CN108519666B - 一种超长工作距离成像显微镜和应用其的显微成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超长工作距离成像显微镜，包括：入射窗，待观测物体位于入射窗前侧，入射窗包括中央部分和位于中央部分外周的边缘部分；物镜，物镜包括曲面反射主镜和曲面反射次镜，曲面反射主镜的中部开有中心开孔，曲面反射次镜设置于入射窗的中央部分上并位于入射窗的后侧，曲面反射主镜位于曲面反射次镜的后侧；透镜，透镜设置于曲面反射主镜的后侧，且入射窗、曲面反射次镜、曲面反射主镜、透镜共光轴；图像传感器，图像传感器设置于透镜的后侧。本发明具有较长的、达到10厘米量级的工作距离，便于对待观测物体进行成像操作，能够保证对待观测物体清晰、稳定地成像。

Description

一种超长工作距离成像显微镜和应用其的显微成像系统

技术领域

本发明属于显微成像领域，具体涉及一种超长工作距离成像显微镜和应用该成像显微镜的显微成像系统。

背景技术

现有的成像显微镜其工作距离较小，即其物镜与待观测物体之间的距离很小，例如当观测1μm尺寸的物体时，显微镜镜头到待观测物体的工作距离小于1mm，必须使物镜与待观测物体之间的距离保持在工作距离内才能清晰地对被观测物体成像。因此，在很多场合中，无法做到如此接近待观测物体，且即使能够接近待观测物体，对于如此小的工作距离也存在操作使用非常不便的问题。因此，现有的成像显微镜存在工作距离过小、使用困难的缺陷。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有超长工作距离，从而非常方便使用的成像显微镜。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种超长工作距离成像显微镜，用于对待观测物体显微成像，所述成像显微镜包括：

入射窗，所述待观测物体位于所述入射窗前侧，所述入射窗包括中央部分和位于所述中央部分外周的边缘部分；

物镜，所述物镜包括曲面反射主镜和曲面反射次镜，所述曲面反射主镜的中部开有中心开孔，所述曲面反射次镜设置于所述入射窗的中央部分上并位于所述入射窗的后侧，所述曲面反射主镜位于所述曲面反射次镜的后侧；

透镜，所述透镜设置于所述曲面反射主镜的后侧，且所述入射窗、所述曲面反射次镜、所述曲面反射主镜、所述透镜共光轴；

图像传感器，所述图像传感器设置于所述透镜的后侧；

所述待观测物体发出或反射的光线经所述入射窗的边缘部分后到达所述曲面反射主镜而向所述曲面反射次镜方向第一次反射，第一次反射后的光线到达所述曲面反射次镜而向所述曲面反射主镜方向第二次反射，第二次反射后的光线穿过所述曲面反射主镜中部的所述中心开孔到达所述透镜而透射并被所述图像传感器接收。

优选的，所述曲面反射主镜采用凹面反射镜，所述曲面反射次镜采用凸面反射镜。

优选的，所述成像显微镜还包括壳体、与所述壳体的后端串联的管体，所述入射窗安装于所述壳体的前端，所述物镜设置于所述壳体内，所述透镜设置于所述管体的后端，所述图像传感器连接于所述管体的后端。

优选的，所述成像显微镜还包括与法兰相对接的环状连接件、固定环，所述壳体的前端插入所述环状连接件内，所述环状连接件上设置有用于抵住所述固定环的前端的凸缘，所述固定环的后端设置有内螺纹，所述壳体的外部设置有外螺纹，所述壳体通过所述外螺纹和所述内螺纹与所述固定环相可拆卸地连接。

