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设计了基于数字微镜器件(DMD)的荧光显微镜探测系统。该系统不仅能对样品实现荧光成像, 而且能探测不同区域样品激发荧光信号能量的实时变化。实验采用DMD快速加载多通道不同帧率的视频信息, 实现了对激发光束的分割与频率调制。采用光电倍增管采集样品的荧光信息, 荧光信息经模/数转换处理后再进行傅里叶变换、滤波和解调操作, 得到了不同信道区域荧光信号强度随时间变化的曲线。实验结果表明, 将DMD加入到荧光显微镜系统中可以加快集成多通道, 且计算机可调控DMD通道, 能有效提高荧光显微镜的探测效率。
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第
卷
第
期
中
国
激
光
年
月
CHINESEJOURNALOFLASERS
October
基于数字微镜器件多路频分复用荧光显微镜的
实验研究
李 云 章
,
郑 继 红
,
桂
坤
,
刘 悠 嵘
,
王 康 妮
上海理工大学光电信息与计算机工程学院
上海
摘要
设计了基于数字微镜器件
的荧光显微镜探测系统
该系统不仅能对样品实现荧光成像
而且能探 测
不同区域样品激发荧光信号能量的实时变化
实验采用
快速 加载 多通道 不同 帧率的 视频 信息
实 现了 对激
发光束的分割与频率调制
采用光电倍增管采集样 品的 荧 光信 息
荧 光信 息经 模
数 转换 处理 后 再进 行傅 里 叶变
换
滤波和解调操作
得到了不同信道区域荧光信号强度 随时 间变化 的曲 线
实验 结果 表明
将
加 入到 荧光
显微镜系统中可以加快集成多通道
且计算机可调控
通道
能有效提高荧光显微镜的探测效率
关键词
光通信
数字微镜器件
频分复用
荧光显微镜
多通道
中图分类号
文献标识码
doi
:
.
/
CJL.
Ex
p
erimentalStud
y
onFluorescenceMicrosco
p
ewith MultiGChannelFre
q
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y
Division Multi
p
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Universit
y
o
f
Shan
g
hai
f
orScienceandTechnolo
gy
Shan
g
hai
China
Abstract
Ke
y
words
OCIScodes
收稿日期
收到修改稿日期
基金项目
国家重大科学仪器设备开发专项
作者简介
李云章
男
硕士研究生
主要从事荧光共焦显微成像技术方面的研究
导师简介
郑继红
女
博士
教授
主要从事聚合物分散液晶材料及电光器件
信息光学等方面的研究
通信联系人
引
言
世纪初
等通过紫外光激发荧光细胞来观察细胞的形态
随着荧光显微镜的迅速发展
它
中
国
激
光
已被广泛应用于生物和医学领域的细胞探测中
诞生于
世纪
年代的共焦显 微镜具有单 点式
机械移
动式
等扫描方式
随着对其探测速度的要求不断提高
传统的共焦显微镜已不能满足实际需求
年
美国宾夕法尼亚州立大学的
教授小组提出了频分复用荧光共焦显微系统
的概念
即将通信领 域中的
波分复用原理引入到荧光显微镜中
利用对光束的频分复用和荧光显微镜相结合的方 式对细胞进 行多通道
探测
目前已报道的多通道荧光显微镜大多以机械斩波调制器或电控调光斩波器作为频分复用器件
以
实现多通道的光束频分复用
但这些调制器件存在一些缺陷
如机械斩波调制器的 体积较大
容易产生机 械
噪声等
近年来
基于微透镜阵列多焦点多光子 显微技术的 研究促进了 国内显微技 术的快速发 展
数字微
镜器件
作为分束镜可以实现数字光源
其表面约由
个数字反射镜面组成
每个镜面都可
以通过旋转不同的角度来达到开关的作用
从而实现光的分束
形成阵列型光源
本文用
代替机械斩波调制器或电控调光斩波器作为频分复用荧光显微系统中的斩波器进行波前
调控
形成可调谐光源
由计算机向
芯片传输相应的调制视频
控制
的开关功能
实现不同调制
频率的多通道光束
将
产生的光信号会聚到荧光 显微镜中对 染色的马铃 薯细胞样品 进行探测
然后
用光电倍增管
直接获取光信号进行解调
并与
接收的图像进行对比
采用
作为斩波器进
行波前调控的优点在于可快速集成多通道
实现数字化调控
基本原理
频分复用技术原本指的是在通信技术中
将用于传输信道的总带宽划分成若干个子频带
或称子信道
每一个子信道传输单路信号的技术
频分复用技术使子通道信号在频率位置上错开
能够实现多 路信号并
行复用
将频分复用技术应用到显微成像领域
能够克服传统荧光显微镜或共焦显微 镜不能同时 多点探测
的缺陷
通过多路信号的调制解调实现实 时并行探测
多路频分 复 用荧光显 微 镜的基本 原 理是通过
计算机控制
上的微镜片开关形成多通道
再分别调制各个通道的开关频率
将光束调制成不同载波频
率的多束光
达到多通道频分复用的效果
经
多路调制的 光源信号再 经变倍扩束 镜缩小至合 适的尺
寸后完全进入显微物镜
经显微物镜聚焦的光束再投射到染有荧光染料的切片细胞上
激发出的多路荧光信
号与输入调制光束具有相同的调制频 率
最后
采用工业相 机和
接收调制后 的图像和荧 光信号
将
接收到的荧光信号通过
软件进行傅里叶变换并滤波解调后
就可得到多通道位置的荧光信
号强度随时间变化的关系
本实验数据采集卡所采用的采样频率超过了
调制频率的
倍
满足奈奎斯 特抽样定理
实验由
计算机控制
通过改变
的通道数量和开关调制 的频率
实现多通道 探测
具有无机械 噪声和操作 性稳
定等优点
本实验系统实现了一个可快速并行探测
数字化调控的多通道显微系统
基于
的频分复用编码原理
本实验采用
的
的分辨率为
由多块
微反射镜组成
单个微反射镜的边长为
两块微反射 镜间的距离 为
每块微反射 镜都可以绕
着各自的旋转轴转动
旋转角度范围为
将旋转到
的状态定义为
状态
旋转到
的状态定义为
状 态
扩 束 后 的 激 光 光 源 以 一 定 的 入 射 角
与
芯 片 垂 轴 的 夹 角 为
入 射 到
表面
如图
所示
经
状态的
反射后垂直于
表面出射
通过计算机调节
的 开 关
以 实 现 不 同 频 率 的 多 个 通 道
例 如
针 对 两 通 道 频 分 复 用 显 微 镜
将
划分为左右
个区域
左侧区域加载
的调制信号
右侧区域加载
的调制信号
当制作帧率
为
的视频时
左侧区域每隔
帧切换开关状态
右侧 区域每隔
帧切换开关 状态
每帧的开关
效果如图
所示
通过以上的视频编码图可以形成两路调制信号
两路信号的频率分别采用基频
ω
t
和
ω
t
表
示
ω
=
×
.
-
ω
=
×
-
调制后的光信号通过对应的细胞区域
激发出调制后的荧
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