專利名稱：基于達(dá)曼光柵的并行共焦檢測(cè)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于達(dá)曼光柵的并行共焦檢測(cè)裝置，可應(yīng)用于生物學(xué)研究，生物醫(yī)學(xué)研究，材料科學(xué)和工業(yè)產(chǎn)品制造加工檢測(cè)等，屬光學(xué)成像和檢測(cè)裝置技術(shù)領(lǐng)域。
傳統(tǒng)的共焦激光掃描顯微鏡是單點(diǎn)探測(cè)，必須長(zhǎng)時(shí)間掃描以產(chǎn)生二維圖象，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴；而現(xiàn)有的并行共焦系統(tǒng)，微陣列三維面形并行共焦檢測(cè)裝置，也有焦斑質(zhì)量和探測(cè)的橫向分辨率較差、分光光強(qiáng)不均勻、光源點(diǎn)陣間距無(wú)法調(diào)整、三維探測(cè)的各個(gè)層面點(diǎn)陣間距不同、消除雜散光的效果較差等不足。
現(xiàn)有最新的并行共焦檢測(cè)裝置是微陣列三維面形并行共焦檢測(cè)裝置(專利號(hào)97210075.X)，圖1是該裝置的主要結(jié)構(gòu)。微陣列三維面形并行共焦檢測(cè)裝置依次由處于同一條中心光軸上的光源1、小孔光闌2、準(zhǔn)直透鏡3、微光學(xué)陣列合成器4、半透半反鏡7、物鏡5構(gòu)成。除半透半反鏡7為45°傾斜外，其余各部件所在平面相互平行并均垂直于中心光軸。CCD面陣10所在平面平行于中心光軸8、其接收面正對(duì)半透半反鏡7反射面。其中“微光學(xué)陣列合成器件”，專利號(hào)97210955，含有微透鏡列陣、小孔濾波列陣、玻璃基底和固定架。小孔濾波列陣與微透鏡列陣相匹配，即小孔的間距于微透鏡列陣焦點(diǎn)間距相等，小孔的大小與微透鏡焦斑大小相等，該兩列陣的間距是微透鏡的焦距。
微陣列三維面形并行共焦檢測(cè)裝置的不足在于1.由于工藝限制，很難加工出大數(shù)值孔徑的微透鏡列陣，焦斑質(zhì)量和探測(cè)的橫向分辨率較差；2.微透鏡列陣對(duì)于光源的均勻性要求比較高，否則微透鏡列陣中每個(gè)微透鏡的焦點(diǎn)光強(qiáng)不均勻，將引起較大測(cè)量誤差；3.微光學(xué)陣列合成器件所形成的光源點(diǎn)陣間距是固定的，無(wú)法調(diào)整，在三維成像過(guò)程中，所探測(cè)到的各個(gè)層面各自的點(diǎn)陣間距是不相同的；4.在探測(cè)器之前沒(méi)有相應(yīng)的小孔濾波列陣，并非完全的共焦系統(tǒng)，消除雜散光的效果較差。
本發(fā)明的目的是提出一種新型的基于達(dá)曼光柵的并行共焦檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)大面積共焦熒光樣片或物體三維形狀的快速成像和檢測(cè)。該裝置中由于達(dá)曼光柵的性質(zhì)，多通道之間的光強(qiáng)均勻，各個(gè)通道之間間距可調(diào)，消除雜散光效果好，有利于熒光檢測(cè)，能夠根據(jù)樣品對(duì)象任意選擇透鏡參數(shù)以滿足視場(chǎng)或分辨率的要求，采集數(shù)據(jù)時(shí)間短，更有利于對(duì)活性細(xì)胞的分析和研究。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，利用微加工工藝制作達(dá)曼光柵可降低成本，有很好的應(yīng)用前景。
本發(fā)明設(shè)計(jì)的基于達(dá)曼光柵的并行共焦檢測(cè)裝置，有五種不同的結(jié)構(gòu)第一種結(jié)構(gòu)包括光源、針孔濾波器，其特征還包括聚光透鏡、達(dá)曼光柵、二向色鏡、成像透鏡組、濾光片、共焦針孔陣列板和二維光電探測(cè)器；被測(cè)樣品置于二向色鏡的下方；光源發(fā)出的光經(jīng)過(guò)針孔濾波器后形成一束原點(diǎn)位于針孔，并沿著水平光軸線傳播的發(fā)散高斯光束，聚光透鏡將發(fā)散高斯光束變換成為會(huì)聚高斯光束，此會(huì)聚光束經(jīng)過(guò)達(dá)曼光柵后，由于衍射效應(yīng)，將形成多個(gè)會(huì)聚高斯光束，這些會(huì)聚光束經(jīng)過(guò)二向色鏡的反射后轉(zhuǎn)向，沿著鉛垂光軸線傳播，所有會(huì)聚點(diǎn)都將落在樣品的與鉛垂光軸線垂直的同一個(gè)截面上，形成間距相等的會(huì)聚光點(diǎn)陣，該會(huì)聚光點(diǎn)陣照明樣品截面，并激發(fā)該截面上含有熒光標(biāo)記的樣品發(fā)射熒光，樣品的截面位于成像透鏡組中前透鏡的焦平面上，而共焦針孔陣列板位于成像透鏡組中后透鏡的焦平面上，熒光透過(guò)二向色鏡，經(jīng)過(guò)前透鏡和后透鏡組成的成像透鏡組和濾光片，在共焦針孔陣列板的平面上成像，共焦針孔陣列板的間距與熒光點(diǎn)陣的成像點(diǎn)陣間距相同，二維光電探測(cè)器探測(cè)透過(guò)共焦針孔陣列板的熒光，沿著鉛垂光軸線移動(dòng)樣品，可以得到樣品中各個(gè)截面的信號(hào)，經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)處理可以重構(gòu)出樣品熒光標(biāo)記分布的三維圖。
第二種結(jié)構(gòu)包括光源、針孔濾波器，其特征還包括聚光透鏡、達(dá)曼光柵、成像透鏡組、濾光片、共焦針孔陣列板和二維光電探測(cè)器；被測(cè)樣品置于達(dá)曼光柵和成像透鏡組之間；光源發(fā)出的光經(jīng)過(guò)針孔濾波器后形成一束原點(diǎn)位于針孔，并沿著水平光軸線傳播的發(fā)散高斯光束，聚光透鏡將發(fā)散高斯光束變換成為會(huì)聚高斯光束，此會(huì)聚光束經(jīng)過(guò)達(dá)曼光柵后，由于衍射效應(yīng)，將形成多個(gè)會(huì)聚高斯光束，這些會(huì)聚光束的所有會(huì)聚點(diǎn)都將落在樣品的與水平光軸線垂直的同一個(gè)截面上，形成間距相等的會(huì)聚光點(diǎn)陣，該會(huì)聚光點(diǎn)陣照明樣品截面，并激發(fā)該截面上含有熒光標(biāo)記的樣品發(fā)射熒光，樣品的截面位于成像透鏡組中前透鏡的焦平面上，而共焦針孔陣列板位于成像透鏡組中后透鏡的焦平面上，熒光透過(guò)經(jīng)過(guò)前透鏡和后透鏡組成的成像透鏡組和濾光片，在共焦針孔陣列板的平面上成像，共焦針孔陣列板的間距與熒光點(diǎn)陣的成像點(diǎn)陣間距相同，二維光電探測(cè)器探測(cè)透過(guò)共焦針孔陣列板的熒光；沿著水平光軸線移動(dòng)樣品，可以得到樣品中各個(gè)截面的信號(hào)，經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)處理可以重構(gòu)出樣品熒光標(biāo)記分布的三維圖。
第三種結(jié)構(gòu)包括光源、針孔濾波器，其特征還包括準(zhǔn)直透鏡、達(dá)曼光柵、二向色鏡、成像透鏡組、濾光片、共焦針孔陣列板和二維光電探測(cè)器；被測(cè)樣品置于二向色鏡的下方；光源發(fā)出的光經(jīng)過(guò)針孔濾波器后形成一束原點(diǎn)位于針孔，并沿著水平光軸線傳播的發(fā)散高斯光束，準(zhǔn)直透鏡將發(fā)散高斯光束變換成為平行高斯光束，此平行光束經(jīng)過(guò)達(dá)曼光柵后，由于衍射效應(yīng)，將形成多個(gè)不同傾角的平行高斯光束，這些平行光束經(jīng)過(guò)二向色鏡的反射后轉(zhuǎn)向，沿著鉛垂光軸線傳播，經(jīng)過(guò)前透鏡后形成多個(gè)會(huì)聚光束，所有會(huì)聚點(diǎn)都將落在樣品的與鉛垂光軸線垂直的同一個(gè)截面上，形成間距相等的會(huì)聚光點(diǎn)陣，該會(huì)聚光點(diǎn)陣照明樣品截面，并激發(fā)該截面上含有熒光標(biāo)記的樣品發(fā)射熒光，樣品的截面位于成像透鏡組中前透鏡的焦平面上，而共焦針孔陣列板位于成像透鏡組中后透鏡的焦平面上，熒光經(jīng)過(guò)前透鏡、二向色鏡濾光片和后透鏡，在共焦針孔陣列板的平面上成像，共焦針孔陣列板的間距與熒光點(diǎn)陣的成像點(diǎn)陣間距相同，二維光電探測(cè)器探測(cè)透過(guò)共焦針孔陣列板的熒光，沿著鉛垂光軸線移動(dòng)樣品，可以得到樣品中各個(gè)截面的信號(hào)，經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)處理可以重構(gòu)出樣品熒光標(biāo)記分布的三維圖。