优选的，所述环状连接件上开设有若干个固定孔，所述环状连接件通过与所述固定孔相匹配的固定螺栓而与所述法兰相对接。

优选的，所述环状连接件的前端面上开设有与所述法兰相匹配的凹槽，所述法兰的至少局部嵌入所述凹槽内。

优选的，所述曲面反射主镜和所述曲面反射次镜之间设置有若干第一光圈。

优选的，所述第一光圈设置于所述曲面反射主镜对应区域和/或所述中心开孔对应区域。

优选的，设置于所述曲面反射主镜对应区域的所述第一光圈与所述壳体相连接，设置于所述中心开孔对应区域的所述第一光圈与设置在所述中心开孔内的光圈管相连接。

优选的，所述曲面反射主镜与所述透镜之间设置有若干第二光圈。

优选的，所述第二光圈与所述管体相连接。

优选的，所述壳体的后端设置有盖板，所述管体通过所述盖板与所述壳体串联。

优选的，所述曲面反射主镜安装于设置在所述壳体内的基座上，所述基座通过调节机构而沿所述曲面反射主镜的光轴方向滑动地与所述盖板相连接。

优选的，所述调节机构包括两端分别与所述盖板和所述基座相连接并沿所述曲面反射主镜的光轴方向伸缩的可压缩弹簧、与所述基座相接触或连接并与所述盖板相连接的调节装置。

优选的，所述调节装置包括一端与所述基座相接触或固定连接且另一端穿过所述盖板的调节螺栓、设置于所述盖板后侧并与所述调节螺栓相配合的调节螺母。

优选的，所述基座通过多组所述调节机构而与所述盖板相连接，且多组所述调节机构环绕所述盖板的轴心线均匀分布。

优选的，所述壳体至少中部呈锥形，且由其前端向后端外径递增。

优选的，所述管体的后端固定安装有传感器连接件，所述图像传感器的外壳与所述传感器连接件相刚性连接。

优选的，所述成像显微镜还包括光源、将所述光源所发的光引导至所述入射窗前侧的引导组件。

一种显微成像系统，包括具有口部的腔体、设置于所述口部边缘的法兰、覆盖所述口部的观察窗、前述的超长工作距离成像显微镜，所述成像显微镜与所述法兰相刚性连接，所述观察窗与所述入射窗相对。

优选的，所述腔体为真空腔体、大气腔体、高压腔体、体液腔体、高温腔体或者特定气氛腔体。

优选的，所述法兰包围所述观察窗的外周。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明具有较长的、达到10厘米量级的工作距离，便于对待观测物体进行成像操作，能够保证对待观测物体清晰、稳定地成像。

附图说明

附图1为本发明的成像显微镜的外形示意图。

附图2为本发明的成像显微镜的剖视示意图。

附图3为本发明的显微成像系统的示意图。

以上附图中：1、成像显微镜；2、壳体；3、环状连接件；4、观察窗；5、待观测物体；6、待观测物体与观察窗的距离；7、物镜；8、中心开孔；9、曲面反射主镜；10、曲面反射次镜；11、入射窗；12、第一光圈；13、第一光圈；14、第一光圈；15、光圈管；16、基座；17、盖板；18、管体；19、第二光圈；20、透镜；21、图像传感器；22、可压缩弹簧；23、调节装置；24、光轴；25、图像传感器的外壳；26、法兰；27、腔体；28、固定环；29、固定孔；31、传感器连接件。

具体实施方式

下面结合附图所示的实施例对本发明作进一步描述。

实施例一：如附图1和附图2所示，待观测物体5位于一观察窗4的一侧，位于观察窗4另一侧的用于对待观测物体5显微成像的具有超长工作距离的成像显微镜1，主要包括依次设置且共光轴24的入射窗11、物镜7、透镜20和图像传感器21。在本发明中，定义在使用该成像显微镜1对待观测物体5显微成像时，靠近待观测物体5的一侧为前侧，而其反方向为后侧，即靠近入射窗11的一侧为前侧，靠近图像传感器21的一侧为后侧。在附图2中，前侧对应图左侧，而后侧对应图右侧。图中待观测物体5与观察窗4之间形成距离6。

待观测物体5位于透光且为圆形的入射窗11的前侧并与入射窗11之间形成一定距离。该入射窗11包括中央部分和位于中央部分外周的边缘部分。

物镜7包括由前向后设置的曲面反射次镜10和曲面反射主镜9，二者也共光轴24并且也为圆形镜片。曲面反射次镜10设置于入射窗11的中央部分上并位于入射窗11的后侧。曲面反射主镜9位于曲面反射次镜10的后侧。曲面反射主镜9的中部开设有中心开孔8，中心开孔8的轴线即与曲面反射主镜9的光轴24共线。

