CN117891059A - 一种无遮拦反射式显微镜附加光学系统及显微系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无遮拦反射式显微镜附加光学系统及显微系统，解决了显微镜工作距离太小，又会对照明和成像产生许多的限制的问题，具体包括第一离轴抛物面镜和第二离轴抛物面镜；所述第一离轴抛物面镜用于与待观测目标相对应，且其焦点与待观测目标重合；所述第二离轴抛物面镜与第一离轴抛物面镜的抛物面相对，第二离轴抛物面镜位于第一离轴抛物面镜的出射光路上；所述第二离轴抛物面镜用于与显微镜相配合，且其焦点与显微镜探测面重合。

Description

一种无遮拦反射式显微镜附加光学系统及显微系统

技术领域

本发明涉及反射式显微镜光学系统，具体涉及一种无遮拦反射式显微镜附加光学系统及显微系统。

背景技术

显微镜是一种将近距离微小物体放大成像的光学系统。传统的显微镜是通过人眼来观察图像，因此将显微镜分为物镜和目镜两个部分。物镜的作用是将目标形成放大的实像；目镜的作用是将放大的实像变为放大的虚像，同时将系统出瞳拉至人眼入瞳位置，以便人眼观察。显微镜主要参数有极限分辨率和放大率。极限分辨率由物镜数值孔径决定，放大率则由物镜放大率和目镜放大率确定。随着面阵微电子成像器件的出现，显微镜图像传感器件也逐渐由CCD、CMOS等电子器件代替了人眼。显微成像系统也无需目镜，直接将电子成像器件置于物镜焦面即可获得图像。

显微镜分辨力δ由以下公式计算：

其中，λ为工作波长，NA为数值孔径，NA＝n*sin(U)，n为物方折射率，U为物方孔径角。在λ和n不变的情况下，为提高分辨能力，则必须提高物方孔径角。由于其中D为显微镜第一面镜的口径，L为观测目标到显微镜第一面镜的距离，定义其为显微镜工作距离。

由此可知，提高物方孔径角就必须增加显微镜第一面镜的口径D，或者减小显微镜工作距离。增加显微镜第一面镜的口径D会显著增加像差，这样会增加设计难度。所以一般数值孔径大的显微镜工作距离都比较短。但显微镜工作距离太小，又会对照明和成像产生许多的限制。

发明内容

为了增加显微镜的工作距离，使其对照明与成像不受限制，本发明提供了一种无遮拦反射式显微镜附加光学系统及显微系统。

为了达到上树目的，本发明提供了一种无遮拦反射式显微镜附加光学系统，其特殊之处在于：包括第一离轴抛物面镜和第二离轴抛物面镜；

所述第一离轴抛物面镜用于与待观测目标相对应，且其焦点与待观测目标重合；

所述第二离轴抛物面镜与第一离轴抛物面镜的抛物面相对，第二离轴抛物面镜位于第一离轴抛物面镜的出射光路上；

所述第二离轴抛物面镜用于与显微镜相配合，且其焦点与显微镜探测面重合。

进一步地，还包括第三离轴抛物面镜、分光镜以及照明光源；

所述分光镜设置于第一离轴抛物面镜和第二离轴抛物面镜之间的光路上，且位于第三离轴抛物面镜的出射光路上；

所述第一离轴抛物面镜的抛物面与分光镜的反射面对应；

所述第二离轴抛物面镜的抛物面与分光镜的透射面对应；

所述照明光源设置于第三离轴抛物面镜的焦点处。

进一步地，所述第一离轴抛物面镜、第二离轴抛物面镜和第三离轴抛物面镜的离轴角为90度。

进一步地，还包括旋转支架；

所述第三离轴抛物面镜、分光镜和照明光源均安装在旋转支架上，所述旋转支架用于同步旋转第三离轴抛物面镜、分光镜和照明光源，以改变分光镜与第一离轴抛物面镜和第二离轴抛物面镜之间光路的夹角。

