CN117031720A - 一种自动化集成光学装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种自动化集成光学装置及系统，属于光学技术领域，包括：荧光观测光路、荧光光束准直匀化光路、明场科勒照明光路、明场观测光路与微投影光路。本发明提供的装置集成了多种光路，对多种光路进行调节，可实现多种光信号的检测，适用性广，满足了用户的需求，经过本发明实施例提供的装置进行微投影，具有很高的精度。

Description

一种自动化集成光学装置及系统

技术领域

本发明属于光学技术领域，尤其涉及一种自动化集成光学装置及系统。

背景技术

在光学系统中，镜头对一定距离的目标成像有一个最佳像面位置，达到这个位置称为聚焦；偏离了这个位置，将导致系统离焦，造成图像质量下降、成像模糊。光学系统的相对孔径越大，离焦表现的效果越明显。离焦会直接影响后续的信息提取和处理工作。

调整光学系统由离焦到聚焦的过程称为调焦。能否准确快速调对于一个光学系统是非常重要的。

相关技术提供的系统，该光电镊操控系统包括投影仪、缩束透镜组、第一分束镜、物镜、光电微流体芯片、第二分束镜、第三凸透镜、图像传感器、第四凸透镜、激发光源；其中，投影仪产生的光学图案能够经缩束透镜组、第一分束镜、物镜投射到光电微流体芯片；激发光源产生的光线能够经第四凸透镜、第二分束镜、第一分束镜、物镜投射到光电微流体芯片，光电微流体芯片的光线能够经物镜、第一分束镜、第二分束镜、第三凸透镜到达图像传感器，以使得图像传感器产生关于可操控对象的图像。

但是传统投影光路与观察光路相独立，且调焦方案不完备，调焦的时候物镜不动，被观察的物体进行平移，影响调焦效果。

发明内容

本发明提供了一种自动化集成光学装置及系统，可以解决传统投影光路与观察光路相独立，且调焦方案不完备，调焦的时候物镜不动，被观察的物体进行平移，影响调焦效果的技术问题。

本发明提供的技术方案如下所示：

一方面，提供了一种自动化集成光学装置，所述装置包括：荧光观测光路、荧光光束准直匀化光路、明场科勒照明光路、明场观测光路与微投影光路；

所述荧光观测光路中，依次设置有第一电荷耦合设备、第一凸透镜、荧光转盘模块、第一分光片、第二分光片、第三分光片；

所述荧光光束准直匀化光路中，依次设置有激发光源、第一液体光波导、第一光纤耦合器、第一非球面透镜、第一复眼透镜、第二复眼透镜与第一消色差透镜，激发光源经过所述第一消色差透镜进入所述荧光转盘模块；

所述明场科勒照明光路中，依次设置有宽谱LED灯、第二非球面透镜、第一光阑、第二光阑与第二消色差透镜，激发光源经过所述第二消色差透镜照射在所述第一分光片上；

所述明场观测光路中，依次设置有第二电荷耦合设备与第二凸透镜，激发光源经过所述第二凸透镜照射在所述第二分光片上；

所述微投影光路中，依次设置有多光谱高亮度照明光箱、第二液体光波导、第二光纤耦合器、第三非球面透镜、直角可调反射镜、第三复眼透镜、第四复眼透镜、第三消色差透镜、TIR棱镜与DMD空间光调制器、第三凸透镜以及快门；所述DMD空间光调制器的光路通过所述第三凸透镜照射在所述第三分光片上，反射后通过显微物镜聚焦。

在一种可选的实施例中，所述第一凸透镜与所述第二凸透镜的通光孔径不小于30mm；

所述第一凸透镜与所述第二凸透镜的有效焦距为100mm~300mm。

在一种可选的实施例中，所述第一分光片、第二分光片以及第三分光片的分光比值包括：10/90，20/80，30/70或50/50。

在一种可选的实施例中，所述多光谱高亮度照明光箱包含激发光源的波段包括385nm、405nm、510nm、610nm、635nm。

在一种可选的实施例中，所述第一非球面透镜、第二非球面透镜以及第三非球面透镜的有效焦距均小于20mm，通光孔径至少为20mm；

所述第一非球面透镜、第二非球面透镜以及第三非球面透镜的发光面位于非球面透镜的焦点处。

在一种可选的实施例中，所述的第一复眼透镜、第二复眼透镜、第三复眼透镜以及第四复眼透镜的透镜数不小于40个，通光孔径至少为40mm，有效焦距为15 mm -30mm；