能够透光的透镜20设置于曲面反射主镜9的后侧，图像传感器21设置于透镜20的后侧。

在上述成像显微镜1中，待观测物体5发出或反射的光线经入射窗11的边缘部分后到达曲面反射主镜9而向曲面反射次镜10方向第一次反射，第一次反射后的光线到达曲面反射次镜10而向曲面反射主镜9方向第二次反射，第二次反射后的光线穿过曲面反射主镜9中部的中心开孔8到达透镜20而透射并被图像传感器21接收，从而形成完整的光路。

基于上述物镜7的结构设计和所形成的光路，对于上述显微镜而言，其具有一个工作距离WD和一个角度α，根据角度α可以确定物镜7的数值孔径NA=sinα，并推导出WDtanα≥15mm，从而使得该显微镜的工作距离增大到几厘米的量级。较为优选的方案是，该成像显微镜1中WDtanα≥20mm，这样可以实现非常大的工作距离。根据本发明的设计，成像显微镜1的工作距离至少可以达到70mm，一般情况可达到至少100mm。也就是说，应用本发明的成像显微镜1可以很容易地对距离几厘米处的待观测物体5成像。优选的，本发明的成像显微镜1的成像距离或者工作距离大约为10cm左右，确切的讲在9cm至12cm之间。这里的工作距离WD即为待观测物体5与入射窗11之间的距离。

在上述方案中，曲面反射主镜9采用凹面反射镜，曲面反射次镜10采用凸面反射镜。从而曲面反射主镜9和曲面反射次镜10形成一个Schwarzschild镜片系统。上述的曲面反射主镜9、曲面反射次镜10和透镜20形成了两个反射镜和一个透镜20的组合，即形成了所谓的折反射透镜20，其还能够在相当大的波长范围内比一般透镜20系统更容易进行色差校正。即根据本发明的设计，能够在大波长范围内进行测量的色差校正。在实施例中，该成像显微镜1可以对190nm至2300nm范围内的波长进行色差校正，也可以对180nm至4500nm范围内的大部分波长进行色差校正其覆盖深紫外、紫外、可见光、近红外和红外的波长范围。

在上述基本方案的基础上，本发明的方案还包括以下部分：

该成像显微镜1还包括壳体2和管体18，管体18为圆管，并串联在壳体2的后端，壳体2的中轴线和管体18的中轴线共线。壳体2的前端开口，故入射窗11就安装于壳体2前端的开口位置，而管体18则在壳体2的后端开口处与之连接。物镜7设置在壳体2内，透镜20则设置于管体18的后端，而图像传感器21则连接于管体18的后端，使得图像传感器21中的成像芯片位于透镜20的后端并与之共光轴24。可以在管体18的后端固定安装传感器连接件31，则图像传感器21的外壳25与传感器连接件31相刚性连接。

该成像显微镜1还包括环状连接件3和固定环29。环状连接件3能够通过固定环29与壳体2相刚性连接，且环状连接件3还能够与法兰26相刚性对接，从而壳体2的前端能够插入环状连接件3中。具体的，环状连接件3包括环状的本体以及垂直环绕本体设置的侧壁。环状连接件3的本体上开设有若干个固定孔30，固定孔30与待安装的法兰26上的螺栓孔相对应，从而环状连接件3可以通过与固定孔30相匹配的固定螺栓而与法兰26相对接。环状连接件3的前端面上形成有与法兰26的外形相匹配的凹槽，使得法兰26的至少局部能够嵌入凹槽内后使用固定螺栓连接。环状连接件3的侧壁上设置有用于抵住固定环29的前端的凸缘，从而固定环29套在环状连接件3外周后其前端能够被凸缘卡住而不向后方移动。固定环29的后端设置有内螺纹，而壳体2靠近其前端的外部则设置有外螺纹，壳体2能够通过外螺纹和内螺纹与固定环29相可拆卸地连接。当壳体2的前端插入环状连接件3时，则可以实现与环状连接件3的刚性连接。

壳体2至少中部呈锥形，且由其前端向后端外径递增。在本实施例中，壳体2的前端呈一个较短的圆柱形，中部呈圆锥台形，而后部也呈圆柱形，从而该壳体2的整体呈现前小后大的状态。

