束，依次通过偏振检测系统、光路传输系统、载物台；激光束到达载物台的样品上后产生二次谐波信号光和荧光信号并反向光路传输系统、偏振检测系统到达探测系统；探测系统、光路传输系统由计算机控制，偏振检测系统以及载物台则由人工控制。本发明装置能够实时，快速，无损地检测晶体、生物组织、植物等具有双折射效应的物质，并获得高分辨率、高对比度的图像及其强度与方向。
文档编号G01N21/64GK102095690SQ201010596940
公开日2011年6月15日 申请日期2010年12月20日 优先权日2010年12月20日
发明者吴淑莲, 李志芳, 李晖, 章小曼 申请人:福建师范大学
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