所述的第一光阑与第二光阑的通光孔为5mm-25mm。

在一种可选的实施例中，所述第三凸透镜为双胶合消色差透镜，有效焦距为100mm-500mm，通光孔径至少为40mm；

所述显微物镜为数值孔径为1.3-4.2的物镜，显微物镜倍数包括：2.5倍、4倍、10倍、20倍或40倍。

另一方面，提供了一种自动化集成光学系统，所述系统包括上述任一所述的光学装置、固定板、显微物镜、自动调焦机构和自动切换机构；

所述光学装置位于所述固定板上方，所述显微物镜、自动调焦机构和自动切换机构位于所述固定板下方；

所述自动调焦机构的一端与所述固定板连接，另一端与所述显微物镜连接，所述自动切换机构与所述显微物镜的侧部连接；

所述显微物镜通过所述自动切换机构实现上下运动。

在一种可选的实施例中，所述自动调焦机构包括：升降台，通过连接板与所述显微物镜连接；

光电位置传感器，用于获取所述自动切换机构中半透半反镜的位置信息。

在一种可选的实施例中，所述自动切换机构包括：导轨，与所述固定板连接；

滑块，与所述导轨滑动连接；

滑动连接块，与所述滑块连接；

滤光镜支架，与所述滑动连接块连接；

半透半反镜微调模块，与所述滤光镜支架连接，通过所述滑动连接块在所述导轨上移动；

半透半反镜，设置在所述半透半反镜微调模块上；

传感器探测板，设置在所述滑块上。

本发明实施例提供的装置至少具有以下有益效果：

本发明实施例提供的装置集成了多种光路，对多种光路进行调节，可实现多种光信号的检测，适用性广，满足了用户的需求，经过本发明实施例提供的装置进行微投影，具有很高的精度，可达到1.2μm。

附图说明

通过结合附图对本公开示例性实施例进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1示出了一种自动化集成光学装置结构示意图；

图2示出了一种自动化集成光学装系统示意图；

图3示出了一种自动化集成光学系统分解示意图。

其中，附图标记为：

1-第一电荷耦合设备；2-第一凸透镜；3-激发光源；4-第一液体光波导；5-第一光纤耦合器；6-第一非球面透镜；7-第一复眼透镜；8-第二复眼透镜；9-第一消色差透镜；10-荧光转盘模块；11-宽谱LED灯；12-第二非球面透镜；13-第一光阑；14-第二光阑；15-第二消色差透镜；16-第一分光片；17-第二电荷耦合设备；18-第二凸透镜；19-第二分光片；20 -DMD空间光调制器；21-TIR棱镜；22-第三凸透镜；23-快门；24-第三分光片；25-第三消色差透镜；26-第四复眼透镜；27-第三复眼透镜；28-直角可调反射镜；29-第三非球面透镜；30-第二光纤耦合器；31-第二液体光波导；32-多光谱高亮度照明光箱；33-显微物镜；34 -样品；35-固定板；36-步进电机；37-导轨；38-光电位置传感器；39-升降台；40-半透半反镜微调模块；41-半透半反镜；42-滤光镜支架；43-滤光镜片；44-滑块连接块；45-传感器探测板；46-滑块。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的实施例。虽然附图中显示了本公开的实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。

在使用光电镊的过程中，需要有效地抑制投影微图案的变形，保证聚焦在样品表面的光能量达到一个阈值，并在较大的范围内实现对于微颗粒的有效操作。同时自动化集成系统需要实时观测细胞的多种荧光信号。因此，该系统需要集成明场科勒照明光路、荧光波观测光路与微投影光路，并实现微投影光路和荧光观测光路的自动切换，共轭图像的自动对焦。鉴于此，本发明实施例提供了一种自动化集成光学装置。

请参见图1，装置包括：荧光观测光路、荧光光束准直匀化光路、明场科勒照明光路、明场观测光路与微投影光路；

荧光观测光路中，依次设置有第一电荷耦合设备1、第一凸透镜2、荧光转盘模块10、第一分光片16、第二分光片19、第三分光片24；

荧光光束准直匀化光路中，依次设置有激发光源3、第一液体光波导4、第一光纤耦合器、第一非球面透镜6、第一复眼透镜7、第二复眼透镜8与第一消色差透镜9，激发光源3经过第一消色差透镜9进入荧光转盘模块10；

明场科勒照明光路中，依次设置有宽谱LED灯11、第二非球面透镜12、第一光阑13、第二光阑14与第二消色差透镜15，激发光源3经过第二消色差透镜15照射在第一分光片16上；