第四種結(jié)構(gòu)包括光源、針孔濾波器，其特征還包括聚光透鏡、達(dá)曼光柵、半透半反鏡、成像透鏡、共焦針孔陣列板和二維光電探測(cè)器；被測(cè)樣品置于半透半反鏡的下方；光源發(fā)出的光經(jīng)過(guò)針孔濾波器后形成一束原點(diǎn)位于針孔，并沿著水平光軸線傳播的發(fā)散高斯光束，聚光透鏡將發(fā)散高斯光束變換成為會(huì)聚高斯光束，此會(huì)聚光束經(jīng)過(guò)達(dá)曼光柵后，由于衍射效應(yīng)，將形成多個(gè)會(huì)聚高斯光束，這些會(huì)聚光束經(jīng)過(guò)半透半反鏡的反射后轉(zhuǎn)向，沿著鉛垂光軸線傳播，所有會(huì)聚點(diǎn)都將落在樣品的與鉛垂光軸線垂直的同一個(gè)截面上，形成間距相等的會(huì)聚光點(diǎn)陣，該會(huì)聚光點(diǎn)陣照明樣品截面，樣品截面反射光和散射光透過(guò)半透半反鏡，經(jīng)過(guò)成像透鏡，在共焦針孔陣列板的平面上成像，共焦針孔陣列板的間距與樣品反射光所成像的點(diǎn)陣間距相同，二維光電探測(cè)器探測(cè)透過(guò)共焦針孔陣列板的光能，沿著鉛垂光軸線移動(dòng)樣品，可以得到樣品中各個(gè)截面的信號(hào)，經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)處理可以重構(gòu)出樣品內(nèi)部分布或表面面形的三維圖。
第五種結(jié)構(gòu)包括光源、針孔濾波器，其特征還包括達(dá)曼光柵、聚光透鏡、半透半反鏡、成像透鏡、共焦針孔陣列板和二維光電探測(cè)器；被測(cè)樣品置于半透半反鏡的下方；光源發(fā)出的光經(jīng)過(guò)針孔濾波器后形成一束原點(diǎn)位于針孔，并沿著水平光軸線傳播的發(fā)散高斯光束，經(jīng)過(guò)達(dá)曼光柵后，由于衍射效應(yīng)，將形成多個(gè)發(fā)散高斯光束，聚光透鏡將這些發(fā)散高斯光束變換成為多個(gè)會(huì)聚高斯光束，經(jīng)過(guò)半透半反鏡的反射后轉(zhuǎn)向，沿著鉛垂光軸線傳播，所有會(huì)聚點(diǎn)都將落在樣品的與鉛垂光軸線垂直的同一個(gè)截面上，形成間距相等的會(huì)聚光點(diǎn)陣，該會(huì)聚光點(diǎn)陣照明樣品截面，樣品截面反射光和散射光透過(guò)半透半反鏡，經(jīng)過(guò)成像透鏡，在共焦針孔陣列板的平面上成像，共焦針孔陣列板的間距與樣品反射光所成像的點(diǎn)陣間距相同，二維光電探測(cè)器探測(cè)透過(guò)共焦針孔陣列板的光能，沿著鉛垂光軸線移動(dòng)樣品，可以得到樣品中各個(gè)截面的信號(hào)，經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)處理可以重構(gòu)出樣品內(nèi)部分布或表面面形的三維圖。
本發(fā)明的效果是(1)利用達(dá)曼光柵可以實(shí)現(xiàn)并行檢測(cè)，采集數(shù)據(jù)時(shí)間短，更有利于對(duì)活性細(xì)胞的分析和研究。(2)利用達(dá)曼光柵分束作用，形成多通道的共焦系統(tǒng)，不需要復(fù)雜的二維掃描單元，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。(3)利用達(dá)曼光柵形成多通道的共焦系統(tǒng)，可以充分利用聚光透鏡的大數(shù)值孔徑，可以達(dá)到較高的橫向和縱向分辨率，可準(zhǔn)確記錄物體面形或物體內(nèi)部的三維信息，實(shí)現(xiàn)了對(duì)三維物體的快速檢測(cè)。(4)移動(dòng)工作臺(tái)以實(shí)現(xiàn)縱向掃描，經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)軟件重構(gòu)可以得到物體三維面形或內(nèi)部結(jié)構(gòu)。(5)多通道之間的光強(qiáng)均勻，只需調(diào)整達(dá)曼光柵在光路中的位置，即可方便地改變各個(gè)通道之間間距，消除雜散光效果好，有利于熒光檢測(cè)，能夠根據(jù)樣品對(duì)象任意選擇透鏡參數(shù)以滿足視場(chǎng)和分辨率的要求。(6)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，制作容易，操作方便，成本低廉，實(shí)用性強(qiáng)，應(yīng)用范圍廣。


圖1是現(xiàn)有的微陣列三維面形并行共焦檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)圖。
圖2是本發(fā)明的第一種結(jié)構(gòu)圖，應(yīng)用在熒光探測(cè)場(chǎng)合。
圖3是本發(fā)明的第二種結(jié)構(gòu)圖，應(yīng)用在熒光探測(cè)場(chǎng)合。
圖4是本發(fā)明的第三種結(jié)構(gòu)圖，應(yīng)用在熒光探測(cè)場(chǎng)合。
