專利名稱：雙包層光纖掃描顯微鏡的制作方法
技術領域：
本發明涉及掃描顯微鏡，并更具體地涉及利用雙包層光纖提高檢測效率的掃描顯微鏡。
背景技術：
最初，采用載物臺掃描，以便通過移動光柵圖中的樣本穿過靜止光束的聚焦點來獲得圖像。出射針孔放置在與被掃描點共軛的圖像平面中，這樣，僅源自焦斑的信號通過針孔被傳送，而離焦信號被阻止到達檢測系統。因此，共焦顯微鏡通常具有比廣角顯微鏡更高的分辨率，更重要的是，它具有切片能力，以獲得3-D圖像。載物臺掃描的優點是大大地擴展了視野范圍，這是因為可被成像的區域由掃描載物臺的行程決定，而不由顯微鏡的光學系統決定。然而，也存在限制其應用的缺點。由于它需要時間來精確地平移整個載物臺，所以掃描速度極低。此外，移動載物臺導致樣品特別是液體浸沒生物樣品的震動問題。當激光掃描共焦顯微鏡在20世紀80年代晚期發展成為實用儀器時，這些問題被回避，而是光束掃描由兩個檢流計鏡控制，其中檢流計鏡被成像到物鏡的入射光瞳上。因而，在入射平面僅入射激發光線的方向被偏移，而光瞳在整個掃描中仍完全被照亮。因此，目標之外的激光束的焦斑掃過要被成像的樣品。利用檢流計鏡的光束掃描具有較高的掃描速度，并且樣品不受震動的干擾，因為不存在樣品載物臺的移動。然而，光束掃描也有其本身的缺點。因為激光束到物鏡的入射光瞳上的入射角必須在特定的范圍內變化，即使利用昂貴的高質量物鏡，相關的象差也是不可避免的。此外，視野范圍嚴重地受到物鏡的可接受角的限制。盡管多光子共焦顯微鏡的發明通過省略出射針孔增強了檢測效率，但是基本的掃描機制仍與先前的共焦顯微鏡相同。

發明內容
如上文簡述，盡管載物臺和光束掃描共焦顯微鏡在許多研究領域中，特別是在生物學研究中是必不可少的工具，但它們都有自己的缺點。在本發明中，新的基于雙包層光纖的掃描共焦顯微鏡，其具有載物臺和光束掃描配置的雙重優點，而克服了傳統共焦顯微鏡的所有主要缺點。此外，本發明還提供了重要的新特征，如增加的靈活性和低成本。
根據本發明的原理，提供了掃描顯微鏡，其具有輸出激光能量的激光器。具有第一芯線和第二芯線的光纖部件耦合到激光器。光纖部件的第二芯線通常放置在第一芯線內，第一芯線也充當第二芯線的第一包層。第二芯線的尺寸小于第一芯線。第一芯線由第二包層包圍。光纖部件的反端被安裝到可移動載物臺，以便與其一起移動。
另外，根據下文提供的詳細描述，本發明的適用領域將變得顯而易見。應該理解的是，詳細的描述和特定的示例，雖然是說明本發明的優選實施例，但僅是示意性的，而不是要限制本發明的范圍。


依據詳細的描述和附圖，本發明將被更充分地理解，其中圖1是顯示與單模光纖比較的穿過雙包層光纖的被檢測的雙光子熒光能的圖；圖2是顯示本發明的雙包層光纖掃描顯微鏡的示意圖；和圖3顯示當GRIN透鏡用于聚焦激發光束并收集熒光或其它合成信號時的計算結果。被收集熒光的光斑大小的半徑大約是49μm，其在光纖末端大于輸出激發光束；圖4是用作掃描頭的雙包層光纖陣列的透視圖。
具體實施例方式
優選實施例的下列描述實際上僅是示范性的，而決不打算限制本發明、其應用或使用。