明场观测光路中，依次设置有电荷耦合设备与第二凸透镜18，激发光源3经过第二凸透镜18照射在第二分光片19上；

微投影光路中，依次设置有多光谱高亮度照明光箱32、第二液体光波导31、第二光纤耦合器30、第三非球面透镜、直角可调反射镜28、第三复眼透镜27、第四复眼透镜26、第三消色差透镜25、TIR棱镜21与DMD空间光调制器20、第三凸透镜22以及快门23；DMD空间光调制器20的光路通过第三凸透镜22照射在第三分光片24上，反射后通过显微物镜33聚焦。

本发明实施例提供的装置，通过荧光观测光路、明场科勒照明光路以及微投影光路可以对多种光谱信号进行检测，检测精度高，并且通过本发明实施例提供的微投影光路的检测精度可以达到1.2μm。

以下将通过可选的实施例进一步解释和描述本发明实施例提供的装置。

在一种可选的实施例中，第一凸透镜2与第二凸透镜18的通光孔径不小于30mm；

第一凸透镜2与第二凸透镜18的有效焦距为100mm~300mm。

示例的，第一凸透镜2与第二凸透镜18的有效焦距为100mm、110mm、120mm、150mm、170mm、200mm、220mm、270mm、290mm、300mm等。

在一种可选的实施例中，第一分光片16、第二分光片19以及第三分光片24的分光比值包括：10/90，20/80，30/70或50/50。

在一种可选的实施例中，多光谱高亮度照明光箱32包含激发光源3的波段包括385nm、405nm、510nm、610nm、635nm。

在一种可选的实施例中，第一非球面透镜6、第二非球面透镜12以及第三非球面透镜29的有效焦距均小于20mm，通光孔径至少为20mm；

第一非球面透镜6、第二非球面透镜12以及第三非球面透镜29的发光面位于非球面透镜的焦点处。

在一种可选的实施例中，的第一复眼透镜7、第二复眼透镜8、第三复眼透镜27以及第四复眼透镜26的透镜数不小于40个，通光孔径至少为40mm，有效焦距为15 mm -30mm；

第一光阑13与第二光阑14的通光孔为5mm-25mm。

在一种可选的实施例中，第三凸透镜22为双胶合消色差透镜，有效焦距为100mm-500mm，通光孔径至少为40mm；

显微物镜33为数值孔径为1.3-4.2的物镜，显微物镜倍数包括：2.5倍、4倍、10倍、20倍或40倍。

以下将通过具体的实施例进一步解释和描述本发明实施例提供的装置。

在荧光激发光路中，第一电荷耦合设备1可以为CCD（Charge-coupled Device，CCD），激发光源3为宽谱的高压汞灯，波长为400mm-700nm，其中光需要通过准直与匀化之后才能进入荧光转盘10，进行荧光模块的使用。其中，非球面透镜6，第一复眼透镜7，第二复眼透镜8，第一消色差透镜9，组成匀光透镜组对激发光源3进行准直与匀化。

图1中第一复眼透镜7和第二复眼透镜8的参数完全相同，平行光束垂直投射在第一复眼透镜7的凸面并聚焦于第二复眼透镜8微透镜的中心，再经第一消色差透镜9，能在第一消色差透镜9的焦平面上得到均匀光斑。其原理是利用第一非球面透镜6将入射的宽光束分为多个细光束，使照明屏上得到的光斑为每一个细光束经光学系统得到独立光斑后再相互叠加，故光斑内的所有位置均能被每个细光束照射。

此外，由于第一复眼透镜7和第二复眼透镜8对入射光束的细分，每个细光束内部光能分布的均匀性将优于原入射的宽光束。光斑均匀性大大提高，均匀程度可以高于90%，并保持为一个完整生物削顶光。同时在微投影光路中的照明光路的镜片组第三消色差透镜25、第四复眼透镜26以及第三复眼透27光路中也是采用同样的原理使光束匀化。

第一非球面透镜6、第一复眼透镜7、第二复眼透镜8、第一消色差透镜9使用铝制加工件相连接，保证第一非球面透镜6、第一复眼透镜7、第二复眼透镜8、第一消色差透镜9镜片的同轴度与相对位置固定。

在荧光转盘10中至少包含3种荧光滤块，用于多光谱信号检测。荧光滤块是荧光模块成像的核心部件，由激发滤片、发射滤片与二向色分光片组成，安装在荧光转盘10滤片轮里使用。激发光通过激发滤片来激发样品34，阻挡其他波长的光；通过激发滤片的光经过二向色分光镜，反射后通过显微物镜33聚焦，照射到样品34，激发出对应的荧光即发射光，发射光被显微物镜33收集，透过二向色分光片，达到发射滤光片，之后被高灵敏度第二电荷耦合设备17，即附图中的CCD 17探测到。

