CN214409435U - 一种tirf照明的光学装置及系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及新型显微镜技术领域，公开了一种TIRF照明的光学装置及系统，包括光源模组、变焦镜头和物镜；所述光源模组包括耦合光纤和固定板，所述耦合光纤安装在固定板上，所述耦合光纤的空间位置旋转对称，所述耦合光纤的数目N≥2，所述变焦镜头和物镜依次安装在光源模组下方。还公开了一种TIRF照明的光学系统，所述光学系统包括光学装置和样品设备。本实用新型采用耦合光纤发出环状激发光可以在较低成本下，实现样品处激发光强度的提高，同时以变焦镜头取代了传统TIRF照明模组的机械动件，可显著提高系统的机械稳定性，延长设备使用时间。

Description

一种TIRF照明的光学装置及系统

技术领域

本实用新型涉及新型显微镜技术领域，特别是涉及一种TIRF照明的光学装置及系统。

背景技术

目前，在荧光显微成像系统中，为了获得较高的信噪比，通常需采用全内角反射荧光(TIRF照明，total internal reflection fluorescence)的照明方式对样品的荧光背景进行抑制，TIRF照明需要使得激发光束经物镜之后以一定的入射角度到达样品面，该角度需大于介质和样品面之间的全内反射角，进而实现(50～300)nm深度的倏逝波激发。图1为TIRF照明的原理示意图。

现有的尼康商品化TIRF照明模块，以及各大科研院所自建的TIRF 照明模块，都采用移动外激发路的方式，使照明光束沿与光轴水平垂直的方向上移动，使光束在物镜后焦面汇聚点产生离轴位移，进而实现样品处的大角度入射。图2为现有的TIRF照明位移台示意图。

现在采用的方法缺点主要有两点：

1.物镜的TIRF照明区域很小，照明光在TIRF照明区域内会有一定的损失，导致样品处激发光强度降低；

2.TIRF照明台采用电控方式，激发光路也承载于位移台之上，长时间使用必然会对光路产生一定的振动干扰，导致各元器件偏离初试位置，使得系统同轴性降低，进而影响系统的激发光束质量。

实用新型内容

本实用新型的目的是：针对TIRF照明时，激发光强度损失以及长时间使用时，TIRF照明模组机械稳定性较差这两点，提出了一种新型的基于光纤耦合的TIRF照明模块设计。

为了实现上述目的，本实用新型提供了一种TIRF照明的光学装置。

一种TIRF照明的光学装置，包括光源模组、变焦镜头和物镜；所述光源模组包括耦合光纤和固定板，所述耦合光纤安装在固定板上，所述耦合光纤的空间位置旋转对称，所述耦合光纤的数目N≥2，所述变焦镜头和物镜依次安装在光源模组下方。采用多个耦合光纤经过变焦镜头和物镜后光强可以叠加，解决现有技术中样品处激发光强度降低的问题，同时光源模组、变焦镜头可以替代现有技术中的TIRF照明模组的机械动件，提高系统稳定性。

进一步的，所述固定板上有配合耦合光纤安装的接口，接口的数目与耦合光纤的数目相同。

进一步的，所述固定板的形状为圆环；所述耦合光纤环形排列在固定板上。

变焦镜头是成熟的商品化镜头，在本实用新型中所述变焦镜头包括准直镜、连续变焦镜头和汇聚镜，所述准直镜下方依次安装连续变焦镜头和汇聚镜。

根据计算结果可以选用不同的连续变焦镜头，给出一种实施情况为所述连续变焦镜头的放大倍率为4－15倍。

具体介绍耦合光纤的安装情况，所述耦合光纤的上端为入光端，下端为出光端，耦合光纤的入光端和光源连接，耦合光纤的出光端朝向变焦镜头。

进一步的，所述光源为激光器。

进一步的，所述光源模组包括多个耦合光纤，所述多个耦合光纤的共同几何中心、变焦镜头的几何中心和物镜的几何中心在同一直线上。

本申请还包括一种TIRF照明光学系统，所述光学系统包括所述的光学装置和样品设备。

进一步的，所述样品设备为载物台，所述载物台上放置有样品。

具体的光路流程为：所述光源模组发出的环状激发光，经连续可调的变焦镜头后，将汇聚于物镜后焦面处，不同的耦合光纤作为物点，汇聚在后焦面各自像点位置，汇聚后的像点再经由物镜，以平行光的形式出射，到达样品处实现TIRF照明。

