一种基于笼式结构的真空腔内共聚焦显微成像系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于笼式结构的真空腔内共聚焦显微成像系统及方法，包括：真空腔体、真空腔体密封盖、石英窗口片、三维电动位移台、振镜系统、显微物镜、荧光显微镜筒、笼式结构光机组件、激光器、单模光纤、光纤分束器、二向色镜、滤光片、成像CCD、单光子探测器、脉冲计数器、符合仪、计算机等。三维电动位移台和显微物镜置于真空腔体内部，振镜系统和显微系统主体置于真空腔体外部，显微系统主体采用稳定的笼式结构，由易安装的笼式结构光机组件组装而成。本发明专利技术具有集成度高、占用体积小、易于安装与调试、操作和维护简便等优点。本发明专利技术可以用于真空腔体内部或低温腔体内部的微弱荧光信号的高精度成像、单光子源的高效率收集与信号分析。

A Cage-based Confocal Microscopic Imaging System and Method in Vacuum Cavity

The invention discloses a vacuum intracavity confocal microscopic imaging system and method based on cage structure, including: vacuum chamber, vacuum chamber sealing cap, quartz window, three-dimensional electric displacement platform, galvanometer system, microscopic objective, fluorescent microscope barrel, cage structured light unit, laser, single-mode optical fiber, optical fiber splitter, dichroic mirror, filter, imaging CCD, and so on. Single photon detector, pulse counter, coincidence meter, computer, etc. The three-dimensional electric displacement table and micro-objective are placed inside the vacuum chamber, the main body of the galvanometer system and the micro-system is placed outside the vacuum chamber. The main body of the micro-system adopts a stable cage structure, which is assembled by easy-to-install cage structured light units. The invention has the advantages of high integration, small occupation volume, easy installation and debugging, simple operation and maintenance, etc. The invention can be used for high precision imaging of weak fluorescence signals inside a vacuum chamber or a cryogenic chamber, high efficiency collection and signal analysis of a single photon source.

【技术实现步骤摘要】
一种基于笼式结构的真空腔内共聚焦显微成像系统及方法
