一种基于荧光高光谱成像系统的匀化光路结构的制作方法

1.本实用新型涉及匀化光路技术领域，更具体的是涉及基于荧光高光谱成像系统的匀化光路结构技术领域。


背景技术：

2.将高光谱成像技术与荧光检测技术相结合的应用方式是检测目标荧光特性的一种重要技术手段，当荧光物质被特定外界能量激发时，会引起其物质内部组成结构中的电子轨道向高能轨道跃迁，并最终释放能量回归到基态的过程中会产生可被检测的荧光信号。当然不是所有的物质都能被激发产生荧光信号，只有当该被检测物质与激发光具有相同的频率并在吸收改能量后具有高的荧光效率而非将能量消耗于分子间碰撞过程中，其荧光信号才可被光学设备高光谱相机所检测。
3.而在荧光高光谱成像中，激发光源是技术应用的一个重要环节，通常使用的光源有：激光光源：单波长非连续光、分辨率和灵敏度较高；发光二极管光源：激发光带宽相对较宽(大于60nm)，能量输出相对较低，需要将光源和样品之间的空间相聚较近，光程较短，但体积较小、轻便、经济等特点，激发光最短波长一般都大于430nm。从紫外光到可见-近红外波段的氙灯光源具有更高的输出能量，以及光谱范围更宽的卤素灯光源，每种激发光源都有其自身的特点和缺点，对不同的荧光信号检测而言，激发光源的选择非常重要。
4.在此基础上，针对光源的引入所设计的匀化光源结构是其最重要的一个技术点，例如通常是采用均匀化柱状导光管，此导光管利用全内反射(tir)，将光线从导光管入口透射到导光管出口，通常该导光管对于进入的光线有一个适用波长范围，具有一定的局限性，难以满足全波段高光谱的应用。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的在于：实现适用于全波段光的匀化光路结构。为了解决上述技术问题，本实用新型提供一种基于荧光高光谱成像系统的匀化光路结构。
6.本实用新型为了实现上述目的具体采用以下技术方案：
7.一种基于荧光高光谱成像系统的匀化光路结构，设置于光源和测试箱之间，测试箱为暗箱，包括准直导光镜筒、滤光片、2个复眼透镜组、聚焦透镜、平面反射镜；
8.所述光源对准所述准直导光镜筒的进光口，准直导光镜筒的前端设置有滤光片插槽，滤光片可拆卸安装在所述滤光片插槽内，所述准直导光镜筒的末端插入所述测试箱；
9.所述准直导光镜筒的末端沿光路径依次设置有相互平行的第一复眼透镜组、第二复眼透镜组和聚焦透镜；所述聚焦透镜对准平面反射镜，所述平面反射镜安装在所述测试箱的顶部；所述平面反射镜用于将光反射到所述测试箱内的样品台。
10.优选地，所述复眼透镜组包括9个紧密排列的单元透镜，九个单元透镜呈3x3排列。
11.优选地，每个单元透镜的尺寸为5mmx5mm。
12.优选地，所述第一复眼透镜组的顶部设置有调节结构，所述调节结构用于调节所
述第一复眼透镜组与第二复眼透镜组在水平方向上的距离。
13.优选地，所述调节结构包括旋钮、主轴和副轴，旋钮固定在主轴的顶部，所述主轴伸入所述准直导光镜筒身上开的小孔，主轴的底部侧面连接副轴，所述第一复眼透镜组的顶部沿其长度方向设置有横条状的限位口，所述副轴的底部通过限位口滑动连接到所述第一复眼透镜组。
14.优选地，所述聚焦透镜的顶部设置有调节结构，所述调节结构用于调节所述聚焦透镜与第二复眼透镜组在水平方向上的距离。
15.优选地，所述调节结构包括旋钮、主轴和副轴，旋钮固定在主轴的顶部，所述主轴伸入所述准直导光镜筒身上开的小孔，主轴的底部侧面连接副轴，所述聚焦透镜的顶部沿其长度方向设置有横条状的限位口，所述副轴的底部通过限位口滑动连接到所述聚焦透镜。
16.优选地，所述光源采用氙灯光源。
17.本实用新型的有益效果如下：
18.本实用新型采用的匀化光路结构优化了传输路径，进而降低最光强的损失；通过复眼透镜组实现匀化光路，匀化光路的效率提高且匀化效果提升；本实用新型可以得到单波长、光照均匀且强度分布也均匀的光；本实用新型适用于全波段的光，能够扩展到更宽的光谱范围和应用测试需求中去，光源可以依据测试需求进行更换，而设计的匀化光路无需改变，这样大大提升了该结构的利用率；采用了插槽插放的滤光片，通过简单的操作便可实现对复合光进行选择，过滤出特定波长的光，以便激发测试箱中的测试样品；可以提供较大面积的均匀光。
附图说明
19.图1是本实用新型的结构示意图；
20.图2是实施例3中第一复眼透镜组和调节结构的结构示意图；
