CN1271441C

CN1271441C - 显微镜用自动线性可变单色照明装置

Info

Publication number: CN1271441C
Application number: CN 200310122007
Authority: CN
Inventors: 范世福; 赵友全; 刘振江; 肖松山; 李昀; 赵玉春; 李小霞; 万峰
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2003-12-30
Filing date: 2003-12-30
Publication date: 2006-08-23
Anticipated expiration: 2023-12-30
Also published as: CN1556430A

Abstract

本发明公开了一种显微镜用自动线性可变单色照明装置，由在光路上依次设置的光源、聚光系统、光谱单色器、透紫外纯石英光纤、光纤连接端面，以及功能控制器组成。光谱单色器内设置有反射凹面镜、聚光凹面镜和由步进电机控制的可转动的光栅，出缝处的光束的波长与所述光栅的转角的正弦值呈线性关系。功能控制器由微控制器、显示器、输入键盘、电机驱动装置、通信接口和步进电机组成，用于实现可以实现自动线性可变、自动定波长等多方式单色照明。透紫外光纤通过光纤接口与光谱单色器的出缝连接。本发明可省掉激发滤片，单色光谱范围可扩展到紫外，可以实现单色光波长的自动线性可变。适于需要多波长显微观察的荧光显微镜，也适用于普通的生物显微镜。

Description

显微镜用自动线性可变单色照明装置

技术领域

本发明涉及一种显微镜用的照明装置，尤其是自动线性可变单色照明装置，属于物理光学领域。

背景技术

目前，显微镜照明主要是白光，对于需要荧光观察的显微镜来说，被测试样所需激发单色光源须通过一系列的滤色片来实现，对不同的荧光试剂需要改变激发滤色片组。即使是最为先进的激光扫描共聚焦显微镜，其实现多波长单色光扫描的方法也是用多种激光器和滤色片的组合，这些方法往往存在调节粗糙、可调波长有限、非自动、滤色片组价格昂贵等缺点。

现有产品，如Olympus、Zeiss等都是采用多块滤色片组合或者可调激光光源加滤色片来实现的，需要手动切换，可变单色照明范围不宽，一般在415-650nm。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服上述现有技术的不足，提供一种能实现自动线性可变的显微镜单色照明装置。

为解决上述技术问题，本发明的显微镜用自动线性可变单色照明装置，在光路上设置光源、聚光系统、光谱单色器、透紫外纯石英光纤和光纤连接端面，此外还包括功能控制器；所述的光源，用于产生所述光谱单色器所需的光通量；所述的聚光系统用于将所述光源产生的复合光光束聚焦，在所述光谱单色器的入缝处得到一个很小的点光源；所述的光谱单色器用于产生单色光，光谱单色器内设置有反射凹面镜、聚光凹面镜和由步进电机控制的可转动的光栅，光谱单色器的相对孔径＝1∶3.1，聚光凹面镜焦距为120mm，光栅为1200线/mm光栅，光栅用于将经入缝入射的各种不同波长的光分离，并调节经出缝射出的光束的波长值，所述出缝处的光束的波长与所述光栅的转角的正弦值呈线性关系；所述的透紫外纯石英光纤的一端通过光纤连接端面与所述光谱单色器的出缝连接，用于将在出缝处的单色光耦合到光纤并输出，另一端通过另一光纤连接端面与显微镜软性连接；所述的功能控制器，由微控制器、通过数据线分别与微控制器连接的显示器、输入键盘、电机驱动装置和通信接口以及通过数据线与所述电机驱动装置连接的步进电机组成，所述的微控制器、显示器、电机驱动装置和步进电机还分别与电源连接；所述的微控制器内部存储有控制软件，用于实现参数设置、移动到指定波长及双波长扫描功能，所述电机驱动装置在微控制器的控制下通过驱动步进电机带动光栅转动，所述的通讯接口用于与外部设备和网络进行数据交换。

所述的光源可以是100瓦的超高压汞灯，也可以是100瓦的超高压氙灯。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：(1)可省掉激发滤片；(2)单色光谱范围可扩展到紫外；(3)可以实现单色光波长的自动线性可变(250nm-680nm)：(4)专用功能控制器，可实现自动定波长、双波长来回扫描和手动步进等多方式单色照明模式：(5)与荧光显微镜之间采用光纤软性连接，可减少仪器的体积，增加灵活性。

