CN114035311A - 一种光镊显微镜 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光镊显微镜，涉及光镊技术和显微镜技术领域。一种光镊显微镜，包括机体、样品台、光源装置、成像显示装置和电控装置，样品台、光源装置、成像显示装置和电控装置均设于机体，光源装置和成像显示装置均与电控装置电性连接；光源装置用于产生激光光束形成光镊光场；样品台位于光源装置的光学输出端，用于控制和捕获样品；成像显示装置用于显示样品在光场中的移动过程；本发明集光捕获、显微成像、样品操控、电控技术于一体，使装置结构更紧凑、体积更小，方便携带，以便进行科学实验、科学普及和教学展示等，使用更方便。

Description

一种光镊显微镜

技术领域

本发明涉及光镊技术和显微镜技术领域，具体而言，涉及一种光镊显微镜。

背景技术

光有能量和动量，由于单个光子的能量极其微弱，所以我们尚未看见过光使物体发生运动。直到1960年激光问世，具有极高光子密度光束为光动力的应用提供了光源。于1986发明的光镊技术，利用光的动量借助光学显微成像，首次观测到光力驱动细胞运动的现象震撼科学界。光镊技术使光动量属性展现的淋漓尽致，极大推动光力学效应的研究和应用。光镊技术开辟了光与宏观微粒相互作用的研究领域，在基础研究和工业生产，特别是生命科学领域提供了一个独特的工具。

当前商用光镊仪器有两种主流，普遍是以显微镜为光镊装置架，用光学元件探测信号，通过电脑视屏显示图像；在实验室的科学研究者更多的是自己搭建，并且趋向于脱离显微镜的设计。以上，通过电脑视频显示图像，所需的设备比较多，松散，整体体积大，仅适合固定场所使用；另外采用自己搭建的方式，比较费时费力、成本高、不规范，难以在市场上普及，实用性差，所以急需解决。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光镊显微镜，集光捕获、显微成像、样品操控、电控技术于一体，使装置结构更紧凑、体积更小，方便携带，以便进行科学实验、科学普及和教学展示等。

本发明的实施例是这样实现的：

本申请实施例提供一种光镊显微镜，其包括机体、样品台、光源装置、成像显示装置和电控装置，上述样品台、上述光源装置、上述成像显示装置和上述电控装置均设于上述机体，上述光源装置和上述成像显示装置均与上述电控装置电性连接；

上述光源装置用于产生激光光束形成光镊光场；

上述样品台位于上述光源装置的光学输出端，用于控制和捕获样品；

上述成像显示装置用于显示样品在光场中的移动过程。

在本发明的一些实施例中，上述光源装置包括半导体激光发生装置、光学组件和聚光组件，上述半导体激光发生装置与上述电控装置电性连接；

上述半导体激光发生装置用于产生激光光束；

上述光学组件用于对上述半导体激光发生装置产生的光束进行扩束以及调节光束形状；

上述聚光组件用于将扩束后的激光光束汇聚在一起，用于探测上述样品台上放置的样品。

在本发明的一些实施例中，上述半导体激光发生装置为LD激光发生器。

在本发明的一些实施例中，上述光学组件包括透镜组件，上述透镜组件包括两个透镜，两个上述透镜同轴设置，且与上述半导体激光发生装置发出的光线处于同一中心线上。

在本发明的一些实施例中，上述聚光组件包括物镜，上述物镜设于上述机体内且位于上述样品台的正下方。

在本发明的一些实施例中，上述成像显示装置包括图像探测组件、照明组件和显示组件，上述显示组件和上述照明组件均设于上述机体上，上述图像探测组件设于上述机体内，上述图像探测组件、上述照明组件和上述显示组件均与上述电控装置电性连接。

在本发明的一些实施例中，上述显示组件包括连接轴和显示器，上述显示器与上述图像探测组件电性连接，上述显示器通过上述连接轴与上述机体连接。

在本发明的一些实施例中，上述图像探测组件包括CCD传感器或CMOS传感器。

在本发明的一些实施例中，上述照明组件包括LED灯和支架，上述支架的一端设于上述机体内部，上述支架的另一端延伸出上述机体并与上述LED灯连接，上述LED灯与上述电控装置电性连接。

