专利名称：暗场化学成像的方法和设备的制作方法
暗场化学成像的方法和设备技术领域0001本发明涉及暗场化学成像的方法和设备。
背景技术：
图1是按照本发明一个实施例的设备示意图；[(H)12I图2是按照本发明另一个实施例的设备示意图；[00131图3表示利用按照本发明一个实施例的方法和设备产生的样本喇曼图像；和[0014图4表示从图3所示苯二甲酸聚乙烯(polyethylene naphthalate)的超光语图像中提取的喇曼光语。
具体实施方式
00151本发明的各个实施例提供低成本的光学装置和特别适用于 光谱成像系统的方法，其中借助于提供较高的光传输并结合成像装置 的高收集效率和减小的散射。与按照本发明原理公开的设备比较，常 规的透镜物镜是较复杂和成本高。由于被观察样本的颜色和分辨率是 由可调谐滤波器和成像监测器的分辨率确定，该系统不需要利用普通 显微镜中使用的常规高分辨率和低像差透镜。的确，较简单的低分辨 率/像差透镜可以设计成有较大的数值孔径以提高系统的处理能力(光 传输和收集效率)，与此同时提供与常规系统相同质量的分辨率。00161用于照射样本的辐射不需要传输通过普通显微镜或宏视镜 的光学系统。它可以从样本的下侧进行照射。这可以导致入射激励光 子有减小的内部散射和衰减。光学系统之外照射光源定位还能够实现 较简单的低功率/低成本照射源以及低成本集成几个照射源进入一个 系统。[0017I例如，在微喇曼光谱术中，照射光束和显微镜聚焦到衍射 受限光斑上，用于收集喇曼散射光。相同的成像系统也可用于全视场 喇曼成像。这种仪器配置已证明光学效率低和成本高。由于激光传数 和喇曼散射光收集的组合光损耗可以严重限制喇曼化学成像应用的数 目。发生光学低效率是由于当入射的激光强度远远高于喇曼散射光时， 必须光谱分开相关的光信号与入射的激光。所以，被检测的喇曼信号 被大大地减小了 ，因为必须从光语和角度上分开这个信号。[0018图1是按照本发明一个实施例的设备示意图。图1的设备 能够在各种放大率下提供用于成像低光强度的高效光处理能力。参照 图1，样本100放置在基片105上。基片105可以是任何普通显微镜 的载物片或用于接受和任选地固定样本100的其他装置。[00191光源110的作用是给样本100提供入射光。光源110可以 包括任何常规的光子源，例如，激光器，LED和其他红外或近红外装 置。还可以选取这样的光源110，它提供样本的倏逝光照射。在一个 实施例中，光源的波长是在15-25 cm"的范围内。参照图1，应当注 意，光源110的位置是给样本IOO提供倾斜的入射光，而不是光垂直 照射到样本100上。换句话说，用于照射样本的辐射不需要传输通过 常规显微镜(或宏视镜)的光学系统；相反，它可以从样本之上或之 下倾斜地照射样本。光子束112被反射镜115接收并偏转通过透镜 120。任选地，透镜120可用于聚焦光到样本100。或者，在不需要反 射镜115的情况下，光子束112可以被引向样本100。[0020到达样本100的光子束112中许多光子被该样本吸收或在 到达该样本之后发生散射。散射光子是用光束116和118表示，而光 谱反射的光子是用光束114表示。光子发出的发光也是用光束118表 示。光学透镜125的作用是接收发射和散射的光子束116和118。术 语'发光，通常用于包括宽范围的光学过程，例如，荧光，磷光，光致 发光，场致发光，化学发光，声致发光，热致发光，以及甚至升频转 换型发光。光学透镜125可用于收集和聚焦被接收的光子束。这包括 收集和聚焦偏振光子和非偏振光子。 一般地说，样本的尺寸确定光收 集光学透镜125的选取。例如，显微镜透镜可用于分析亚微米至微米 样本。对于较大的样本，可以使用宏透镜。