在壳体2内，在曲面反射主镜9和曲面反射次镜10之间设置有若干光圈，称之为第一光圈12、13、14。第一光圈12、13、14设置于曲面反射主镜9对应区域和/或中心开孔8对应区域。在本实施例中，设置了曲面反射主镜9对应区域内的若干个第一光圈12和中心开孔8对应区域内的若干个第一光圈13、14。对于曲面反射主镜9对应区域内的若干个第一光圈12，在壳体2内设置若干个阶梯面，则将这些第一光圈12分别安装在各阶梯面上而与壳体2相连接。对于中心开孔8对应区域内的若干个第一光圈13、14，先在中心开孔8内设置一光圈管15，光圈管15沿曲面反射主镜9的轴向而向曲面反射次镜10方向延伸，则将中心开孔8对应区域内的若干个第一光圈13、14与光圈管15相连接。在本实施例中，既设置了安装在光圈管15内壁上的第一光圈14，也设置了安装在光圈管15外壁上的第一光圈13。通过这些第一光圈12、13、14，可以去除光信号中的杂散信号，改善信号质量。光圈管15可以设置为具有多种孔径的阶梯状。

曲面反射主镜9与透镜20之间设置有若干光圈，称之为第二光圈19，这些第二光圈19可以与管体18相连接，即安装于管体18内。

壳体2的后端，即后端开口处设置有盖板17，盖板17通过外周处的螺栓而与壳体2相连接，而盖板17的中部则与管体18刚性连接，从而管体18通过盖板17与壳体2实现串联。

在壳体2内设置一基座16，曲面反射主镜9安装于该基座16上。而基座16则通过调节机构而沿曲面反射主镜9的光轴24方向滑动地与盖板17相连接，从而可以实现曲面反射主镜9的位置调节。调节机构包括可压缩弹簧22和调节装置23。可压缩弹簧22的两端分别与盖板17和基座16相连接，且能够沿曲面反射主镜9的光轴24方向伸缩。调节装置23的一端与基座16相接触或连接，另一端与盖板17相连接。本实施例中，调节装置23包括调节螺栓和调节螺母。调节螺栓的一端与基座16相接触或固定连接，另一端则穿过盖板17上开设的孔而延伸到盖板17后侧，调节螺栓的轴向与基座16带动曲面反射主镜9的移动方向相同。调节螺母设置于盖板17后侧并与调节螺栓相配合。则当旋转调节螺母时，调节螺栓沿其轴向移动。当调节螺栓向基座16所在方向移动时，其推动基座16移动，同时可压缩弹簧22伸缩变形；而档调节螺栓向反方向移动时，则基座16在可压缩弹簧22的弹性作用下移动。基座16通过多组调节机构而与盖板17相连接，且多组调节机构环绕盖板17的轴心线均匀分布。本实施例中，设置了三组调节机构。

该成像显微镜1还包括光源和将光源所发的光引导至入射窗11前侧，即观察窗4处的引导组件。光源可以是发光二极管、激光器等任意光源，引导组件可以是设置在曲面反射次镜10侧部的反射镜或者光纤等。上述光源和引导组件与现有显微镜中的结构类似，原则上可以在任意位置耦合进出。

实施例二：如附图3所示，一种显微成像系统，包括腔体27、法兰26、观察窗4以及成像显微镜1。腔体27为真空腔体、大气腔体、高压腔体、体液腔体、高温腔体或者特定气氛腔体，待观测物体5设置在腔体27内。腔体27上具有口部，法兰26设置于口部边缘，观察窗4则覆盖口部，并且可以使法兰26包围观察窗4的外周。成像显微镜1即采用实施例一中的方案，则腔体27通过法兰26而与成像显微镜1刚性连接。腔体27上还可以设置其他法兰28。

安装时，先将成像显微镜1的环状连接件3通过固定螺栓安装在法兰26上，再将壳体2插入环状连接件中并与之对接，然后转动固定环29而将壳体2和环状连接件刚性连接。

该显微成像系统中，成像显微镜1通过环状连接件3和固定环29可以非常靠近地安装在法兰26上，由于成像显微镜1是刚性地连接到腔体27上，腔体27的振动会引起成像显微镜1的连动，避免因为图像传感器21与待观测物体5的相对移动而产生的运动成像模糊，确保稳定地成像。