傳統的光束掃描包括在物鏡改變入射光束的角度，與傳統的光束掃描相反，本發明的光束掃描可通過移動光纖而獲得，該光纖傳遞激發所用的激光束，并沿同一光纖收集返回的信號。無論是單模還是多模光纖的傳統光纖都不能以該方式被實際應用。盡管單模光纖(SMF)具有激發所用的可接受模式，數值孔徑(NA)典型地是只有大約0.1，這導致效率非常低的信號收集。另一方面，雖然多模光纖具有適于收集信號的較大的數值孔徑，但輸出模式不能被緊聚焦，從而導致效率低的激發和低分辨率。另外，在多光子激發的情況下，多模光纖導致更低的激發速度，因為超短激光脈沖在通過多模光纖的傳播過程中被嚴重畸變。
為解決用于生物傳感的這一權衡問題，可使用雙包層光纖以便為光纖生物傳感同時增強激發和收集效率，如美國臨時申請號60/434,604所描述的。該申請在此引用作為參考。在該申請中，與由線B表示的傳統的SMF(參見圖1)相比，由線A表示的雙光子熒光檢測敏感度，通過利用光子晶體雙包層光纖而增加到40倍。
參考圖2，其顯示了通常標為10的雙包層光纖掃描顯微鏡的示意圖。雖然應該理解的是，基于該雙包層光纖掃描機制，可選的配置也是可能的。雙包層光纖掃描顯微鏡10被顯示具有能輸出激光束14的激光器12，激光束14也將被稱為激發激光束。激光器12能通過光纖耦合器18耦合到雙包層光纖或光纖部件16。更具體地，雙包層光纖16包括內芯線20、外芯線22和外包層24。內芯線20被顯示與外芯線22和外包層24中的每一個都同軸；但是，應理解的是，這不是必需的。應指出的是，外芯線22也可作為內芯線20的內包層，從而用于雙重目的。如圖3(a)所示，應理解的是，雙包層光纖16可以是包括多個光纖16的光纖部件系統16′。
激光器12通過光纖耦合器18與雙包層光纖16耦合，這樣，激光束14在雙包層光纖16的近端26被導入內芯線20。雙包層光纖16的遠端28被耦合到3-D快速掃描載物臺30，載物臺30用于移動從雙包層光纖16的遠端28射出的激光束14穿過關心的樣本。諸如GRIN透鏡的微透鏡34可被連接到雙包層光纖16的遠端28，以便把激光束14聚焦成甚至更小的光斑，從而獲得更高的分辨率。例如，但不限于從關心的樣本32發出的熒光信號，拉曼信號，激光束14的背反射，等等的合成信號然后通過雙包層光纖16的內芯線20和外芯線22被收集回來，并在到達光學檢測系統38之前，利用諸如二向色鏡的光學分離系統從激發激光束14被分離。濾波器40也可用于從到達光學檢測系統38的信號中濾掉不想要的信號。
至于雙包層光纖16，內芯線和外芯線(內包層)的數值孔徑可被獨立地調節。外芯線數值孔徑的大小可以是大約0.8，或在空氣中甚至正好如此，這可與最高放大率的物鏡相比。此外，當諸如漸變折射率(GRIN)透鏡的鏡頭與雙包層光纖16連接以進一步聚焦激發光時，從鏡頭返回到雙包層光纖而被接收的熒光信號的收集效率是高的，因為即使鏡頭的色差存在，較大的外芯線也可有效地收集熒光。如果在該情況下使用傳統的光纖，合成信號收集效率是低的。