光学透镜125(以及透镜 120)可以包括有较大数值孔径的简约分辨率/像差透镜，从而提高系 统的光处理能力和效率。[00211反射镜130的作用是引导发射或散射的光子束118到可调 谐滤波器140。应当注意，放置反射镜130是任选的，且在可调谐滤 波器放置在样本100之上的某些配置中，反射镜可能不是必需的。0022激光带阻滤波器135可以放置在可调谐滤波器140之前， 用于滤出用光束116表示的散射照射光并用于优化系统的性能。换句 话说，带阻滤波器135能够光镨滤波照射波长下的光。为了实现最佳 的性能，计算机可用于控制图1中所示的任何光学装置，其中包括透 镜(120, 125， 135)，反射镜(115， 130)和可调谐滤波器140。[0023包括液晶可调谐滤波器("LCTF")和声光可调谐滤波器 ("AOTF")的常规可调谐滤波器(包括电光可调谐滤波器)可用于 扩展本发明的原理。电光滤波器(或可调谐滤波器)允许特定波长或 波长范围的光传输通过作为图像，它取决于控制器(未画出)对该装 置的控制信号。可以传输通过可调谐滤波器140的波长是在200 nm(紫外光)至2000 nm (即，远红外光)的范围内。波长的选择取决于所 需的光学区和/或被分析样本的性质。[0024I图像传感器145可以是数字式装置，例如，二维图像焦平 面阵列("FPA")。用于描述相关样本特征的光学区控制FPA检测器 的选择。例如，硅电荷耦合器件("CCD")检测器可用于可见光波长 荧光和喇曼光诿成像，而砷化镓(GaAs )和砷化镓铟(GalnAs ) FPA 检测器可用于近红外波长的图像分析。这种装置的选择取决于被分析 的样本类型。在利用可调谐滤波器140处理时，图像传感器"5产生该样本整个视场的数字图像。[0025j图2表示按照本发明另一个实施例的设备示意图。更具体 地说，图2表示具有高处理能力的光学配置，用于成像有各种放大率 的低光强度。收集光学元件类似于图1所示的收集光学元件，但是照 射是从样本IOO之下实现的。0026应当注意，在图1和图2中，样本IOO是在倾斜角下被照 射的。具体地说，参照图2，光子束120和样本100的平面轴确定倾 斜角。我们发现，通过倾斜照射，可以发生所谓的"暗场喇曼成像"。 与常规的明场喇曼配置不同，暗场喇曼成像可以去耦图像捕获光学元 件与激励辐射的传递。因此，可以使入射辐射的内部散射和衰减最小 化。此外，光学系统以外的光源定位还能够较简单和低成本地集成几 个照射源到系统中。这种配置的应用不局限于喇曼和发光成像，而且 还可以成功地应用于常规的光镨术。0027此处公开的配置特别适用于喇曼成像微流管路或经受变化 的生物样本。这些变化可以包括下列的各种变化位移，化学相互作 用，化学态变化，相变，生长，收缩，化学分解，化学代谢，和物理 应变。0028图3表示利用按照本发明实施例方法和设备形成的样本喇 曼图像。更具体地说，图3表示利用按照本发明实施例的单透镜成像 设备得到在1389 cm"下的苯二甲酸聚乙烯颗粒的喇曼图像。入射的功 率约为100 mW,它是532 nm波长的光照射到直径为3 mm的圆形区。 利用有2x2小格子的512x512 CCD积分2.0秒捕获喇曼图像。图4表 示从图3所示苯二甲酸聚乙烯的超光谱图像中提取的喇曼光谱。图4 所示的喇曼光谱基本上没有在利用常规测试配置时出现的光学噪声。[00291虽然此处公开的原理是结合以上提供的非专用典型实施 例，但是应当注意，本发明的原理不局限于以上所描述的内容，而可 以包括这些内容的任何置换和改动。
权利要求
1. 一种用于得到样本的空间准确波长分辨图像的方法，该方法包括以下步骤提供一个样本；利用多个光子照射样本，从而产生该样本散射的光子；和 通过光学装置收集散射光子，从而得到该样本的空间准确波长分 辨图像，其中照射光子并不传输通过光学装置。
