一种测量玻璃材料自发荧光的设备及方法与流程

1.本发明涉及光学精密测量技术领域，特别涉及一种测量玻璃材料自发荧光的设备及方法。


背景技术：

2.对于晚期癌症，很难进行有效地治疗，因此，需要在这些癌症恶化前期对这些癌症或者发育异常进行原位检测。目前，最广泛使用的早期检测方法是通过内窥镜进行检查。在进行内窥镜检查时，采用适当波长的光照亮组织并观察由此产生的荧光。组织产生的荧光一般比激发照明光的波长更长，并且通常非常微弱，因此，在观察组织产生的荧光时，通常采用光谱技术进行观察。
3.在使用荧光信息进行诊断的方法通常分为两种，第一种方法是在给患者注射光敏剂，利用人体病变组织(如癌组织)与正常组织吸收荧光光敏剂不同的特性，采用近红外激发光源激发荧光成像。该方法的缺点在于，使用该方法时，需要给患者提前注射光敏剂，应用这些药物将会花费额外的时间，并且可能引起不良的副作用，具有更大的侵入性，除此之外，不同的患者对光敏剂的敏感程度不同，有些患者将无法采用该方法进行诊断。另一种方法是，观察利用特定区间的光谱激发人体器官粘膜产生的自发荧光，由于正常组织与病变组织产生的荧光强度不同，病变组织内产生荧光的物质将减少，造成自发荧光减弱，病变组织及其周围厚度增加也会减少自发荧光的发出，另外，病变组织血运丰富，血红蛋白吸收部分自发荧光也会造成自发荧光的减弱。例如，正常的结肠组织在用370nm的紫外光照射时，会呈现峰值在450nm的广谱蓝色荧光，这种蓝色荧光主要来源于胶原、结缔组织的主要蛋白质，这些胶原和蛋白质是薄粘膜层内发现的并且是粘膜下层中占支配位置的成分。发育异常的结肠组织由于其结构和化学性质发生了变化，所以在同样的照明条件下其荧光强度只有正常结肠组织的1/2至1/3。通过观察自发荧光的强度和波长的变化，可以观察到发育异常的组织。因此，通过这种检测组织自发荧光的方法，侵入性较小并且更加适合用于普查目的的内窥镜检查。
4.在观察组织的自发荧光时，因为需要通过光路系统将特定波长的光照射到观察组织上，因此，光路系统中将包含多个光学器件对照射光进行传输。但是这些光学器件在对照射光进行传输时，很可能因为照射光而产生自发荧光，若该自发荧光的波段与待测组织产生的自发荧光波段重合，将会对测量结果产生较大的影响。在实际使用中，大部分的光学器件均是玻璃材质的，但是目前的玻璃材料手册上并没有相应的自发荧光信息，因此，光学器件对自发荧光的影响尚处于不可知的状态，由于病变组织的自发荧光较为微弱，即使很小的噪声也可能对病变组织的判断造成影响，若在实际使用过程中，不考虑玻璃自发荧光的影响，则可能会出现假阴性较高的问题，无法作为诊断依据。
5.因此，亟需一种玻璃材料自发荧光测量设备和方法，其能准确地检测玻璃自发荧光的情况，并能根据玻璃自发荧光的情况，进行内窥镜光路中光学器件材质的选取。