本专利技术涉及一种光学显微成像领域，尤其涉及一种基于笼式结构的真空腔内共聚焦显微成像系统及方法。
技术介绍
共聚焦显微镜是一种研究荧光成像以及微弱荧光信号收集、探测和信号分析的常用科研设备。研究人员在某些特定情况下需要对真空环境或低温环境下的样品所辐射的荧光的性质进行研究，但是，对真空腔内或者低温腔内的样品荧光进行成像、收集、探测以及分析通常需要用户自行搭建显微成像系统。目前商用的真空腔或低温腔体所配备的显微成像系统一般结构比较复杂，占用空间体积较大，光学元件过多，从而降低了荧光信号的收集效率和探测效率，成本一般较高。为避免高成本的真空腔或低温腔兼容的显微成像系统，一些用户选择自行搭建显微成像系统，其时间成本和研发成本通常也较高，本专利技术旨在提供的一种基于笼式结构的真空腔内共聚焦显微系统，在最大程度上减少如反射镜和透镜之类的光学元件的使用，简化了显微镜的结构设计，从而较大幅度提高荧光的收集效率和探测效率，同时减小设备的空间占用体积和成本。显微物镜置于真空腔体内部，可以使用大数值孔径和短工作距离的显微物镜，从而提高荧光收集效率和成像分辨率，并且可以同时兼容在真空环境和低温环境中使用；显微系统主体置于真空腔或低温腔外部，采用稳定的笼式结构，由易于安装和拆卸的笼式结构光机组件组装而成，可以方便快捷地针对不同波长的扫描激光和荧光做出优化调整。本专利技术具有集成度高、占用体积小、易于安装与调试、操作和维护简便等突出优点。本专利技术可以用于真空腔内部或低温腔内部的微弱荧光信号的高精度成像、单光子源的高效率收集与信号分析。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种基于笼式结构的真空腔内共聚焦显微成像系统及方法，使用真空环境或低温真空环境兼容的三维电动位移台对样品进行大范围的扫描和研究区域定位，真空腔体外部有振镜系统，振镜系统用于对入射激光进行精密扫描，可以通过计算机精确控制振镜的扫描范围、步距和速率；显微物镜悬挂于真空腔体密封盖下侧，并置于真空腔体内部，相比于外置显微物镜，本专利技术可以使用大数值孔径和短工作距离的显微物镜，从而提高荧光收集效率和成像分辨率，可以同时兼容在真空环境和低温环境中使用；显微系统主体置于真空腔或低温腔外部，采用稳定的笼式结构，由易于安装和拆卸的笼式结构光机组件组装而成，可以方便快捷地针对不同波长的扫描激光和荧光做出优化调整。本专利技术具有集成度高、占用体积小、易于安装与调试、操作和维护简便等突出优点。本专利技术可以用于真空腔内部或低温腔内部的微弱荧光信号的高精度成像、单光子源的高效率收集与信号分析。本专利技术是通过如下方式实现的：本专利技术的一种基于笼式结构的真空腔内共聚焦显微成像系统，包括：真空腔体、真空腔体密封盖板、石英窗口片、三维电动位移台、振镜系统、显微物镜、荧光显微镜筒、笼式结构光机组件、激光器、单模光纤、光纤分束器、二向色镜、滤光片、成像CCD、单光子探测器、脉冲计数器、符合仪和计算机；其中，真空腔体：用于对三维电动位移台的安装以及对三维电动位移台和样品的密封；位于显微成像系统的左下侧，固定在光学平台上；真空腔体密封盖板：用于对真空腔体的密封；位于真空腔体上侧；石英窗口片：用于对真空腔体的密封；位于真空腔体密封盖板中心；三维电动位移台：用于样品的大范围扫描和研究区域定位；位于真空腔体内部下侧，与位移台控制器连接，位移台控制器与计算机连接；振镜系统：用于对激光精细扫描，由计算机精确控制扫描范围、扫描步距和扫描速率；安装在真空腔体密封盖板上侧，振镜系统与振镜驱镜器连接，振镜驱动器与计算机连接；显微物镜：用于聚焦激发样品的激光束，同时也用于收集真空腔或者低温腔内的样品辐射的荧光信号并耦合进单模光纤；悬挂于真空腔体密封盖的下侧，并置于真空腔体内部；荧光显微镜筒：由竖直方向的激光入射模块和水平方向的荧光收集模块组成，实现了将入射激光聚焦到样品上，并实现了对荧光信号的收集并耦合进单模光纤；位于显微物镜上侧，固定在显微镜悬臂上，显微镜悬臂固定在光学平板或者封装底座上；笼式结构光机组件：用