CN208207350U - 显微镜照明系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种显微镜照明系统，其包括准直光源，扫描振镜装置，其放置在远心扫描物镜组的孔径光阑上，用于对准直光源输出的平行光束进行扫描；远心扫描物镜组，用于将扫描振镜装置出射的不同角度的准直光束，以主光线平行于光轴的孔径角α1入射到远心扫描物镜的像方焦平面上；散射片，其放置在远心扫描物镜组的像方焦平面上，用于将平行于光轴的主光线的孔径角α1增大至孔径角α2；以及物方远心物镜组，其物方焦平面与远心扫描物镜组的像方焦平面重合，用于将孔径角为α2、主光线平行于光轴的光束经过其，并以平行光束入射到放置在物方远心物镜组的孔径光阑的样品面上。

Description

显微镜照明系统

技术领域

本实用新型涉及显微镜光学技术，具体涉及显微镜照明系统。

背景技术

目前常用的FPM(大视场高分辨率成像技术)实现方案为宽场显微镜结合LED阵列的照明方式，利用不同位置的LED，给样品提供不同角度的照明。在FPM过程中，将LED逐颗点亮，并分别拍摄每颗LED照明下的成像结果。中心LED由于离样品近，照明强度足够，可设置较短的成像积分时间。离样品较远的LED由于到达样品面的光强下降，需较长的成像积分时间。最后，将全部LED照明拍摄的一系列低分辨率图像导入算法中迭代运算，最终重构出物体的大视场高分辨率光强和相位图像。

上述方案为了保证最终合成图像的分辨率，通常采用中心间距为4mm的LED阵列，单颗LED的亮度值约为100～2400mcd。LED的发光角度FWHM(半高宽)约为100°，所以在大角度如50°入射的情况下，照射到目标面的光通量约为LED总光通量的0.01倍，具体如图1所示：

图1为典型的LED发光曲线图，其选取的是LED在某一平面上的发光强度进行分析。横坐标为角度，纵坐标为相对强度，选取中心照明角度所对应的最大光强为1而进行相对强度曲线绘制。从图中可看到，当进行大角度照明时，样品可接收的照明曲线段约占整条曲线的1/10，由于LED的发光强度在整个空间上是旋转对称的，即样品可接收的总光通量约占LED总光通量的1/100。

为了达到足够的信号功率，采用常规量子效率在60％的CMOS传感器，曝光时间通常需要达到2s以上。若采用S-CMOS等量子效率达到80％以上、灵敏度达到单光子的传感器，虽然可以缩短曝光时间，但价格昂贵，通常价格约为5万元。

另一种提高采集速度的方法是同时点亮多颗LED，采集的图片数量可以由点亮单颗LED的293幅图片，减少至40幅图片左右。但由于各LED图片照射功率密度相差巨大，且单颗LED在大角度入射时光强仍然很低，所以仍然需要高灵敏度和高动态范围的传感器。

实用新型内容

针对现有技术中的上述不足，本实用新型提供了一种最终出射的照明光以高亮度的平行光入射到样品面上的显微镜照明系统。

为了达到上述发明目的，本实用新型采用的技术方案为：

提供一种扫描振镜装置，其放置在远心扫描物镜组的孔径光阑上，用于对准直光源输出的平行光束进行扫描；

远心扫描物镜组，用于将扫描振镜装置出射的不同角度的准直光束，以主光线平行于光轴的孔径角α1入射到远心扫描物镜的像方焦平面上；

散射片，其放置在远心扫描物镜组的像方焦平面上，用于将平行于光轴的主光线的孔径角α1增大至孔径角α2；以及

物方远心物镜组，其物方焦平面与远心扫描物镜组的像方焦平面重合，用于将孔径角为α2、主光线平行于光轴的光束经过其，并以平行光束入射到放置在物方远心物镜组的孔径光阑的样品面上。