在本发明的一些实施例中，上述电控装置包括PCB电源主板、电源接口和控制组件，上述电源接口设于上述机体后侧壁，上述PCB电源主板设于上述机体内，上述PCB电源主板与上述电源接口电性连接，上述控制组件设于上述机体，上述控制组件与上述PCB电源主板电性连接。

本发明实施例至少具有如下优点或有益效果：

一种光镊显微镜，包括机体、样品台、光源装置、成像显示装置和电控装置，上述样品台、上述光源装置、上述成像显示装置和上述电控装置均设于上述机体，上述光源装置和上述成像显示装置均与上述电控装置电性连接；上述光源装置用于产生激光光束形成光镊光场；上述样品台位于上述光源装置的光学输出端，用于控制和捕获样品；上述成像显示装置用于显示样品在光场中的移动过程。

样品台、光源装置、成像显示装置和电控装置均设于机体，通过机体作为支撑载体，可以给各部件提供稳定支撑，并对其进行保护，其中，样品台可以用于放置样品，并对样品进行移动和固定，而光源装置可以用于产生激光光束，样品台位于光源装置的光学输出端，可以使激光光束汇聚在样品台，从而形成光镊光场，可以捕捉样品中的微粒，以便研究聚焦光束与微粒的相互作用力，成像显示装置可以用于显示样品在光场中的移动过程，方便进行科普宣传；通过电控装置可以控制各部件的电路通断，从而控制各装置工作；本装置集光捕获、显微成像、样品操控、电控技术于一体，使装置结构更紧凑、体积更小，方便携带，以便进行科学实验、科学普及和教学展示等，使用更方便。

工作原理：使用时，通过电控装置连接外部电源，然后控制各部件工作电路连通，通过电控装置调整装置的运行参数，当装置的运行参数调整完成后，将样品放置在样品台上，然后使光源装置产生光束，并使光束汇聚在样品台处，此时成像显示装置可以显示样品在光场中的移动过程，方便使用者观看微粒在光场中的影像，然后借助成像显示装置，使用者可以移动样品台，进而带动样品移动，使光场中产生的光阱能捕捉微粒，操作简单方便。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，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相关的附图。

图1为本发明所述的一种光镊显微镜的结构示意图；

图2为本发明所述的一种光镊显微镜的右剖视图；

图3为本发明光镊系统的原理图。

图标：1-机体，2-样品台，3-半导体激光发生装置，4-光学组件，41-透镜，5-聚光组件，6-图像探测组件，7-显示组件，71-连接轴，72-显示器，8-PCB电源主板，9-电源接口，10-控制组件，11-照明组件，111-支架，112-LED灯。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

请参照图1-图3，图1为本发明所述的一种光镊显微镜的结构示意图；图2为本发明所述的一种光镊显微镜的右剖视图；图3为本发明光镊系统的原理图。

本实施例提供一种光镊显微镜，其包括机体1、样品台2、光源装置、成像显示装置和电控装置，上述样品台2、上述光源装置、上述成像显示装置和上述电控装置均设于上述机体1，上述光源装置和上述成像显示装置均与上述电控装置电性连接；上述光源装置用于产生激光光束形成光镊光场；上述样品台2位于上述光源装置的光学输出端，用于控制和捕获样品；上述成像显示装置用于显示样品在光场中的移动过程。

在本实施例中，样品台2、光源装置、成像显示装置和电控装置均设于机体1，通过机体1作为支撑载体，可以给各部件提供稳定支撑，并对其进行保护，其中，样品台2可以用于放置样品，并对样品进行移动和固定，而光源装置可以用于产生激光光束，样品台2位于光源装置的光学输出端，可以使激光光束汇聚在样品台2，从而形成光镊光场，可以捕捉样品中的微粒，以便研究聚焦光束与微粒的相互作用力，成像显示装置可以用于显示样品在光场中的移动过程，方便进行科普宣传；通过电控装置可以控制各部件的电路通断，从而控制各装置工作；本装置集光捕获、显微成像、样品操控、电控技术于一体，使装置结构更紧凑、体积更小，方便携带，以便进行科学实验、科学普及和教学展示等，使用更方便。

工作原理：使用时，通过电控装置连接外部电源，然后控制各部件工作电路连通，通过电控装置调整装置的运行参数，当装置的运行参数调整完成后，将样品放置在样品台2上，然后使光源装置产生光束，并使光束汇聚在样品台2处，此时成像显示装置可以显示样品在光场中的移动过程，方便使用者观看微粒在光场中的影像，然后借助成像显示装置，使用者可以移动样品台2，进而带动样品移动，使光场中产生的光阱能捕捉微粒，操作简单方便。