圖3(a)-(e)顯示來自GRIN透鏡的被收集的熒光在雙包層光纖16的遠端28形成大光斑。即，如圖3(a)所示，光纖部件系統16′包括上述多個內芯線20和外芯線22。如圖3(b)所示，當激發光束300離開雙包層光纖16時，其穿過諸如GRIN透鏡的鏡頭34，并被聚焦在樣本32上。激發光束300引起從樣本32產生的合成信號302，這一般顯示在圖3(c)中。該合成信號302可具有，例如約1μm的半徑。但是如圖3(d)所示，合成信號302然后通過鏡頭34返回。理想的情況是，合成信號302將完全聚焦在雙包層光纖16的遠端28上。然而，由于色差和/或其它異常原因，產生了合成信號302的較大的足跡，并且該足跡可能具有約49μm的半徑。在傳統的收集中，將不收集該較大的足跡，因而將降低該系統的效率。但是，在本發明中，具有高數值孔徑的外芯線22能收集更多的合成信號302，因此提供了改進的檢測效率。
應該理解的是，本發明的雙包層光纖掃描顯微鏡10提供了許多與傳統的掃描顯微鏡相比的優點。例如，如上所述，雙包層光纖掃描顯微鏡10具有極其簡單的結構。但是，它具有革命性和根本性變化的掃描機制，這保證了該新型掃描顯微鏡的許多獨特的特征。
良好的靈活性本發明的雙包層光纖掃描顯微鏡10是極其靈活的。更具體地，雙包層光纖掃描顯微鏡10可被自由地調節，而不影響激發源和檢測，因為包含雙包層光纖16的遠端28的掃描頭是由掃描載物臺30的(例如x-y或x-y-z的)小的平移通過單個光纖來控制的。因此，可在垂直的或顛倒的配置中，或者如有需要的話，在任意角度的配置中執行掃描成像。掃描載物臺30也可容易地獲得所關心的樣本上的任何掃描圖形。此外，掃描載物臺30可用于創建連同激發源和檢測系統的獨立顯微鏡。它也可用作包含在傳統光學顯微鏡中的單元。例如，掃描載物臺30可被制作為用螺紋擰入換鏡旋座中的標準部件。因此，人們可容易地把傳統的顯微鏡轉換為具有如本文描述的有利功能的掃描顯微鏡。
大的掃描范圍不同于傳統的光束掃描顯微鏡，雙包層光纖掃描顯微鏡10的掃描范圍由用于控制雙包層光纖16的遠端28的掃描載物臺30的行程來確定。實際上，已經發現，可將該行程增加到幾個毫米或更大，同時保持諸如小于一微米的高分辨率。該特征允許人們獲得大樣本的全部圖像。例如，傳統的光束掃描顯微鏡由于物鏡的有限視野而只有細胞大小的掃描范圍。相反，基于雙包層光纖16的新的光束掃描機制使利用單次掃描對整個生物體或瘤進行成像成為可能。
快速掃描創建實用的儀器要求快的掃描速度。對傳統的載物臺掃描顯微鏡來說，掃描速度一般是很低的，因為它需要時間平移與樣本和樣本固定器一起的整個載物臺。本文描述的掃描機制只包括移動重量輕的光纖末端。類似于在光束掃描中使用的掃描儀鏡，光纖末端利用快速的掃描儀可快速掃描。
不震動樣本盡管是上文提到的快速掃描，但沒有震動來干擾成像的樣本，因為在掃描過程中樣本保持靜止，這與載物臺掃描相反。除了光纖末端重量輕，這是允許快速掃描的另一個實用的原因。另外，這里利用來自光纖末端的遠場激發，以獲得安靜的光束掃描，這避免了在近場掃描光學顯微鏡方法中不可避免的問題，其中掃描末端與樣本之間的交互作用一般是嚴重的問題。
無象差的掃描在傳統的光束掃描中，使用兩個掃描儀鏡來改變激發光在物鏡的入射光瞳上的入射角，這引起嚴重的離軸象差。設計和制造糾正離軸象差的物鏡是十分困難和昂貴的。而且，即使費了很大勁，仍然必須在視野與圖像質量之間進行權衡，因為離軸象差是難以完全補償的，尤其是對于相對大的視野。具有靈活的雙包層光纖16的激發光束的掃描從根本上解決了與傳統光束掃描有關的象差問題。在雙包層光纖掃描顯微鏡10中，樣本的每個被掃描的點在整個掃描范圍內被平均地照亮，并且信號收集保持不變。該特征確保大的關心的樣本的高質量的圖像質量。
