CN109633882B - 一种相衬显微镜及其调试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种相衬显微镜及其调试方法，其中相衬显微镜，包括：沿光线传输方向依次设置的光源(1)、照明处理单元(2)、物镜单元(3)和成像单元(4)；所述照明处理单元(2)包括沿光线传输方向依次设置的集光镜(21)复眼透镜(22)和聚光镜(23)；所述物镜单元(3)设置有相衬板(31)，所述相衬板(31)为斑点相衬板。通过采用斑点相衬板，能实现高分辨率、高照明效率、无阴影光晕的效果。

Description

一种相衬显微镜及其调试方法

技术领域

本发明涉及一种显微镜及其调试方法，尤其涉及一种相衬显微镜及其调试方法。

背景技术

在生物细胞检测过程中，通常生物细胞标本缺乏透过率差异，这些标本使用明场照明观察几乎看不到任何细胞信息。而相衬技术利用了生物细胞标本不同部位的折射率和厚度差异，通过对零级衍射光的衰减以及引入零级衍射光和高级次衍射光之间的相对相移，使得几乎透明的细胞标本产生对比度。因此，采用相衬技术的显微镜相对于一般的明场显微镜，进行了以下调整：在孔径光阑附近放置了环状光阑，在显微镜物镜中与环状光阑共轭的位置放置相衬板。相衬板上与环状光阑透光区域共轭的部分称为环上部分，具有衰减功能；相衬板环上部分之外的区域与环上部分透过函数具有90°相位差。

其次，显微镜的成像分辨能力和照明数值孔径与成像数值孔径之和NA_t相关，NA_t越大，显微镜的分辨能力越高。由于相衬显微技术中孔径光阑的使用限制了照明数值孔径，限制了成像分辨率。故而使用相衬显微镜观察时，无法达到物镜的标称分辨率。另外，环状光阑遮挡了大部分的照明光，与明场相比降低了照明效率，在高倍放大率(≥40x)观察时，容易出现照明亮度不足的弊端。

再次，环状光阑的透光环可以看成无数发光点组成。这些发光点经过聚光镜和物镜镜片成像以及标本衍射，到达相衬板时将扩散开来，不再是一个点。由于相衬板的环上部分具有一定宽度，继而部分衍射光也经过了衰减并与其他衍射光产生了90度相移，无法贡献相衬效果。这导致相衬图像具有光晕与阴影，即采用环状光阑的显微镜的显示图像上特征边缘会出现明暗变化，进而影响显微镜的显示效果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种相衬显微镜及其调试方法，解决显微镜显示效果差的问题。

为实现上述发明目的，本发明提供一种相衬显微镜，包括：沿光线传输方向依次设置的光源、照明处理单元、物镜单元和成像单元；

所述照明处理单元包括沿光线传输方向依次设置的集光镜复眼透镜和聚光镜；

所述物镜单元设置有相衬板，所述相衬板为斑点相衬板。

根据本发明的一个方面，所述相衬板板体上离散设置有多个用于衰减光强的斑点，且所述板体的其余区域与所述斑点之间具有90°的相移。

根据本发明的一个方面，沿光线传输方向，所述复眼透镜的后焦面与所述聚光镜的前焦面重合，所述相衬板的位置与所述复眼透镜的后焦面位置光学共轭。

根据本发明的一个方面，所述聚光镜接收所述光源发出的光并形成准直光，所述复眼透镜接收所述准直光，并将所述准直光投射到其后焦面上形成多个离散分布的光斑。

根据本发明的一个方面，所述相衬板上的所述斑点的布置位置与所述复眼透镜形成于后焦面上的所述光斑的分布位置相对应；

所述斑点为圆形斑点或正多边形斑点。

根据本发明的一个方面，所述复眼透镜可在垂直光线传输方向的平面内旋转和平移。

根据本发明的一个方面，所述复眼透镜焦比与所述聚光镜的焦比相同。

根据本发明的一个方面，所述光斑与所述斑点满足：D_s＝αβD_p，其中，D_s表示所述斑点的直径，D_p表示所述光斑的直径，β表示所述光斑投射到所述斑点上的横向放大倍率，1＜α＜2。