本实用新型实施例一种TIRF照明的光学装置与现有技术相比，其有益效果在于：采用耦合光纤发出环状激发光可以在较低成本下，实现样品处激发光强度的提高，同时以连续调节焦距的变焦镜头取代了传统TIRF照明模组的机械动件，可显著提高系统的机械稳定性，延长设备使用时间。

附图说明

图1是本实用新型背景中所提到的TIRF照明示意图；

图2是本实用新型背景技术的TIRF照明位移台的示意图；

图3是本实用新型光纤环形分布的激发光源示意图

图4是本实用新型激发光系统整体示意图；

图5是本实用新型变焦镜头组成示意图。

图中，10、光源模组；101耦合光纤；102固定板；11、变焦镜头； 111准直镜；112连续变焦镜头；113汇聚镜；12、物镜；13、样品。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。

实施例1：

参照图3和图4，一种TIRF照明的光学装置，包括光源模组10、变焦镜头11和物镜12；所述光源模组10包括耦合光纤101和固定板 102，所述耦合光纤101安装在固定板102上，所述耦合光纤101的空间位置旋转对称，所述耦合光纤101的数目N≥2，所述变焦镜头11和物镜12依次安装在光源模组10的下方。耦合光纤101为现有技术，市场上可以购买到不同型号的耦合光纤101，(在CN201820300626.8一种光纤耦合装置中也提供了一种可以使用的耦合光纤101)通过将耦合光纤101环状安装到固定板102上得到可以发出环状激发光的光源模组10，同时耦合光纤101的入光端与光源连接，光源可以采用激光器，激光器也是市场化产品，可以采用青岛森泉光电的SDM系列的激光器。具体照明过程中可以根据预先的计算制造固定板102，并在固定板102 上开设耦合光纤101的接口，然后将耦合光纤101安装到固定板102 中。耦合光纤101可以是单模的，也可以是多模的。耦合光纤101空间位置旋转对称，如此设计可以保证光最后可以叠加增强照明效果。为了使实现耦合光纤101空间位置的旋转对称因此在固定板102上开设的接口也要在空间位置上旋转对称。因为不同类型的耦合光纤101 的机械接口不同，因此要针对不同类型的耦合光纤101进行单独设计。

实施例2：

在实施例1的基础上，所述固定板上有配合耦合光纤安装的接口，接口的数目与耦合光纤的数目相同。一种可行的方式为耦合光纤101 的数目为四个，固定板102上开设的接口数目也为四个且位置相匹配。

实时例3：

在实施例1的基础上，所述固定板的形状为圆环；所述耦合光纤环形排列在固定板上。为了仪器的美观大方将固定板102设计为圆环形状，但是也不局限于圆环的形状，可以根据需要设计为不同形状，如正方形，正六边形等等。但是固定板上安装的耦合光纤位于同一个圆上，耦合光纤在空间位置上旋转对称。

实施例4：

在实施例1的基础上进一步提高光学装置的性能，可以采用如下的变焦镜头11。变焦镜头11由准直镜111、连续变焦镜头112以及会聚镜113组成，所述准直镜111下方依次安装连续变焦镜头112和汇聚镜113。光源模组10的激发光的出射光束是发散的，经准直镜111准直后进入连续变焦镜头112，连续变焦镜头112可选用具有(4～15) ×放大倍率的商品化连续变焦镜头112。连续变焦镜头112出射的光束也同为平行光，再经过汇聚镜113会聚到物镜12的后焦面处。

由于光学仪器是一个市场化充分的商品，因此可以从市场上购买相应的准直镜111，连续变焦镜头112和汇聚镜113。可以根据计算选取合适的镜子。因此连续变焦镜头112的选用是根据计算结果去匹配现有的产品进行选用的，如通过计算需要5－18倍的连续变焦镜头112 而市场上出售的连续变焦镜头112为4－20倍且物美价廉，那么就可以选取4－20倍的连续变焦镜头112。

实施例5：

在实施例1基础上，进一步完善实施方式，让普通人也可以参照本实用新型的技术方案实现TIRF照明。所述耦合光纤101的上端为入光端，下端为出光端，耦合光纤101的入光端和光源连接，耦合光纤 101的出光端朝向变焦镜头11。所述光源为激光器。光源不限于激光器，其它能实现相同功能的设备都可以使用。