明场科勒照明光路3采用科勒照明的方式，该方式具有低成本与易实现的优势。宽谱LED灯11经第二非球面透镜12及第一光阑13后，灯丝像第一次落在第二非球面透镜12孔径的平面处，第二非球面透镜12又将该处的后焦点平面处形成第二次的LED像。这样在被检物体的平面处没有LED像的形成，不影响观察。此外照明变得均匀。观察时，可改变第二消色差透镜15以及第二光阑14的大小，使激发光源3充满不同显微物镜33的入射光瞳，而使第二消色差透镜15的数值孔径与显微物镜33的数值孔径匹配。同时第二消色差透镜15又将第二光阑14成像在被检物体的平面处，改变第二光阑14的大小可控制照明范围。第二光阑14主要功能只是调控投射到聚光镜的照明光束直径的大小；它不能影响显微镜光学上的任何分辨率。第二光阑14对所观察的成像视域消除眩光的作用较为重要, 而对成像反差的影响则较为次要，但对本身就是低反差的样品34成像时, 用第二光阑14来消除过多的照明光却显得特别的重要。

在微投影光路5中采用多光谱高亮度照明光箱32 可以实现微投影光路的多功能使用。可以应用于光遗传学，荧光检测，3D打印与光电镊操作等领域。经过准直匀化后的单色光经过直角可调反射镜28 后，调整其以特定角度进入TIR棱镜21中，保证照明在DMD空间光调制器20上的角度为12°。采用多光谱高亮度照明光箱32可将光发送到DMD空间光调制器20，DMD空间光调制器20可包含数字镜装置，其中DMD空间光调制器20可以被配置为从多光谱高亮度照明光箱32接收光且选择性地将所接收光的子集发送第三凸透镜22中。在可选的实施例中，本发明实施例提供的装置的成像模块和/或运动模块可控制DMD空间光调制器20。通过分光片24将编程光投影到样品34 的表面，实现在表面的高精度投影。

另一方面，请参见图2和图3，本发明实施例提供了一种自动化集成光学系统，系统包括上述任一的光学装置、固定板35、显微物镜33、自动调焦机构和自动切换机构；

光学装置位于固定板35上方，显微物镜33、自动调焦机构和自动切换机构位于固定板35下方；

自动调焦机构的一端与固定板35连接，另一端与显微物镜33连接，自动切换机构与显微物镜的侧部连接；

显微物镜33通过自动切换机构实现上下运动。

相关技术提供的光学系统在进行观察时，由于样品34和承载物体的平台都需要移动，所以所需的电机负载比较大，电机的体积和功耗都会变大。并且相关技术使用齿轮配合的调焦方案，由于齿轮配合有间隙，所以调焦精度不够。

本发明实施例提供的系统通过设置通过将光学装置设置在固定板35上方，显微物镜33、自动调焦机构和自动切换机构位于固定板35下方；自动调焦机构的一端与固定板连接，另一端与显微物镜33连接，自动切换机构与显微物镜33的侧部连接；显微物镜33通过自动切换机构实现上下运动，可以不需要移动样品34，只移动显微物镜33即可实现调焦。

在一种可选的实施例中，自动调焦机构包括：升降台39，通过连接板与显微物镜33连接；

光电位置传感器38，用于获取半透半反镜41的位置信息。

在一种可选的实施例中，自动切换机构包括：导轨37，与固定板35连接；

滑块46，与导轨37滑动连接；

滑动连接块44，与滑块46连接；

滤光镜支架42，与滑动连接块44连接；

半透半反镜微调模块40，与滤光镜支架42连接，通过滑动连接块44在导轨37上移动；

半透半反镜41，设置在半透半反镜微调模块40上；

传感器探测板45，设置在滑块46上。

在一种可选的实施例中，自动切换机构还包括步进电机36，步进电机36与滑块46连接，步进电机36用于驱动滑块46在滑轨37上运动，进而带动半透半反镜41沿移动。

进一步地，导轨37具有第一端和第二端，步进电机36位于导轨37的第一端，半透半反镜41位于导轨的第二端。

升降台39可以选择微型升降台，微型升降台是一种精密的移动平台，移动精度可达到微米级别，微型升降台的移动速度可通过软件精密控制，其移动的位移可通过本身自带的传感器进行反馈。