于对光学元件的固定和连接；位于该系统的光学元件安装以及各光学器件的连接处；激光器：用于对样品的光学激发，通过入射模块的单模光纤将激光器发出的激光耦合进入该系统的激光入射模块；位于光学平板或者封装底座上；单模光纤：用于将入射激光耦合进该成像系统以及耦合收集端的荧光信号进入光纤分束器；在激光入射模块尾端和荧光收集模块尾端各有一根单模光纤；光纤分束器：实现了对荧光信号的分束；与荧光收集端口的单模光纤尾端通过光纤法兰连接，固定在光学平台或者封装底座上；二向色镜：实现对入射激光的反射，将入射激光反射到显微物镜的尾端，用于对样品荧光的激发，同时也实现了对样品辐射荧光的透射，目的在于过滤掉入射激光；位于显微物镜上侧；滤光片：实现进一步地过滤激光信号，增强荧光信号的信噪比；位于二向色镜上侧；成像CCD：实现对样品表面形貌的成像，用于观察和定位样品表面的结构单元和研究区域；位于荧光显微镜筒的下侧，固定在显微镜悬臂上侧底部；单光子探测器：实现对单光子水平的微弱荧光信号的光子计数；两个单光子探测器分别与光纤分束器的两个尾端连接，固定在光学平台或者安装底座上；脉冲计数器：实现对单光子探测器信号的读出；脉冲计数器与其中一个单光子探测器连接，位于光学平台上或者控制器机箱内；符合仪：实现对两路单光子探测器信号的符合测量，用于分析荧光光源的单光子性质；位于光学平台上或者控制器机箱内；计算机：实现对三维电动位移台的控制；实现对单光子探测器探测到的光子计数进行实时显示、记录以及分析；实现对符合仪探测结果的数据处理，用于分析荧光光源的单光子性。在低温环境中，所述三维电动位移台采用最低温度4K的低温兼容的三维电动位移台，同时兼容真空环境和低温环境系统使用。所述真空腔体上表面有沟槽，沟槽用于放置密封橡胶圈，真空腔体通过密封橡胶圈和真空腔体密封盖密封；真空腔体上侧边沿有下凹的定位孔，定位孔用于装配真空腔体密封盖时定位；真空腔体密封盖上有通光孔，通过石英窗口片和密封胶圈密封，石英窗口片用于透过腔外的激光束和腔内的荧光信号；真空腔体密封盖上侧的通光孔周边有内螺纹接口，内螺纹接口内部可以放置卡环，卡环用于固定石英窗口片。所述真空腔体密封盖上侧有多个螺纹孔，真空腔体密封盖上侧的螺纹孔用于固定振镜系统；真空腔体密封盖上侧有定位孔，用于装配真空腔体密封盖时定位；真空腔体密封盖下侧有下凸的定位孔，用于装配真空腔体密封盖时定位。所述真空腔体密封盖下侧有多个螺纹孔，真空腔体密封盖下侧的螺纹孔用于固定安装板，安装板上有笼式装配支杆，笼式装配支杆上有笼式安装板，笼式安装板上固定有显微物镜，通过调节笼式安装板相对笼式装配支杆的相对位置来调节显微物镜的高度。所述显微物镜悬挂在真空腔体密封盖下侧，即显微物镜置于真空腔体内部，使用大数值孔径，即最大NA＝0.9和短工作距离，最短1毫米的显微物镜，提高对荧光的收集效率和成像分辨率，显微物镜用于聚焦激发样品的激光束，同时也用于收集真空腔或者低温腔内的样品辐射的荧光信号。所述三维电动位移台位于真空腔体内部，控制电缆通过真空密封法兰引出到真空腔体外部，三维电动位移台通过控制电缆与位移台控制本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于笼式结构的真空腔内共聚焦显微成像系统，其特征在于，包括：真空腔体、真空腔体密封盖板、石英窗口片、三维电动位移台、振镜系统、显微物镜、荧光显微镜筒、笼式结构光机组件、激光器、单模光纤、光纤分束器、二向色镜、滤光片、成像CCD、单光子探测器、脉冲计数器、符合仪和计算机；其中，真空腔体：用于对三维电动位移台的安装以及对三维电动位移台和样品的密封；位于显微成像系统的左下侧，固定在光学平台上；真空腔体密封盖板：用于对真空腔体的密封；位于真空腔体上侧；石英窗口片：用于对真空腔体的密封；位于真空腔体密封盖板中心；三维电动位移台：用于样品的大范围扫描和研究区域定位；位于真空腔体内部下侧，与位移台控制器连接，位移台控制器与计算机连接；振镜系统：用于对激光精细扫描，由计算机精确控制扫描范围、扫描步距和扫描速率；安装在真