具体的，上述样品台2包括样品台本体和用于驱动上述样品台本体移动的驱动组件，上述驱动组件设于上述机体1内，上述样品台本体与上述驱动组件的输出端连接，上述驱动组件包括第一驱动装置、第二驱动装置和第三驱动装置，上述第一驱动装置设于上述机体1内，上述第二驱动装置设于上述第一驱动装置的传动输出端，上述第三驱动装置设于上述第二驱动装置的输出端，上述样品台本体设于上述第三驱动装置的传动输出端。

在上述实施方式中，驱动组件包括第一驱动装置、第二驱动装置和第三驱动装置，其中第一驱动装置可以用于驱动样品台本体横向移动，第二驱动装置可以用于驱动样品台本体纵向移动，通过横向移动和纵向移动，可以使微粒在X-Y平面内进行移动，使微粒进入光阱，观察粒子陷入光阱的过程和捕获粒子的能力，第三驱动装置可以驱动样品台本体升降，这样被捕获的粒子也随之沉浮，这时成像依然清晰，其他粒子图像变得逐渐模糊，从而可以更好地观察微粒与光阱之间的作用力。

在本实施例的一些实施方式中，上述第一驱动装置、第二驱动装置和第三驱动装置均可以为市售的细牙螺杆直调平移台，型号为XWH-X，承载能力大、移动稳定性更好，调节精度高。

为了更好地驱动样品台本体进行三维移动，分别在第一驱动装置的调节轴、第二驱动装置的调节轴和第三驱动装置的调节轴设有调节旋钮，调节旋钮采用大手轮结构，提高调节精度，降低操作难度。

在本发明的一些实施例中，上述光源装置包括半导体激光发生装置3、光学组件4和聚光组件5，上述半导体激光发生装置3与上述电控装置电性连接；上述半导体激光发生装置3用于产生激光光束；上述光学组件4用于对上述半导体激光发生装置3产生的光束进行扩束以及调节光束形状；上述聚光组件5用于将扩束后的激光光束汇聚在一起，用于探测上述样品台2上放置的样品。

在上述实施方式中，半导体激光发生装置3、光学组件4和聚光组件5共同组成光源装置，在使用时，通过电控装置控制半导体激光发生装置3的电路连通，然后使半导体激光发生装置3工作，产生激光光束，然后光束照射到光学组件4上，通过光学组件4对光束进行扩束，并调节光束形状，从而可以研究不同光束产生的光场与微粒之间产生的作用力，然后通过聚光组件5将扩束后的激光光束汇聚在样品台2处，从而使样品处于光场中，以便研究聚焦光束与微粒的相互作用力。

具体的，上述半导体激光发生装置3可以为LD激光发生器；LD激光发生器为半导体激光器，体积小、效率高，寿命长，结构简单，在光信息处理、光计算等新领域发挥重要的作用，通过将LD激光发生器设置在机体1内，可以使装置更加小型化，更便于携带，同时采用LD激光发生器可以稳定产生光镊光场，使用效果好。

进一步地，还包括激光功率显示屏，激光功率显示屏设于机体1侧壁，激光功率显示屏与半导体激光发生装置3电性连接，这样可以通过激光功率显示屏显示激光功率，方便使用人员操作使用。

在本发明的一些实施例中，上述光学组件4包括透镜41组件，上述透镜41组件包括两个透镜41，两个上述透镜41同轴设置，且与上述半导体激光发生装置3发出的光线处于同一中心线上。

在上述实施方式中，光学组件4包括透镜41组件，通过透镜41组件可以对LD激光发生器发射的光源进行扩束，从而增加激光光束的扫描范围；透镜41组件包括两个透镜41，两个透镜41同轴设置，且与半导体激光发生装置3发出的光线处于同一中心线上，这样可以使光束的路线从两个透镜41的中心穿过，可以增强透镜41对光束的扩束效果，从而提高光镊光场的强度。

在本发明的一些实施例中，上述聚光组件5包括物镜，上述物镜设于上述机体1内且位于上述样品台2的正下方。

在上述实施方式中，聚光组件5包括物镜，通过物镜可以放大视野中的倍数，提高成像清晰度，从而能观察到样品中的微粒结构，物镜设于机体1内且位于样品台2的正下方，以便能更好地对样品台2上放置的样品进行观察，提高成像清晰度。

