CN104678543A - 基于非相干光源的光镊显微镜 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于非相干光源的光镊显微镜，包括光镊显微镜本体以及向该显微镜本体提供光的光源，该光源为LED光源，其包括多个LED芯片，该LED芯片所具有的波段中包含了多种不同中心波长的波段，其种类数量等于或低于LED芯片的数量，该LED芯片还设置于线路层上，该线路层设置于基板上，该线路层还具有与LED芯片的数量对应的多个引脚，该LED芯片的一端电极串联和/或并联连接、相对的另一端电极由引脚引出。本发明与现有技术相比，其不仅缩小了光镊显微镜的体积、提高了光镊显微镜的使用寿命，更为重要的是，还实现了对一套光源上可根据需要调节出不同波长的光源的目的，使得光镊显微镜的波长选择更为丰富。

Description

基于非相干光源的光镊显微镜

技术领域

本发明涉及一种光镊显微镜，具体涉及一种基于非相干光源的光镊显微镜。 

背景技术

光镊显微镜在生物学上的应用包括捕获病毒和细菌，操控细胞结构，表面构图以及分子马达和生物学分子(例如DNA和蛋白质)的力值测量。Thorlabs公司的TOM200光镊显微镜系统利用Nikon Eclipse Ti显微镜、高分辨率XYZ压电驱动平台、激光器、控制和数据采集模块和一个预装软件的电脑，产生多个由计算机控制的光阱。非相干光光镊系统的核心，是通过高度聚焦激光束产生的力来操作纳米或微米级的介电质颗粒。通常的运作方式是利用高斯光束，将光镊光源能量聚焦在样品表面，形成用于捕获粒子的光学梯度。光镊无需机械接触，在微小物体的操控测试领域具有广阔应用前景。传统理论认为，高能量密度的高斯光束只能通过相干光源获得，因此光镊的光源一般采用激光器。使用激光器作为光镊显微镜的光源，相比于非相干光源，激光器体积大，使用寿命短，开关响应时间长；而且在后续使用中激光器光源无法根据需要去控制和调节激发光源的波长，造成波长的选择少。因此，采用激光器作为激发光源已经限制了光镊显微镜在体积、使用寿命以及波长调整上作改进的空间。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种体积小、寿命长并且波长选择多的基于非相干光源的光镊显微镜。 

为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：

基于非相干光源的光镊显微镜，包括光镊显微镜本体以及向该显 微镜本体提供光的光源，该光源为LED光源，其包括多个LED芯片和/或LED芯片组，该LED芯片和/或LED芯片组所具有的波段中包含了多种不同中心波长的波段，其种类数量等于或低于LED芯片和/或LED芯片组的数量，该LED芯片和/或LED芯片组还设置于线路层上，该线路层设置于基板上，该线路层还具有与LED芯片和/或LED芯片组的数量对应的多个引脚，该LED芯片和/或LED芯片组的一端电极串联和/或并联连接、相对的另一端电极由引脚引出。

本发明对基于非相干光源的光镊显微镜的激发光源作出了改进，首先以LED光源替代了现有技术中的激光器作为激发光源，由于LED本身较激光器具有体积小、寿命长的特点，因此可以降低整个光镊显微镜的体积，并且提高其使用寿命；其次，多个LED芯片和/或LED芯片组中，其具有了多种不同中心波长的波段，每个具有不同中心波长的LED芯片或LED芯片组通过设于线路层上的与LED芯片或LED芯片组相对于的独立引脚引出，通过该引脚可以在某一时间接通一个或多个LED芯片或LED芯片组，未被接通的其余LED芯片或LED芯片组处于关闭状态，此时，整个LED光源输出的光由这些接通电源的LED芯片或LED芯片组发出的光进行合成，需要什么波长的光源只需要接通相应的具有具有不同中心波长的LED芯片或LED芯片组即可，实现了对光源的中心波长的调节控制，从而依靠对LED芯片或LED芯片组的独立的电流通断使得光镊显微镜的波长选择更为丰富，实现了在一台光镊显微镜实现多种波长的光源照射的目的。

