一种包含光电检测器的显微物镜制造技术

本实用新型专利技术涉及光学显微成像技术领域，具体涉及一种包含光电检测器的显微物镜，包括显微物镜镜体，显微物镜镜体包括输入端和多个输出端，显微物镜镜体的输入端与外部显微镜镜体的输出端相连，显微物镜镜体的其中一个输出端与外部样品相连，显微物镜镜体的另外输出端之一连接有用于收集荧光光子的光电检测器，光电检测器数量为若干，光电检测器分布于显微物镜镜体的前孔径的四周。本实用新型专利技术中利用若干沿显微物镜镜体的前孔径四周分布的光电检测器对显微物镜镜体的前孔径未能收集的荧光光子进行收集，从而提升荧光光子收集效率，解决了现有技术中荧光光子收集效率低得问题，提高了成像的信噪比，使高散射介质中的成像深度得以提高。

A micro objective with photoelectric detector

【技术实现步骤摘要】
一种包含光电检测器的显微物镜
本技术涉及光学显微成像
，特别涉及一种包含光电检测器的显微物镜。
技术介绍
在非线性光学成像显微镜，特别是多光子荧光显微镜中，近红外激光脉冲被显微物镜聚焦后在样品中激发出各向同性发射的荧光信号。生物组织通常表现出较强吸收和高散射的光学特性。对于落射式(Epifluorescence)荧光检测，同一个显微物镜既被用于聚焦激发光，又被用于收集荧光信号。被显微物镜收集的荧光信号的强度取决于显微物镜的数值孔径和物镜前孔径(ObjectiveFrontAperture，OFA)(E.Beaurepaire,et.al,AppliedOptics,vol.41,no.25,pp.5376-5382,2002)。显微物镜的数值孔径和物镜前孔径越大，显微物镜能收集的荧光信号的强度越大。对于双光子荧光显微镜中常见的数值孔径为0.8，放大倍率为40X的显微物镜来说，高散射样品中只有不到10％的立体角内的荧光被显微物镜收集到。近年来出现了很多技术收集显微物镜无法收集到的荧光光子，2006年折返射显微物镜被提出(D.et.al,OpticsLetters,vol.31,no.16,pp.2447-2449,2006)。2007年采用抛物面镜和2011年采用圆柱面镜的发射检测技术被提出，仿真获得了10倍荧光收集效率增强，实验获得了8.9倍荧光收集效率增强(C.A.Combs,et.al,JournalfMicroscopy,vol.228,no.3,pp.330-337,2007和V.Crosignani,et.al,JournalofBiophotonics,vol.4,no.9,pp.592-599,2011)。之后，上述技术分别经过改进后被用于落射式荧光检测(C.A.Combs,et.al，JournalofMicroscopy,vol.241,no.2,pp.153-161,2011和V.Crosignani,et.al,JournalofBiomedicalOptics,vol.17,no.11,pp.116023,2012)。最近报道了一种可用于直立双光子显微镜的紧凑的全发射检测器件(C.A.Combs,et.al，JournalofMicroscopy,vol.253,no.2,pp.83-92,2014)。此外通过在显微物镜周围安排5-8根高数值孔径的光纤来收集显微物镜收集不到的荧光，可以在高数值孔径显微物镜获得2倍荧光收集效率增强，在低数值孔径显微物镜获得20倍荧光收集效率增强(C.J.Engelbrecht,et.al,OpticsExpress,vol.17,no.8,pp.6421-6435,2009和J.D.McMullen,et.al,JournalofMicroscopy,vol.241,no.2,pp.119–124,2011)。2016年一种兼容商用双光子荧光显微镜的采用四分之一椭球反射镜的全发射检测技术被提出，在高数值孔径显微物镜获得了2.75倍荧光收集效率增强(Y.Xu,et.al,IEEEPhotonicsJournal,Vol.8,Issue5,6901109,2016)。以上用于增强荧光收集效率的技术均采用额外光学元件收集显微物镜无法收集到的荧光光子。由于荧光光子的散射角度离散性很大，进入额外收集光路后荧光光子多次反射路径复杂，损耗大，导致额外光学元件的实际收集效率受限。此外额外光学元件的形状复杂，加工难度很高，成本也较高。上述用于增强荧光收集效率的技术很多体积过大，都会遮挡成像区域，对同时进行的电生理实验操作造成阻碍。
技术实现思路
为了解决上述问题，本技术提供了一种包含光电检测器的显微物镜，解决了现有技术中额外收集光学元件复杂，荧光光子收集效率低的问题。为达到上述目的，本技术采用的技术方案是：一种包含光电检测器的显微物镜，包括显微物镜镜体，显微物镜镜体包括输入端和多个输出端，显微物镜镜体的输入端与外部显微镜镜体的输出端相连，显微物镜镜体的其中一个输出端与外部样品相连，显微物镜镜体的另外输出端之一连接有用于收集荧光光子的光电检测器，光电检测器数量为若干，光电检测器分布于显微物镜镜体的前孔径的四周。本技术的原理是：显微物镜既被用于聚焦激发光，又被用于收集荧光信号，在进行光电检测时，由显微物镜镜体输出端射出的近红外激光脉冲射向外部样品，使近红外激光脉冲被显微物镜聚焦后在样品中激发出各向同性发射的荧光信号，部分荧光光子经过显微物镜镜体前孔径被收集，未能进入到显微物镜镜体前孔径的荧光光子被光电检测器收集，由于光电检测器数量为若干，且若干光电检测器分布于显微物镜前孔径的四周，使得未能被显微物镜镜体的荧光光子能尽量多的被光电检测器收集到，从而提升荧光光子的收集效率，提高了成像的信噪比，最终使高散射介质中的成像深度得以提高。采用上述方案的优点在于：1.能够提升荧光光子的收集效率；相比于现有技术中采用圆柱面镜或者椭球型反射镜等技术来提升荧光光子的收集效率，由于荧光光子的散射角度离散性很大，进入额外收集光路后荧光光子多次反射路径复杂，损耗大，导致额外光学元件的实际收集效率受限。本申请中利用光电检测电路对显微物镜镜体的前孔径未能收集的荧光光子进行收集，由于光电检测电路中荧光光子沿显微物镜镜体的前孔径四周分布，使得尽可能多的荧光光子能被收集，从而提升荧光光子的收集效率。2.体积小、制作成本低：相比于现有技术中额外光学元件的形状复杂，加工难度很高，控制复杂，使得整体成本较高。本申请中相邻光电检测器之间对于荧光光子收集互不影响，单个光电检测器的结构简单，制造成本低，体积更小，避免其他对于收集荧光光子的无效组件占用收集空间，从而使荧光光子的收集效率更高。本专利技术与普通物镜相比，以常用的数值孔径为0.8，放大倍率为40X的液浸物镜为例说明，该液浸物镜的荧光发射半角为arcsin(0.8/1.33)＝30度，可以计算出，本专利技术在同款显微物镜的前孔径周围布置宽度为1mm的环形光电检测器可以收集到荧光发射半角为30度至60度之间的荧光光子，相当于具有激发数值孔径为0.8，而收集数值孔径为1.0，因此大大提高了荧光收集效率，提高了成像的信噪比，提高了在高散射介质中的成像深度。进一步，光电检测器与外部样品之间的填充物为真空或用于折射率匹配的任何气体或任何液体或任何固体。利用真空或用于折射率匹配的任何气体或任何液体或任何固体作为光电检测器与外部试验样品之间的填充物，避免外部样品对光电检测器收集荧光光子的结果产生影响，从而保证检测结果更加准确。进一步，光电检测器包括依次相连的滤光片、光电敏感单元和驱动电路，滤光片与显微物镜镜体的其中一个输出端相连，驱动电路的输出端和外部放大电路以及计算机相连。未能被显微物镜的前孔径收集的荧光光子由显微物镜的一个输出端射向滤光片，滤光片用于滤出背向反射和背向散射的激发光，光电敏感单元用于将穿过滤光片的荧光光子转化为电信号，驱动电路用于对光电检测器的光电敏感单元提供高电压和驱本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种包含光电检测器的显微物镜，包括显微物镜镜体，所述显微物镜镜体包括输入端和多个输出端，所述显微物镜镜体的输入端与外部显微镜镜体的输出端相连，显微物镜镜体的其中一个输出端与外部样品相连，所述显微物镜镜体的另外输出端之一连接有用于收集荧光光子的光电检测器，其特征在于：所述光电检测器数量为若干，所述光电检测器分布于显微物镜镜体的前孔径的四周。/n