半透半反镜41通过滤光镜支架42安装在半透半反镜微调模块40上面，半透半反镜微调模块40安装在滑块46上面，滑块46上面同时安装有传感器探测板45。工作时步进电机36通电，带动滑块46在导轨37上面进行移动，通过软件控制便可实现半透半反镜的自动切换。光电传感器38可以检测半透半反镜的位置。在半透半反镜微调模块40上面有精密的螺纹副配合，可以对半透半反镜41进行微调，避免因机械加工精度不够而对整个光路造成不良的影响。

以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (10)

1.一种自动化集成光学装置，其特征在于，所述装置包括：荧光观测光路、荧光光束准直匀化光路、明场科勒照明光路、明场观测光路与微投影光路；

所述荧光观测光路中，依次设置有第一电荷耦合设备、第一凸透镜、荧光转盘模块、第一分光片、第二分光片、第三分光片；

所述荧光光束准直匀化光路中，依次设置有激发光源、第一液体光波导、第一光纤耦合器、第一非球面透镜、第一复眼透镜、第二复眼透镜与第一消色差透镜，激发光源经过所述第一消色差透镜进入所述荧光转盘模块；

所述明场科勒照明光路中，依次设置有宽谱LED灯、第二非球面透镜、第一光阑、第二光阑与第二消色差透镜，激发光源经过所述第二消色差透镜照射在所述第一分光片上，反射后通过显微物镜聚焦；

所述明场观测光路中，依次设置有第二电荷耦合设备与第二凸透镜，激发光源经过所述第二凸透镜照射在所述第二分光片上；

所述微投影光路中，依次设置有多光谱高亮度照明光箱、第二液体光波导、第二光纤耦合器、第三非球面透镜、直角可调反射镜、第三复眼透镜、第四复眼透镜、第三消色差透镜、TIR棱镜与DMD空间光调制器、第三凸透镜以及快门；所述DMD空间光调制器的光路通过所述第三凸透镜照射在所述第三分光片上。

2.根据权利要求1所述的自动化集成光学装置，其特征在于，所述第一凸透镜与所述第二凸透镜的通光孔径不小于30mm；

所述第一凸透镜与所述第二凸透镜的有效焦距为100mm~300mm。

3.根据权利要求1所述的自动化集成光学装置，其特征在于，所述第一分光片、第二分光片以及第三分光片的分光比值包括：10/90，20/80，30/70或50/50。

4.根据权利要求1所述的自动化集成光学装置，其特征在于，所述多光谱高亮度照明光箱包含激发光源的波段包括385nm、405nm、510nm、610nm、635nm。

5.根据权利要求1所述的自动化集成光学装置，其特征在于，所述第一非球面透镜、第二非球面透镜以及第三非球面透镜的有效焦距均小于20mm，通光孔径至少为20mm；

所述第一非球面透镜、第二非球面透镜以及第三非球面透镜的发光面位于非球面透镜的焦点处。

6.根据权利要求1所述的自动化集成光学装置，其特征在于，所述的第一复眼透镜、第二复眼透镜、第三复眼透镜以及第四复眼透镜的透镜数不小于40个，通光孔径至少为40mm，有效焦距为15 mm -30mm；

所述的第一光阑与第二光阑的通光孔为5mm-25mm。

7.根据权利要求1所述的自动化集成光学装置，其特征在于，所述第三凸透镜为双胶合消色差透镜，有效焦距为100mm-500mm，通光孔径至少为40mm；

所述显微物镜为数值孔径为1.3-4.2的物镜，显微物镜倍数包括：2.5倍、4倍、10倍、20倍或40倍。

8.一种自动化集成光学系统，其特征在于，所述系统包括权利要求1-7任一所述的光学装置、固定板、显微物镜、自动调焦机构和自动切换机构；

所述光学装置位于所述固定板上方，所述显微物镜、自动调焦机构和自动切换机构位于所述固定板下方；

所述自动调焦机构的一端与所述固定板连接，另一端与所述显微物镜连接，所述自动切换机构与所述显微物镜的侧部连接；

所述显微物镜通过所述自动切换机构实现上下运动。

9.根据权利要求8所述的自动化集成光学系统，其特征在于，所述自动调焦机构包括：升降台，通过连接板与所述显微物镜连接；

光电位置传感器，用于获取所述自动切换机构中半透半反镜的位置信息。

10.根据权利要求8所述的自动化集成光学系统，其特征在于，所述自动切换机构包括：导轨，与所述固定板连接；

滑块，与所述导轨滑动连接；

滑动连接块，与所述滑块连接；

滤光镜支架，与所述滑动连接块连接；

半透半反镜微调模块，与所述滤光镜支架连接，通过所述滑动连接块在所述导轨上移动；

半透半反镜，设置在所述半透半反镜微调模块上；

传感器探测板，设置在所述滑块上。