因此，本发明与现有技术相比，其不仅缩小了光镊显微镜的体积、提高了光镊显微镜的使用寿命，更为重要的是，还实现了对一套光源上可根据需要调节出不同波长的光源的目的，从而扩展了光镊显微镜上光源在使用上的多变性，使得光镊显微镜的波长选择更为丰富，实现了在一台光镊显微镜实现多种波长的光源照射的目的。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以作如下改进：

作为优选的方案，上述的LED芯片和/或LED芯片组以阵列形式排布。

采用上述优选的方案，将LED芯片和/或LED芯片组以阵列形式排布，使得光源的出光可以更为均匀。

作为优选的方案，上述的LED芯片和/或LED芯片组的一端电极为共阳极连接，多个引脚为共阴极连接；或者LED芯片和/或LED芯片组的一端电极为共阴极连接，多个引脚为共阳极连接。

采用上述优选的方案，可以形成LED芯片和/或LED芯片组的两种可选的电连接方案。

作为优选的方案，上述的LED芯片和/或LED芯片组中，具有相同中心波长的LED芯片和/或LED芯片组并联或串联连接，具有不同中心波长的LED芯片和/或LED芯片组仅并联连接。

采用上述优选的方案，相同中心波长的LED芯片和/或LED芯片组的接通放在一起一次接通或者分次接通，不同中心波长的LED芯片和/或LED芯片组分次接通，从而可以便于将相同中心波长的LED芯片和/或LED芯片组、和不同中心波长的LED芯片和/或LED芯片组的接通区分开来。

作为优选的方案，上述的光源还设置有控制电路，其一次控制一个LED芯片或LED芯片组的电路通断，或一个控制多个LED芯片和/或LED芯片组的电路通断。

采用上述优选的方案，可以通过控制电路来自动控制LED芯片和/或LED芯片组的接通，该控制电路可以是独立的电路，也可以是由微电脑控制的集成电路，每个不同中心波长的LED芯片或LED芯片组通过设于线路层上的独立的引脚连接于控制电路不同的输出引脚上，以此来实现对不同LED芯片或LED芯片组的实时独立的控制，可在某一时间接通一个或多个LED芯片或LED芯片组，其余的LED芯片或LED芯片组处于关闭状态。

作为优选的方案，上述的控制电路还用于控制LED芯片和/或LED芯片组的通电电流大小。

采用上述优选的方案，可以实现对LED芯片和/或LED芯片组的中心波长的小范围扫描。

作为优选的方案，上述的线路层和基板之间设置有绝缘层。

采用上述优选的方案，可以形成线路层和基板之间的绝缘。

附图说明

图1本发明的基于非相干光源的光镊显微镜的结构示意图。

图2本发明的基于非相干光源的光镊显微镜中所涉及的非相干光光镊光学系统的结构示意图。

图3本发明的基于非相干光源的光镊显微镜中所涉及的光源的结构示意图。

其中，1.光源11.LED芯片12.引脚13.共阴极14.基板15.线路层16.绝缘层21.镜筒211.显微物镜22.图像传感器221.光学衰减片222.带通滤光片23.显微物镜24.载物台25.载物基片26.支架27.非相干光光镊光学系统28.四维调整架29.光镊30.聚光筒31.二维振镜。 