圖5是本發(fā)明的第四種結(jié)構(gòu)圖，應(yīng)用在非熒光探測(cè)場(chǎng)合。
圖6是本發(fā)明的第五種結(jié)構(gòu)圖，應(yīng)用在非熒光探測(cè)場(chǎng)合。
上述附圖中，1為光源，2為小孔光闌，3為準(zhǔn)直物鏡，4為微光學(xué)陣列合成器，5為物鏡，6為被測(cè)物面，7為半透半反鏡，8為中心光軸線，9為反射光軸線，10為CCD面陣，11為水平光軸線，12為鉛垂光軸線，13為會(huì)聚透鏡或準(zhǔn)直透鏡，14為達(dá)曼光柵，15為被測(cè)樣品，16為前透鏡，17為濾光片，18為后透鏡，19為共焦針孔陣列板，20為二維光電探測(cè)器，21為二向色鏡，22為被測(cè)樣品截面。
下面結(jié)合附圖，詳細(xì)介紹本發(fā)明的內(nèi)容。
以下描述中用到方向描述概念令光源位于整個(gè)系統(tǒng)圖的最左端，從光源發(fā)出的光線傳播方向?yàn)檎遥ㄟ^(guò)光源中心從左向右的直線定義為水平光軸線。令樣品位于整個(gè)系統(tǒng)圖的最下端，探測(cè)器位于系統(tǒng)圖的最上端，通過(guò)樣品和探測(cè)器各自中心的直線定義為鉛垂光軸線。其中，水平光軸線和鉛垂光軸線只代表在圖中的相對(duì)位置，并不表示在實(shí)際應(yīng)用中物理方向上的水平和鉛垂。本系統(tǒng)可以根據(jù)應(yīng)用情況使水平光軸線和鉛垂光軸線所確定的平面處于物理方向上的水平平面內(nèi)或鉛垂平面內(nèi)。
圖2是基于達(dá)曼光柵的并行共焦檢測(cè)系統(tǒng)的第一種結(jié)構(gòu)圖，應(yīng)用于含有熒光的樣品檢測(cè)。沿著水平光軸線11從左到右依次有光源1、針孔濾波器2、聚光透鏡13、達(dá)曼光柵14和二向色鏡21；沿著鉛垂光軸線12從下到上依次有樣品15、二向色鏡21、前透鏡16、濾光片17、后透鏡18、共焦針孔陣列板19和二維光電探測(cè)器20；二向色鏡21位于水平光軸線11與鉛垂光軸線12的交點(diǎn)上，與水平光軸線11相交成45°；除二向色鏡21外，各個(gè)器件的平面都與各自的光軸線垂直；針孔濾波器2的針孔與樣品15的截面22呈物象關(guān)系；樣品15的截面22位于前透鏡16的焦平面上，共焦針孔陣列板19位于后透鏡18的焦平面上，樣品15的截面22與共焦針孔陣列板18呈物象關(guān)系；共焦針孔陣列板19的間距與熒光點(diǎn)陣的成像點(diǎn)陣間距相同。本發(fā)明第一種結(jié)構(gòu)的工作原理為光源1(例如激光器)經(jīng)過(guò)針孔濾波器2后形成一束其原點(diǎn)位于針孔，并沿著水平光軸線11傳播的發(fā)散高斯光束，聚光透鏡13將發(fā)散高斯光束變換成為會(huì)聚高斯光束，此會(huì)聚光束經(jīng)過(guò)達(dá)曼光柵14后，由于衍射效應(yīng)，將形成多個(gè)會(huì)聚高斯光束，這些會(huì)聚光束經(jīng)過(guò)二向色鏡21的反射，所有會(huì)聚點(diǎn)都將落在樣品15中與鉛垂光軸線12垂直的同一個(gè)截面22上，形成間距相等的會(huì)聚光點(diǎn)陣，該會(huì)聚光點(diǎn)陣照明樣品截面22，并激發(fā)含有熒光標(biāo)記的樣品截面22發(fā)射熒光，熒光透過(guò)二向色鏡21，經(jīng)過(guò)前透鏡16、濾光片17和后透鏡18，在共焦針孔陣列板19平面上成像，二維光電探測(cè)器20(例如面陣電荷耦合探測(cè)器CCD)將探測(cè)透過(guò)共焦針孔陣列板19的熒光。這個(gè)共焦系統(tǒng)由于達(dá)曼光柵14的分束作用形成多通道共焦光路可以并行檢測(cè)，無(wú)需掃描。沿著鉛垂光軸線12移動(dòng)樣品15，可以得到樣品15中各個(gè)截面的信號(hào)，經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)處理可以重構(gòu)出樣品15熒光標(biāo)記分布的三維圖。沿著水平光軸線11移動(dòng)達(dá)曼光柵14可以改變投射在樣品15的截面22上的光點(diǎn)陣列的間距，可以方便地調(diào)整所探測(cè)的面積和采樣間距。
