CN104459972A - 正倒置一体化显微光子学系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有共轴、非共轴两种工作模式的正倒置一体化显微光子学系统及应用。采用光学成像技术，在倒置显微镜上方设计、加工并安装正置显微镜系统，使正置部分能够上下、左右、前后移动；上、下两物镜可以选择共轴或者非共轴两种工作模式，因而能够兼具高分辨与大视野的特点，且可实现对长距离传输信号的检测，弥补现有光学显微系统的不足。

Description

正倒置一体化显微光子学系统

技术领域

本发明涉及光学成像领域，尤其涉及一种在倒置显微镜上面设计、加工正置显微镜的方法、装置和系统。

背景技术

微纳米技术是近年来飞速发展的高新技术领域，美、日、欧等发达国家及我国都将微纳米技术列入二十一世纪国家科技发展战略中优先发展的前沿技术领域。显微镜技术是微纳米领域非常重要的研究观测手段，它利用不同的成像原理，把人眼所不能分辨的微小物体放大成像，供人们提取微细结构的信息。依成像原理不同，显微镜有光学显微镜、电子显微镜、扫描探针显微镜等。其中，光学显微镜是最常见的一种，也是其他各类显微镜的基础，它利用光学成像原理，结构简单，不受微纳米样品的导电性(导体、半导体与绝缘体)、磁性(磁体与非磁体)等限制，在微纳米技术及其分支学科中的研究及应用极其广泛，对科学技术特别是微纳米相关技术的发展起到了重要的推动作用。

传统的光学显微镜有倒置和正置两种。正置显微镜结构简单，操作更方便，而且光路较短，成像质量较好，但是由于观察面要尽量平行于台面，所以对样品要求较高，制样通常要两面磨平；倒置显微镜的物镜在载物台下方，而照明系统在载物台上方，载物台上方有了更大的空间，方便观察，因此一经推出便广受好评，并逐步向多功能性发展，集普通光学显微镜与消相差、荧光、暗场、偏光等功能于一体，在诸多领域有广泛的应用。然而现有的商业显微镜市场中，无论是正置显微镜还是倒置显微镜，使用中都存在以下两个问题：

1)大视野与高分辨不可兼得。显微镜的放大倍数取决于目镜及物镜的乘积，通常目镜的放大倍数约为10x，物镜的倍数从5x到100x不等。为了在显微镜视野中观察到较大的范围，只能选取具有较低放大倍数的物镜；然而，低倍物镜对待测样本的放大倍数有限，无法得到样本的精细信息。而高分辨率的获得又只能观察到很小的范围。因此，大视野与高分辨是一对矛盾，两者很难同时兼顾。

2)无法检测光学信号的长距离传输。光学信号能够在介质中传播一定的距离，对于低维结构也如此。对一些特殊的结构，例如晶体，光学信号在其中传播的损耗率很低，因而能够传输很长的距离，往往超出单个镜头的视野。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种具有共轴、非共轴两种工作模式的正倒置一体化显微光子学成像系统和应用，由于具有共轴、非共轴两种工作模式，该系统和方法可满足大视野与高分辨兼备的需求，同时能够测量信号的长距离传输，弥补现有光学显微技术的不足。

本发明通过如下技术方案实现：

一种具有共轴、非共轴两种工作模式的正倒置一体化显微光子学成像系统，其特征在于，所述系统包括倒置显微镜和正置显微镜系统，该正置显微镜系统设置在倒置显微镜的上方，该正置显微镜系统包括三维调整机构和固定于该三维调整机构上的正置显微镜。