附图说明

图1是本发明的一种实施方式与显微镜的连接示意图。

图2是光纤圆形开口连接端面示意图。

图3是光纤及其连接端面示意图。

图4是光纤矩形开口连接端面示意图。

图5是本发明的功能控制器的原理方框图。

附图标记：

1、光源 2、聚光系统 3、入缝 4、聚光凹面镜

5、光栅 6、反射凹面镜 7、出缝 8、光纤连接端面

9、透紫外纯石英光纤 10、光纤连接端面 11、荧光显微镜 12、光谱单色器

13、耦合成像透镜

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。

如果要满足自动波长选择而不是手动滤片组切换的话，首先必须得到单色光。在此采用光栅色散型分光光谱单色器来得到单色光。但是由于要将单色光作为显微镜的照明光源，它必须具有足够大的光通量才能观测到标本或者标本所发射的荧光，这可以通过两个途径来实现：一是无限增大光源(汞灯或者氙灯)的功率：其二是采用较大的相对孔径，从而更多地收集入射光能量。增大光源功率涉及到散热和光学元件的选择等一系列问题，不能无限增大，而且通常荧光显微镜的光源就是100W的超高压汞灯(HBO)，因此我们采用了第二种增大光通量的途径，重新设计并生产的光谱单色仪的相对孔径1∶3.1，光栅1200线/mm，聚光凹面镜焦距为120mm。实验证明，该单色器可基本满足照明要求。

光谱仪如何与显微镜的连接，一种是直接刚性机械连接，一种是采用光纤的软性连接。由于刚性连接需增加相应的光学系统，而且使得仪器体积庞大笨重，故考虑使用光纤如图3所示的灵活连接。将光纤一端的连接端面固定在光谱单色仪的出缝，该光纤连接端面有矩形的开口，如图4所示；另一端的光纤连接端面具有圆形开口，如图2所示，通过设置在其内的耦合成像透镜与显微镜连接，从而实现光纤的软性连接。

本发明的显微镜用自动线性可变单色照明装置包括图1所示的光源1、聚光系统2、光谱单色器12、透紫外纯石英光纤9和光纤连接端面8、10，以及图5所示的功能控制器。图1中，光谱单色器12由入缝3、反射凹面镜6、光栅5、聚光凹面镜4、出缝7组成。

光源1可以采用100瓦的超高压汞灯，也可以采用100瓦的超高压氙灯，以产生光谱单色器12所需的足够的光通量。聚光系统2可由2个凸透镜构成，用于将光源1产生的复合光光束聚焦，在入缝3处得到一个很小的点光源，聚焦后的复合光光束经入缝3射入光谱单色器12内。光谱单色器12用于产生单色光，光谱单色器12内设置有反射凹面镜6、聚光凹面镜4和由步进电机控制的可转动的光栅5，光谱单色器12的相对孔径1∶3.1，光栅5为1200线/mm光栅，聚光凹面镜4的焦距为120mm，出缝7处的光束的波长与所述光栅5的转角的正弦值呈线性关系。

透紫外纯石英光纤9的一端通过光纤连接端面8与光谱单色器12的出缝7连接，用于将在出缝7处的单色光耦合到光纤9并输出，光纤连接端面8有矩形的开口；另一端光纤连接端面10圆形的开口，与所述的荧光显微镜软性连接，光纤连接端面10内设置有耦合成像透镜13，耦合成像透镜13用于将光纤传输的单色光耦合到荧光显微镜。

图5所示的功能控制器，由微控制器、通过数据线分别与微控制器连接的显示器、输入键盘、电机驱动装置和通信接口以及通过数据线与所述电机驱动装置连接的步进电机组成，微控制器、显示器、电机驱动装置和步进电机还分别与电源连接。微控制器内部存储有控制软件，用于实现参数设置、移动到指定波长及双波长扫描等功能。电机驱动装置在微控制器的控制下通过驱动步进电机带动光栅5转动，以实现光谱单色器12内单色光波长的自动线性可变。通讯接口用于与外部设备和网络进行数据交换。

功能控制器的面板上有复位、移动到指定波长扫描、扫描、功能设置选项等按键，可以实现定波长扫描、双波扫描波长、步进移动等功能，可以设置扫描速度、停留间隔时间、步进方向、显示模式等参数。获取某个指定波长的单色光既可通过控制器与计算机通信控制，也可以直接从控制器上输入指令。