圖3是本發(fā)明的第二種結(jié)構(gòu)圖，應(yīng)用于含有熒光的樣品檢測(cè)。光源1、針孔濾波器2、聚光透鏡13、達(dá)曼光柵14、樣品15、前透鏡16、濾光片17、后透鏡18、共焦針孔陣列板19、二維光電探測(cè)器20的中心依次放置在水平光軸線11上；各個(gè)器件的平面都與水平光軸線11垂直；針孔濾波器2的針孔于樣品15的截面22呈物象關(guān)系；樣品15的截面22位于透鏡16的焦平面上，共焦針孔陣列板19位于后透鏡18的焦平面上，樣品15的截面22與共焦針孔陣列板19呈物象關(guān)系；共焦針孔陣列板19的間距與熒光點(diǎn)陣的成像點(diǎn)陣間距相同。本發(fā)明第二種結(jié)構(gòu)的工作原理為光源1(例如激光器)經(jīng)過(guò)針孔濾波器2后形成一束其原點(diǎn)位于針孔，并沿著水平光軸線11傳播的發(fā)散高斯光束，聚光透鏡13將發(fā)散高斯光束變換成為會(huì)聚高斯光束，此會(huì)聚光束經(jīng)過(guò)達(dá)曼光柵14后，由于衍射效應(yīng)，將形成多個(gè)會(huì)聚高斯光束，所有會(huì)聚點(diǎn)都將落在樣品15中與水平光軸線12垂直的同一個(gè)截面22上，形成間距相等的會(huì)聚光點(diǎn)陣，該會(huì)聚光點(diǎn)陣照明樣品截面22，并激發(fā)含有熒光標(biāo)記的樣品截面22發(fā)射熒光，熒光經(jīng)過(guò)前透鏡16、濾光片17、后透鏡18，在共焦針孔陣列板19平面上成像，二維光電探測(cè)器20(例如面陣電荷耦合探測(cè)器CCD)將探測(cè)透過(guò)共焦針孔陣列板19的熒光。這個(gè)共焦系統(tǒng)由于達(dá)曼光柵14的分束作用形成多通道共焦光路可以并行檢測(cè)，無(wú)需掃描。沿著鉛垂光軸線12移動(dòng)樣品15，可以得到樣品15中各個(gè)截面的信號(hào)，經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)處理可以重構(gòu)出樣品15熒光標(biāo)記分布的三維圖。沿著水平光軸線11移動(dòng)達(dá)曼光柵14可以改變投射在樣品15的截面22上的光點(diǎn)陣列的間距，可以方便地調(diào)整所探測(cè)的面積和采樣間距。
圖4是基于達(dá)曼光柵的并行共焦檢測(cè)系統(tǒng)的第三種結(jié)構(gòu)圖，應(yīng)用于含有熒光的樣品檢測(cè)。沿著水平光軸線11從左到右依次有光源1、針孔濾波器2、準(zhǔn)直透鏡13、達(dá)曼光柵14和二向色鏡21；沿著鉛垂光軸線12從下到上依次有樣品15、前透鏡16、二向色鏡21、濾光片17、后透鏡18、共焦針孔陣列板19和二維光電探測(cè)器20；二向色鏡21位于水平光軸線11與鉛垂光軸線12的交點(diǎn)上，與水平光軸線11相交成45°；除二向色鏡21外，各個(gè)器件的平面都與各自的光軸線垂直；針孔濾波器2的針孔位于準(zhǔn)直透鏡13的焦平面上，樣品15的截面22位于前透鏡16的焦平面上，共焦針孔陣列板19位于后透鏡18的焦平面上；針孔濾波器2的針孔與樣品15的截面22呈物象關(guān)系，樣品15的截面22與共焦針孔陣列板18呈物象關(guān)系；共焦針孔陣列板19的間距與熒光點(diǎn)陣的成像點(diǎn)陣間距相同。本發(fā)明第三種結(jié)構(gòu)的工作原理為光源1(例如激光器)經(jīng)過(guò)針孔濾波器2后形成一束其原點(diǎn)位于針孔，并沿著水平光軸線11傳播的發(fā)散高斯光束，準(zhǔn)直透鏡13將發(fā)散高斯光束變換成為平行高斯光束，此平行光束經(jīng)過(guò)達(dá)曼光柵14后，由于衍射效應(yīng)，將形成多個(gè)不同傾角的平行高斯光束，這些平行光束經(jīng)過(guò)二向色鏡21的反射轉(zhuǎn)向，沿著鉛垂光軸線12傳播，再經(jīng)過(guò)前透鏡16形成多個(gè)會(huì)聚光束，所有會(huì)聚點(diǎn)都將落在樣品15中與鉛垂光軸線12垂直的同一個(gè)截面22上，形成間距相等的會(huì)聚光點(diǎn)陣，該會(huì)聚光點(diǎn)陣照明樣品截面22，并激發(fā)含有熒光標(biāo)記的樣品截面22發(fā)射熒光。熒光透過(guò)二向色鏡21，經(jīng)過(guò)由前透鏡16、濾光片17和后透鏡18，在共焦針孔陣列板19平面上成像，二維光電探測(cè)器20(例如面陣電荷耦合探測(cè)器CCD)探測(cè)透過(guò)共焦針孔陣列板19的熒光。這個(gè)共焦系統(tǒng)由于達(dá)曼光柵14的分束作用形成多通道共焦光路可以并行檢測(cè)，無(wú)需掃描。沿著鉛垂光軸線12移動(dòng)樣品15，可以得到樣品15中各個(gè)截面的信號(hào)，經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)處理可以重構(gòu)出樣品15熒光標(biāo)記分布的三維圖。
