CN211955968U - 光学成像系统及显微镜 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种光学成像系统及显微镜，所述光学成像系统包括：光源模块与相位光栅，所述光源模块发出的第一光线传输至所述相位光栅，相位光栅将第一光线沿第二光路方向反射为第二光线，所述置物台上的样品在接收所述第二光线后，发出第三光线，所述光学成像系统沿第三光线的传输方向依次包括第三镜组以及第一相机。本实用新型提供一种光学成像系统及显微镜，通过所述相位光栅，使所述显微系统能够进行连续的频移和相移，解决了现有技术中显微系统无法进行连续的频移与相移，需要多次更换透镜，从而使显微系统的调节过程繁琐复杂的问题。

Description

光学成像系统及显微镜

技术领域

本实用新型涉及光学成像技术领域，尤其涉及一种光学成像系统及显微镜。

背景技术

显微镜是由一个或多个透镜的组合构成的一种光学仪器，主要用对微小物体进行观察，尤其对亚细胞结构的观察是对目前在生命科学领域的重大需求之一，在现有技术中，主要通过超分辨显微成像技术对亚细胞结构进行成像，其中结构光照明荧光显微技术(Structure Illumination Microscopy，SIM)是以特定结构光照射样品表面获得样品显微图像的方法。

目前用于样品照射的结构光主要通过光线透射光栅产生，其中，空间光调制器(spatial light modulator,SLM)和数字微反射镜(digital micro-mirror device,DMD)等是目前普遍采用的光栅产生器件。在通过结构光进行显微成像时，需要通过更换透镜对显微系统进行调节，并且由于不同的透镜焦距的值为固定值，因此在对显微系统进行频移或相移时，需要多次更换透镜，因此无法进行连续的频移与相移，使显微系统的调节过程繁琐复杂。

实用新型内容

本实用新型提供一种光学成像系统及显微镜，旨在解决现有技术中显微系统无法进行连续的频移与相移，需要多次更换透镜，从而使显微系统的调节过程繁琐复杂的问题。

为实现上述目的，本实用新型提出了一种光学成像系统，所述光学成像系统包括：

光源模块，所述光源模块包括光源本体，所述光源模块沿所述光源本体发出的第一光线的传输方向还依次包括：扩束系统以及第一分束棱镜，所述扩束系统设于所述光源本体的出光方向；所述第一分束棱镜设于所述扩束系统远离所述光源本体的一侧；

相位光栅，所述相位光栅设于所述光源模块的出光方向，并将第一光线沿第二光路方向反射为第二光线；

所述光学成像系统沿第二光线的传输方向依次包括掩膜版，第二镜组、第一滤光片、第二分束棱镜、物镜以及置物台；

所述置物台上的样品在接收所述第二光线后，发出第三光线，所述光学成像系统沿第三光线的传输方向依次包括第三镜组以及第一相机。

可选的，所述光学成像系统还包括第一相位延迟器，所述第一相位延迟器设于所述掩膜版与所述第二镜组之间。

可选的，所述第二镜组为4F光学系统。

可选的，所述掩膜版与所述物镜的入光面共轭。

可选的，所述光源模块还包括第二相位延迟器，所述第二相位延迟器设于所述光源本体与所述扩束系统之间，或者，所述第二相位延迟器设于所述扩束系统与所述第一分束棱镜之间。

可选的，所述光源模块还包括反射镜，所述反射镜设于所述第二相位延迟器与所述第一分束棱镜之间。

可选的，所述光源模块还包括偏振片，所述偏振片设于所述光源本体与所述扩束系统之间。

可选的，所述光学成像系统还包括第二滤光片，所述第二滤光片设于所述第一滤光片与所述第一相机之间。

可选的，所述第三光线经过所述第二分束棱镜后，在所述第二分束棱镜反射形成第四光线，所述光学成像系统还包括第二相机，所述第二相机位于所述第二分束棱镜的出光侧且位于第四光线的光路上。