21.附图标记：101-光源，102-准直导光镜筒，103-滤光片，104-第一复眼透镜组，105-第二复眼透镜组，106-聚焦透镜，107-平面反射镜，108-测试箱，201-旋钮，202-主轴，203-副轴，204-单元透镜。
具体实施方式
22.为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
23.因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
24.实施例1
25.如图1所示，本实施例提供一种基于荧光高光谱成像系统的匀化光路结构，设置于
光源101和测试箱108之间，测试箱108为暗箱，包括准直导光镜筒102、滤光片103、2个复眼透镜组、聚焦透镜106、平面反射镜107；
26.所述光源101对准所述准直导光镜筒102的进光口，准直导光镜筒102的前端设置有滤光片103插槽，滤光片103可拆卸安装在所述滤光片103插槽内，所述准直导光镜筒102的末端插入所述测试箱108；
27.所述准直导光镜筒102的末端沿光路径依次设置有相互平行的第一复眼透镜组104、第二复眼透镜组105和聚焦透镜106；所述聚焦透镜106对准平面反射镜107，所述平面反射镜107安装在所述测试箱108的顶部；所述平面反射镜107用于将光反射到所述测试箱108内的样品台。
28.其工作原理为：
29.本实施例的匀化光路结构设置于光源101和测试箱108之间，用于将测试用的光源101进行匀化然后传导到测试箱108中，为测试箱108中的待测样品提供均匀光源101。综合来说，本方案在激发光源101、激发光传输路径、传输效果等方面进行优化设计，在不损失激发光亮度的情况下，激发光源101输出的光先后经过设计的复眼透镜组来实现提升入射光的匀化效果、效率，进而经过聚焦透镜106和平面反射镜107后的光路传输的光能量到达测试样品的表面，并激发样品产生荧光，而荧光信号再经过发射滤光片后被高光谱相机采集。
30.简单来说就是光源101发出的激光经过准直调整以后，由滤光片103过滤出特定的波长，具体地滤光片103的选择根据波长需求决定；滤光片103滤出的光依次经过第一复眼透镜组104和第二复眼透镜组105，被调整为均匀的准直光路，然后经过聚焦透镜106进行焦点成像，得到光源101斑点，最终通过平面反射镜107进行反射，使得焦点处的光源101成像清晰呈现在测试箱108内测试台上的测试样品上。
31.匀化光路结构的设计主要是为了解决目前荧光高光谱成像技术应用中存在的一些问题，例如：无法提供连续的、任意波长、结构和操作简单的激发光源101；传统的结构中，由于光纤或者光波导视场存在局限性，无法提供大面照射光斑；光纤或者光波导在无聚焦镜头的配合下，无法提供足够强度的、均匀性非常好的激发入射光信息；光纤或者光波导输出的光经过平面反射镜107反射后，均匀的照射在样本上的各部位，入射光直接照射样品带来接触式损坏；因此本实施例对荧光高光谱系统中的光路进行优化设计，可以充分利用复眼透镜组作为光信号传输的媒介，减小光能量的损耗；可以利用高通量的透镜组镜片构造复眼透镜组，减小激发光造成的损害；对激发光经过高数值孔径的复眼透镜组，匀化结构将激发光更进一步的进行了匀化处理；经过匀化处理的激发光经过聚焦透镜106的作用，使其出射光斑能够清晰的成像。
32.本实施例采用的第一复眼透镜组104能够形成更为微型聚焦透镜106的面阵列布局，使得氙灯等光源101发射出来的汇聚光斑的焦点能准确的成像在第二复眼透镜组105的上，形成更大面积、更高细分度、更高通过效率、更宽光谱范围响应的光学成像结构，最后高效的照射在样品上，形成激发光。
33.特别说明的是，通过本实施例获取匀化光路后的激发光以后，照射到待测试的样品上的入射光是单波长的、光照均匀、强度分布均匀的光，被测试箱108内的探测器采集到的图像也是样本单波长荧光图像。
34.实施例2
35.本实施例基于实施例1的技术方案，也就是包括准直导光镜筒102、滤光片103、2个复眼透镜组、聚焦透镜106、平面反射镜107；所述光源101对准所述准直导光镜筒102的进光口，准直导光镜筒102的前端设置有滤光片103插槽，滤光片103可拆卸安装在所述滤光片103插槽内，所述准直导光镜筒102的末端插入所述测试箱108；所述准直导光镜筒102的末端沿光路径依次设置有相互平行的第一复眼透镜组104、第二复眼透镜组105和聚焦透镜106；所述聚焦透镜106对准平面反射镜107，所述平面反射镜107安装在所述测试箱108的顶部；所述平面反射镜107用于将光反射到所述测试箱108内的样品台。