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选实施方式。

为了达到本发明的目的，如图1-3所示，在本发明的基于非相干光源的光镊显微镜的一些实施方式中，其包括光镊显微镜本体以及向该显微镜本体提供光的光源1，该光镊显微镜本体包括镜筒21、图像传感器22、显微物镜23、可三维移动及水平转动的载物台24、载物基片25、支架26和用于产生非相干光光镊并将光镊聚焦到样品上的非相干光镊光学系统27，镜筒21固定在支架26上，可三维移动及水平转动的载物台24通过四维调整架28固定在支架26上，载物基片25放置在可三维移动及水平转动的载物台24上，样品放置在载物台24上，用于对放置在载物基片25上的样品进行放大成像的显微物镜安装在镜筒21的底部，用于记录放大显微图像的图像传感器设置在 镜筒内并位于显微物镜211上方。四维调整架28使载物台24可以相对支架26作三维移动及水平转动，用于调整样品与光镊29和显微物镜211的相对位置，光镊29通过振镜偏转加以控制，图像传感器22可用于监测光镊29与样品的位置。载物基片25为透明载物基片或透明培养皿，用于产生非相干光光镊并将光镊聚焦到样品上的非相干光光镊系统放置在可三维移动及水平转动的载物台下方，使得非相干光光镊系统产生的非相干光光镊穿过载物基片25后聚焦在样品上，可作用于非均匀的样品内部。非相干光光镊光学系统中放置有带通滤光片222、聚光筒30和二维振镜31。图像传感器22前面放置有光学衰减片221及带通滤光片222，光学衰减片221作用是当光镊很亮时，用于减弱信号光波，避免图像传感器饱和。作为改进，光源1为LED光源，该光源1包括九个LED芯片11，该九个LED芯片11所具有的波段中包含了九种或者少于九种不同中心波长的波段，九个LED芯片11的中心波长范围一般在700-1500nm之间，该LED芯片11还设置于线路层15上，该线路层15设置于基板14上，该线路层15还具有与LED芯片11的数量对应的九个引脚12，该LED芯片11的一端电极串联或并联连接，也可以串联和并联连接并存实施，该LED芯片11上相对的另一端电极由引脚12引出。

其中，光源1还可以采用卤素灯作为非相干光源，利用贝塞尔光束的形式将光镊光源发射出的能量聚焦在样品处。光镊波段选择不受激光器限制，从紫外到红外范围连续可选。光源采用LED或卤素灯，响应速度快，便于控制。非相干光光镊系统主要由光源、锥形聚光筒、光阑、准直扩束透镜组、振镜和轴棱锥组成，锥形聚光筒将光源与光阑连接在一起，在光阑处形成强度均匀且具有一定相干性的出射光，出射光通过准直扩束透镜组，在透镜组后部形成扩束后的平行光，经过振镜进入轴棱锥，平行光经过轴棱锥形成近似无衍射的贝塞尔光束，近似无衍射的贝塞尔光束汇聚处形成光镊。通过电脑控制振镜偏转，带动光镊横向运动。振镜的位置靠近轴棱锥，保证在偏转的同时平行光仍然充满轴棱锥。载物基片与非相干光镊光学系统保持一定距 离。光镊可以通过高度聚焦光束产生的力来操作纳米或微米级的介电质颗粒。高度聚焦光束通常是通过使强光通过聚焦透镜得到的。聚焦后的光束最窄的部分会存在非常强的电场梯度。介电质颗粒会被吸引至电场梯度最高的区域，也就是光束的中心。同时，电场还会在光束传播方向上对颗粒产生力。这点可以通过动量守恒来理解。光束中的介电质颗粒会吸收并散射光子，于是就会产生相应的动量的变化。如果颗粒不在光束腰上，由于光场光强梯度(即不同区域的光强差异)的影响，颗粒各个方向上会受到不均匀的力将其拉向光强最强的区域。在定量科学测量中，通常电介质颗粒都不会移动到离光束中心很远的地方。当颗粒与光束中心的距离很小时，颗粒受到的力与颗粒与光束中心的距离成正比。因此，其特性类似于普通的弹簧系统，遵守胡克定律。光镊是非常精确的设备，可以将亚微米级的颗粒移动亚纳米级的距离，所以，光镊常常被用于研究和操作DNA，蛋白质，酶甚至是单个分子。

对于该非相干光光镊光学系统，可以通过调节光源电流调整非相干光光镊的强度，对于LED光源的光镊光学系统，可以通过选择不同波段的光源，达到激发不同分子基团的目的。当激发后的样品发出荧光时，可在数字光学显微镜头的图像传感器前面放置带通滤波片，用于遮挡激发光，透射荧光，提高所拍摄荧光图像的信噪比。

LED或卤素灯等光源的发光机制为自发辐射发光，发出的光频谱较宽、相干性极差，因此被称为非相干光源。光源的时间相干性可用相干长度L₀来表示，L₀通过以下公式定义：

$L_0\≈\frac{{\mathrm{\λ}}^2}{\mathrm{\Δ\λ}}---\left(1\right)$

式中λ是光源的主波长，Δλ是光源的频谱半峰宽度。通过工艺控制LED光源的频谱半峰宽度或利用带通滤色片提高卤素灯的单色性，可以使传统意义上的非相干光源具有一定的时间相干性。