根据本发明，该三维调整机构包括一基座、基座顶端的平台和安装在平台上方的三维移动台。所述三维移动台可以在前后、左右、上下三个维度上移动。

根据本发明，所述三维移动台采用滚珠丝杠、滚珠导轨结构，分别实现前后、左右、上下三个方向的调节。

根据本发明，所述三维移动台的侧面安装一平板，平板上面有螺孔，能够用来固定设计、加工的正置显微镜。

根据本发明，该基座主要由机座和立柱构成。优选为四根立柱；更优选立柱为方形立柱。优选地，利用角块连接立柱与机座以进行加固。

根据本发明，所述基座顶端的平台安装在立柱上。所述平台大小及形状(如方形)可根据需要定制。

根据本发明，该机座可以固定在一支撑面上。

根据本发明，所述三维调整机构中的机座位于倒置显微镜的正后方。

根据本发明，所述正置显微镜固定在该三维移动台上，优选地，所述正置显微镜固定在三维移动台侧面的平板上，利用三维移动台的平移带动正置显微镜的移动。

根据本发明，在该倒置显微镜下方还安装有一显微镜托盘，用于调节倒置显微镜的水平位置及检测平面的高度。检测平面的高度主要是通过调节水平托盘来调节的。

根据本发明，所述正置显微镜系统位于倒置显微镜的正后方。

根据本发明，所述平台为方形平台。

根据本发明，在基座上可额外设置一托盘。优选地，该托盘固定在前侧的一个立柱的前方。该托盘可以放置小型外置设备及元件，如显示器、滤光片、物镜等。

根据本发明，检测平台设置在倒置显微镜和正置显微镜之间。

根据本发明，该检测平台固定在所述立柱上。该检测平台通过一可移动支架固定在所述立柱上。该检测平台在所述可移动支架上可前后平行移动。

本发明还提供以下的技术方案：

上述正倒置一体化显微光子学成像系统在共轴模式下的应用，其用作光镊系统或者用于观测光波矢不发生变化的光学现象，如非线性光学中的倍频效应。

上述正倒置一体化显微光子学成像系统的应用，其特征在于，正置显微镜和倒置显微镜的物镜可分别用于不同视野的观测，两显微镜的物镜的相对位移为独立的，可分别用作光学信号的输入端及输出端，可用于对长距离传输的信号进行检测。

本发明的优点与创新之处是：

(1)本发明的正倒置一体化显微光子学成像系统，具有共轴、非共轴两种工作模式，可有效地实现高分辨与大视野兼备。由于正置显微镜和倒置显微镜在空间上是相对独立的系统，上下两物镜工作时可以选择不同的放大倍率及数值孔径，也可以选择样品的不同平面进行观测，为不同用途的实验提供了方便。

(2)当系统处于共轴模式时，可用作光镊系统或者用于观测光波矢不发生变化的光学现象，如非线性光学中的倍频效应；当系统处于非共轴模式时，两物镜可分别用于不同视野的观测，两物镜的相对位移为独立的，可分别用作光学信号输入及输出端，对长距离传输的信号进行检测。而后者解决了现有商业显微镜系统中无法实现检测的长距离传输问题。

(3)本发明利用正置显微镜和倒置显微镜的不同视野及独立的相对运动，分别将两物镜作为光学信号的输入和输出端，通过两个武警实现了一个较大的移动范围，以分别对应不同的视野。

附图说明

图1是本发明的正倒置一体化显微光子学成像系统的整体图。

图2是本发明的正倒置一体化显微光子学成像系统的设计图。

图3是本发明的正倒置一体化显微光子学成像系统中未固定正置显微镜的设计图。

图4是应用本发明的正倒置一体化显微光子学成像系统中共轴模式的配置(左)及用于倍频信号观测(右)。

图5是应用本发明的正倒置一体化显微光子学成像系统中非共轴模式的配置(左)及在波导化学气体传感中的应用(右)。

图中对应部件名称：1倒置显微镜，2倒置显微镜托盘(用于调节倒置显微镜的水平位置及检测平面的高度)，3光谱透镜组件，4无穷远镜头(用于连接相机)，5角块(连接立柱与机座)，6立柱，7托盘(用于放置小型外置设备及元件，如显示器、滤光片、物镜等，可根据需要在不同的位置另加)，8Z向调节，9Y向调节，10安装正置显微镜的三维移动台(可以采用滚珠丝杠、滚珠导轨结构，分别实现X、Y、Z三个方向的调节)，11正置显微镜，12检测平台。

具体实施方式

本发明通过下述实施方式及附图进行详细说明。但本领域技术人员了解，本发明并不局限于此，任何在本发明基础上做出的改进和变化，都在本发明的保护范围之内。

如上所述，本发明中公开了一种正倒置一体化显微光子学成像系统，其包括倒置显微镜和正置显微镜系统，该正置显微镜系统设置在倒置显微镜的上方，该正置显微镜系统包括三维调整机构和固定于该三维调整机构上的正置显微镜。本发明通过特殊的三维调整机构的设计，实现了正置显微镜系统和倒置显微镜系统的有机结合，使得该系统具有共轴、非共轴两种工作模式，该系统和方法可满足大视野与高分辨兼备的需求，同时能够测量信号的长距离传输。

