无限远显微物镜照明光学系统

1.本发明涉及显微照明技术领域，特别涉及一种无限远显微物镜照明光学系统。


背景技术：

2.显微镜是探索微观世界不可或缺的光学工具，已广泛用于生命科学、医学、工业芯片、珍稀物种繁殖等领域，目前主流显微镜为无限远显微镜，其特点是物镜与管镜之间为平行光，可以在平行光路中加入其他组合光路，这为显微镜的扩展使用提供了许多可能。由于用显微镜观察的目标样本特性不同，照明方式各异。样本在显微镜下观察时的照明方式主要分为透射与反射，透射与反射照明方式下又分为明场、暗场及荧光方式，荧光方式是基于荧光染色，主要用于样本染色后观察，适用于特殊场合。明场照明是基于目标反射光或透射光观察，而暗场照明是基于目标散射光观察。此外，照明结构分为反射式与透射式，透射式又分为透射式明场与透射式暗场，反射式分为反射式明场与反射式暗场。一般情况下，透射式明场、透射式暗场、反射式明场及反射式暗场四种照明结构互相独立，难以由一个光源集成在一个照明系统中对显微镜照明。


技术实现要素：

3.鉴于上述问题，本发明的目的是提出一种无限远显微物镜照明光学系统。通过透射明场、透射暗场、反射明场及反射暗场四种结构相结合的方式，透射与反射可通过切换挡光板独立工作，也可同时切换挡光板实现同时工作。此外，透射明场与暗场照明可通过切换暗场挡光板实现独立工作，反射明场与暗场也可通过切换暗场挡光板实现独立工作，透射明场与反射明场可通过切换各自挡光板实现独立工作或同时工作，透射暗场与反射暗场也可通过切换各自挡光板实现独立或同时工作。该方法为无限远显微镜的透射明、暗场与反射明、暗场提供了一种既可独立又可同时工作的照明方案。本发明可实现多模式组合，针对不同观测样本的特点进行照明切换，解决了无限远显微镜照明结构中，透射、反射及两种照明方式下的明、暗场结构难以集成及组合与切换问题。且光学系统结构紧凑、功能齐全。该发明的照明方式是在同一光源下集成，减少了照明光源数量，精简了系统结构，节省了空间，提高了照明效率。
4.为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：
5.本发明提供一种无限远显微物镜照明光学系统，包括：照明系统、挡光系统、分光系统、显微物镜组、物平面、聚光系统、反光系统、成像系统；
6.照明系统用于发出平行光束，挡光系统用于阻挡平行光束中的部分光束、将平行光束分为透射光束和反射光束以及阻挡透射光束和/或反射光束的传播；
7.反射光束经挡光系统出射后，经过反光系统的两次反射后入射至聚光系统中，聚光系统用于将反射光束汇聚至物平面下方，对物平面上的待测物体进行照明，待测物体发出带有成像信息的成像光束经过显微物镜组的折射和分光系统的透射后进入成像系统中成像；此时形成透射式成像照明光路；
8.透射光束经挡光系统出射后，经过分光系统的反射后入射至显微物镜组中，显微物镜组用于将透射光束汇聚至物平面上方，对物平面上的待测物体进行照明，待测物体发出带有成像信息的成像光束再次经过显微物镜组的折射和分光系统的透射后进入成像系统中成像；此时形成反射式成像照明光路；
9.当挡光系统阻挡平行光束的部分光束通过时，此时光学系统为暗场照明，当挡光系统使平行光束全部通过时，此时光学系统为亮场照明；
10.通过挡光系统对平行光束、反射光束和透射光束的控制，最终实现光学系统的反射式和/或透射式亮场成像照明光路、反射式和/或透射式暗场成像照明光路。
11.优选地，照明系统包括：光源、匀光板和准直镜；匀光板位于准直镜的焦面位置处，光源发出的散射光束进入匀光板中，匀光板用于将散射光束调制成均匀发光体入射至准直镜中，经准直镜出射后变为平行光束；平行光束为复色波或单色波。
12.优选地，挡光系统包括：第一挡光板装置、第一分光镜、第二挡光板和第三挡光板；
13.当第一挡光板装置切入光路时，平行光束部分通过，此时光学系统为暗场照明；
14.当第一挡光板装置切出光路时，平行光束全部通过，此时光学系统为明场照明；
15.第一分光镜用于将平行光束分为透射光束和反射光束；
16.第二挡光板用于阻挡透射光束通过；第三挡光板用于阻挡反射光束通过。