低成本創建雙包層光纖掃描顯微鏡10的成本大大低于具有基于掃描儀鏡的掃描單元的傳統的光束掃描顯微鏡。如上所述，為了獲得相對大的平面視野并補償離軸象差，物鏡的要求是重要的。另外，具有高的光學質量的成像系統也被要求把掃描儀鏡成像到物鏡的入射光瞳上。這些因素使傳統光束掃描顯微鏡非常昂貴。
相反，在雙包層光纖掃描顯微鏡10中，光纖耦合器18中所用的物鏡只把光線聚焦到雙包層光纖16的近端26上。因此，光纖耦合器18中的物鏡滿足了這些要求，并可較便宜地被制造。通過用掃描載物臺30控制雙包層光纖16的遠端28而獲得光束掃描，這代替了傳統光束掃描顯微鏡中使用的由掃描儀鏡和高質量成像系統組成的昂貴的掃描單元。因此，基于雙包層光纖16的新掃描機制使創建低成本、高性能的顯微鏡成為可能。
C、雙包層光纖陣列掃描顯微鏡在上文中，討論了利用單個雙包層光纖16的雙包層光纖掃描顯微鏡10。但是，已經確定，通過利用一般以200表示的1-D或2-D陣列，可進一步增加雙包層光纖16的掃描速度，如圖4所示。
通過利用諸如MEMS開關的現有技術，可將激發光耦合進雙包層光纖陣列200。當雙包層光纖陣列200同時掃描而不是掃描單根光纖時，掃描速度以陣列中雙包層光纖的數目為因子而增加。例如，采用以彼此之間為1mm的間距對齊并安裝在單個平移載物臺30上的5個雙包層光纖16，掃描5mm的線只需要平移1mm。這樣，與單根光纖掃描相比，掃描速度增加到5倍。如果使用雙包層光纖的2-D陣列，即使對于大的成像區域，也應該能保持高的掃描速度。
提供了基于雙包層光纖掃描的形成新的掃描顯微鏡的新穎機制。該顯微鏡克服了傳統載物臺和光束掃描顯微鏡的缺點，而具有上述的許多優點，即，良好的靈活性，大的掃描范圍，快的掃描速度，安靜的掃描，無象差的掃描和低成本。具有整合在一個顯微鏡中的所有這些優點，廣泛的潛在應用是被預期的。
本發明的描述實際上僅是示范性的，因此不背離本發明主旨的各種變化要被包含在本發明的范圍內。這些變化不被認為是對本發明的精神和范圍的違背。
權利要求
1.掃描顯微鏡，其包括輸出激發激光束的激光器；具有第一芯線和第二芯線的光纖部件，所述第二芯線通常放置在所述第一芯線內，所述第二芯線能接收來自所述激光器的所述激發激光束，并傳輸所述激發激光束到被測試的樣本；和可移動載物臺，其用于承載由所述光纖部件的末端和被測試的所述樣本組成的一組中的至少一個，所述可移動載物臺能使所述光纖部件的所述末端和被測試的所述樣本彼此相對地移動。
2.如權利要求1所述的掃描顯微鏡，其中所述激發激光束作用于被測試的所述樣本，以產生表示被測試的所述樣本的合成信號，至少所述的第一芯線能夠從被測試的所述樣本收集所述合成信號。
3.如權利要求2所述的掃描顯微鏡，其中所述合成信號是熒光信號。
4.如權利要求2所述的掃描顯微鏡，其中所述合成信號是拉曼信號。
5.如權利要求2所述的掃描顯微鏡，其中所述合成信號是所述激發激光束的背反射信號。
6.如權利要求2所述的掃描顯微鏡，其進一步包括光學分離系統，其能被耦合以同時接收所述激發激光束和所述合成信號；和光學檢測系統，其能被耦合到所述光學分離系統，其中所述光學分離系統允許傳輸所述合成信號到所述光學檢測系統。