圖5是基于達(dá)曼光柵的并行共焦檢測(cè)系統(tǒng)的第四種結(jié)構(gòu)圖，應(yīng)用于不含有熒光的樣品檢測(cè)。沿著水平光軸線11從左到右依次有光源1、針孔濾波器2、聚光透鏡13、達(dá)曼光柵14和半透半反鏡7；沿著鉛垂光軸線12從下到上依次有樣品15、半透半反鏡7、成像透鏡16、共焦針孔陣列板19和二維光電探測(cè)器20；半透半反鏡7位于水平光軸線11與鉛垂光軸線12的交點(diǎn)上，與水平光軸線11相交成45°；除半透半反鏡7外，各個(gè)器件的平面都與各自的光軸線垂直；針孔濾波器2的針孔與樣品15的截面22呈物象關(guān)系；樣品15的截面22與共焦針孔陣列板18呈物象關(guān)系；共焦針孔陣列板19的間距與樣品的成像點(diǎn)陣間距相同。本發(fā)明第四種結(jié)構(gòu)的工作原理為光源1(例如激光器)經(jīng)過(guò)針孔濾波器2后形成一束其原點(diǎn)位于針孔，并沿著水平光軸線11傳播的發(fā)散高斯光束，聚光透鏡13將發(fā)散高斯光束變換成為會(huì)聚高斯光束，此會(huì)聚光束經(jīng)過(guò)達(dá)曼光柵14后，由于衍射效應(yīng)，將形成多個(gè)會(huì)聚高斯光束，這些會(huì)聚光束經(jīng)過(guò)半透半反鏡7的反射，所有會(huì)聚點(diǎn)都將落在樣品15中與鉛垂光軸線12垂直的同一個(gè)截面22上，形成間距相等的會(huì)聚光點(diǎn)陣，該會(huì)聚光點(diǎn)陣照明樣品截面22，樣品發(fā)射光和散射光透過(guò)半透半反鏡7，經(jīng)過(guò)成像透鏡16，在共焦針孔陣列板19平面上成像，二維光電探測(cè)器20(例如面陣電荷耦合探測(cè)器CCD)將探測(cè)透過(guò)共焦針孔陣列板19的光能。這個(gè)共焦系統(tǒng)由于達(dá)曼光柵14的分束作用形成多通道共焦光路可以并行檢測(cè)，無(wú)需掃描。沿著鉛垂光軸線12移動(dòng)樣品15，可以得到樣品15中各個(gè)截面的信號(hào)，經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)處理可以重構(gòu)出樣品15內(nèi)部分布或表面面形的三維圖。沿著水平光軸線11移動(dòng)達(dá)曼光柵14可以改變投射在樣品15的截面22上的光點(diǎn)陣列的間距，可以方便地調(diào)整所探測(cè)的面積和采樣間距。
圖6是基于達(dá)曼光柵的并行共焦檢測(cè)系統(tǒng)的第五種結(jié)構(gòu)圖，應(yīng)用于不含有熒光的樣品檢測(cè)。沿著水平光軸線11從左到右依次有光源1、針孔濾波器2、達(dá)曼光柵14、聚光透鏡13和半透半反鏡7；沿著鉛垂光軸線12從下到上依次有樣品15、半透半反鏡7、成像透鏡16、共焦針孔陣列板19和二維光電探測(cè)器20；半透半反鏡7位于水平光軸線11與鉛垂光軸線12的交點(diǎn)上，與水平光軸線11相交成45°；除半透半反鏡7外，各個(gè)器件的平面都與各自的光軸線垂直；針孔濾波器2的針孔與樣品15的截面22呈物象關(guān)系；樣品15的截面22與共焦針孔陣列板18呈物象關(guān)系；共焦針孔陣列板19的間距與樣品的成像點(diǎn)陣間距相同。本發(fā)明第四種結(jié)構(gòu)的工作原理為光源1(例如激光器)經(jīng)過(guò)針孔濾波器2后形成一束其原點(diǎn)位于針孔，并沿著水平光軸線11傳播的發(fā)散高斯光束，此發(fā)散光束經(jīng)過(guò)達(dá)曼光柵14后，由于衍射效應(yīng)，將形成多個(gè)發(fā)散高斯光束，聚光透鏡13將這些發(fā)散高斯光束變換成為多個(gè)會(huì)聚高斯光束，這些會(huì)聚光束經(jīng)過(guò)半透半反鏡7的反射，所有會(huì)聚點(diǎn)都將落在樣品15中與鉛垂光軸線12垂直的同一個(gè)截面22上，形成間距相等的會(huì)聚光點(diǎn)陣，該會(huì)聚光點(diǎn)陣照明樣品截面22，樣品的發(fā)射光和散射光透過(guò)半透半反鏡7，經(jīng)過(guò)成像透鏡16，在共焦針孔陣列板19平面上成像，二維光電探測(cè)器20(例如面陣電荷耦合探測(cè)器CCD)將探測(cè)透過(guò)共焦針孔陣列板19的光能。這個(gè)共焦系統(tǒng)由于達(dá)曼光柵14的分束作用形成多通道共焦光路可以并行檢測(cè)，無(wú)需掃描。沿著鉛垂光軸線12移動(dòng)樣品15，可以得到樣品15中各個(gè)截面的信號(hào)，經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)處理可以重構(gòu)出樣品15內(nèi)部分布或表面面形的三維圖。沿著水平光軸線11移動(dòng)達(dá)曼光柵14可以改變投射在樣品15的截面22上的光點(diǎn)陣列的間距，可以方便地調(diào)整所探測(cè)的面積和采樣間距。