在使用上述实施例一和实施例二中涉及的成像显微镜1而对待观测物体5成像时，可以使用成像传感器进行多次连续成像，并利用设置于图像传感器21中的软件对拍摄的多次成像进行处理，来对环境影响（如设备的振动或者显微镜与图像传感器21的相对移动）进行校正，实现待观测物体5稳定的微观成像。也就是说，较小的运动，如振动导致的图像模糊可以在图像传感器21视场中通过软件来补偿，尤其是在运动不是很快的情况下。相应地，本发明还可以包括设定一个固定的位置，并通过在多张捕获图像中位置不变的特性来校准运动导致的图像模糊。

此外，上述成像显微镜1还可以含有照明系统和衬度改善技术以及相应的组件，其包括但不限于入射光的明场像、散光明场像、入射光暗场像、离轴激光入射光图像等等。

在上述成像显微镜1中，还可以至少包括一个加速度传感器或者运动传感器来检测显微镜1和图像传感器21之间连接处的加速度或者运动，比如说图像传感器21相对于显微镜连接件31的运动。进一步地，本该成像显微镜1还可以包括一个运动控制器，用来补偿图像传感器21相对于显微镜1端口的相对加速度或者运动。因此，本显微镜的设计可以使得图像传感器21与整个腔体27保持运动或者振动一致来确保对腔体27中待观测物体5稳定地成像，这种设计能够避免因为图像传感器21和待观测物体5相对移动而产生的运动成像模糊。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种超长工作距离成像显微镜，用于对待观测物体显微成像，其特征在于：所述成像显微镜包括：

入射窗，所述待观测物体位于所述入射窗前侧，所述入射窗包括中央部分和位于所述中央部分外周的边缘部分；

物镜，所述物镜包括曲面反射主镜和曲面反射次镜，所述曲面反射主镜的中部开有中心开孔，所述曲面反射次镜设置于所述入射窗的中央部分上并位于所述入射窗的后侧，所述曲面反射主镜位于所述曲面反射次镜的后侧；

透镜，所述透镜设置于所述曲面反射主镜的后侧，且所述入射窗、所述曲面反射次镜、所述曲面反射主镜、所述透镜共光轴；

图像传感器，所述图像传感器设置于所述透镜的后侧；

所述待观测物体发出或反射的光线经所述入射窗的边缘部分后到达所述曲面反射主镜而向所述曲面反射次镜方向第一次反射，第一次反射后的光线到达所述曲面反射次镜而向所述曲面反射主镜方向第二次反射，第二次反射后的光线穿过所述曲面反射主镜中部的所述中心开孔到达所述透镜而透射并被所述图像传感器接收；

所述成像显微镜还包括壳体、与所述壳体的后端串联的管体、与法兰相对接的环状连接件、固定环，所述入射窗安装于所述壳体的前端，所述物镜设置于所述壳体内，所述透镜设置于所述管体的后端，所述图像传感器连接于所述管体的后端，所述壳体的前端插入所述环状连接件内，所述环状连接件上设置有用于抵住所述固定环的前端的凸缘，所述固定环的后端设置有内螺纹，所述壳体的外部设置有外螺纹，所述壳体通过所述外螺纹和所述内螺纹与所述固定环相可拆卸地连接，所述壳体的后端设置有盖板，所述管体通过所述盖板与所述壳体串联，所述曲面反射主镜安装于设置在所述壳体内的基座上，所述基座通过调节机构而沿所述曲面反射主镜的光轴方向滑动地与所述盖板相连接。

2.根据权利要求1所述的超长工作距离成像显微镜，其特征在于：所述曲面反射主镜采用凹面反射镜，所述曲面反射次镜采用凸面反射镜。

3.根据权利要求1所述的超长工作距离成像显微镜，其特征在于：所述曲面反射主镜和所述曲面反射次镜之间设置有若干第一光圈。

4.根据权利要求1所述的超长工作距离成像显微镜，其特征在于：所述曲面反射主镜与所述透镜之间设置有若干第二光圈。

5.一种显微成像系统，其特征在于：所述显微成像系统包括具有口部的腔体、设置于所述口部边缘的法兰、覆盖所述口部的观察窗、如权利要求1所述的超长工作距离成像显微镜，所述成像显微镜与所述法兰相刚性连接，所述观察窗与所述入射窗相对。

6.根据权利要求5所述的显微成像系统，其特征在于：所述腔体为真空腔体、大气腔体、高压腔体、体液腔体、高温腔体或者特定气氛腔体。