图2、3、4所示的石英光纤及其连接端口，透紫外纯石英光纤9的一端通过矩形开口连接端面8与光谱单色器12的出缝7连接，用于将在出缝7处的单色光耦合到光纤9并输出：另一端通过圆形开口连接端面10与所述的荧光显微镜软性连接，光纤连接端面10内设置有耦合成像透镜13，耦合成像透镜13用于将光纤传输的单色光耦合到荧光显微镜。

本发明的工作原理如下，光源1超高压汞灯或(超高压氙灯)发出的光，经过聚光系统2，在光谱单色器12的入缝3处得到一个很小的点光源，光谱单色器12的器聚光凹面镜4、光栅5、反射凹面镜6一起组成光栅色散型分光系统，在出缝7处得到单色光。波长的调整是由在微处理器控制下的步进电机带动光栅5转动来完成的，由于光栅色散在成像谱面上是按照波长均匀分布的，出缝处光的波长与光栅5的转角的正弦值是线性关系，因此只要调整步进电机的转动步数，就可以线性可变地得到不同波长的单色光。单色光是通过固定在出缝7处的光纤连接端面8中的耦合透紫外纯石英光纤9输出的。

本发明的显微镜用自动线性可变单色照明装置与显微镜11连接时，需将荧光显微镜11的灯室取下，使光纤连接端面10通过其中的耦合成像物镜13和荧光显微镜物镜后成像在略大于显微镜工作距离的地方，再微微移动光纤端面，尽量使单色光照明均匀。试样可以通过目镜观察或者CCD光电转换和图像采集系统获得数字化图像。

在250nm～680nm之间，光栅色散系统使得所获得的单色光的波长随步进电机的转动步数线性变化，因此，单色光的线性可变调整可通过在微处理器控制下设置步进电机的转动步控制器上输入指令。控制器具有复位、定波长扫描、双波长扫描、步进移动等功能，可以设置扫描速度、停留间隔时间、步进方向、显示模式等参数。

有关医院利用该单色照明装置的显微镜观察用猴肝等染色后的试片，观察到了粗颗粒型、细颗粒型、鞭毛虫等核型荧光，数字成像后可重现在250-680nm范围内的光谱图像，特别是能够观察到紫外激发荧光。

Claims

1.一种显微镜用自动线性可变单色照明装置，其特征是，包括光源、聚光系统、光谱单色器、透紫外纯石英光纤和光纤连接端面，以及功能控制器；

所述的光源，用于产生所述光谱单色器所需的光通量；

所述的聚光系统用于将所述光源产生的复合光光束聚焦，在所述光谱单色器的入缝处得到一个很小的点光源；

所述的光谱单色器用于产生单色光，光谱单色器内设置有反射凹面镜、聚光凹面镜和由步进电机控制的可转动的光栅，光谱单色器的相对孔径1∶3.1，聚光凹面镜焦距为120mm，光栅为1200线/mm光栅，光栅用于将经入缝入射的各种不同波长的光分离，并调节经出缝射出的光束的波长值，所述出缝处的光束的波长与所述光栅的转角的正弦值呈线性关系；

所述的透紫外纯石英光纤的一端通过光纤连接端面与所述光谱单色器的出缝连接，用于将在出缝处的单色光耦合到光纤并输出，另一端通过光纤连接端面与显微镜软性连接；

所述的功能控制器，由微控制器、通过数据线分别与微控制器连接的显示器、输入键盘、电机驱动装置和通信接口以及通过数据线与所述电机驱动装置连接的步进电机组成，所述的微控制器、显示器、电机驱动装置和步进电机还分别与电源连接；所述的微控制器内部存储有控制软件，用于实现参数设置、移动到指定波长及双波长扫描功能，所述电机驱动装置在微控制器的控制下通过驱动步进电机带动光栅转动，所述的通讯接口用于与外部设备和网络进行数据交换。

2.根据权利要求1所述的一种显微镜用自动线性可变单色照明装置，其特征是：所述的光源是100瓦的超高压汞灯。

3.根据权利要求1所述的一种显微镜用自动线性可变单色照明装置，其特征是：所述的光源是100瓦的超高压氙灯。