7.如權利要求1所述的掃描顯微鏡，其中所述第二芯線同軸放置在所述第一芯線內。
8.如權利要求1所述的掃描顯微鏡，其進一步包括光纖耦合器，其放置在所述激光器與所述光纖部件之間，用于在彼此之間傳輸所述激光能量。
9.如權利要求1所述的掃描顯微鏡，其中所述光纖部件包括多個芯線。
10.如權利要求1所述的掃描顯微鏡，其中被測試的所述樣本是生物組織。
11.如權利要求1所述的掃描顯微鏡，其進一步包括透鏡，其能被連接到所述光纖部件的所述末端，利用所述透鏡能獲得增加的分辨率和被測試的所述樣本的增強的激發。
12.如權利要求11所述的掃描顯微鏡，其中所述透鏡是漸變折射率透鏡。
13.掃描顯微鏡，其包括輸出激發激光束的激光源；具有多個光纖部件的光纖部件系統，每個所述的多個光纖部件具有第一芯線和第二芯線，所述第二芯線通常放置在所述第一芯線內，所述第二芯線能接收來自所述激光源的所述激發激光束，并傳輸所述激發激光束到被測試的樣本，以產生來自所述樣本的合成信號；和光學分離系統，其能被耦合以同時接收所述激發激光束和所述合成信號；和光學檢測系統，其能被耦合到所述光學分離系統，其中所述光學分離系統允許傳輸所述合成信號到所述光學檢測系統用于檢測。
14.如權利要求13所述的掃描顯微鏡，其進一步包括可移動載物臺，其用于承載由所述光纖部件系統和被測試的所述樣本組成的一組中的至少一個，所述可移動載物臺能使所述光纖部件系統和被測試的所述樣本彼此相對地移動。
15.如權利要求13所述的掃描顯微鏡，其中每一個所述多個光纖部件的所述第一芯線和所述第二芯線用于從被測試的所述樣本收集所述合成信號。
16.如權利要求13所述的掃描顯微鏡，其中所述合成信號是熒光信號。
17.如權利要求13所述的掃描顯微鏡，其中所述合成信號是拉曼信號。
18.如權利要求13所述的掃描顯微鏡，其中所述合成信號是所述激發激光束的背反射信號。
19.如權利要求13所述的掃描顯微鏡，其中所述每一個第二芯線同軸放置在所述每一個第一芯線內。
20.如權利要求13所述的掃描顯微鏡，其進一步包括光纖耦合器，其耦合到所述光纖部件系統，用于經由它傳輸所述激發激光束和所述合成信號。
21.如權利要求13所述的掃描顯微鏡，其中所述樣本是生物組織。
22.如權利要求13所述的掃描顯微鏡，其進一步包括透鏡，其能被連接到所述光纖部件系統，利用所述透鏡能獲得增加的分辨率和所述樣本的增強的激發。
23.如權利要求22所述的掃描顯微鏡，其中所述透鏡是漸變折射率透鏡。
全文摘要
本發明公開了一種掃描顯微鏡(10)，其包括輸出激發激光束(14)的激光器(12)和具有第一芯線(22)和第二芯線(20)的光纖部件。第二芯線(20)通常放置在第一芯線(22)內，并用于接收來自激光器的激發激光束，并傳輸激發激光束到被測試的樣本(32)。可移動載物臺(30)用于承載光纖部件(16)的末端(28)和/或被測試的樣本，并能使該光纖部件的末端和被測試的樣本彼此相對地移動。
文檔編號G02B6/04GK1795405SQ200480014607
公開日2006年6月28日 申請日期2004年5月28日 優先權日2003年5月29日
發明者J·Y·葉, T·B·諾里斯 申請人:密歇根大學董事會