2. 按照权利要求1的方法，其中散射光子包括样本发射的光子。
3. 按照权利要求l的方法，其中波长分辨图像包括喇曼图像。
4. 按照权利要求l的方法，其中波长分辨图像包括发光发射图像。
5. 按照权利要求l的方法，其中收集散射光子的步骤包括收 集有预定波带内的波长的散射光子。
6. 按照权利要求5的方法，其中收集散射光子的步骤包括得到多組散射光子，定波带中的光子，和其中从每组散射光子中得到该样本的空间准确波长分辨图像。
7. 按照权利要求l的方法，其中收集散射光子的步骤发生在预 定的时间间隔内。
8. 按照权利要求6的方法，其中在所述时间间隔内，样本经历 选自下列构成的变化组中的变化空间位移，化学相互作用，化学态， 相，生长，收缩，化学分解，化学代谢，和物理应变。
9. 按照权利要求l的方法，其中照射样本的步骤包括利用相 对于一个平面倾斜一个角度传输的光子照射样本，样本的取向基本上 是在该平面内。
10. 按照权利要求1的方法，其中散射光子的波长不同于照射光子的波长。
11. 按照权利要求l的方法，其中照射样本的步骤包括照射 与光学装置相对着的样本的一侧。
12. 按照权利要求l的方法，其中照射样本的步骤包括来自 倏逝光源的光子。
13. 按照权利要求l的方法，其中收集散射光子的步骤包括 收集散射的偏振光子。
14. 按照权利要求1的方法，其中收集散射光子的步骤包括 收集散射的非偏振光子。
15. 按照权利要求1的方法，还包括步骤通过光滤波器滤波 被收集的光子。
16. 按照权利要求l的方法，还包括步骤光谱分开被收集的光子。
17. —种用于得到样本的空间准确波长分辨图像的系统，包括样本；光子发射源，利用多个光子照射样本，从而产生该样本散射的光子；光学透镜，用于收集散射光子；滤波器，用于接收收集的散射光子并提供由此形成的滤波光子；和电荷耦合器件，用于接收被滤波的光子并由此得到该样本的空间 准确波长分辨图像，其中照射光子并不传输通过光学透镜。
18. 按照权利要求17的系统，其中散射光子包含样本发射的光子。
19. 按照权利要求17的系统，其中波长分辨图像包括喇曼图像。
20. 按照权利要求17的系统，其中波长分辨图像包括发光发 射图像。
21. 按照权利要求17的系统，其中收集散射光子的步骤包括: 收集有预定波带内的波长的散射光子。
22. 按照权利要求21的系统，其中收集散射光子的步骤包括 得到多组散射光子，定波带中的光子，和' 、5 、 '"、、 、其中从每组散射光子中得到该样本的空间准确波长分辨图像。
23. 按照权利要求17的系统，其中收集散射光子的步骤发生 在预定的时间间隔内。
24. 按照权利要求22的系统，其中在所述时间间隔内，样本 经历选自下列构成的变化组中的变化空间位移，化学相互作用，化 学态，相，生长，收缩，化学分解，化学代谢，和物理应变。
25. 按照权利要求17的系统，其中照射样本的步骤包括利用相对于一个平面倾斜一个角度传输的光子照射样本，样本的取向基 本上是在该平面内。
26. 按照权利要求17的系统，其中散射光子的波长不同于照 射光子的波长。
27. 按照权利要求17的系统，其中照射样本的步骤包括照 射与光学装置相对着的样本的一侧。
28. 按照权利要求17的系统，其中照射样本的步骤包括来 自倏逝光源的光子。
29. 按照权利要求17的系统，其中收集散射光子的步骤包括: 收集散射的偏振光子。
30. 按照权利要求17的系统，其中收集散射光子的步骤包括收集散射的非偏振光子。
31. 按照权利要求17的系统，还包括步骤通过光滤波器滤波被收集的光子。