为实现上述目的，本申请提出一种显微镜，所述显微镜包括如上述任一项实施方式所述的光学成像系统。

本申请提出的技术方案中，所述光学成像系统包括光源模块，所述光源模块包括光源本体，所述光源模块沿所述光源本体发出的第一光线的传输方向还依次包括扩束系统以及第一分束棱镜，所述扩束系统设于所述光源本体的出光方向；所述第一分束棱镜设于所述扩束系统远离所述光源本体的一侧；相位光栅，所述相位光栅设于所述光源模块的出光方向，并将第一光线沿第二光路方向反射为第二光线；所述光学成像系统沿第二光线的传输方向依次包括掩膜版，第二镜组、第一滤光片、第二分束棱镜、物镜以及置物台；所述置物台上的样品在接收所述第二光线后，发出第三光线，所述光学成像系统沿第三光线的传输方向依次包括第三镜组以及第一相机，在所述光学成像系统使用时，所述光源本体发出的第一光线经过所述扩束系统扩束后，经过所述第一分束棱镜反射后传输至所述相位光栅，所述第一光线被所述相位光栅反射后经所述第一分束棱镜透射进入第一镜组，所述第一光线在经过所述第一镜组后，依次透射经过所述掩膜版、所述第二镜组后被所述第一滤光片反射，再依次透射穿过所述第二分束棱镜以及物镜后传输至样品，所述样品在接收所述第一光线后发出第二光线，所述光学成像系统沿所述第二光线的光线传输方向还依次包括第三镜组以及第一相机。通过所述相位光栅，能够通过简单的相位光栅的周期调整以及移动对显微系统进行连续的频移和相移，从而解决了现有技术中显微系统进行频移或相移时，需要多次更换透镜，从而使显微系统的调节过程繁琐复杂的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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示出的结构获得其他的附图。

图1是本实用新型光学成像系统的结构示意图；

图2是本实用新型光学成像系统从光源本体至相位光栅的光路示意图；

图3是本实用新型光学成像系统从相位光栅至样品的光路示意图；

图4是本实用新型光学成像系统从与样品至第一相机的光路示意图；

图5为所述光学成像系统使用黑白二值光栅时的光能分布图；

图6为所述光学成像系统使用相位光栅时的光能分布图。

附图标号说明：

标号	名称	标号	名称
				100	光源模块	310	第一相机
110	扩束系统	280	第一相位延迟器
				120	第一分束棱镜	130	第二相位延迟器
200	相位光栅	140	反射镜
				210	第一镜组	150	偏振片
220	掩膜版	320	第二滤光片
				230	第二镜组	330	第二相机
240	第一滤光片	160	光源本体
				250	第二分束棱镜	400	第一光线
260	物镜	500	第二光线
				270	置物台	600	第三光线
300	第三镜组	700	第四光线

本实用新型目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

需要说明，本实用新型实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本实用新型中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。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实用新型中的具体含义。

另外，本实用新型各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本实用新型要求的保护范围之内。

本实用新型提供一种光学成像系统及显微镜。

请参照图1和图4，所述光学成像系统包括：

光源模块100，所述光源模块100包括光源本体160，所述光源模块100沿所述光源本体160发出的第一光线的传输方向还依次包括扩束系统110以及第一分束棱镜120，所述扩束系统110设于所述光源本体160的出光方向；所述第一分束棱镜120设于所述扩束系统110远离所述光源本体160的一侧；

相位光栅200，所述相位光栅200设于所述光源模块100的出光方向，并将第一光线400沿第二光路方向反射为第二光线500；

所述光学成像系统沿第二光线500的传输方向依次包括掩膜版220，第二镜组230、第一滤光片240、第二分束棱镜250、物镜260以及置物台270；

所述置物台270上的样品在接收所述第二光线500后，发出第三光线600，所述光学成像系统沿第三光线600的传输方向依次包括第三镜组300以及第一相机310。

其中，所述扩束系统110能够对所述光源本体160发出的所述第一光线400进行扩束，具体的，所述扩束系统110可由多个透镜组合组成。

优选的，所述掩膜版220上设有多个通孔，多个所述通孔沿周向设置；所述第一滤光片240为二向色片，所述二向色片能够对一特定波长的光线进行透过，并对另一特定波长的光线进行反射。