17.优选地，第一挡光板装置包括第一挡光板、第一环形通光孔和固定架；
18.第一挡光板通过固定架固定在第一环形通光孔的中心位置处。
19.优选地，反光系统包括：第一反射镜和第二反射镜；第一反射镜和第二反射镜呈直角对称式放置；
20.反射光束经过第一反射镜和第二反射镜的两次反射后垂直入射至聚光系统中。
21.优选地，分光系统包括第二分光镜；第二分光镜的形状为圆形、椭圆形或长方形；
22.第二分光镜包括第一区域和第二区域；第一区域镀有半反半透膜，第二区域为环形区域，镀有反射膜。
23.优选地，显微物镜组包括：圆形通光孔、第二环形通光孔和分割环；
24.分割环为机械压圈，固定在圆形通光孔和第二环形通光孔之间，圆形通光孔的孔径小于第一挡光板的口径；
25.圆形通光孔用于光学系统明场照明时成像光束的通过和透射光束的通过；
26.第二环形通光孔用于光学系统暗场照明时成像光束的通过和反射光束的通过。
27.优选地，显微物镜组包括：第一显微物镜、聚光镜组和反射镜组；聚光镜组包括小口径聚光镜，分布在第一显微物镜的周围；
28.透射光束经过第一显微物镜后汇聚在物平面上；
29.透射光束经过聚光镜组的汇聚后，再次经过反射镜组的反射后汇聚在物平面上。
30.优选地，显微物镜组包括：第二显微物镜和抛物面反射镜组；
31.抛物面反射镜组包括抛物面反射镜，分布在第二显微物镜的周围；
32.透射光束经过第二显微物镜后汇聚在物平面上；透射光束经过抛物面反射镜组后汇聚至物平面上。
33.优选地，在光学系统中：切出第一挡光板，切入第二挡光板，切出第三挡光板，此时光学系统为透射式亮场成像照明光路。
34.优选地，在光学系统中：切出第一挡光板，切出第二挡光板，切入第三挡光板，此时光学系统为反射式亮场成像照明光路。
35.优选地，在光学系统中：切出第一挡光板，切出第二挡光板，切出第三挡光板，此时光学系统为反射式和透射式亮场成像照明光路。
36.优选地，在光学系统中：切入第一挡光板，切入第二挡光板，切出第三挡光板，此时光学系统为透射式暗场成像照明光路。
37.优选地，在光学系统中：切入第一挡光板，切出第二挡光板，切入第三挡光板，此时光学系统为反射式暗场成像照明光路。
38.优选地，在光学系统中：切入第一挡光板，切出第二挡光板，切出第三挡光板，此时光学系统为反射式和透射式暗场成像照明光路。
39.与现有的技术相比，本发明通过透射明场、透射暗场、反射明场及反射暗场四种结构相结合的方式，透射与反射可通过切换挡光板独立工作，也可同时切换挡光板实现同时工作。此外，透射明场与暗场照明可通过切换暗场挡光板实现独立工作，反射明场与暗场也可通过切换暗场挡光板实现独立工作，透射明场与反射明场可通过切换各自挡光板实现独立工作或同时工作，透射暗场与反射暗场也可通过切换各自挡光板实现独立或同时工作。该方法为无限远显微镜的透射明、暗场与反射明、暗场提供了一种既可独立又可同时工作的照明方案。本发明可实现多模式组合，针对不同观测样本的特点进行照明切换，解决了无限远显微镜照明结构中，透射、反射及两种照明方式下的明、暗场结构难以集成及组合与切换问题。且光学系统结构紧凑、功能齐全。该发明的照明方式是在同一光源下集成，减少了照明光源数量，精简了系统结构，节省了空间，提高了照明效率。
附图说明
40.图1是根据本发明实施例提供的无限远显微物镜照明光学系统光路示意图。
41.图2是根据本发明实施例提供的无限远显微物镜照明光学系统中第一挡光板的结构示意图。
42.图3是根据本发明实施例提供的无限远显微物镜照明光学系统中第二分光镜的结构示意图。
43.图4是根据本发明第一实施例提供的无限远显微物镜照明光学系统中的显微物镜组的结构示意图。
44.图5是根据本发明第二实施例提供的无限远显微物镜照明光学系统中的显微物镜组的结构示意图。
45.图6是根据本发明第三实施例提供的无限远显微物镜照明光学系统中的显微物镜组的结构示意图。