本發(fā)明裝置的一個(gè)實(shí)施例，測(cè)量DNA雜交反應(yīng)芯片。使用激光器的波長(zhǎng)為632.8nm，被測(cè)樣品為載波片上固定的標(biāo)記了CY5的DNA點(diǎn)陣，根據(jù)達(dá)曼光柵的分束數(shù)不同，測(cè)量橫向分辨率20～40μm，樣品截面上的采樣間距200～800μm。被測(cè)面積1.7～4mm。
權(quán)利要求
1.一種基于達(dá)曼光柵的并行共焦檢測(cè)裝置，該裝置包括光源、小孔光闌，其特征還包括聚光透鏡、達(dá)曼光柵、二向色鏡、成像透鏡組、濾光片、共焦針孔陣列板和二維光電探測(cè)器；被測(cè)樣品置于二向色鏡的下方；光源發(fā)出的光經(jīng)過(guò)針孔濾波器后形成一束原點(diǎn)位于針孔，并沿著水平光軸線傳播的發(fā)散高斯光束，聚光透鏡將發(fā)散高斯光束變換成為會(huì)聚高斯光束，此會(huì)聚光束經(jīng)過(guò)達(dá)曼光柵后，經(jīng)衍射形成多個(gè)會(huì)聚高斯光束，會(huì)聚光束經(jīng)過(guò)二向色鏡的反射后轉(zhuǎn)向，沿著鉛垂光軸線傳播，所有會(huì)聚點(diǎn)都落在樣品的與鉛垂光軸線垂直的同一個(gè)截面上，形成間距相等的會(huì)聚光點(diǎn)陣，該會(huì)聚光點(diǎn)陣照明樣品截面，并激發(fā)該截面上含有熒光標(biāo)記的樣品發(fā)射熒光，樣品的截面位于成像透鏡組中前透鏡的焦平面上，共焦針孔陣列板位于成像透鏡組中后透鏡的焦平面上，熒光透過(guò)二向色鏡，經(jīng)過(guò)前透鏡和后透鏡組成的成像透鏡組和濾光片，在共焦針孔陣列板的平面上成像，共焦針孔陣列板的間距與熒光點(diǎn)陣的成像點(diǎn)陣間距相同，二維光電探測(cè)器探測(cè)透過(guò)共焦針孔陣列板的熒光，沿著鉛垂光軸線移動(dòng)樣品，即得到樣品中各個(gè)截面的信號(hào)。
2.一種基于達(dá)曼光柵的并行共焦檢測(cè)裝置，該裝置包括光源、小孔光闌，其特征還包括聚光透鏡、達(dá)曼光柵、成像透鏡組、濾光片、共焦針孔陣列板和二維光電探測(cè)器；被測(cè)樣品置于達(dá)曼光柵和成像透鏡組之間；光源發(fā)出的光經(jīng)過(guò)針孔濾波器后形成一束原點(diǎn)位于針孔，并沿著水平光軸線傳播的發(fā)散高斯光束，聚光透鏡將發(fā)散高斯光束變換成為會(huì)聚高斯光束，此會(huì)聚光束經(jīng)過(guò)達(dá)曼光柵后，經(jīng)衍射形成多個(gè)會(huì)聚高斯光束，會(huì)聚光束的所有會(huì)聚點(diǎn)都落在樣品的與水平光軸線垂直的同一個(gè)截面上，形成間距相等的會(huì)聚光點(diǎn)陣，該會(huì)聚光點(diǎn)陣照明樣品截面，并激發(fā)該截面上含有熒光標(biāo)記的樣品發(fā)射熒光，樣品的截面位于成像透鏡組中前透鏡的焦平面上，共焦針孔陣列板位于成像透鏡組中后透鏡的焦平面上，熒光透過(guò)經(jīng)過(guò)前透鏡和后透鏡組成的成像透鏡組和濾光片，在共焦針孔陣列板的平面上成像，共焦針孔陣列板的間距與熒光點(diǎn)陣的成像點(diǎn)陣間距相同，二維光電探測(cè)器探測(cè)透過(guò)共焦針孔陣列板的熒光；沿著水平光軸線移動(dòng)樣品，即可得到樣品中各個(gè)截面的信號(hào)。
3.一種基于達(dá)曼光柵的并行共焦檢測(cè)裝置，該裝置包括光源、小孔光闌，其特征還包括準(zhǔn)直透鏡、達(dá)曼光柵、二向色鏡、成像透鏡組、濾光片、共焦針孔陣列板和二維光電探測(cè)器；被測(cè)樣品置于二向色鏡的下方；光源發(fā)出的光經(jīng)過(guò)針孔濾波器后形成一束原點(diǎn)位于針孔，并沿著水平光軸線傳播的發(fā)散高斯光束，準(zhǔn)直透鏡將發(fā)散高斯光束變換成為平行高斯光束，此平行光束經(jīng)過(guò)達(dá)曼光柵后，經(jīng)衍射形成多個(gè)不同傾角的平行高斯光束，平行光束經(jīng)過(guò)二向色鏡的反射后轉(zhuǎn)向，沿著鉛垂光軸線傳播，經(jīng)過