本申请提出的技术方案中，所述光学成像系统包括光源模块100，所述光源模块100沿第一光线400的传输方向依次包括：光源本体160、扩束系统110以及第一分束棱镜120，所述扩束系统110设于所述光源本体160的出光方向；所述第一分束棱镜120设于所述扩束系统110远离所述光源本体160的一侧；相位光栅200，所述相位光栅200设于所述光源模块100的出光方向，并将第一光线400沿第二光路方向反射为第二光线500；所述光学成像系统沿第二光线500的传输方向依次包括掩膜版220，第二镜组230、第一滤光片240、第二分束棱镜250、物镜260以及置物台270；所述置物台270上的样品在接收所述第二光线500后，发出第三光线600，所述光学成像系统沿第三光线600的传输方向依次包括第三镜组300以及第一相机310，在所述光学成像系统使用时，所述光源本体160发出的第一光线400经过所述扩束系统110扩束后，经过所述第一分束棱镜120反射后传输至所述相位光栅200，所述第一光线400被所述相位光栅200反射后转变为所述第二光线500，所述第二光线500经所述第一分束棱镜120透射进入第一镜组210，所述第二光线500在经过所述第一镜组210后，依次透射经过所述掩膜版220、所述第二镜组230后被所述第一滤光片240反射，再依次透射穿过所述第二分束棱镜250以及物镜260后传输至样品，所述样品在接收所述第二光线500后发出第三光线600，所述光学成像系统沿所述第三光线600的光线传输方向还依次包括第三镜组300以及第一相机310，所述第三光线600依次经过所述物镜260与所述分束棱镜后250后，在经过所述第一滤光片240时进行滤光，并继续传输经过所述第三镜组300后，传输至所述第一相机310。通过所述相位光栅200，能够通过简单的相位光栅200的周期调整或图像移动对显微系统进行频移或相移，从而解决了现有技术中显微系统无法进行连续的频移与相移，需要多次更换透镜，从而使显微系统的调节过程繁琐复杂的问题。

在可选的实施方式中，所述光学成像系统还包括第一相位延迟器280，所述第一相位延迟器280设于所述掩膜版220与所述第二镜组230之间，具体的，所述第一相位延迟器280为1/2波片，具体的，所述掩膜版220上设有多个通孔，多个所述通孔沿周向设置，所述相位光栅200反射的光线经过所述通孔后，为了保证通过所述通孔的所述第二光线500的偏振性，设置透过所述第一相位延迟器280的偏振方向为所述第二光线500经过所述通孔的角向。

在可选的实施方式中，所述第二镜组230为4F系统，其中，所述4F系统为相干光学信息处理系统，光源本体160输出的两束相干的偏振光时，经过特殊的光学装置后，在接收屏上产生衍射，具体的，所述4F系统中至少包括两个透镜，两个所述透镜为一对傅里叶透镜，并且两个所述透镜的焦距均为f，并且物面与相邻的透镜以及像面与相邻的透镜之间的距离均等于焦距f的长度，从透过所述掩膜版220的第二光线500在经过所述4F系统时发生傅里叶变换，经过傅里叶变换后使所述第二光线500的发生频移或相移，并传输至所述第二分束棱镜250。

在可选的实施方式中，所述第一镜组210的焦距与所述第二镜组230的焦距相等，具体的，所述相位光栅200反射后的所述第二光线500在经过所述第一镜组210后聚焦在所述掩膜版220上，具体的，所述相位光栅200反射的所述第二光线500中，0级光线被所述掩膜版220阻挡，±1级衍射光在经过所述第一镜组210后，聚焦在所述掩膜版220的通孔，设置所述第一镜组210的焦距与所述第二镜组230的焦距相等，从而保证经过所述通孔的第二光线500能够在所述第二镜组230中进行传播，并且保证所述第二光线500的传输角度。

在可选的实施方式中，所述掩膜版220与所述物镜260的入光面共轭。通过所述掩膜版220的所述第二光线500经过所述第二镜组230后，在所述物镜260的入光面所述第二光线500汇聚，从而保证所述物镜260能够接受全部所述相位光栅200发出的所述第二光线500，并使所述第二光线500全部经过所述物镜260后，传输至所述置物台270上的所述样品，对所述样品进行照明。

在可选的实施方式中，所述光源模块100还包括第二相位延迟器130，所述第二相位延迟器130设于所述光源本体160与所述扩束系统110之间或设于所述扩束系统110与所述第一分束棱镜120之间，具体的，所述光源本体160为激光光源，所述激光光源发出的所述第一光线400为线偏振光，为了提高所述第一光线400的偏振性，在所述光源本体160的出光方向上设置所述第二相位延迟器130，从而使所述第一光线400的偏振方向与所述第二相位延迟器130的偏振方向相同。