为提高光场的空间相干性，可以在距离光源D处加一光阑P，如 图1所示，空间相干性由以下公式给出：

$d\≤\frac{\mathrm{D\λ}}{b}---\left(2\right)$

式中b为光源的横向线度，如图1所示，由于光源并非理想均匀光，在光源与光阑间放置锥形聚光筒，对于卤素灯作为光源的情形，聚光筒靠近光源的一段放置带通滤色片，提高光源的时间相干性。聚光筒内壁为近似镜面反射，光源发出的光经过聚光筒的多次反射，在光阑处的光强分布更加均匀。长度D为光源与光阑的间距，则d为光场中相干范围的横向线度，取d作为光阑P的横向线度，则通过P的出射光可看作具有一定程度的空间相干性。

光阑P的出射光通过图1中的准直扩束透镜组L₁、L₂，得到光强分布较均匀的平行光，再通过轴棱锥得到近似无衍射贝塞尔光束，在轴棱锥后方到最大无衍射距离z_max范围内，光源能量高度集中，形成光镊。最大无衍射距离z_max由以下公式给出：

$z_{\max }=\frac{R}{(n-1)\mathrm{\γ}}---\left(3\right)$

式中R是入射轴棱锥的光束半径，n是轴棱锥折射率，γ是轴棱锥底角。光镊在横向的二维移动由设置在光源到轴棱锥之间、通过电脑控制的振镜L₃和L₄完成。

本基于非相干光源的光镊显微镜对激发光源作出了改进，首先以LED光源替代了现有技术中的激光器作为激发光源，由于LED本身较激光器具有体积小、寿命长的特点，因此可以降低整个光镊显微镜的体积，并且提高其使用寿命；其次，多个LED芯片和/或LED芯片组中，其具有了多种不同中心波长的波段，每个具有不同中心波长的LED芯片或LED芯片组通过设于线路层上的与LED芯片或LED芯片组相对于的独立引脚引出，通过该引脚可以在某一时间接通一个或 多个LED芯片或LED芯片组，未被接通的其余LED芯片或LED芯片组处于关闭状态，此时，整个LED光源输出的光由这些接通电源的LED芯片或LED芯片组发出的光进行合成，需要什么波长的光源只需要接通相应的具有具有不同中心波长的LED芯片或LED芯片组即可，实现了对光源的中心波长的调节控制，从而依靠对LED芯片或LED芯片组的独立的电流通断使得光镊显微镜的波长选择更为丰富，实现了在一台光镊显微镜实现多种波长的光源照射的目的。因此，本光镊显微镜与现有技术相比，其不仅缩小了光镊显微镜的体积、提高了光镊显微镜的使用寿命，更为重要的是，还实现了对一套光源上可根据需要调节出不同波长的光源的目的，从而扩展了光镊显微镜上光源在使用上的多变性，使得光镊显微镜的波长选择更为丰富，实现了在一台光镊显微镜实现多种波长的光源照射的目的。

为了进一步地优化本发明的实施效果，如图3所示，在本发明的基于非相干光源的光镊显微镜的另一些实施方式中，在前述内容的基础上，上述的LED芯片11以阵列形式排布。采用该实施方式的方案，将LED芯片以阵列形式排布，使得光源的出光可以更为均匀。

为了进一步地优化本发明的实施效果，如图3所示，在本发明的基于非相干光源的光镊显微镜的另一些实施方式中，在前述内容的基础上，上述的LED芯片11的一端电极为共阳极连接，多个引脚12通过共阴极13连接。作为替代方式，LED芯片11的一端电极可以为共阴极连接，多个引脚12可以为共阳极连接。采用该实施方式的方案，可以形成LED芯片的两种可选的电连接方案。

为了进一步地优化本发明的实施效果，在本发明的基于多谱段LED光源的OCT系统的另一些实施方式中，在前述内容的基础上，上述的LED芯片中，具有相同中心波长的LED芯片并联或串联连接，具有不同中心波长的LED芯片仅并联连接。采用该实施方式的方案，相同中心波长的LED芯片的接通放在一起一次接通或者分次接通，不同中心波长的LED芯片分次接通，从而可以便于将相同中心波长的LED芯片和不同中心波长的LED芯片的接通区分开来。