【技术特征摘要】
20190318 CN 20191021073071.一种包含光电检测器的显微物镜，包括显微物镜镜体，所述显微物镜镜体包括输入端和多个输出端，所述显微物镜镜体的输入端与外部显微镜镜体的输出端相连，显微物镜镜体的其中一个输出端与外部样品相连，所述显微物镜镜体的另外输出端之一连接有用于收集荧光光子的光电检测器，其特征在于：所述光电检测器数量为若干，所述光电检测器分布于显微物镜镜体的前孔径的四周。


2.根据权利要求1所述的一种包含光电检测器的显微物镜，其特征在于：所述光电检测器与外部样品之间的填充物为真空或用于折射率匹配的任何气体或任何液体或任何固体。


3.根据权利要求2所述的一种包含光电检测器的显微物镜，其特征在于：所述光电检测器包括依次相连的滤光片、光电敏感单元和驱动电路，所述滤光片与显微物镜镜体的其中一个输出端相连，所述驱动电路的输出端和外部放大电路以及计算机相连。


4.根据权利要求3所述的一种包含光电检测器的显微物镜，其特征在于：所述光电检测器还包括保护元件，所述保护元件位于显微物镜镜体和滤光片之间，所述保护元件的输入端与显微物镜镜体的其中一个输出端相连，保护元件的输出端与滤光片的输入端相连。

【专利技术属性】
技术研发人员：不公告发明人，
申请(专利权)人：苏州溢博伦光电仪器有限公司，
类型：新型
国别省市：江苏;32