在本发明的一些实施例中，上述成像显示装置包括图像探测组件6、照明组件11和显示组件7，上述显示组件7和上述照明组件11均设于上述机体1上，上述图像探测组件6设于上述机体1内，上述图像探测组件6、上述照明组件11和上述显示组件7均与上述电控装置电性连接。

在上述实施方式中，图像探测组件6、照明组件11和显示组件7组成成像显示装置，其中照明组件11可以提供照明光源，对样品台2上放置的样品进行照明，确保微粒在光场中的移动过程能清晰被观察到，图像探测组件6可以探测到物镜中的成像画面，然后通过显示组件7进行显示，方便人员观察到光镊捕获微粒的过程，以便更好进行宣传教学。

优选地，上述图像探测组件6设于机体1内，可以通过机体1对图像探测组件6进行保护，上述照明组件11可以设于样品台2的正上方，可以更好地对样品进行照明，显示组件7转动设于机体1上，从而使装置的结构更加紧凑，使装置体积更小，方便使用。

在本发明的一些实施例中，上述显示组件7包括连接轴71和显示器72，上述显示器72与上述图像探测组件6电性连接，上述显示器72通过上述连接轴71与上述机体1连接。

在上述实施方式中，显示组件7包括连接轴71和显示器72，连接轴71可以起连接作用，将显示器72安装在机体1上，同时也使显示器72可以沿着机体1进行转动，在使用时，可以翻转打开，且显示器72的翻转角度可以根据人观测需求调整角度，可调节性好，在不使用时，可以将显示器72翻转至水平状态，减少装置占用的空间大小，并能对照明组件11进行保护，使用效果好。

具体的，上述显示器72可以为市售的液晶显示屏，成像效果好，可以使使用者看的更清楚；上述连接轴71可以为市售的阻尼轴，具有阻尼效果，可以使显示器72停留在任意一个位置，使用效果好。

在本发明的一些实施例中，上述图像探测组件6包括CCD传感器或CMOS传感器。

在上述实施方式中，图像探测组件6可以为CMOS传感器，CMOS传感器是将光信号转换为电信号的装置，可以将物镜中观察到的图像通过CMOS传感器进行信号处理，然后通过显示装置显示出图像，从而可以使使用人员观察到光镊捕获微粒的过程，方便进行教学演示。

在上述实施方式中，图像探测组件6还可以为CCD传感器，CCD传感器它使用一种高感光度的半导体材料制成，能把光线转变成电荷，通过模数转换器芯片转换成数字信号，数字信号经过压缩以后由相机内部的闪速存储器或内置硬盘卡保存，因而可以轻而易举地把数据传输给计算机，并借助于计算机的处理手段，根据需要和想像来修改图像，使用效果好。

在本发明的一些实施例中，上述照明组件11包括LED灯112和支架111，上述支架111的一端设于上述机体1内部，上述支架111的另一端延伸出上述机体1并与上述LED灯112连接，上述LED灯112与上述电控装置电性连接。

在上述实施方式中，支架111的一端设于机体1内部，其另一端与LED灯112连接，可以通过支架111给LED灯112提供支撑，使LED灯112能对准移动样品台2，对移动样品台2上的样品进行照明，保证光镊装置在观看样品时有足够的光照强度，以便更好地对样品的原子结构进行检测。

具体的，还包括照明光强度显示器72，照明光强度显示器72设于机体1侧壁，且照明光强度显示器72与LED灯112电性连接，这样可以通过照明光强度显示器72显示LED灯112的光照强度，方便使用人员操作使用。

在本发明的一些实施例中，上述电控装置包括PCB电源主板8、电源接口9和控制组件10，上述电源接口9设于上述机体1后侧壁，上述PCB电源主板8设于上述机体1内，上述PCB电源主板8与上述电源接口9电性连接，上述控制组件10设于上述机体1，上述控制组件10与上述PCB电源主板8电性连接。

在本实施例中，PCB电源主板8、电源接口9和控制组件10组成电控组件，用于控制装置的电路通断，其中电源接口9可以用于与外部电源端口进行连接，从而给装置供电，通过PCB电源主板8可以调整电源电压，从而满足装置的用电需求，使装置能正常工作，然后通过控制组件10可以控制各部件工作，提高装置的操作便利性。