36.作为优选方案，可参阅图2的第一复眼透镜组104，第二复眼透镜组105与其结构相同，所述复眼透镜组包括9个紧密排列的单元透镜204，九个单元透镜204呈3x3排列；
37.进一步地，每个单元透镜204的尺寸为5mmx5mm。
38.首先可知，两个复眼透镜组是平行设置，第一复眼透镜组104中的各个单元透镜204的焦点与第二复眼透镜组105中对应的单元透镜204的中心重合，两列复眼透镜的光轴互相平行，其工作原理如下：
39.第一复眼透镜组104将射来的较宽的光源101进行处理成多个较细的光源101，第二复眼透镜组105的每个单元透镜204将第一复眼透镜组104中相对应的单元透镜204射出的光重叠成像于照明面上。由于第一复眼透镜组104将光源101的整个宽光束分为多个细光束照明，且每个细光束范围内具备垂轴不均匀性，但是由于处于对称位置细光束的相互叠加，使细光束的垂轴不均匀性获得补偿，从而使整个孔径内的光能量得到有效均匀的利用。从第二复眼透镜组105的出射的光斑通过聚焦透镜106聚焦在平面反射镜107上，这样，平面反射镜107上的光斑的每一点均受到光源101所有点发出的光线照射，同时，光源101上每一点发出的光束又都交会重叠到照明光斑上的同一视场范围内，所以得到一个均匀的方形光斑。
40.实施例3
41.本实施例基于实施例2的技术方案，相同的结构和原理不再赘述。
42.作为本实施例的优选方案，所述第一复眼透镜组104的顶部设置有调节结构，所述调节结构用于调节所述第一复眼透镜组104与第二复眼透镜组105在水平方向上的距离。
43.进一步地，如图2所示，所述调节结构包括旋钮201、主轴202和副轴203，旋钮201固定在主轴202的顶部，所述主轴202伸入所述准直导光镜筒102身上开的小孔，主轴202的底部侧面连接副轴203，所述第一复眼透镜组104的顶部沿其长度方向设置有横条状的限位口，所述副轴203的底部通过限位口滑动连接到所述第一复眼透镜组104。
44.另一方面，所述聚焦透镜106的顶部设置有调节结构，所述调节结构用于调节所述聚焦透镜106与第二复眼透镜组105在水平方向上的距离；这里的调节结构具体的结构和叶原理与用于调节第一复眼透镜组104的调节结构完全一致，可以包括旋钮201、主轴202和副轴203，旋钮201固定在主轴202的顶部，所述主轴202伸入所述准直导光镜筒102身上开的小孔，主轴202的底部侧面连接副轴203，所述聚焦透镜106的顶部沿其长度方向设置有横条状的限位口，所述副轴203的底部通过限位口滑动连接到所述聚焦透镜106。
45.优选地，所述光源101采用氙灯光源101。
46.本实施例的设计思路如下：
47.而在结构设计时，由于存在机械等误差，因此会引起第一复眼透镜组104形成的单
元透镜204重叠成像无法精准的映射到第二复眼透镜组105上每一个对应的单元透镜204上，本实施例的方案中采用第一复眼透镜组104可进行微调的方式来实现二者直接的空间修正，具体操作时，工作人员可以360度旋转拧动旋钮201，主轴202随着旋钮201一起同步转动，进而主轴202带动底部侧面的副轴203也一起运动，主轴202和副轴203一起形成一个曲轴，也就是说随着旋钮201的不间断旋转，副轴203会形成一个一主轴202为中心的圆周运动，与此同时，由于第一复眼透镜组104顶部横条状的限位槽，所以副轴203的运动实际受到了限位，进而只会带动第一复眼透镜组104在水平方向做往复直线运动，运动的方向和横条限位槽相互垂直，在这里也就是对第一复眼透镜组104和第二复眼透镜组105的距离进行了调节，本实施例通过对调节结构的尺寸设计可以优选形成正负0.5mm的可调整行程，而第二复眼透镜组105是固定不动的。
48.基于同样的调节原理，聚焦透镜106也设计成可以进行微调整的相同的结构，因为第二复眼透镜组105成的像可能无法找到合适的焦点，所以通过该调节结构来实现二者的空间距离的调节，同样的，聚焦透镜106也可以以第二复眼透镜的中心位置为基准形成正负0.5mm的可调整行程。