在可选的实施方式中，所述光源模块100还包括反射镜140，所述反射镜140设于所述第二相位延迟器130与所述第一分束棱镜120之间，具体的，所述反射镜140与所述第一分束棱镜120的设置方向相互平行，优选实施方式中，所述光源本体160发出的所述第一光线400与所述反射镜140的夹角为45度，所述第一光线400经过所述反射镜140反射后传输至所述第一分束棱镜120，并在所述第一分束棱镜120的反射下射向所述相位光栅200，由于所述光源本体160的光线出射方向与所述第一光线400传输至所述相位光栅200的传输方向相互平行，通过所述反射镜140，能够有效的减小所述光学成像系统的体积，从而使所述光学成像系统小型化，并方便通过所述反射镜140对所述第一光线400的传输方向进行调整。

在可选的实施方式中，所述光源模块100还包括偏振片150，所述偏振片150设于所述光源本体160与所述扩束系统110之间，具体的，所述光源本体160为激光光源，所述激光光源发出的所述第一光线400为线偏振光，为了调节所述第一光线400的偏振方向，在所述光源本体160与所述扩束系统110之间设置所述偏振片150，通过所述偏振片150调节所述第一光线400的偏振方向，从而方便通过所述偏振片150对所述第一光线400进行校正。

在可选的实施方式中，所述光学成像系统还包括第二滤光片320，所述第二滤光片320设于所述第一滤光片240与所述第一相机310之间。具体的，所述激光光源发出的所述第一光线400的波长小于所述样品发出的所述第三光线600的波长，为了避免所述第一光线400被所述置物台270上的所述样品反射后透过所述第二分束棱镜250、所述第一滤光片240后传输至所述第一相机310，在所述第一滤光片240与所述第一相机310之间设置所述第二滤光片320，为了降低所述第一滤光片240在对所述第三光线600进行滤光后仍会出现其他波长的杂散光的情况，在所述第一滤光片240后设置所述第二滤光片320，所述第二滤光片320用于透过所述第三光线600，并反射或吸收除所述第三光线600外的其他波长的杂散光进入所述第一相机310，影响所述第一相机310对所述第三光线600的采集。

在可选的实施方式中，所述光学成像系统还包括第二相机330，所述第三光线600经过所述第二分束棱镜250后，在所述第二分束棱镜250反射形成第四光线700，所述光学成像系统还包括第二相机330，所述第二相机330设于所述第二分束棱镜250沿所述第四光线700的出光方向一侧，所述第三光线600透过所述物镜260后，在所述第二分束棱镜250反射后转变为第四光线700，并传输至所述第二相机330，具体的，在通过所述第一相机310对所述样品发出的所述第三光线600形成的图像进行观察时，为了方便所述相位光栅200与所述置物台270上的所述样品共轭，需要调节所述置物台270与所述物镜260之间的相对位置。因此为了方便对所述相对位置进行调节，可以设置所述第二相机330，所述第二相机330用于接收所述第二光线500经过所述样品反射后，再次被所述第二分束棱镜250反射的所述第四光线700，当所述样品与所述物镜260之间未调节至最佳位置时，所述第二相机330采集到的图像为无法清晰的完成对焦，通过对所述物镜260的位置进行调节，使所述第二相机330接收到的图像逐渐变化，当所述第二相机330接收到的图像与所述掩膜版220发出的图像相同时，表示所述物镜260调节至最佳位置，在对所述物镜260调节完成后，调节所述样品的位置，使所述第一相机310能够获得所述样品的清晰的像，当所述第一相机310获得所述样品的清晰的图像时，所述结构光照明光源系统的照明范围最大，并且能够在所述第一相机310中获得清晰的结构光条纹与所述样品的图像。

在使用所述相位光栅200时，设置条纹

其中，t就是条纹，k_x就是x方向的空间频率，θ是与x轴的夹角，

是相移距离,所述相移距离0,2π/3,4π/3或者其他任意数值，

为初相位。

那么，所述相位信息为

在通过结构光限位系统进行光学成像时，首先通过所述第一相机310获取第一条纹信息，然后确定所述相位光栅的衍射角度，并根据所述衍射角度确定所述相位光栅的条纹周期；在确定所述相位光栅的条纹周期后，根据所述条纹周期确定所述相位光栅的所述相位距离，根据所述相移距离，调整所述相位光栅200的相移位置，并记录每次调整所述相位光栅后，通过所述第一相机310获取的第二条纹信息，最后根据根据所述第一条纹信息与所述第二条纹信息，确定所述干涉条纹的相移信息。