具体的，上述控制组件10包括操作面板，操作面板设于机体1的前侧壁，方便使用人员进行操作，操作面板内设有单片机控制器或PLC控制器，操作精度高，使用更方便。

综上，本申请实施例提供一种光镊显微镜，包括机体1、样品台2、光源装置、成像显示装置和电控装置，上述样品台2、上述光源装置、上述成像显示装置和上述电控装置均设于上述机体1，上述光源装置和上述成像显示装置均与上述电控装置电性连接；上述光源装置用于产生激光光束形成光镊光场；上述样品台2位于上述光源装置的光学输出端，用于控制和捕获样品；上述成像显示装置用于显示样品在光场中的移动过程。

样品台2、光源装置、成像显示装置和电控装置均设于机体1，通过机体1作为支撑载体，可以给各部件提供稳定支撑，并对其进行保护，其中，样品台2可以用于放置样品，并对样品进行移动和固定，而光源装置可以用于产生激光光束，样品台2位于光源装置的光学输出端，可以使激光光束汇聚在样品台2，从而形成光镊光场，可以捕捉样品中的微粒，以便研究聚焦光束与微粒的相互作用力，成像显示装置可以用于显示样品在光场中的移动过程，方便进行科普宣传；通过电控装置可以控制各部件的电路通断，从而控制各装置工作；本装置集光捕获、显微成像、样品操控、电控技术于一体，使装置结构更紧凑、体积更小，方便携带，以便进行科学实验、科学普及和教学展示等，使用更方便。

以上仅为本发明的优选实施例而已，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)

1.一种光镊显微镜，其特征在于，包括机体、样品台、光源装置、成像显示装置和电控装置，所述样品台、所述光源装置、所述成像显示装置和所述电控装置均设于所述机体，所述光源装置和所述成像显示装置均与所述电控装置电性连接；

所述光源装置用于产生激光光束形成光镊光场；

所述样品台位于所述光源装置的光学输出端，用于控制和捕获样品；

所述成像显示装置用于显示样品在光场中的移动过程。

2.根据权利要求1所述的一种光镊显微镜，其特征在于，所述光源装置包括半导体激光发生装置、光学组件和聚光组件，所述半导体激光发生装置与所述电控装置电性连接；

所述半导体激光发生装置用于产生激光光束；

所述光学组件用于对所述半导体激光发生装置产生的光束进行扩束以及调节光束形状；

所述聚光组件用于将扩束后的激光光束汇聚在一起，用于探测所述样品台上放置的样品。

3.根据权利要求2所述的一种光镊显微镜，其特征在于，所述半导体激光发生装置为LD激光发生器。

4.根据权利要求2所述的一种光镊显微镜，其特征在于，所述光学组件包括透镜组件，所述透镜组件包括两个透镜，两个所述透镜同轴设置，且与所述半导体激光发生装置发出的光线处于同一中心线上。

5.根据权利要求2所述的一种光镊显微镜，其特征在于，所述聚光组件包括物镜，所述物镜设于所述机体内且位于所述样品台的正下方。

6.根据权利要求1所述的一种光镊显微镜，其特征在于，所述成像显示装置包括图像探测组件、照明组件和显示组件，所述显示组件和所述照明组件均设于所述机体上，所述图像探测组件设于所述机体内，所述图像探测组件、所述照明组件和所述显示组件均与所述电控装置电性连接。

7.根据权利要求6所述的一种光镊显微镜，其特征在于，所述显示组件包括连接轴和显示器，所述显示器与所述图像探测组件电性连接，所述显示器通过所述连接轴与所述机体连接。

8.根据权利要求6所述的一种光镊显微镜，其特征在于，所述图像探测组件包括CCD传感器或CMOS传感器。

9.根据权利要求6所述的一种光镊显微镜，其特征在于，所述照明组件包括LED灯和支架，所述支架的一端设于所述机体内部，所述支架的另一端延伸出所述机体并与所述LED灯连接，所述LED灯与所述电控装置电性连接。

10.根据权利要求1所述的一种光镊显微镜，其特征在于，所述电控装置包括PCB电源主板、电源接口和控制组件，所述电源接口设于所述机体后侧壁，所述PCB电源主板设于所述机体内，所述PCB电源主板与所述电源接口电性连接，所述控制组件设于所述机体，所述控制组件与所述PCB电源主板电性连接。

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