为了最大限度的提高TIRF照明的照明效果，多个光纤耦合器的几何中心、变焦镜头11的几何中心和物镜12的几何中心的同心度越高那么最后的TIRF照明效果越好。但是限于目前的加工精度，实现完美的同心是不可能的，但是一定范围内的误差并不影响照明效果。所述光源模组包括多个耦合光纤，所述多个耦合光纤101的共同几何中心、变焦镜头11的几何中心和物镜12的几何中心在同一直线上。因此理解此处限定时应当理解为实施过程中尽可能的实现这一技术指标。

实施例6：

本申请还包括一种TIRF照明光学系统，所述光学系统包括所述的光学装置和样品设备。

进一步的，所述样品设备为载物台，所述载物台上放置有样品。

在实施例5的基础上，所述光源模组10发出的环状激发光，经连续可调的变焦镜头11后，将汇聚于物镜12后焦面处，不同的耦合光纤101作为物点，汇聚在后焦面各自像点位置，汇聚后的像点再经由物镜12，以平行光的形式出射，到达样品13处实现TIRF照明。

通过控制变焦镜头11的倍率，可以改变多束激发光在物镜12后焦面处的汇聚位置，进而在样品13处实现不同的入射角度。在物镜12 镜头可以允许的入射范围内，变焦镜头11的倍率越小，在物镜12后焦面处的汇聚点位置越靠近TIRF照明环，样品13处的入射角度也就越大，当入射角度大于介质与样品13间的全内发射角时，即可实现 TIRF照明。

由于采用了空间位置旋转对称的多位点照明，在样品13处将产生照明光强的叠加，因而可以解决TIRF照明时，由于物镜12TIRF照明区域局限所产生的激发光强损失的实际问题。

本实用新型的工作过程为：所述光源模组10发出的环状激发光，经连续可调的变焦镜头11后，将汇聚于物镜12后焦面处，不同的耦合光纤101作为物点，汇聚在后焦面各自像点位置，汇聚后的像点再经由物镜12，以平行光的形式出射，到达样品13处实现TIRF照明。

综上，本实用新型实施例提供一种TIRF照明装置，采用耦合光纤 101发出环状激发光可以在较低成本下，实现样品13处激发光强度的提高，同时以变焦镜头112取代了传统TIRF照明模组的机械动件，可显著提高系统的机械稳定性，延长设备使用时间。还提供了一种光学系统可以对样品进行照明。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种TIRF照明的光学装置，其特征是，包括光源模组、变焦镜头和物镜；所述光源模组包括耦合光纤和固定板，所述耦合光纤安装在固定板上，所述耦合光纤的空间位置旋转对称，所述耦合光纤的数目N≥2，所述变焦镜头和物镜依次安装在光源模组下方。

2.根据权利要求1所述的一种TIRF照明的光学装置，其特征是，所述固定板上有配合耦合光纤安装的接口，接口的数目与耦合光纤的数目相同。

3.根据权利要求1或2所述的一种TIRF照明的光学装置，其特征是，所述固定板的形状为圆环，所述耦合光纤环形排列在固定板上。

4.根据权利要求1所述的一种TIRF照明的光学装置，其特征是，所述变焦镜头包括准直镜、连续变焦镜头和汇聚镜，所述准直镜下方依次安装连续变焦镜头和汇聚镜。

5.根据权利要求4所述的一种TIRF照明的光学装置，其特征是，所述连续变焦镜头的放大倍率为4－15倍。

6.根据权利要求1所述的一种TIRF照明的光学装置，其特征是，所述耦合光纤的入光端和光源连接，耦合光纤的出光端朝向变焦镜头。

7.根据权利要求6所述的一种TIRF照明的光学装置，其特征是，所述光源为激光器。

8.根据权利要求6所述的一种TIRF照明的光学装置，其特征是，所述光源模组包括多个耦合光纤，所述多个耦合光纤的共同几何中心、变焦镜头的几何中心和物镜的几何中心在同一直线上。

9.一种TIRF照明的光学系统，其特征是，所述光学系统包括权利要求1－8任一所述的光学装置和样品设备。

10.根据权利要求9所述的一种TIRF照明的光学系统，其特征是，所述样品设备为载物台，所述载物台上放置有样品。

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