根据本发明的一个方面，所述光斑与所述斑点还满足：d_s＝βd_p，其中，d_s表示所述相衬板上相邻所述斑点之间的距离，d_p表示所述复眼透镜后焦面上相邻的所述光斑之间的距离，β表示所述光斑投射到所述斑点上的横向放大倍率。

为实现上述发明目的，本发明提供一种调试方法，包括：

S11.通过对中望远镜获取物镜单元中所述相衬板的位置；

S12.在垂直光线传输方向的平面内转动和平移所述复眼透镜，使所述复眼透镜的后焦面上形成的光斑投影到物镜单元中相衬板上的斑点中央。

根据本发明的一种方案，通过将复眼透镜的后焦面与聚光镜的前焦面重合设置，复眼透镜会将准直后的光束切分，再由聚光镜叠加到标本上，形成均匀的照明，使得本发明的显微镜的照明效果更好，显示分辨率更高。

根据本发明的一种方案，复眼透镜除了能够切分准直光束外，复眼透镜还将准直光束汇聚到其后焦面上形成多个离散的光斑。由于在复眼透镜的后焦面上形成多个离散的光斑，这些离散的光斑相当于经过传统的点状光阑后形成的光强分布。因此，通过本发明的上述设置，复眼透镜在后焦面位置的光斑是自然生成的，无需放置实体点状光阑。因此，在本发明中只需要复眼透镜即可实现传统点状光阑的作用，并达到替换实体光阑的效果。由于在本发明的照明处理单元取消了实体光阑也就没有光能的损失，极大的提升了本发明的光源的照明效率。同时，通过上述设置不仅对提高本发明的显微镜的分辨率有益，而且精简了本发明的结构，节约了成本。

根据本发明的一种方案，由于复眼透镜的后焦面与聚光镜的前焦面相互重合，在复眼透镜的后焦面上形成的离散光斑同样遍布在了聚光镜的前焦面上，所以本发明的显微镜的照明数值孔径相比传统相衬显微镜大大拓展，成像分辨能力也得到了很大提高，可以充分发挥物镜单元的分辨能力，进而提高了整个显微镜的分辨率。

根据本发明的一种方案，将复眼透镜焦比与聚光镜焦比设置为相同的，从而进一步保证了本发明的显微镜的照明范围充足。

根据本发明的一种方案，根据本发明的相衬板，其板体上的斑点的大小相比于传统相衬板上相衬环的环宽很小，几乎没有衍射光经过衰减并经历与其他衍射光90°的相移。因此，通过将相衬板设置为斑点相衬板，并且斑点与光斑之间进行上述设置，这大大减少了本发明的显微镜在相衬成像时的光晕和阴影，非常有效的提高了本发明的显微镜的成像质量，提高了采用本发明的显微镜的检测精度和检测效率。

附图说明

图1示意性表示根据本发明的一种实施方式的显微镜的结构图；

图2示意性表示根据本发明的一种实施方式的相衬板的结构图；

图3示意性表示根据本发明的另一种实施方式的相衬板的结构图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

在针对本发明的实施方式进行描述时，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”所表达的方位或位置关系是基于相关附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细地描述，实施方式不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施方式。

如图1所示，根据本发明的一种实施方式，本发明的一种显微镜包括光源1、照明处理单元2、物镜单元3和成像单元4。在本实施方式中，沿光线传输方向光源1、照明处理单元2、物镜单元3和成像单元4依次设置，即光源1发出的光被照明处理单元2的传输至物镜单元3，成像单元4获取物镜单元3中的光并成像。在本实施方式中，光源1、照明处理单元2、物镜单元3和成像单元4同轴设置。