进一步地，孔径角α1为扫描振镜装置的扫描面尺寸与远心扫描物镜组焦距的比值，孔径角α2为样品面尺寸与物方远心物镜组的焦距的比值。

进一步地，扫描振镜装置包括摆动电机、驱动板、信号发生器及设置在X、Y两个方向的反射镜，每个反射镜各安装于一个摆动电机上，摆动电机和信号发生器均与驱动板连接。

进一步地，远心扫描物镜与物方远心物镜组的焦距比约为10:1～1:1。

进一步地，物方远心物镜组的最大扫描角度为±20°～±50°。

进一步地，物方远心物镜组由3～4片透镜组成。

进一步地，物方远心物镜组的孔径光阑直径为5～30mm。

进一步地，孔径角α2与孔径角α1的比值的取值范围为2～10。

进一步地，准直光源包括激光二极管及将激光二极管发出的光源进行准直后发射的准直透镜。

本实用新型的有益效果为：本方案采用扫描振镜装置扫描高亮度准直光束与特定安装位置的物方远心物镜组相结合，可以使最终出射的照明光以高亮度的平行光入射到样品面上。

本方案通过调整扫描振镜装置中的两个反射镜的角度，改变对反射镜所反射的平行光束入射到系统光路中的角度，以使样品面所接收到的照明光角度不同，通过这种方式可以扩大样品被照射的范围。

采用本发明的照明系统，通过光照强度和光照范围可以使显微镜单帧暗场曝光时间降低1000倍至2ms以下，明场曝光时间可达到0.1ms左右甚至更低，从而可以达到实时拍摄的目的。

附图说明

图1为现有LED阵列的照明方式的典型的LED发光曲线图。

图2为显微镜照明系统的原理图。

图3为显微镜照明系统的结构简图。

其中，1、准直光源；2、扫描振镜装置；3、远心扫描物镜组；4、散射片；5、物方远心物镜组；6、显微成像系统；7、孔径光阑；8、光轴；9、主光线；10、样品。

具体实施方式

下面对本实用新型的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本实用新型，但应该清楚，本实用新型不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本实用新型的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本实用新型构思的发明创造均在保护之列。

如图2所示，该显微镜照明系统包括准直光源1、扫描振镜装置2、远心扫描物镜组3、散射片4和物方远心物镜组5。

扫描振镜装置2放置在远心扫描物镜组3的孔径光阑7(孔径光阑7也叫物方焦平面)上，用于对准直光源1输出的平行光束进行扫描；远心扫描物镜组3用于将扫描振镜装置2出射的不同角度的准直光束，以主光线9平行于光轴8的孔径角α1入射到远心扫描物镜的像方焦平面上。

在实施时，本方案优选扫描振镜装置2包括摆动电机、驱动板、信号发生器及设置在X、Y两个方向的反射镜，每个反射镜各安装于一个摆动电机上，摆动电机和信号发生器均与驱动板连接，信号发生器采用的型号为FeelTech-FY3200S。

驱动板通过信号发生器产生的电压可以对摆动电机的电压进行调整，通过改变摆动电机的电压改变电机的旋转角度，而改变固定在其上的反射镜的角度，最终改变对反射镜所反射的平行光束入射到系统光路中的角度，以使样品所接收到的照明光角度不同。

散射片4放置在远心扫描物镜组3的像方焦平面上，用于将平行于光轴8的主光线9的孔径角α1增大至孔径角α2；

物方远心物镜组5的物方焦平面与远心扫描物镜组3的像方焦平面重合，用于将孔径角为α2、主光线9平行于光轴8的光束经过物方远心物镜组5，以平行光束入射到放置在物方远心物镜组5的孔径光阑7的样品面10上。

假设二维扫描振镜装置2的扫描面尺寸为d1，样品面10尺寸为d2，远心扫描物镜组3焦距为f1，物方远心物镜组5的焦距为f2，于是本方案的照明系统存在以下关系：

那么：

其中，设定d2尺寸不大于25mm。

由上可知，若小于2，则入射到样品面10上的照明光斑尺寸过小，不利于大视场的观测；若大于10，则造成物方远心物镜组的镜片尺寸过大，不利于加工可行性，故本方案优选的取值范围为2：1～10：1。

其中若小于1:10，则整体照明光路过长，不利于实际应用；若小于1:1，则不利于样品大视场的观测，故本方案优选的取值范围为10:1～1:1。

图3示出了显微镜照明系统的结构简图，图中g、h、j和k分别代表扫描振镜装置2在4种电压值下输出的4种角度下的光束。

如图3所示，准直光源1包括激光二极管及将激光二极管发出的光源进行准直后发射的准直透镜，激光二极管中心波长为520nm，其功率可以在10mW～700mW内进行调整；选取的准直透镜为单片非球面透镜，其将激光二极管的发出的光源进行准直，准直光斑远场扩散角约为2mrad，射入到振镜上的光斑直径约为5mm。