(guò)前透鏡后形成多個(gè)會(huì)聚光束，所有會(huì)聚點(diǎn)都落在樣品的與鉛垂光軸線垂直的同一個(gè)截面上，形成間距相等的會(huì)聚光點(diǎn)陣，該會(huì)聚光點(diǎn)陣照明樣品截面，并激發(fā)該截面上含有熒光標(biāo)記的樣品發(fā)射熒光，樣品的截面位于成像透鏡組中前透鏡的焦平面上，共焦針孔陣列板位于成像透鏡組中后透鏡的焦平面上，熒光經(jīng)過(guò)前透鏡、二向色鏡濾光片和后透鏡，在共焦針孔陣列板的平面上成像，共焦針孔陣列板的間距與熒光點(diǎn)陣的成像點(diǎn)陣間距相同，二維光電探測(cè)器探測(cè)透過(guò)共焦針孔陣列板的熒光，沿著鉛垂光軸線移動(dòng)樣品，即可得到樣品中各個(gè)截面的信號(hào)。
4.一種基于達(dá)曼光柵的并行共焦檢測(cè)裝置，該裝置包括光源、小孔光闌，其特征還包括聚光透鏡、達(dá)曼光柵、半透半反鏡、成像透鏡、共焦針孔陣列板和二維光電探測(cè)器；被測(cè)樣品置于半透半反鏡的下方；光源發(fā)出的光經(jīng)過(guò)針孔濾波器后形成一束原點(diǎn)位于針孔，并沿著水平光軸線傳播的發(fā)散高斯光束，聚光透鏡將發(fā)散高斯光束變換成為會(huì)聚高斯光束，此會(huì)聚光束經(jīng)過(guò)達(dá)曼光柵后，經(jīng)衍射形成多個(gè)會(huì)聚高斯光束，會(huì)聚光束經(jīng)過(guò)半透半反鏡的反射后轉(zhuǎn)向，沿著鉛垂光軸線傳播，所有會(huì)聚點(diǎn)都落在樣品的與鉛垂光軸線垂直的同一個(gè)截面上，形成間距相等的會(huì)聚光點(diǎn)陣，該會(huì)聚光點(diǎn)陣照明樣品截面，樣品截面反射光和散射光透過(guò)半透半反鏡，經(jīng)過(guò)成像透鏡，在共焦針孔陣列板的平面上成像，共焦針孔陣列板的間距與樣品反射光所成像的點(diǎn)陣間距相同，二維光電探測(cè)器探測(cè)透過(guò)共焦針孔陣列板的光能，沿著鉛垂光軸線移動(dòng)樣品，即可得到樣品中各個(gè)截面的信號(hào)。
5.一種基于達(dá)曼光柵的并行共焦檢測(cè)裝置，該裝置包括光源、小孔光闌，其特征還包括達(dá)曼光柵、聚光透鏡、半透半反鏡、成像透鏡、共焦針孔陣列板和二維光電探測(cè)器；被測(cè)樣品置于半透半反鏡的下方；光源發(fā)出的光經(jīng)過(guò)針孔濾波器后形成一束原點(diǎn)位于針孔，并沿著水平光軸線傳播的發(fā)散高斯光束，經(jīng)過(guò)達(dá)曼光柵后，經(jīng)衍射了形成多個(gè)發(fā)散高斯光束，聚光透鏡將發(fā)散高斯光束變換成為多個(gè)會(huì)聚高斯光束，經(jīng)過(guò)半透半反鏡的反射后轉(zhuǎn)向，沿著鉛垂光軸線傳播，所有會(huì)聚點(diǎn)都將落在樣品的與鉛垂光軸線垂直的同一個(gè)截面上，形成間距相等的會(huì)聚光點(diǎn)陣，該會(huì)聚光點(diǎn)陣照明樣品截面，樣品截面反射光和散射光透過(guò)半透半反鏡，經(jīng)過(guò)成像透鏡，在共焦針孔陣列板的平面上成像，共焦針孔陣列板的間距與樣品反射光所成像的點(diǎn)陣間距相同，二維光電探測(cè)器探測(cè)透過(guò)共焦針孔陣列板的光能，沿著鉛垂光軸線移動(dòng)樣品，即可得到樣品中各個(gè)截面的信號(hào)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于達(dá)曼光柵的并行共焦檢測(cè)裝置,結(jié)構(gòu)包括光源、針孔濾波器,其特征還包括聚光透鏡、達(dá)曼光柵、二向色鏡、成像透鏡組、濾光片、共焦針孔陣列板和二維光電探測(cè)器;被測(cè)樣品置于二向色鏡的下方。該裝置中由于達(dá)曼光柵的性質(zhì),多通道之間的光強(qiáng)均勻,各個(gè)通道之間間距可調(diào),消除雜散光效果好,有利于熒光檢測(cè)。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化,利用微加工工藝制作達(dá)曼光柵可降低成本,有很好的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)G01J3/18GK1276525SQ0010980
公開(kāi)日2000年12月13日 申請(qǐng)日期2000年7月7日 優(yōu)先權(quán)日2000年7月7日
發(fā)明者鄔敏賢, 楊蓉, 何慶聲, 嚴(yán)瑛白, 金國(guó)藩 申請(qǐng)人:清華大學(xué)