空腔体密封盖板上侧，振镜系统与振镜驱镜器连接，振镜驱动器与计算机连接；显微物镜：用于聚焦激发样品的激光束，同时也用于收集真空腔或者低温腔内的样品辐射的荧光信号并耦合进单模光纤；悬挂于真空腔体密封盖的下侧，并置于真空腔体内部；荧光显微镜筒：由竖直方向的激光入射模块和水平方向的荧光收集模块组成，实现了将入射激光聚焦到样品上，并实现了对荧光信号的收集并耦合进单模光纤；位于显微物镜上侧，固定在显微镜悬臂上，显微镜悬臂固定在光学平板或者封装底座上；笼式结构光机组件：用于对光学元件的固定和连接；位于该系统的光学元件安装以及各光学器件的连接处；激光器：用于对样品的光学激发，通过入射模块的单模光纤将激光器发出的激光耦合进入该系统的激光入射模块；位于光学平板或者封装底座上；单模光纤：用于将入射激光耦合进该成像系统以及耦合收集端的荧光信号进入光纤分束器；在激光入射模块尾端和荧光收集模块尾端各有一根单模光纤；光纤分束器：实现对荧光信号的分束；与荧光收集端口的单模光纤尾端通过光纤法兰连接，固定在光学平台或者封装底座上；二向色镜：实现对入射激光的反射，将入射激光反射到显微物镜的尾端，用于对样品荧光的激发，同时也实现了对样品辐射荧光的透射，目的在于过滤掉入射激光；位于显微物镜上侧；滤光片：实现进一步地过滤激光信号，增强荧光信号的信噪比；位于二向色镜上侧；成像CCD：实现对样品表面形貌的成像，用于观察和定位样品表面的结构单元和研究区域；位于荧光显微镜筒的下侧，固定在显微镜悬臂上侧底部；单光子探测器：实现对单光子水平的微弱荧光信号的光子计数；两个单光子探测器分别与光纤分束器的两个尾端连接，固定在光学平台或者安装底座上；脉冲计数器：实现对单光子探测器信号的读出；脉冲计数器与其中一个单光子探测器连接，位于光学平台上或者控制器机箱内；符合仪：实现对两路单光子探测器信号的符合测量，用于分析荧光光源的单光子性质；位于光学平台上或者控制器机箱内；计算机：实现对三维电动位移台的控制；实现对单光子探测器探测到的光子计数进行实时显示、记录以及分析；实现对符合仪探测结果的数据处理，用于分析荧光光源的单光子性。...

【技术特征摘要】
1.一种基于笼式结构的真空腔内共聚焦显微成像系统，其特征在于，包括：真空腔体、真空腔体密封盖板、石英窗口片、三维电动位移台、振镜系统、显微物镜、荧光显微镜筒、笼式结构光机组件、激光器、单模光纤、光纤分束器、二向色镜、滤光片、成像CCD、单光子探测器、脉冲计数器、符合仪和计算机；其中，真空腔体：用于对三维电动位移台的安装以及对三维电动位移台和样品的密封；位于显微成像系统的左下侧，固定在光学平台上；真空腔体密封盖板：用于对真空腔体的密封；位于真空腔体上侧；石英窗口片：用于对真空腔体的密封；位于真空腔体密封盖板中心；三维电动位移台：用于样品的大范围扫描和研究区域定位；位于真空腔体内部下侧，与位移台控制器连接，位移台控制器与计算机连接；振镜系统：用于对激光精细扫描，由计算机精确控制扫描范围、扫描步距和扫描速率；安装在真空腔体密封盖板上侧，振镜系统与振镜驱镜器连接，振镜驱动器与计算机连接；显微物镜：用于聚焦激发样品的激光束，同时也用于收集真空腔或者低温腔内的样品辐射的荧光信号并耦合进单模光纤；悬挂于真空腔体密封盖的下侧，并置于真空腔体内部；荧光显微镜筒：由竖直方向的激光入射模块和水平方向的荧光收集模块组成，实现了将入射激光聚焦到样品上，并实现了对荧光信号的收集并耦合进单模光纤；位于显微物镜上侧，固定在显微镜悬臂上，显微镜悬臂固定在光学平板或者封装底座上；笼式结构光机组件：用于对光学元件的固定和连接；位于该系统的光学元件安装以及各光学器件的连接处；激光器：用于对样品的光学激发，通过入射模块的单模光纤将激光器发出的激光耦合进入该系统的激光入射模块；位于光学平板或者封装底座上；单模光纤：用于将入射激光耦合进该成像系统以及耦合收集端的荧光信号进入光纤分束器；在激光入射模块尾端和荧光收集模块尾端各有一根单模光纤；光纤分束器：实现对荧光信号的分束；与荧光收集端口的单模光纤尾端通过光纤法兰连接，固定在