扫描振镜装置2的机械扫描角度最大为±30°，扫描振镜装置2尺寸为10mm；远心扫描物镜组3由5片透镜组成，其将不同角度入射的扫描平行光束进行汇聚整形成为远心度为2°的平行光束入射到散射片4内。

远心扫描物镜的焦距为100mm，物镜长度为146mm，可接受扫描角度为±13°，对应扫描区域尺寸为45mm*45mm，出射扫描光束远心度为2°，不同光束以4°孔径角入射到模块4的散射片4内；物方远心物镜组的最大扫描角度为±20°～±50°。

散射片4选取工程扩散片，其与激发照明物镜组的最后一面镜片距离为21mm，整体尺寸为50*50mm，散射角度为20°，可将4°入射的孔径角扩大到约22°出射。

物方远心物镜组5(激发照明物镜组)由3～4片透镜组成，孔径角22°的扫描光束经过该物方远心物镜组5，以最大数值孔径角为0.76的照明入射角对外径尺寸为20mm的样品面10进行照明。物方远心物镜组5的焦距为30mm，物方远心物镜组的孔径光阑直径为5～30mm，物镜长度为45mm，可接受扫描角度为±50°，对应扫描区域为45mm*45mm。

远心扫描物镜与物方远心物镜组5的焦距比约为3.3:1；显微成像系统6选取的物镜放大倍率为4X，物镜NA值为0.13。采用常规CCD相机，传感器尺寸为1/1.2，像素尺寸为4.4um*4.4um，FPS/分辨率为30@1920*1200。

本方案通过显微镜照明系统的改进，相较于传统的明场或暗场显微镜，多角度的照明可相应的获得多角度的成像结果，利用这些数据可重建出样品的三维信息，实现光学的层析成像。

相较于传统的FPM显微镜，提供照明角度可大范围快速切换的高亮度照明光，且最终照明光入射到样品上的功率密度随角度变化关系为cos的一次方(传统照明方式的功率密度与角度变化关系约为cos的4次方)。

综上所述，本方案的照明系统可以提供高亮度的照射光速的同时，还可以调整照明角度，这样设置后可以保证在需要的样品区域有足够的照明功率，这不仅节省了积分时间，同时也为分辨率的进一步提高提供了可能。

Claims (9)

1.显微镜照明系统，其特征在于，包括：准直光源，

扫描振镜装置，其放置在远心扫描物镜组的孔径光阑上，用于对准直光源输出的平行光束进行扫描；

远心扫描物镜组，用于将扫描振镜装置出射的不同角度的准直光束，以主光线平行于光轴的孔径角α1入射到远心扫描物镜的像方焦平面上；

散射片，其放置在远心扫描物镜组的像方焦平面上，用于将平行于光轴的主光线的孔径角α1增大至孔径角α2；以及

物方远心物镜组，其物方焦平面与远心扫描物镜组的像方焦平面重合，用于将孔径角为α2、主光线平行于光轴的光束经过其，并以平行光束入射到放置在物方远心物镜组的孔径光阑的样品面上。

2.根据权利要求1所述的显微镜照明系统，其特征在于，所述孔径角α1为扫描振镜装置的扫描面尺寸与远心扫描物镜组焦距的比值，所述孔径角α2为样品面尺寸与物方远心物镜组的焦距的比值。

3.根据权利要求1所述的显微镜照明系统，其特征在于，所述扫描振镜装置包括摆动电机、驱动板、信号发生器及设置在X、Y两个方向的反射镜，每个反射镜各安装于一个摆动电机上，所述摆动电机和信号发生器均与驱动板连接。

4.根据权利要求1所述的显微镜照明系统，其特征在于，所述远心扫描物镜与物方远心物镜组的焦距比为10:1～1:1。

5.根据权利要求1所述的显微镜照明系统，其特征在于，所述物方远心物镜组的最大扫描角度为±20°～±50°。

6.根据权利要求1、4或5所述的显微镜照明系统，其特征在于，所述物方远心物镜组由3～4片透镜组成。

7.根据权利要求1所述的显微镜照明系统，其特征在于，所述物方远心物镜组的孔径光阑直径为5～30mm。

8.根据权利要求1或2所述的显微镜照明系统，其特征在于，所述孔径角α2与孔径角α1的比值的取值范围为2～10。

9.根据权利要求1所述的显微镜照明系统，其特征在于，所述准直光源包括激光二极管及将激光二极管发出的光源进行准直后发射的准直透镜。