如图1所示，根据本发明的一种实施方式，光源1为发光体。

如图1所示，根据本发明的一种实施方式，照明处理单元2包括沿光线传输方向依次设置的集光镜21、复眼透镜22和聚光镜23。在本实施方式中，光源1和集光镜21处于同一光轴A上，集光镜21具有准直功能，光源1发出的光经过集光镜21的准直作用后成为准直光(即光源1发出的光为平行光)，进而实现了光源1准直光的输出。在本实施方式中，复眼透镜22位于集光镜21和聚光镜23之间。通过集光镜21生成的准直光依次经过复眼透镜22和聚光镜23后照射到标本B上，形成均匀照明。在本实施方式中，通过集光镜21生成的准直光被复眼透镜22接收并传输到聚光镜23上，通过聚光镜23的作用将光线投射到标本B上。在本实施方式中，集光镜21、复眼透镜22和聚光镜23同轴设置。在本实施方式中，复眼透镜22可在垂直光线传输方向的平面内旋转(即复眼透镜22以光轴A为中心轴旋转调整角度)和平移。通过将复眼透镜22设置为可调整位置的，进而能够使其在后焦面上形成的光斑能够准确被投射到物镜单元3中的相衬板31上相应位置，保证了本发明的显微镜的成像质量和高分辨率的要求。

在本实施方式中，沿光线传输方向，复眼透镜22的后焦面与聚光镜23的前焦面重合。参见图1所示，图中C位置即为复眼透镜22的后焦面所在位置，也为聚光镜23的前焦面位置。复眼透镜22接收光源1发出的准直光，并将准直光投射到其后焦面上形成多个离散分布的光斑。对于辐射强度随角度变化的光源1，准直之后的光束的横向光强分布会不均匀(即准直会将光强的角度分布转化为光强的横截面分布，因此如果光源不同角度光强不同，则准直之后横截面(横向)上的光强也会不一样，不均匀)。通过将复眼透镜22的后焦面与聚光镜23的前焦面重合设置，复眼透镜22会将准直后的光束切分，再由聚光镜23叠加到标本B上，形成均匀的照明，使得本发明的显微镜的照明效果更好。另外，复眼透镜22除了能够切分准直光束外，复眼透镜22还将准直光束汇聚到其后焦面(参见图1中C位置)上形成多个离散的光斑。由于在复眼透镜22的后焦面上形成多个离散的光斑，这些离散的光斑相当于经过传统的点状光阑后形成的光强分布。因此，通过本发明的上述设置，复眼透镜22在后焦面位置(参见图1中C位置)的光斑是自然生成的，无需放置实体点状光阑。因此，在本发明中只需要复眼透镜22即可实现传统点状光阑的作用，并达到替换实体光阑的效果。由于在本发明的照明处理单元2取消了实体光阑也就没有光能的损失，极大的提升了本发明的光源1的照明效率。除此之外，由于复眼透镜22的后焦面与聚光镜23的前焦面相互重合，在复眼透镜22的后焦面上形成的离散光斑同样遍布在了聚光镜23的前焦面上，所以本发明的显微镜的照明数值孔径相比传统相衬显微镜大大拓展，成像分辨能力也得到了很大提高，可以充分发挥物镜单元3的分辨能力，进而提高了整个显微镜的分辨率。

在本实施方式中，复眼透镜22为非球面复眼透镜。在本实施方式中，非球面复眼透镜焦比与聚光镜焦比相同，即复眼透镜22上的每个复眼单元的焦比与聚光镜23的焦比相同。通过采用非球面复眼透镜可以减小复眼透镜22每一个单元透镜产生的球差。将复眼透镜22(即非球面复眼透镜)焦比与聚光镜23焦比设置为相同的，从而进一步保证了本发明的显微镜的照明范围充足。当然，复眼透镜22还可以设置为球面复眼透镜，其上的每个复眼单元的焦比与聚光镜23的焦比相同。采用球面复眼透镜其成本低。