32. 按照权利要求17的系统，还包括步骤光谱分开被收集 的光子。
33. 按照权利要求17的系统，其中可调谐滤波器包括 一个 或多个光子晶体，反射镜，固态光学装置和微机械加工的可调谐滤波 器。
34. 按照权利要求17的系统，其中滤波器是可调谐滤波器。
35. 按照权利要求34的系统，其中可调谐滤波器是光滤波器。
36. 按照权利要求17的系统，还包括插入在光学透镜与该 滤波器之间的陷波滤波器。
37. 按照权利要求17的系统，其中光子照射源的放置相对于 样本和滤波器形成的轴成一个角度。
38. 按照权利要求17的系统，其中样本的一个或多个波长分 辨图像限定一个喇曼图像。
39. —种用于形成样本的图像的设备，包括 光子发射器，用于发射多个照射光子到样本；用于从所述多个照射光子中产生散射光子的所述样本；用于收集散射光子并形成样本图像的透镜；和可调谐滤波器，用于接收被收集的光子， 其中光子发射器，样本和可调谐滤波器之间有相对的位置，因此， 照射光子与散射光子之间的角度形成倾斜角。
40. 按照权利要求39的设备，其中散射光子包含样本发射的光子。
41. 按照权利要求39的设备，还包括插入在可调谐滤波器 与透镜之间的光滤波器。
42. 按照权利要求39的设备，其中透镜基本上不收集照射光子。
43. 按照权利要求39的设备，其中形成的图像是喇曼图像。
44. 按照权利要求39的设备，其中可调谐滤波器是液晶可调 谐滤波器。
45. 按照权利要求39的设备，还包括电荷耦合器件。
46. 按照权利要求39的设备，其中形成的图像是发光发射图像。
47. —种用于得到样本的空间准确波长分辨图像的方法，该方 法包括以下步骤提供一个样本；利用多个光子照射样本，从而产生该样本发射的光子；和 通过光学装置收集散射光子，从而得到该样本的空间准确波长分 辨图像，其中照射光子并不传输通过光学装置。
48. 按照权利要求47的方法，其中波长分辨图像包括喇曼图像。
49. 按照权利要求47的方法，其中波长分辨图像包括发光发 射图像。
50. 按照权利要求47的方法，其中收集发射光子的步骤包括 收集有预定波带内的波长的发射光子。
51. 按照权利要求50的方法，其中收集发射光子的步骤包括 得到多组发射光子，定波带中的光子，和其中从每组发射光子中得到该样本的空间准确波长分辨图像。
52. 按照权利要求47的方法，其中收集发射光子的步骤发生 在预定的时间间隔内。
53. 按照权利要求51的方法，其中在所述时间间隔内，样本 经历选自下列构成的变化组中的变化空间位移，化学相互作用，化 学态，相，生长，收缩，化学分解，化学代谢，和物理应变。
54. 按照权利要求47的方法，其中照射样本的步骤包括利 用相对于一个平面倾斜一个角度传输的光子照射样本，样本的取向基本上是在该平面内。
55. 按照权利要求47的方法，其中发射光子的波长不同于照 射光子的波长。
56. 按照权利要求47的方法，其中照射样本的步骤包括照 射与光学装置相对着的样本的一侧。
57. 按照权利要求47的方法，其中照射样本的步骤包括来 自倏逝光源的光子。
58. 按照权利要求47的方法，其中收集发射光子的步骤包括 收集发射的偏振光子。
59. 按照权利要求47的方法，其中收集发射光子的步骤包括 收集发射的非偏振光子。
60. 按照权利要求47的方法，还包括步骤通过光滤波器滤 波被收集的光子。
61. 按照权利要求47的方法，还包括步骤光谱分开被收集 的光子。
62. —种用于得到样本的空间准确波长分辨图像的系统，包括样本；光子发射源，利用多个光子照射样本，从而产生该样本发射的光子；光学透镜，用于收集发射的光子；滤波器，用于接收被收集的发射光子并由此提供被滤波的光子；和电荷耦合器件，用于接收被滤波的光子并由此得到该样本的空间 准确波长分辨图像，其中照射光子并不传输通过光学透镜。
