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基于双 光子 荧光的三维成像装置以及成像方法

阅读：895发布：2020-05-16

专利汇可以提供基于双光子荧光的三维成像装置以及成像方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及双光子荧光成像，提供一种基于双光子荧光的三维成像装置，包括激光器以及水槽，还包括荧光激发光路以及荧光接收光路，荧光激发光路包括焦点调节组件，荧光接收光路包括探测器，且于激光器与焦点调节组件之间的光路上设置有第一透镜，于焦点调节组件与水槽之间的光路上设置有第二透镜，于滤光片与探测器之间的光路上设置有第三透镜；还提供一种成像方法。本发明的激光器发出光在发散后通过焦点调节组件调节发出光水槽内荧光染料中焦点位置，且通过移动激发光在荧光染料中聚焦点位置，在发出光的焦点位置双光子被吸收，进而产生双光子荧光，双光子荧光的激发光波长较长，具有很深的穿透深度，可以在荧光染料内部形成任意的三维荧光图像。，下面是基于双光子荧光的三维成像装置以及成像方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种基于双光子荧光的三维成像装置，包括激光器以及可放置荧光染料的水槽，其特征在于：还包括荧光激发光路以及荧光接收光路，所述荧光激发光路包括可调节激光发出光焦点在荧光染料中位置的焦点调节组件，所述荧光接收光路包括可接收产生的荧光的探测器，且于所述激光器与所述焦点调节组件之间的光路上设置有第一透镜，所述荧光接收光路于所述水槽与所述探测器之间的光路上设置有滤光片，于所述焦点调节组件与所述水槽之间的光路上设置有第二透镜，于所述滤光片与所述探测器之间的光路上设置有第三透镜。
2.如权利要求1所述的基于双光子荧光的三维成像装置，其特征在于：所述焦点调节组件包括空间光调制器以及xy扫描振镜，所述空间光调制器用于调整激发光在荧光染料中纵向聚焦点的位置，所述xy扫描振镜用于改变聚焦点的横向位置，所述空间光调制器与所述xy扫描振镜平行设置。
3.如权利要求2所述的基于双光子荧光的三维成像装置，其特征在于：于所述空间光调制器与所述xy扫描振镜之间的光路上设置有二向色镜，所述二向色镜平行于所述xy扫描振镜，且所述探测器位于所述二向色镜的反射光路上。
4.如权利要求2所述的基于双光子荧光的三维成像装置，其特征在于：所述空间光调制器接收所述激光器发出的入射光。
5.如权利要求1所述的基于双光子荧光的三维成像装置，其特征在于：所述激光器为飞秒激光器，中心波长为800nm，脉宽为300fs，重复频率76MHz。
6.一种基于双光子荧光的三维成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
于水槽内放置荧光染料，激光器发出光进入荧光激发光路，经第一透镜发散为平行光入射至焦点调节组件；
所述焦点调节组件反射发出光，且发出光经第二透镜入射至水槽内的荧光染料上，产生荧光；
荧光经第二透镜发散后进入荧光接收光路，且经滤光片过滤所述荧光接收光路内的杂散光，而荧光经第三透镜进入探测器内；
通过调节所述焦点调节组件改变在荧光染料上的焦点位置，以获取荧光染料中任一位置的三维荧光图像。
7.如权利要求6所述的基于双光子荧光的三维成像方法，其特征在于：所述焦点调节组件包括空间光调制器以及xy扫描振镜，发散后的平行光入射至所述空间光调制器上，经所述空间光调制器反射至所述xy扫描振镜上，且经所述xy扫描振镜反射后入射至所述第二透镜。

说明书全文

基于双光子 荧光的三维成像装置以及成像方法

技术领域

[0001] 本发明涉及双光子荧光成像，尤其涉及一种基于双光子荧光的三维成像装置以及成像方法。

背景技术

[0002] 双光子激发荧光的过程，就是基态荧光分子同时吸收两个光子，从基态跃迁到激发态，而后通过弛豫过程，辐射出荧光光子。单光子荧光是发射出的荧光比激发光波长要长，而双光子荧光则是发射出的荧光比激发光波长要短。

[0003] 双光子激发是一个非线性过程，不同于单光子吸收对光密度的要求小，只有在光强足够大的焦点处才足以产生双光子激发，所以荧光激发只在焦点处产生。但是目前的三维成像装置难以获取所需的三维荧光图像。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于提供一种基于双光子荧光的三维成像装置，旨在用于解决现有的技术难以获取三维荧光图像的问题。