如图1所示，根据本发明的一种实施方式，物镜单元3包括物镜透镜和相衬板31。在本实施方式中，沿光线传输方向(即光源1向照明处理单元2传输光的方向)，物镜透镜和相衬板31依次设置。在本实施方式中，相衬板31可以与物镜透镜设置在同一壳体内，当然，也可以分开设置。在本实施方式中，相衬板31位于与复眼透镜22的后焦面位置的共轭位置，即复眼透镜22的后焦面经过聚光镜23和物镜透镜后的共轭位置。需要指出的是，该共轭位置还可称为光学共轭位置或成像位置。

结合图1和图2所示，根据本发明的一种实施方式，相衬板31为斑点相衬板。在本实施方式中，相衬板31为圆形的板状体，其外轮廓可根据实际的使用环境进行适应性调整，即可以改变其直径大小或形状。在本实施方式中，相衬板31的板体上离散设置有多个斑点311。斑点311对照射在其上的光具有衰减作用。且所述板体的其余区域与所述斑点之间具有90°的相移。在本实施方式中，相衬板31的板体上除了设置斑点311的区域与斑点311具有90°的相移，即相衬板31的板体上，除了设置斑点311的区域，其透过率函数与斑点311的透过率函数具有90度的相移。在本实施方式中，相衬板31上的斑点311的布置位置与复眼透镜22形成于后焦面上的光斑的分布位置相对应，即斑点311在相衬板31的板体上的排布方式与复眼透镜22形成于后焦面上的光斑的排布方式是相同的。参见图2所示，在相衬板31的板体上，斑点311在板体上阵列设置，也可以理解为斑点311在相衬板31的板体上的排布方式与复眼透镜22上复眼透镜单元的排布方式是一致的。参见图2所示，斑点311为矩形阵列设置，其通过相邻的四个斑点311以矩形分布构成矩形阵列。参见图3所示，斑点311为正六边形阵列设置，其通过相邻的三个斑点311以等边三角形分布构成正六边形阵列。

根据本发明的一种实施方式，相衬板31上的斑点311可以为圆形斑点或多边形斑点。在本实施方式中，可采用圆形斑点。当斑点311为圆形斑点时，复眼透镜22上的的复眼透镜单元可以为圆形或正多边形的。光斑的形状与复眼透镜单元的形状相匹配。相衬板31上采用多边形斑点时，复眼透镜22上的的复眼透镜单元可以为圆形或正多边形的，且复眼透镜单元为正多边形时的边数要小于斑点311的边数。

根据本发明的一种实施方式，光斑与斑点311满足：D_s＝αβD_p，其中，D_s表示斑点311的直径(需要指出的是，当为正多边形斑点时，该直径为正多边形的外接圆直径)，D_p表示光斑的直径(需要指出的是，当为正多边形斑点时，该直径为正多边形的外接圆直径)，β表示光斑通过聚光镜23和物镜透镜后投射到斑点311上的横向放大倍率，1＜α＜2。在本实施方式中，光斑与斑点311还满足：d_s＝βd_p，其中，d_s表示相衬板31上相邻斑点311之间的距离，d_p表示复眼透镜22后焦面上相邻的光斑之间的距离，β表示光斑通过聚光镜23和物镜透镜后投射到斑点311上的横向放大倍率(lateral magnification，也叫垂轴放大率)。通过上述设置，根据本发明的相衬板，其板体上的斑点311的大小相比于传统相衬板上相衬环的环宽很小，几乎没有衍射光经过衰减并经历与其他衍射光90度的相移。因此，通过将相衬板31设置为斑点相衬板，并且斑点311与光斑之间进行上述设置，这大大减少了本发明的显微镜在相衬成像时的光晕和阴影，非常有效的提高了本发明的显微镜的成像质量，提高了采用本发明的显微镜的检测精度和检测效率。