光学平台或者封装底座上；二向色镜：实现对入射激光的反射，将入射激光反射到显微物镜的尾端，用于对样品荧光的激发，同时也实现了对样品辐射荧光的透射，目的在于过滤掉入射激光；位于显微物镜上侧；滤光片：实现进一步地过滤激光信号，增强荧光信号的信噪比；位于二向色镜上侧；成像CCD：实现对样品表面形貌的成像，用于观察和定位样品表面的结构单元和研究区域；位于荧光显微镜筒的下侧，固定在显微镜悬臂上侧底部；单光子探测器：实现对单光子水平的微弱荧光信号的光子计数；两个单光子探测器分别与光纤分束器的两个尾端连接，固定在光学平台或者安装底座上；脉冲计数器：实现对单光子探测器信号的读出；脉冲计数器与其中一个单光子探测器连接，位于光学平台上或者控制器机箱内；符合仪：实现对两路单光子探测器信号的符合测量，用于分析荧光光源的单光子性质；位于光学平台上或者控制器机箱内；计算机：实现对三维电动位移台的控制；实现对单光子探测器探测到的光子计数进行实时显示、记录以及分析；实现对符合仪探测结果的数据处理，用于分析荧光光源的单光子性。2.根据权利要求1所述的一种基于笼式结构的真空腔内共聚焦显微成像系统，其特征在于：在低温环境中，所述三维电动位移台采用最低温度4K的低温兼容的三维电动位移台，同时兼容真空环境和低温环境系统使用。3.根据权利要求1所述的一种基于笼式结构的真空腔内共聚焦显微成像系统，其特征在于：所述真空腔体上表面有沟槽，沟槽用于放置密封橡胶圈，真空腔体通过密封胶圈和真空腔体密封盖密封；真空腔体上侧边沿有下凹的定位孔，定位孔用于装配真空腔体密封盖时定位；真空腔体密封盖上有通光孔，通过石英窗口片和密封胶圈密封，石英窗口片用于透过腔外的激光束和腔内的荧光信号；真空腔体密封盖上侧的通光孔周边有内螺纹接口，内螺纹接口内部可以放置卡环，卡环用于固定石英窗口片。4.根据权利要求1或3所述的基于笼式结构的真空腔内共聚焦显微成像系统，其特征在于：真空腔体密封盖上侧有多个螺纹孔，真空腔体密封盖上侧的螺纹孔用于固定振镜系统；真空腔体密封盖上侧有定位孔，用于装配真空腔体密封盖时定位；真空腔体密封盖下侧有下凸的定位孔，用于装配真空腔体密封盖时定位。5.根据权利要求1或3所述的基于笼式结构的真空腔内共聚焦显微成像系统，其特征在于：所述真空腔体密封盖下侧有多个螺纹孔，真空腔体密封盖下侧的螺纹孔用于固定安装板，安装板上有笼式装配支杆，笼式装配支杆上有笼式安装板，笼式安装板上固定有显微物镜，通过调节笼式安装板相对笼式装配支杆的相对位置来调节显微物镜的高度。6.根据权利要求1所述的一种基于笼式结构的真空腔内共聚焦显微成像系统，其特征在于：所述显微物镜悬挂在真空腔体密封盖下侧，即显微物镜置于真空腔体内部，使用大数值孔径，即最大NA＝0.9和短工作距离，最短1毫米的显微物镜，提高对荧光的收集效率和成像分辨率，显微物镜用于聚焦激发样品的激光束，同时也用于收集真空腔或者低温腔内的样品辐射的荧光信号。7.根据权利要求1所述的一种基于笼式结构的真空腔内共聚焦显微成像系统，其特征在于：所述三维电动位移台位于真空腔体内部，控制电缆通过真空密封法兰引出到真空腔体外部，三维电动位移台通过控制电缆与位移台控制器连接，位移台控制器通过USB线与计算机连接，用于样品的大范围扫描和研究区域定位。8.根据权利要求1所述的一种基于笼式结构的真空腔内共聚焦显微成像系统，其特征在于：位于真空腔体上侧的振镜系统通过控制电缆与振镜驱动器连接，振镜驱动器通过USB线与计算机连接，通过计算机精确控制振镜系统的扫描范围、扫描步距和扫描速率、具有控制精度高、稳定性高优点。9.根据权利要求1所述的一种基于笼式结构的真空腔内共聚焦显微成像系统，其特征在于：所述荧光显微镜筒由竖直方向的激光入射模块和水平方向的荧光收集模块组成，二者相互垂直，能独立调节；激光器发射的激光由单模光纤耦合进激...

【专利技术属性】
技术研发人员：李强，王俊峰，闫飞飞，程则迪，许金时，李传锋，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34