为了进一步地优化本发明的实施效果，在本发明的基于多谱段LED光源的OCT系统的另一些实施方式中，在前述内容的基础上，上述的光源还设置有控制电路，其一次控制一个LED芯片的电路通断，或一次控制多个LED芯片的电路通断，即控制电路具有控制通断的开关电路。采用该实施方式的方案，可以通过控制电路来自动控制LED芯片的接通，该控制电路可以是独立的电路，也可以是由微电脑控制的集成电路，每个不同中心波长的LED芯片通过设于线路层上的独立的引脚连接于控制电路不同的输出引脚上，以此来实现对不同LED芯片的实时独立的控制，可在某一时间接通一个或多个LED芯片，其余的LED芯片处于关闭状态。

为了进一步地优化本发明的实施效果，在本发明的基于非相干光源的光镊显微镜的另一些实施方式中，在前述内容的基础上，上述的控制电路还用于控制LED芯片的通电电流大小。采用该实施方式的方案，可以实现对LED芯片和/或LED芯片组的中心波长的小范围扫描。不同中心波长的LED芯片，在不同电流下工作时，中心波长是不同的，通过调节工作电流大小可以实现LED中心波长的小范围扫描，如图3所示，为典型的1310nm中心波长的LED芯片发光谱线图，当LED芯片电流变化时，芯片发光波长相应变化，如虚线和点线所示的光谱形状，从而实现LED中心波长的小范围扫描。

为了进一步地优化本发明的实施效果，如图3所示，在本发明的基于多谱段LED光源的荧光显微镜的另一些实施方式中，在前述内容的基础上，上述的线路层15和基板14之间设置有绝缘层16。采用该实施方式的方案，可以形成线路层和基板之间的绝缘。

上述的实施方式中，基板14可以采用高导热的基板；LED芯片11的数量还可以根据需要设置为最少两个或多于九个等，并且LED芯片11中，部分或者全部还可以以LED芯片组替代，该LED芯片组可以进一步地包括一个或多个LED芯片，通过集成不同组数的LED芯片，可以实现不同调整级数，多个LED芯片可以串联或者并联连接成一个组。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.基于非相干光源的光镊显微镜，包括光镊显微镜本体以及向所述显微镜本体提供光的光源，其特征在于，所述光源包括多个LED芯片和/或LED芯片组，所述LED芯片和/或LED芯片组所具有的波段中包含了多种不同中心波长的波段，其种类数量等于或低于所述LED芯片和/或LED芯片组的数量，所述LED芯片和/或LED芯片组还设置于线路层上，所述线路层设置于基板上，所述线路层还具有与所述LED芯片和/或LED芯片组的数量对应的多个引脚，所述LED芯片和/或LED芯片组的一端电极串联和/或并联连接、相对的另一端电极由所述引脚引出。

2.根据权利要求1所述的基于非相干光源的光镊显微镜，其特征在于，所述LED芯片和/或LED芯片组以阵列形式排布。

3.根据权利要求1或2所述的基于非相干光源的光镊显微镜，其特征在于，所述LED芯片和/或LED芯片组的所述一端电极为共阳极连接，所述多个引脚为共阴极连接；或者所述LED芯片和/或LED芯片组的所述一端电极为共阴极连接，所述多个引脚为共阳极连接。

4.根据权利要求1所述的基于非相干光源的光镊显微镜，其特征在于，所述LED芯片和/或LED芯片组中，具有相同中心波长的LED芯片和/或LED芯片组并联或串联连接，具有不同中心波长的LED芯片和/或LED芯片组仅并联连接。

5.根据权利要求1所述的基于非相干光源的光镊显微镜，其特征在于，所述光源还设置有控制电路，其一次控制一个所述LED芯片或LED芯片组的电路通断，或一个控制多个所述LED芯片和/或LED芯片组的电路通断。

6.根据权利要求5所述的基于非相干光源的光镊显微镜，其特征在于，所述控制电路还用于控制所述LED芯片和/或LED芯片组的通电电流大小。

7.根据权利要求1所述的基于非相干光源的光镊显微镜，其特征在于，所述线路层和所述基板之间设置有绝缘层。