63. 按照权利要求62的系统，其中波长分辨图像包括喇曼图像。
64. 按照权利要求62的系统，其中波长分辨图像包括发光发 射图像。
65. 按照权利要求62的系统，其中收集发射光子的步骤包括 收集有预定波带内的波长的发射光子。
66. 按照权利要求65的系统，其中收集发射光子的步骤包括: 得到多组发射光子，定波带中的光子、，和 、5 、 ' °' '其中从每组发射光子中得到该样本的空间准确波长分辨图像。
67. 按照权利要求62的系统，其中收集发射光子的步骤发生 在预定的时间间隔内。
68. 按照权利要求66的系统，其中在所述时间间隔内，样本 经历选自下列构成的变化组中的变化空间位移，化学相互作用，化 学态，相，生长，收缩，化学分解，化学代谢，和物理应变。
69. 按照权利要求62的系统，其中照射样本的步骤包括利 用相对于一个平面倾斜一个角度传输的光子照射样本，样本的取向基 本上是在该平面内。
70. 按照权利要求62的系统，其中发射光子的波长不同于照 射光子的波长。
71. 按照权利要求62的系统，其中照射样本的步骤包括照射与光学装置相对着的样本的一侧。
72. 按照权利要求62的系统，其中照射样本的步骤包括来自倏逝光源的光子。
73. 按照权利要求62的系统，其中收集发射光子的步骤包括收集发射的偏振光子。
74. 按照权利要求62的系统，其中收集发射光子的步骤包括收集发射的非偏振光子。
75. 按照权利要求62的系统，还包括步骤通过光滤波器滤波被收集的光子。
76. 按照权利要求62的系统，还包括步骤光谱分开被收集的光子。
77. 按照权利要求62的系统，其中可调谐滤波器包括 一个或多个光子晶体，反射镜，固态光学装置和微机械加工的可调谐滤波 器。
78. 按照权利要求62的系统，其中滤波器是可调谐滤波器。
79. 按照权利要求78的系统，其中可调谐滤波器是光滤波器。
80. 按照权利要求62的系统，还包括插入在光学透镜与滤 波器之间的陷波滤波器。
81. 按照权利要求62的系统，其中光子照射源的放置相对于 样本和滤波器形成的轴成一个角度。
82. 按照权利要求62的系统，其中样本的一个或多个波长分 辨图像限定一个喇曼图像。
83. —种用于形成样本的图像的设备，包括 光子发射器，用于发射多个照射光子到样本； 用于从所述多个照射光子中产生发射光子的所述样本； 用于收集发射光子并形成样本的图像的透镜；和 可调谐滤波器，用于接收被收集的光子，其中光子发射器，样本和可调谐滤波器之间有相对的位置，因此， 照射光子与发射光子之间的角度形成倾斜角。
84. 按照权利要求83的设备，还包括插入在可调谐滤波器与透镜之间的光滤波器。
85. 按照权利要求83的设备，其中透镜基本上不收集照射光子。
86. 按照权利要求83的设备，其中形成的图像是喇曼图像。
87. 按照权利要求83的设备，其中可调谐滤波器是液晶可调 谐滤波器。
88. 按照权利要求83的设备，还包括电荷耦合器件。
89. 按照权利要求83的设备，其中形成的图像是发光发射图像。
全文摘要
本发明一般涉及用于提供样本图像的方法和设备。该设备包含用于发射光子到样本的照射源。发射光子照射样本或在到达样本之后发生散射。透镜收集被散射的光子并传输散射光子到可调谐滤波器以形成图像。从照射源传输到样本的照射光子并不传输通过透镜。
文档编号G01J3/44GK101124461SQ200580021791
公开日2008年2月13日 申请日期2005年5月6日 优先权日2004年6月30日
发明者戴维·图谢尔, 梅尔·P·贝克曼, 维斯利·H·哈切森 申请人:凯米映像公司