[0005] 本发明是这样实现的：

[0006] 本发明实施例提供一种基于双光子荧光的三维成像装置，包括激光器以及可放置荧光染料的水槽，还包括荧光激发光路以及荧光接收光路，所述荧光激发光路包括可调节激光发出光焦点在荧光染料中位置的焦点调节组件，所述荧光接收光路包括可接收产生的荧光的探测器，且于所述激光器与所述焦点调节组件之间的光路上设置有第一透镜，所述荧光接收光路于所述水槽与所述探测器之间的光路上设置有滤光片，于所述焦点调节组件与所述水槽之间的光路上设置有第二透镜，于所述滤光片与所述探测器之间的光路上设置有第三透镜。

[0007] 进一步地，所述焦点调节组件包括空间光调制器以及xy扫描振镜，所述空间光调制器用于调整激发光在荧光染料中纵向聚焦点的位置，所述xy扫描振镜用于改变聚焦点的横向位置，所述空间光调制器与所述xy扫描振镜平行设置。

[0008] 进一步地，于所述空间光调制器与所述xy扫描振镜之间的光路上设置有二向色镜，所述二向色镜平行于所述xy扫描振镜，且所述探测器位于所述二向色镜的反射光路上。

[0009] 进一步地，所述空间光调制器接收所述激光器发出的入射光。

[0010] 进一步地，所述激光器为飞秒激光器，中心波长为800nm，脉宽为300fs，重复频率76MHz。

[0011] 本发明实施例还提供一种基于双光子荧光的三维成像方法，包括以下步骤：

[0012] 于水槽内放置荧光染料，激光器发出光进入荧光激发光路，经第一透镜发散为平行光入射至焦点调节组件；

[0013] 所述焦点调节组件反射发出光，且发出光经第二透镜入射至水槽内的荧光染料上，产生荧光；

[0014] 荧光经第二透镜发散后进入荧光接收光路，且经滤光片过滤所述荧光接收光路内的杂散光，而荧光经第三透镜进入探测器内；

[0015] 通过调节所述焦点调节组件改变在荧光染料上的焦点位置，以获取荧光染料中任一位置的三维荧光图像。

[0016] 进一步地，所述焦点调节组件包括空间光调制器以及xy扫描振镜，发散后的平行光入射至所述空间光调制器上，经所述空间光调制器反射至所述xy扫描振镜上，且经所述xy扫描振镜反射后入射至所述第二透镜。

[0017] 本发明具有以下有益效果：

[0018] 本发明的成像装置中，激光器的发出光在发散后通过焦点调节组件调节发出光水槽内荧光染料中的焦点位置，且通过移动激发光在荧光染料中聚焦点的位置，可以在荧光染料内部形成任意的三维荧光图像，且荧光图像在被激发后进入荧光接收光路内，而荧光接收光路上的滤光片可以过滤其上的杂散光，使得只有荧光通过，进而可以采用探测器接收通过的荧光，即通过探测器可以获取三维荧光图像。在本发明的成像方法中，在发出光的焦点位置双光子被吸收，进而产生双光子荧光，双光子荧光的激发光波长较长，具有很深的穿透深度，因此可以在更大的空间中形成荧光图像，方便探测器获取。附图说明

[0019] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

[0020] 图1为本发明实施例提供的基于双光子荧光的三维成像装置的光路结构示意图。

具体实施方式

[0021] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

[0022] 参见图1，本发明实施例提供一种基于双光子荧光的三维成像装置，包括激光器1以及水槽2，其中激光器1主要是用于发出激光，而水槽2则是用于放置荧光染料，激光器1发出的激光在入射至水槽2内的荧光染料上时可以产生荧光，成像装置还包括有荧光激发光路3以及荧光接收光路4，激光器1的发出光经荧光激发光路3后照射至荧光染料上，而其产生的荧光则进入荧光接收光路4内，进而可以被获取，具体地，荧光激发光路3包括有焦点调节组件5，且在焦点调节组件5与激光器1之间的光路上设置有第一透镜6，激光器1发出的激光经第一透镜6发散后入射至焦点调节组件5，而焦点调节组件5可以调节第一透镜6发散后平行光的空间位置，可以进行纵向与横向调节，且在调节合适后入射至第二透镜7进行聚焦，焦点位置位于荧光染料上，而荧光接收光路4包括可接收产生的荧光图像的探测器8，即荧光染料产生的荧光图像进入荧光接受光路内被探测器8接收，且荧光接收光路4于水槽2与探测器8之间的光路上设置有滤光片9，该滤光片9为短波滤光片9，用于只让所需的荧光进入探测器8进行成像，将其他杂散光，包括激发光，阻挡在外，以提高系统的信噪比，通常在滤光片9与探测器8之间的光路上设置有第三透镜10，可以将发散的荧光聚焦至探测器8内。本发明中，激光器1的发出光在发散后通过焦点调节组件5调节发出光水槽2内荧光染料中的焦点位置，且通过移动激发光在荧光染料中聚焦点的位置，在发出光的焦点位置双光子被吸收，进而产生双光子荧光，双光子荧光的激发光波长较长，具有很深的穿透深度，可以在荧光染料内部形成任意的三维荧光图像，且荧光图像在被激发后进入荧光接收光路4内，而荧光接收光路4上的滤光片9可以过滤其上的杂散光，使得只有荧光通过，进而可以采用探测器8接收通过的荧光，即通过探测器8可以获取三维荧光图像，相较于单光子吸收，其双光子吸收仅发生在焦点处，有效地避免了荧光染料中激发光路径上产生的杂散荧光的干扰。对于激光器1可采用飞秒激光器1，其中心波长为800nm，脉宽为300fs，重复频率76MHz，能够产生飞秒激光。