进一步地，第一离轴抛物面镜、第二离轴抛物面镜和第三离轴抛物面镜的各项参数一致；

所述分光镜与第一离轴抛物面镜的反射光间角度大于或等于135度。

本发明还提供了一种无遮拦反射式显微镜附加光学系统，其特殊之处在于：包括第一离轴抛物面镜、第二离轴抛物面镜、第一折轴镜和第二折轴镜；

所述第一离轴抛物面镜用于与待观测目标相对应，且其焦点与待观测目标重合；

所述第一折轴镜设置于第一离轴抛物面镜的反射光所在光路上；

所述第二折轴镜设置于第一折轴镜的反射光所在光路上；

所述第二离轴抛物面镜的抛物面与第二折轴镜的反射光所在光路对应，且其焦点与显微镜探测面重合。

进一步地，还包括第三离轴抛物面镜、分光镜以及照明光源；

所述分光镜设置于第二折轴镜与第二离轴抛物面镜之间的光路上，其透射面与第二离轴抛物面镜的抛物面对应，且位于第三离轴抛物面镜的出射光路上；

所述照明光源设置于第三离轴抛物面镜的焦点处。

进一步地还包括旋转支架、第一平移支架、第二平移支架和第三平移支架；

所述第三离轴抛物面镜、分光镜和照明光源均安装在旋转支架上，所述旋转支架用于同步旋转第三离轴抛物面镜、分光镜和照明光源，以改变分光镜与第二折轴镜和第二离轴抛物面镜之间光路的夹角；

所述第一离轴抛物面镜设置在第一平移支架上；

所述第一折轴镜设置在第二平移支架上；

所述第二折轴镜设置在第三平移支架上；

所述第一平移支架、第二平移支架和第三平移支架的使用方式如下：

所述第一平移支架带动第一离轴抛物面镜沿第一离轴抛物面镜与第一折轴镜间的光轴移动，能够对待观测目标进行上下扫描；

所述第一平移支架和第二平移支架同时带动第一离轴抛物面镜和第一折轴镜沿第一折轴镜和第二折轴镜间的光轴移动，能够对待观测目标进行前后扫描；

所述第一平移支架、第二平移支架和第三平移支架同时带动第一离轴抛物面镜、第一折轴镜和第二折轴镜沿第二折轴镜与第二离轴抛物面镜间的光轴移动，能够对待观测目标进行左右扫描。

进一步地所述第一离轴抛物面镜、第二离轴抛物面镜和第三离轴抛物面镜的离轴角为90度，且各项参数一致；

所述第一折轴镜与第一离轴抛物面镜的反射光间角度为45度；

所述第二折轴镜与第一折轴镜的反射光间角度为45度；

所述第二折轴镜与第二离轴抛物面镜的之间的光线分别与第二折轴镜与第一折轴镜之间的光线、第一折轴镜与第一离轴抛物面镜之间的光线垂直；

所述分光镜的分光面与第二折轴镜反射的光线角度大于或等于为135度。

本发明还提供了一种无遮拦反射式显微镜系统，其特殊之处在于：包括显微镜以及上述的无遮拦反射式显微镜附加光学系统；

所述无遮拦反射式显微镜附加光学系统设置在显微镜探测面与观测目标之间。

本发明的有益效果：

1、本发明提供的显微镜附加光学系统能够根据需求增大显微镜与待观测目标之间的工作距离，实现对待观测目标的三维扫描成像，减小对成像产生的限制。

2、本发明提供的显微镜附加光学系统实现了共光路照明，使得显微观测系统在中心视场不引入任何额外的像差，能够提高了显微系统的观测能力。

3、本发明提供的显微镜附加光学系统，其照明光的反射光不会进入后端成像光路，也没有折射光学元件的荧光效应，这对于像显微拉曼成像等应用，可以大幅提高后端探测信噪比。

附图说明

图1是本发明一种无遮拦反射式显微镜附加光学系统实施例一的结构示意图；

图2是本发明一种无遮拦反射式显微镜附加光学系统实施例二的结构示意图之一；

图3是本发明一种无遮拦反射式显微镜附加光学系统实施例二的结构示意图之二；

图4是本发明一种无遮拦反射式显微镜附加光学系统实施例三的结构示意图。

附图标号：

1-第一离轴抛物面镜，2-第二离轴抛物面镜，3-第三离轴抛物面镜，4-分光镜，5-第一折轴镜，6-第二折轴镜，7-待观测目标，8-显微镜，9-照明光源。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