如图1-3所示，该系统由以下方法组装而成：

(1)在倒置显微镜下方安装显微镜托盘，用于调节倒置显微镜的水平位置及检测平面的高度；

(2)安装三维调整机构中的机座，将四根大立柱通过角块固定在机座上(利用角块连接立柱进行加固，进一步提高系统的稳定性)，位于倒置显微镜的正后方；

(3)四根大立柱上方安装一平台，此平台大小及形状(如方形)可根据需要定制；

(4)平台上方安装一个三维移动台，能够前后、左右、上下三个维度上移动；

(5)三维移动台的侧面安装一平板，平板上面有螺孔，能够用来固定设计、加工的正置显微镜；

(6)把正置显微镜固定在三维移动台侧面的平板上，利用三维移动台的平移带动正置显微镜的移动；

(7)精确调节显微镜托盘，使正、倒置显微镜的物镜平行，从而实现具有共轴、非共轴两种工作模式的正倒置一体化显微光子学系统。

以共轴的工作模式为例，将标准样品置于检测平台上，调节倒置显微镜聚焦装置，直至视野里出现清晰的标本像。同时用正置显微镜的物镜观察，调节聚焦装置，直至视野里出现清晰的标本像。调节三维移动台，使之带动正置显微镜移动，观察视野中的图像，直至正置显微镜与倒置显微镜中的样本像重合(两物镜具有同样的放大倍率)，此时证明该系统正置显微镜的物镜与倒置显微镜物镜已经处于共轴状态(见图4左侧)。在共轴模式下，我们可以用来测试光波矢不发生改变的成像及光谱测试，例如二倍频及三倍频现象。如图4给出了共轴模式下测试材料二倍频效应的示意图。由于倍频过程中光波矢不发生改变，因此上下两物镜须处于共轴状态以确保物镜对光的收集效率。在测试中，通过正置显微镜将800nm的激光导入，聚焦后入射到样品上产生非线性光学效应。此时用倒置显微镜的物镜观察图像，如图4右侧，并可将收集的光信号经过短波通滤光片后输入信号采集装置，如光谱仪。

使用非共轴的工作模式可以研究信号的长距离传输，比如光波导信号(图5)。在实际应用中，将待观测样品(通常为线状、管状等微纳结构材料)置于检测平台上,首先将系统处于共轴模式。移动待测样品位置，使信号输出端位于视野中央。然后正置显微镜导入光学信号，调节三维移动台，使光信号聚焦于信号输入端口。光信号会沿着波导结构传播，到达输出端口。此时两物镜处于非共轴模式(见图5左侧)，可用于观察信号的长距离传输，亦可用于研究光传输过程中的变化。图5右侧显示的是非共轴模式用于化学气体传感。两物镜分别观察纳米线的两端。正置显微镜导入的光激发材料发出荧光，荧光被束缚在纳米线中传播，之后从纳米线另一端输出，用倒置显微镜观测输出端口。由于光在纳米线中的传输受环境因素影响，所以当周围充满不同浓度的化学气体时，波导端的输出信号会表现出巨大的差异，从而实现远程传感。

Claims (7)

1.一种具有共轴、非共轴两种工作模式的正倒置一体化显微光子学成像系统，其特征在于，所述系统包括倒置显微镜和正置显微镜系统，该正置显微镜系统设置在倒置显微镜的上方，该正置显微镜系统包括三维调整机构和固定于该三维调整机构上的正置显微镜。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，该三维调整机构包括一基座、基座顶端的平台和安装在平台上的三维移动台。所述三维移动台可以在前后、左右、上下三个维度上移动。

优选地，所述三维移动台采用滚珠丝杠、滚珠导轨结构。

优选地，所述三维移动台的侧面安装一平板，平板上有螺孔，用于固定所述正置显微镜。

优选地，该基座主要由机座和立柱构成。优选为四根立柱；更优选立柱为方形立柱。优选地，利用角块连接立柱与机座以进行加固。

优选地，所述基座顶端的平台安装在立柱上。所述平台大小及形状(如方形)可根据需要定制。

优选地，该机座可以固定在一支撑面上。更优选地，所述三维调整机构中的机座位于倒置显微镜的正后方。

优选地，所述正置显微镜固定在该三维移动台上。优选地，所述正置显微镜固定在三维移动台侧面的平板上，利用三维移动台的平移带动正置显微镜的移动。

优选地，所述平台为方形平台。

3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，在该倒置显微镜下方还安装有一显微镜托盘，用于调节倒置显微镜的水平位置及检测平面的高度。

优选地，所述正置显微镜系统位于倒置显微镜的正后方。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的系统，其特征在于，在基座上可额外设置一托盘。优选地，该托盘固定在前侧的一个立柱的前方。该托盘可以放置小型外置设备及元件，如显示器、滤光片、物镜等。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的系统，其特征在于，检测平台设置在倒置显微镜和正置显微镜之间。

优选地，该检测平台固定在所述立柱上。该检测平台通过一可移动支架固定在所述立柱上。该检测平台在所述可移动支架上可前后平行移动。

6.权利要求1至5中任一项所述的正倒置一体化显微光子学成像系统在共轴模式下的应用，可用作光镊系统或者用于观测光波矢不发生变化的光学现象，如非线性光学中的倍频效应。

7.权利要求1至5中任一项所述的正倒置一体化显微光子学成像系统的应用，两显微镜的物镜可分别用于不同视野的观测，两显微镜的物镜的相对位移为独立的，可分别用作光学信号的输入端及输出端，可用于对长距离传输的信号进行检测。