[0023] 优化上述实施例，细化焦点调节组件5的结构，其包括空间光调制器51以及xy扫描振镜52，其中空间光调制器51用于调整激发光在荧光染料中纵向聚焦点位置，而xy扫描振镜52则可以用于调节聚焦点横向位置，对此通过空间光调制器51与xy扫描振镜52的配合调节，可以使得激光器1的发出光的聚焦点在荧光染料一定范围内任意位置的调节，当然空间光调制器51与xy扫描振镜52之间应平行设置。具体地，可以采用空间光调制器51接收激光器1发出的入射光，即平行光先入射至空间光调制器51，在纵向调节后反射至xy扫描振镜52上，xy扫描振镜52可以实现聚焦点位置的横向调节，当然第一透镜6发散后的平行光也可先入射至xy扫描振镜52上，在横向调节后反射至空间光调制器51，空间光调制器51进行纵向调节。

[0024] 继续优化上述实施例，激光器1产生的飞秒激光经第一透镜6发散后为平行光，平行光入射至空间光调制器51或者xy扫描振镜52上的入射角为45度，则可以在空间光调制器51与xy扫描振镜52之间的光路上设置有二向色镜11，该二向色镜11平行于xy扫描振镜52，且探测器8位于二向色镜11的反射光路上。本实施例中，二向色镜11主要是用于透射激光器
1的发出光，同时能够反射荧光，假若平行光入射至空间光调制器51上，经空间光调制器51反射后透射二向色镜11且射至xy扫描振镜52上，在xy扫描振镜52上反射后进入第二透镜7，通过第二透镜7聚焦后，发出光的焦点位于荧光染料上，荧光染料上产生荧光图像，且荧光图像经第二透镜7发散后为平行光入射至xy扫描振镜52上，反射后射至二向色镜11，此时二向色镜11可以具有分离激光器1的发出光与荧光图像的作用，具体地，反射后的激光发出光透射二向色镜11，而荧光图像在二向色镜11上反射至滤光片9上，通过滤光片9的过滤作用后，荧光图像在第三透镜10处聚焦至探测器8上。

[0025] 本发明实施例还提供一种基于双光子荧光的三维成像方法，主要是采用了上述的成像装置，包括以下步骤：

[0026] 在水槽2内放置荧光染料，激光器1工作，其产生的发出光进入荧光激发光路3内，且经第一透镜6发散后呈平行光，平行光以45度入射至焦点调节组件5；

[0027] 焦点调节组件5细化为空间光调制器51以及xy扫描振镜52，平行光先入射至空间光调制器51，空间光调制器51反射平行光，被反射的发出光通过二向色镜11照射在xy扫描振镜52上，xy扫描振镜52反射发出光，然后经过第二透镜7聚焦在荧光染料中，在焦点处激发出荧光；

[0028] 产生的荧光照向后散射至第二透镜7，且通过第二透镜7发散后进入荧光接收光路4，由xy扫描振镜52反射，再由二向色镜11反射通过滤光片9，通过滤光片9将杂散光滤掉，在通过第三透镜10后，聚焦至探测器8内，通过探测器8获取荧光图像信息，通过这种形式，则荧光激发光路3与荧光接收光路4部分重叠，具体为二向色镜11至水槽2之间的光路；

[0029] 通过改变施加在空间光调制器51和xy扫描振镜52上的信号改变输出光在荧光染料中聚焦点的位置，使飞秒激光被聚焦在染料中的不同位置处，这样就可以得到染料内部不同位置处的荧光，从而可以在染料内部画出需要的三维荧光图像。

[0030] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

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