实施例一：

一种无遮拦反射式显微镜附加光学系统，如图1所示，该附加光学系统包括第一离轴抛物面镜1和第二离轴抛物面镜2；第一离轴抛物面镜1和第二离轴抛物面镜2的抛物面相对；第一离轴抛物面镜1的焦点用于与待观测目标7重合；第二离轴抛物面镜2的焦点用于与显微镜8探测面重合。第一离轴抛物面镜1和第二离轴抛物面镜2的离轴角为90度，且二者的各项参数一致。这样目标光进入第一离轴抛物面镜1的抛物面，被第一离轴抛物面镜1的抛物面反射为平行光进入第二离轴抛物面镜2的抛物面，再被第二离轴抛物面镜2的抛物面聚焦至显微镜8的探测面，该显微镜附加光学系统使得显微镜8的探测面无需直接与待观测目标7相对，改变第一离轴抛物面镜1和第二离轴抛物面镜2之间的距离即可改变显微镜8的工作距离，实现了可调节式工作距离。

实施例二：

一种无遮拦反射式显微镜附加光学系统，如图2所示，该附加光学系统的结构与实施例一基本相同，不同的是还包括第三离轴抛物面镜3、分光镜4以及照明光源9；分光镜4设置于第一离轴抛物面镜1和第二离轴抛物面镜2之间的平行光路上，且位于第三离轴抛物面镜(3)的出射光路上，用于对来自第一离轴抛物面镜1的出射光进行透射，并对来自第三离轴抛物面镜3的出射光进行反射；第二离轴抛物面镜2的抛物面与分光后的透射光相对；第三离轴抛物面镜3的抛物面与反射光相对，其离轴角为90度，各项参数分别与第一离轴抛物面镜1和第二离轴抛物面镜2相同；照明光源9设置于第三离轴抛物面镜3的焦点处。这样照明光进入第三离轴抛物面镜3的抛物面被反射为平行光进入分光镜4，被分光镜4反射至第一离轴抛物面镜1的抛物面，再被反射至待观测目标7，照亮待观测目标7，再经待观测目标7反射后，携带了物面信息进入第一离轴抛物面镜1，然后依次经第一离轴抛物面镜1反射、分光镜4透射、第二离轴抛物面镜2反射，进入显微镜8成像；该显微镜附加光学系统在实现工作距离可调的基础上，还增加了共光路照明功能。

如图3所示，还可以将第三离轴抛物面镜3、分光镜4和照明光源9设置于同一旋转支架上，使第三离轴抛物面镜3、分光镜4和照明光源9能够同时绕同一点旋转，以改变分光镜4与第一离轴抛物面镜4和第二离轴抛物面镜2之间光轴的角度，减小该附加光学系统所占空间。

实施例三：

一种无遮拦反射式显微镜附加光学系统，如图4所示，该附加光学系统的结构与实施例二基本相同，不同的是还包括第一折轴镜5和第二折轴镜6；第一折轴镜5和第二折轴镜6沿第一离轴抛物面镜1至第二离轴抛物面镜2之间的光线依次设置；第一折轴镜5与第一离轴抛物面镜1反射的平行光线角度为45度，能够将第一离轴抛物面镜1的反射光线以90度角反射至第二折轴镜6；第二折轴镜6与第一折轴镜5反射的平行光线角度为45度，能够将第一折轴镜5的反射光线以90度角反射至分光镜4，再透射至第二离轴抛物面镜2；同时，第二折轴镜6与分光镜4的之间的光线分别与第二折轴镜6与第一折轴镜5之间的光线、第一折轴镜5与第一离轴抛物面镜1之间的光线垂直。这样，其成像光路为：携带目标信息的目标光进入第一离轴抛物面镜1的抛物面，然后依次经第一离轴抛物面镜1反射、第一折轴镜5反射、第二折轴镜6反射、分光镜4透射、第二离轴抛物面镜2反射，然后进入显微镜8成像；其照明光路为：照明光源9发射的照明光进入第三离轴抛物面镜3被反射为平行光，然后依次经分光镜4反射、第二折轴镜6反射、第一折轴镜5反射、第一离轴抛物面镜1反射，照射至待观测目标7，为其照明。