如图1所示，根据本发明的一种实施方式成像单元4包括管镜41和成像探测器42。在本实施方式中，物镜单元3传输的光线经过管镜41投射到成像探测器42上进行成像。

根据本发明的另一种实施方式，成像单元4包括管镜41和目镜。在本实施方式中，物镜单元3传输的光线经过管镜41投射到目镜上进行成像。观察这通过目镜即可实现对标本B的观察。

根据本发明的一种实施方式，本发明的一种相衬显微镜的调试方法，包括：

S11.通过对中望远镜获取物镜单元3中相衬板31的位置；

S12.在垂直光线传输方向的平面内转动和平移复眼透镜22，使复眼透镜22的后焦面上形成的光斑投影到物镜单元3中相衬板31上的斑点311中央。

上述内容仅为本发明的具体方案的例子，对于其中未详尽描述的设备和结构，应当理解为采取本领域已有的通用设备及通用方法来予以实施。

以上所述仅为本发明的一个方案而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种相衬显微镜，其特征在于，包括：沿光线传输方向依次设置的光源(1)、照明处理单元(2)、物镜单元(3)和成像单元(4)；

所述照明处理单元(2)包括沿光线传输方向依次设置的集光镜(21)复眼透镜(22)和聚光镜(23)；

所述物镜单元(3)设置有相衬板(31)，所述相衬板(31)为斑点相衬板。

2.根据权利要求1所述的相衬显微镜，其特征在于，所述相衬板(31)板体上离散设置有多个用于衰减光强的斑点(311)，且所述板体的其余区域与所述斑点之间具有90°的相移。

3.根据权利要求2所述的相衬显微镜，其特征在于，沿光线传输方向，所述复眼透镜(22)的后焦面与所述聚光镜(23)的前焦面重合，所述相衬板(31)的位置与所述复眼透镜(22)的后焦面位置光学共轭。

4.根据权利要求3所述的相衬显微镜，其特征在于，所述聚光镜(23)接收所述光源(1)发出的光并形成准直光，所述复眼透镜(22)接收所述准直光，并将所述准直光投射到其后焦面上形成多个离散分布的光斑。

5.根据权利要求4所述的相衬显微镜，其特征在于，所述相衬板(31)上的所述斑点(311)的布置位置与所述复眼透镜(22)形成于后焦面上的所述光斑的分布位置相对应；

所述斑点(311)为圆形斑点或正多边形斑点。

6.根据权利要求5所述的相衬显微镜，其特征在于，所述复眼透镜(22)可在垂直光线传输方向的平面内旋转和平移。

7.根据权利要求4至6任一所述的相衬显微镜，其特征在于，所述复眼透镜(22)焦比与所述聚光镜(23)的焦比相同。

8.根据权利要求7所述的相衬显微镜，其特征在于，所述光斑与所述斑点(311)满足：D_s＝αβD_p，其中，D_s表示所述斑点(311)的直径，D_p表示所述光斑的直径，β表示所述光斑投射到所述斑点(311)上的横向放大倍率，1＜α＜2。

9.根据权利要求8所述的相衬显微镜，其特征在于，所述光斑与所述斑点(311)还满足：d_s＝βd_p，其中，d_s表示所述相衬板(31)上相邻所述斑点(311)之间的距离，d_p表示所述复眼透镜(22)后焦面上相邻的所述光斑之间的距离，β表示所述光斑投射到所述斑点(311)上的横向放大倍率。

10.一种用于权利要求1至9任一所述的相衬显微镜的调试方法，包括：

S11.通过对中望远镜获取物镜单元(3)中所述相衬板(31)的位置；

S12.在垂直光线传输方向的平面内转动和平移所述复眼透镜(22)，使所述复眼透镜(22)的后焦面上形成的光斑投影到物镜单元(3)中相衬板(31)上的斑点(311)中央。

Images