[实用新型]一种圆柱式光斩波器及光谱仪和成像装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种光斩波器，该光斩波器可以用于延迟发光的测量和成像。属于光学仪器制造领域。

背景技术

在光致发光现象中，分子受光照激发跃迁到激发态，激发态的分子可通过释放光子回到基态，即分子的荧光或磷光。分子的激发态存在寿命，即激发态的分子要在过一段时间之后才释放光子回到基态，且不同分子的激发态寿命各不不同，分子激发态寿命越长，其发光持续时间越长。通常情况下，分子的荧光寿命在纳秒级，磷光寿命可以达到微秒级以上。延迟荧光分子，其寿命也可以达到微秒级甚至毫秒级。近些年发展的一些磷光分子，寿命可以达到秒级。此外一些无机纳米材料，其寿命在毫秒级以上。这些长寿命的发光统称为延迟发光，也被称为辉光。

在荧光和磷光的测量中，一般需要构建两个光路：光路一是激发光照射样品的光路，即从光源发出的光经过透镜、光栅等部件后会聚到样品上，其目的是使样品中的分子受光照激发；光路二是探测器探测样品发光的光路，即样品发光经过透镜、光栅等部件后到达探测器。在稳态的测量过程中，光路一和光路二同时打开，即激发光一直照射样品的条件下测量，这种方式可以获得样品发光光谱和强度的信息，但是不能得到样品激发态寿命的信息。

随着科学的发展，分子的激发态研究在基础科学和检测应用中越来约重要。为了获得分子激发态寿命的信息和时间分辨的光谱，人们发展了瞬态光谱仪。瞬态光谱仪，包括瞬态吸收和瞬态荧光光谱仪，在光物理光化学的研究中有重要应用。（参考专利公开说明书CN201310392018.6、CN200510092520.0、CN201180017387.6、CN201110005032.7等。）为了实现时间分辨的测量，可采用脉冲光源激发样品，同时利用具有高时间分辨率的光电倍增管、单光子计数器或具有门控功能的CCD测量其延迟的吸收或者发光信号，以获得分子激发态的寿命等信息。然而为了实现高的时间分辨率，这类光谱仪通常需配备价格昂贵的脉冲激光器和CCD。而且激光器是单一波长，不能实现全波段的测量。配置不同波长的激光器可以部分解决这个问题，然而却导致仪器的成本大大增加。为了降低成本，人们将光斩波器应用到瞬态光谱的测量中。

光斩波器简称斩光器，可以把连续光源发出的光，调制成脉冲或交变的光信号。（参考专利公开说明书CN200710025960.3、CN201310342971.X、CN200410093016.8，中国专利申请号201520771676.0等。）传统斩光器主要部件之一是斩光盘，也叫斩光片，斩光盘上分布着几个或多个通光孔，通常这些通光孔以轴心为中心成中心对称分布。当电机控制斩光盘，在一定转速下，连续光源经过斩光盘上的通光孔后，即被调制成一定频率的周期性脉冲光。

在一些应用中，可在光谱仪的激发光的光路后加一个斩波器，这样就将稳态的光源变成了模拟的瞬态光源，同时在探测器的前面再加一个斩波器，用来调节延迟时间和快门时间，以实现时间分辨的测量。同样的方案可以用于时间分辨的荧光显微镜的设计。（参考文献Anal. Chem. 2011, 83, 2294-2300。）并在生物成像领域中有重要应用。

然而在上述解决方法中，需要对两个斩波器进行协同控制，或者协同控制脉冲光源和斩波器，由于现有的斩波器一般采用电机机械调制，其精度受电机转速影响较大，其调制出的脉冲光源本身带有一定的时间误差，加上要对两个斩波器同步控制，必然使误差加大，降低了整体测量的时间分辨率。提高单个斩波器的精度可以提高整体测量的时间精度，但是斩波器的成本随之增加。

中国专利（申请号201520771676.0）公开了一种光学斩波器，将两个斩光盘的转动通过齿轮或传送带耦合，使一个电机同时控制两个斩光盘，避免了电机转速不稳导致的散射光干扰，专利CN106066317A公开了将光学斩波器用于延迟发光测量的方法，利用反光镜或棱镜反射，以控制测量光路的方向，使用一个斩光盘也可以用于延迟发光的测量。

上述两种方法具有较广泛的适用性。然而使用两个斩光盘或者改变光路方向，都增加了仪器的复杂程度。此外，在测量延迟时间非常短的发光信号时，需要斩光盘高速转动，以达到快速斩光的目的，这必然会加剧齿轮啮合处的磨损。

发明内容

为了解决上述问题，降低散射光干扰，并简化仪器，本发明设计了一种光斩波器，该斩波器使用电机调制，其斩光盘由圆柱的底面和侧面构成，圆柱的底面和侧面分别分布有通光孔，当该光斩波器绕圆柱轴转动的时候，可以同时对垂直于圆柱底面和侧面的光路进行斩光控制。