此外，对于该显微镜附加光学系统，还可以将第一离轴抛物面镜1设置在第一平移支架上、将第一折轴镜5设置在第二平移支架上、将第二折轴镜6设置在第三平移支架上，这样通过第一平移支架沿着第一折轴镜5与第一离轴抛物面镜1之间的平行光线所在光路移动第一离轴抛物面镜1，能够对待观测目标7进行上下扫描；通过第二平移支架沿着第一折轴镜5与第二折轴镜6之间的平行光线所在光路同时移动第一离轴抛物面镜1和第一折轴镜5，能够对待观测目标7进行前后扫描，实现连续对焦；通过第三平移支架沿着第二折轴镜6与分光镜4之间的平行光线所在光路同时移动第一离轴抛物面镜1、第一折轴镜5与第二折轴镜6，能够对待观测目标7进行左右扫描，从而实现三维扫描成像功能。

这个光学系统是附加于现有显微观测系统前端的光学系统。它可以根据需求增大显微镜工作距离，并且可以提供显微观测目标的共光路照明，如果使用特定波长激光，可以将传统显微镜改为激发类显微成像系统，如显微拉曼成像，或荧光纤维成像。其中共光路照明是由离轴反射光路组成，照明光的反射不能进入后端成像光路，也没有折射光学元件的荧光效应，非常适用于像显微拉曼成像等弱信号探测应用。

实施例四：

一种无遮拦反射式显微镜系统，包括显微镜8和上述任一实施例的无遮拦反射式显微镜附加光学系统，该无遮拦反射式显微镜附加光学系统设置在显微镜8探测面与观测目标7之间，以增加显微镜8的工作距离。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何在本发明披露的技术范围内的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种无遮拦反射式显微镜附加光学系统，其特征在于：包括第一离轴抛物面镜(1)和第二离轴抛物面镜(2)；

所述第一离轴抛物面镜(1)用于与待观测目标(7)相对应，且其焦点与待观测目标(7)重合；

所述第二离轴抛物面镜(2)与第一离轴抛物面镜(1)的抛物面相对，第二离轴抛物面镜(2)位于第一离轴抛物面镜(1)的出射光路上；

所述第二离轴抛物面镜(2)用于与显微镜(8)相配合，且其焦点与显微镜(8)探测面重合。

2.根据权利要求1所述的无遮拦反射式显微镜附加光学系统，其特征在于：还包括第三离轴抛物面镜(3)、分光镜(4)以及照明光源(9)；

所述分光镜(4)设置于第一离轴抛物面镜(1)和第二离轴抛物面镜(2)之间的光路上，且位于第三离轴抛物面镜(3)的出射光路上；

所述第一离轴抛物面镜(1)的抛物面与分光镜(4)的反射面对应；

所述第二离轴抛物面镜(2)的抛物面与分光镜(4)的透射面对应；

所述照明光源(9)设置于第三离轴抛物面镜(3)的焦点处。

3.根据权利要求2所述的无遮拦反射式显微镜附加光学系统，其特征在于：所述第一离轴抛物面镜(1)、第二离轴抛物面镜(2)和第三离轴抛物面镜(3)的离轴角为90度。

4.根据权利要求3所述的无遮拦反射式显微镜附加光学系统，其特征在于：还包括旋转支架；

所述第三离轴抛物面镜(3)、分光镜(4)和照明光源(9)均安装在旋转支架上，所述旋转支架用于同步旋转第三离轴抛物面镜(3)、分光镜(4)和照明光源(9)，以改变分光镜(4)与第一离轴抛物面镜(1)和第二离轴抛物面镜(2)之间光路的夹角。