技术实现要素：

6.为了解决上述技术问题，本发明提供一种玻璃材料自发荧光测量设备，其特征在于，所述玻璃材料自发荧光测量设备包括光源模块、自发荧光收集模块、自发荧光测量模块和黑盒模块，其中，所述光源模块包括激光器和准直镜，所述准直镜用于将激光器发出的单色激光光束变成一束平行光束；所述自发荧光收集模块包括第一激发滤光片、待测玻璃、第二激发滤光片、第一集光镜、反射镜、第二集光镜和聚光镜；激光光束依次经过第一激发滤光片、待测玻璃和第二激发滤光片，激光光束经过待测玻璃的中心，且第一激发滤光片和第二激发滤光片分别与激光光束的入射方向和出射方向垂直；反射镜、第一集光镜、第二集光镜和聚光镜依次位于与激光光束光轴垂直的方向，反射镜和第一集光镜位于待测玻璃的一侧，第二集光镜和聚光镜位于待测玻璃的另一侧；第一集光镜和第二集光镜用于收集待测玻璃产生的自发荧光，第一集光镜和第二集光镜为成准半球状的平凸透镜，第一集光镜和第二集光镜的透镜焦点位于待测玻璃的中心；聚光镜用于对第一集光镜和第二集光镜收集的自发荧光进行汇聚；所述自发荧光测量模块包括光子测量装置，所述光子测量装置位于所述聚光镜的焦点处，用于测量经聚光镜汇聚的自发荧光；所述黑盒模块包括一个黑盒子，所述自发荧光收集模块和所述自发荧光测量模块放置于所述黑盒模块中。
7.采用本发明中提供的玻璃材料自发荧光测量设备进行玻璃材料自发荧光测量时，具有以下优点：(1)通过设置第一激发滤光片，使得只有特定波长的激光束能进入自发荧光测量系统，使其与实际应用环境一致；且第一激发滤光片和第二激发滤光片分别与激光光束的入射方向和出射方向垂直，使得测量系统中能量最强的激光光束的绝大部分能量离开测量系统，减小激光光束对自发荧光测量的影响；(2)待测玻璃的形状为球形，且第一集光镜和第二集光镜的透镜焦点聚焦于待测玻璃的中心，通过对待测玻璃、第一集光镜和第二集光镜形状和位置的设计，使得待测玻璃的绝大部分自发荧光均能通过集光镜进入测量系统中，保证自发荧光测量的准确性；(3)本发明中的激光器为超连续谱激光器，在进行玻璃材质自发荧光测量时，通过更换第一激发滤光片和第二激发滤光片，可以实现待测玻璃在任意激发波长下的自发荧光测量。
8.优选地，所述第二集光镜和所述聚光镜之间还包括一截止滤光片。截止滤光片用于滤除激光光束经过待测玻璃表面时可能产生的散射光，进一步消除激光光束对自发荧光测量结果的影响。
9.优选地，所述第二集光镜和所述聚光镜之间还包括一荧光滤光片。荧光滤光片用于过滤自发荧光，使得与待测荧光相关的波长通过，进而评估待测玻璃产生的自发荧光对测量结果的影响。
10.优选地，所述待测玻璃为球状或者圆柱状。
11.优选地，所述激光器为超连续光谱激光器。
12.优选地，所述平行光束的外径小于待测玻璃的有效口径。
13.优选地，所述光子测量装置为光电倍增管、光子计数器或者光谱仪。
14.优选地，所述黑盒模块为一个内壁涂黑的黑盒子或者内壁贴满黑色绒布的黑盒子，所述黑盒子包括两个小孔，所述两个小孔为激光光束的入口和出口。
15.优选地，所述玻璃材料自发荧光测量设备用于选取内窥镜光路中的玻璃光学器件材质。
16.本发明的另一方面，还提供一种玻璃材料自发荧光测量方法，所述玻璃材料自发荧光测量方法包括以下步骤：将自发荧光收集模块和自发荧光测量模块放置于黑盒模块中，并打开光源模块中的激光器；激光器发出的激光光束从黑盒模块的一侧进入，并从黑盒模块的另一侧离开，且该激光光束经过待测玻璃的中心；集光镜对待测玻璃产生的自发荧光进行收集，并用聚光镜对收集到的自发荧光进行汇聚；以及采用光子测量装置对收集到的自发荧光进行测量。
附图说明
17.图1为本发明中提供的玻璃材料自发荧光测量设备的示意图。
18.图2为本发明中玻璃材料自发荧光测量方法的流程图。
具体实施方式
19.如图1中所示，为本发明中提供的玻璃材料自发荧光测量设备的示意图。该玻璃材料自发荧光测量设备包括光源模块11、自发荧光收集模块12、自发荧光测量模块13以及黑盒模块14。
20.光源模块11包括激光器111和准直镜112，准直镜112用于将激光器111发出的单色激光光束变成一束发射角较小的平行光束。
21.自发荧光收集模块12中包括一对激发滤光片，即第一激发滤光片121和第二激发滤光片124，以及待测玻璃125，其中，待测玻璃125与激光光束共轴，激光光束经过待测玻璃的中心，激光光束的外径小于待测玻璃125的有效口径。激光光束依次经过第一激发滤光片121、待测玻璃125以及第二激发滤光片124，第一激发滤光片121和第二激发滤光片124分别与激光光束的入射方向和出射方向垂直。第一激发滤光片121和第二激发滤光片124用于确保只有激发波段波长的激光可以通过，第二激发滤光片124用于让激光光束离开测量装置，可以减小激光光束能量对自发荧光测量的影响。自发荧光收集模块12还包括第一集光镜122、反射镜123、第二集光镜126以及聚光镜129。反射镜123、第一集光镜122、第二集光镜126以及聚光镜129依次位于与激光光束光轴垂直的方向，其中，反射镜123和第一集光镜122位于待测玻璃125的一侧，第二集光镜126和聚光镜129位于待测玻璃125的另一侧。第一集光镜122和第二集光镜126用于收集待测玻璃产生的自发荧光，且第一集光镜122和第二集光镜126为呈准半球状的平凸透镜，并包括球面和平面，该球面的周缘和该平面的周缘连接，且第一集光镜122和第二集光镜126的透镜焦点位于待测玻璃125的中心。在该实施例中，待测玻璃125为玻璃球，第一集光镜122和第二集光镜126的透镜焦点位于待测玻璃125的球心位置，除了该实施例中玻璃球之外，待测玻璃125还可以为圆柱体等形状，在此并不进行限制。