现有技术中，在结构光照明显微系统中，在使用黑白二值光栅调整结构光照明限位系统的频移与相移时，结构光的条纹周期不能任意选择，而只能受到黑白二值光栅的限制，选择固定分离的值，因此在通过黑白二值光栅调整结构光照明显微系统的相移或频移时，为了避免条纹周期限制引起的分辨率限制及其他应用问题，通常需要调整照明显微系统的其他参数，从而导致结构照明显微系统操作繁琐，结构复杂。

为了解决上述问题，本申请中使用所述相位光栅200代替所述黑白二值光栅，所述相位光栅200的衍射角度能够任意调整，从而使所述结构光照明系统中的结构光条纹周期能够任意进行调整。

优选实施方式中，由于结构光照明系统中结构光条纹周期能够任意调整，可以达到黑白光栅不能达到的更小的条纹，从而对应的结构光照明显微系统的分辨率就可以调整到更高的范围，得到更高的分辨率。

优选实施方式中，如图5与图6，图5为所述黑白二值光栅的光能分布，图6为所述相位光栅的光能分布，参照图6可知，在使用所述黑白二值光栅时，±1级衍射光的光强小于所述0级衍射光的光强的一半，而在使用所述相位光栅时，±1级衍射光的光强大于所述0级衍射光的光强，因此在所述结构光显微系统中使用所述相位光栅时，相比所述黑白二值光栅，±1级衍射光的光强更强，能够提高了所述结构光显示系统的光能利用率。

为实现上述目的，本申请提出一种显微镜，所述显微镜包括如上述任一项实施方式所述的光学成像系统。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是在本实用新型的发明构思下，利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种光学成像系统，其特征在于，所述光学成像系统包括：

光源模块，所述光源模块包括光源本体，所述光源模块沿所述光源本体发出的第一光线的传输方向还依次包括：扩束系统以及第一分束棱镜，所述扩束系统设于所述光源本体的出光方向；所述第一分束棱镜设于所述扩束系统远离所述光源本体的一侧；

相位光栅，所述相位光栅设于所述光源模块的出光方向，并将第一光线沿第二光路方向反射为第二光线；

所述光学成像系统沿第二光线的传输方向依次包括掩膜版，第二镜组、第一滤光片、第二分束棱镜、物镜以及置物台；

所述置物台上的样品在接收所述第二光线后，发出第三光线，所述光学成像系统沿第三光线的传输方向依次包括第三镜组以及第一相机。

2.如权利要求1所述的光学成像系统，其特征在于，所述光学成像系统还包括第一相位延迟器，所述第一相位延迟器设于所述掩膜版与所述第二镜组之间。

3.如权利要求1所述的光学成像系统，其特征在于，所述第二镜组为4F光学系统。

4.如权利要求1所述的光学成像系统，其特征在于，所述掩膜版与所述物镜的入光面共轭。

5.如权利要求1所述的光学成像系统，其特征在于，所述光源模块还包括第二相位延迟器，所述第二相位延迟器设于所述光源本体与所述扩束系统之间，或者，所述第二相位延迟器设于所述扩束系统与所述第一分束棱镜之间。

6.如权利要求5所述的光学成像系统，其特征在于，所述光源模块还包括反射镜，所述反射镜设于所述第二相位延迟器与所述第一分束棱镜之间。

7.如权利要求1所述的光学成像系统，其特征在于，所述光源模块还包括偏振片，所述偏振片设于所述光源本体与所述扩束系统之间。

8.如权利要求1所述的光学成像系统，其特征在于，所述光学成像系统还包括第二滤光片，所述第二滤光片设于所述第一滤光片与所述第一相机之间。

9.如权利要求1所述的光学成像系统，其特征在于，所述第三光线经过所述第二分束棱镜后，在所述第二分束棱镜反射形成第四光线，所述光学成像系统还包括第二相机，所述第二相机位于所述第二分束棱镜的出光侧且位于第四光线的光路上。

10.一种显微镜，其特征在于，所述显微镜包括如权利要求1-9任一项所述的光学成像系统。

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