5.根据权利要求2或3或4所述的无遮拦反射式显微镜附加光学系统，其特征在于：第一离轴抛物面镜(1)、第二离轴抛物面镜(2)和第三离轴抛物面镜(3)的各项参数一致；

所述分光镜(4)与第一离轴抛物面镜(1)的反射光间角度大于或等于135度。

6.一种无遮拦反射式显微镜附加光学系统，其特征在于：包括第一离轴抛物面镜(1)、第二离轴抛物面镜(2)、第一折轴镜(5)和第二折轴镜(6)；

所述第一离轴抛物面镜(1)用于与待观测目标(7)相对应，且其焦点与待观测目标(7)重合；

所述第一折轴镜(5)设置于第一离轴抛物面镜(1)的反射光所在光路上；

所述第二折轴镜(6)设置于第一折轴镜(5)的反射光所在光路上；

所述第二离轴抛物面镜(2)的抛物面与第二折轴镜(6)的反射光所在光路对应，且其焦点与显微镜(8)探测面重合。

7.根据权利要求6所述的无遮拦反射式显微镜附加光学系统，其特征在于：还包括第三离轴抛物面镜(3)、分光镜(4)以及照明光源(9)；

所述分光镜(4)设置于第二折轴镜(6)与第二离轴抛物面镜(2)之间的光路上，其透射面与第二离轴抛物面镜(2)的抛物面对应，且位于第三离轴抛物面镜(3)的出射光路上；

所述照明光源(9)设置于第三离轴抛物面镜(3)的焦点处。

8.根据权利要求7所述的无遮拦反射式显微镜附加光学系统，其特征在于：还包括旋转支架、第一平移支架、第二平移支架和第三平移支架；

所述第三离轴抛物面镜(3)、分光镜(4)和照明光源(9)均安装在旋转支架上，所述旋转支架用于同步旋转第三离轴抛物面镜(3)、分光镜(4)和照明光源(9)，以改变分光镜(4)与第二折轴镜(6)和第二离轴抛物面镜(2)之间光路的夹角；

所述第一离轴抛物面镜(1)设置在第一平移支架上；

所述第一折轴镜(5)设置在第二平移支架上；

所述第二折轴镜(6)设置在第三平移支架上；

所述第一平移支架、第二平移支架和第三平移支架的使用方式如下：

所述第一平移支架带动第一离轴抛物面镜(1)沿第一离轴抛物面镜(1)与第一折轴镜(5)间的光轴移动，能够对待观测目标(7)进行上下扫描；

所述第一平移支架和第二平移支架同时带动第一离轴抛物面镜(1)和第一折轴镜(5)沿第一折轴镜(5)和第二折轴镜(6)间的光轴移动，能够对待观测目标(7)进行前后扫描；

所述第一平移支架、第二平移支架和第三平移支架同时带动第一离轴抛物面镜(1)、第一折轴镜(5)和第二折轴镜(6)沿第二折轴镜(6)与第二离轴抛物面镜(2)间的光轴移动，能够对待观测目标(7)进行左右扫描。

9.根据权利要求8所述的无遮拦反射式显微镜附加光学系统，其特征在于：所述第一离轴抛物面镜(1)、第二离轴抛物面镜(2)和第三离轴抛物面镜(3)的离轴角为90度，且各项参数一致；

所述第一折轴镜(5)与第一离轴抛物面镜(1)的反射光间角度为45度；

所述第二折轴镜(6)与第一折轴镜(5)的反射光间角度为45度；

所述第二折轴镜(6)与第二离轴抛物面镜(2)的之间的光线分别与第二折轴镜(6)与第一折轴镜(5)之间的光线、第一折轴镜(5)与第一离轴抛物面镜(1)之间的光线垂直；

所述分光镜(4)的分光面与第二折轴镜(6)反射的光线角度大于或等于为135度。

10.一种无遮拦反射式显微镜系统，其特征在于：包括显微镜(8)以及权利要求6-9任一所述的无遮拦反射式显微镜附加光学系统；

所述无遮拦反射式显微镜附加光学系统设置在显微镜(8)探测面与观测目标(7)之间。