22.在实际测量过程中，激光光束经过第一激发滤光片121，并且穿过待测玻璃125的球心，在经过第二激发滤光片124离开测量系统。当激光光束穿过待测玻璃125的球心时，待测玻璃125被激光光束激发后发出荧光，荧光向四周发射，因为第一集光镜122和第二集光镜126的透镜焦点聚焦于待测玻璃125的中心，因此，待测玻璃125发出的绝大部分荧光将经过第一集光镜122和第二集光镜126，进而被第一集光镜122和第二集光镜126收集。被第一集光镜122收集的荧光，经过反射镜123反射再次经过第一集光镜122，然后通过待测玻璃
125进入第二集光镜126；这样第一集光镜122收集的荧光与第二集光镜126收集的荧光一起再经过聚光镜129进行汇聚，这些荧光将被汇聚至聚光镜129的焦点处。为了更好地实现对自发荧光进行测量，在第二集光镜126与聚光镜129之间可以放置截止滤光片127，截止滤光片127用于滤除激光光束经过待测玻璃125表面时可能产生的散射光，进一步消除激光光束对自发荧光测量结果的影响。在第二集光镜126与聚光镜129之间还可以放置荧光滤光片128，荧光滤光片128用于过滤自发荧光，使得与待测荧光相关的波长通过，进而评估待测玻璃125产生的自发荧光对测量结果的影响。
23.自发荧光测量模块13用于对收集的自发荧光进行测量，自发荧光测量模块13包括光子测量装置131，该光子测量装置131位于聚光镜129的焦点处，用于测量经聚光镜129汇聚的自发荧光。光子测量装置131可以为光电倍增管或者光子计数器，光电倍增管或者光子计数器读取的能量即为玻璃自发荧光的大小；光子测量装置131还可以为高精度光谱仪，光谱仪可以读取自发荧光的发光光谱。光子测量装置131的测量结果可以作为内窥镜光路中玻璃光学器件材质选取的依据之一。若光子测量装置131所测量的自发荧光能量超过设定的阈值，则认为该种材质的玻璃产生的在测量波段范围内的自发荧光能量较高，不适合用于该波段的生物组织自发荧光测量光路；若光子测量装置131所测量的自发荧光能量未超过设定的阈值，则认为该种材质的玻璃产生的在测量波段范围内的自发荧光能量不高，可以用于该波段的生物组织自发荧光测量光路。
24.黑盒模块14包括一个黑盒子，该黑盒子用于提供自发荧光测量的测量环境，使得在进行自发荧光测量时，减小外界光对测量结果的影响。自发荧光收集模块12和自发荧光测量模块13均放置于黑盒模块14中，黑盒模块14为一个内壁涂黑的黑盒子或者内壁贴满黑色绒布的黑盒子，该黑盒子包括两个小孔，这两个小孔作为激光光束的入口和出口。
25.为了提高该玻璃材料自发荧光测量设备的通用性，激光器111为超连续光谱激光器，超连续光谱激光器具有更宽的光谱范围，可以配合滤波器产生波长可调的激光。使用超连续光谱激光器，可以使得该玻璃材料自发荧光测量设备用于测量玻璃材料在常用的激发波长下的自发荧光。当测量不同激发波长下的玻璃材料的自发荧光时，自发荧光测量设备中的第一激发滤光片121、第二激发滤光片124、截止滤光片127以及荧光滤光片128需要进行相应的更换。
26.采用本发明中提供的玻璃材料自发荧光测量设备进行玻璃材料自发荧光测量时，具有以下优点：(1)通过设置第一激发滤光片，使得只有特定波长的激光束能进入自发荧光测量系统，使其与实际应用环境一致；且第一激发滤光片和第二激发滤光片分别与激光光束的入射方向和出射方向垂直，使得测量系统中能量最强的激光光束的绝大部分能量离开测量系统，减小激光光束对自发荧光测量的影响；(2)待测玻璃的形状为球形，且第一集光镜和第二集光镜的透镜焦点聚焦于待测玻璃的中心，通过对待测玻璃、第一集光镜和第二集光镜形状和位置的设计，使得待测玻璃的绝大部分自发荧光均能通过集光镜进入测量系统中，保证自发荧光测量的准确性；(3)本发明中的激光器为超连续谱激光器，在进行玻璃材质自发荧光测量时，通过更换第一激发滤光片和第二激发滤光片，可以实现待测玻璃在任意激发波长下的自发荧光测量。
27.本发明中还提供一种玻璃材料自发荧光测量方法，如图2中所示，为本发明中玻璃材料自发荧光测量方法的流程图。该方法包括以下步骤：s11：将自发荧光收集模块和自发
荧光测量模块放置于黑盒模块中，并打开光源模块中的激光器；s12：激光器发出的激光光束从黑盒模块的一侧进入，并从黑盒模块的另一侧离开，且该激光光束经过待测玻璃的中心；s13：集光镜对待测玻璃产生的自发荧光进行收集，并用聚光镜对收集的自发荧光进行汇聚；s14：采用光子测量装置对收集的自发荧光进行测量。为了对待测玻璃的自发荧光进行更好地测量，待测玻璃为球形，且包含分布在待测玻璃两侧的两个集光镜，集光镜为接近半球的平凸透镜，并包括球面和平面，该球面的周缘和该平面的周缘连接，且集光镜的透镜焦点位于待测玻璃的中心。通过对待测玻璃以及集光镜形状和位置的设计，使得待测玻璃的大部分荧光均能被收集和测量。
28.以上所述仅是本发明的优选实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以优选实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案的范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本实用发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。