46.其中的附图标记包括：照明系统1、光源101、匀光板102、准直镜103、第一挡光板装置2、第一挡光板21、第一环形通光孔22、固定架23、第一分光镜3、第二挡光板4、第二分光镜5、第一区域51、第二区域52、显微物镜组6、圆形通光孔611、第二环形通光孔612、分割环613、第一显微物镜621、聚光镜组622、反射镜组623、第二显微物镜631、抛物面反射镜组632、物平面7、聚光镜8、第三挡光板9、第一反射镜10、第二反射镜11、管镜12和相机13。
具体实施方式
47.在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。
48.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
49.图1是根据本发明实施例提供的无限远显微物镜照明光学系统光路示意图。
50.如图1所示，本发明实施例提供的无限远显微物镜照明光学系统包括：照明系统1、挡光系统、分光系统、显微物镜组6、物平面7、聚光系统、反光系统、管镜12和相机13。
51.照明系统1用于发出平行光束，平行光束可以为复色波或单色波。照明系统1包括：光源101、匀光板102和准直镜103。
52.光源101发出的散射光束进入匀光板102中，匀光板102位于准直镜103的焦面位置处，匀光板102将散射光束调制成均匀发光体入射至准直镜103中，经准直镜103出射后变为平行光束。
53.平行光束垂直入射至挡光系统中。挡光系统用于阻挡平行光束中的部分光束、将平行光束分为透射光束和反射光束以及阻挡透射光束和/或反射光束的传播，最终实现光学系统中透射和/或反射亮场照明、透射和/或反射暗场照明。
54.挡光系统包括：第一挡光板装置2、第一分光镜3、第二挡光板4和第三挡光板9。
55.图2是根据本发明实施例提供的无限远显微物镜照明光学系统中第一挡光板的结构示意图。
56.如图2所示，第一挡光板装置2包括第一挡光板21、第一环形通光孔22和固定架23。
57.第一挡光板21位于透光片的中心位置处，通过若干个固定架23均匀分布固定在透光片上，第一挡光板21在透光片上未被覆盖的区域形成第一环形通光孔22。
58.可以通过调整第一挡光板装置2的位置来调节本发明提供的无限远显微物镜照明光学系统的暗场照明或明场照明。
59.当第一挡光板装置2切入光路时，平行光束部分通过，本发明提供的无限远显微物镜照明光学系统为暗场照明；
60.当第一挡光板装置2切出光路时，平行光束全部通过，本发明提供的无限远显微物镜照明光学系统为明场照明。
61.平行光束经第一挡光板装置2后入射至第一分光镜3中，第一分光镜3将平行光束分为透射光束和反射光束。
62.反射光束首先到达第三挡光板9，当第三挡光板9切入光路时，反射光束被阻挡，反射光束停止传播；当第三挡光板9切出光路时，反射光束入射至反光系统中。
63.反光系统包括：第一反射镜10和第二反射镜11。第一反射镜10和第二反射镜11呈对称式放置，第一反射镜10为45
°
放置，第二反射镜为-45
°
放置。
64.反射光束经过第一反射镜10的反射后入射至第二反射镜11中，再次经过第二反射镜11的反射后垂直入射至聚光系统中。
65.聚光系统包括：聚光镜8。聚光镜8将反射光束汇聚至物平面7上，此时处于物平面7
上的待测物体被反射光束照明后，发出带有待测物体成像信息的成像光束进入显微物镜组6，依次经过第二分光镜5的透射和管镜12的汇聚后到达相机13。(相机13的位置也可是物镜与目镜的中间像面)。
66.透射光束首先到达第二挡光板4，当第二挡光板4切入光路时，透射光束被阻挡，透射光束停止传播。当第二挡光板4切出光路时，透射光束入射至分光系统中。
67.图3是根据本发明实施例提供的无限远显微物镜照明光学系统中第二分光镜的结构示意图。
68.如图3所示，分光系统包括第二分光镜5。第二分光镜5的形状可以为圆形、椭圆形、长方形或其他引申变形形状。第二分光镜5包括第一区域51和第二区域52。
69.当第二分光镜5为圆形时：
70.第一区域51为圆形区域，镀有半反半透膜。第二区域52为圆环形区域，镀有反射膜。
71.当光学系统处于亮场照明时，透射光束被第二分光镜5上的第一区域51反射至显微物镜组6中。
72.当光学系统处于暗场照明时，透射光束被第二分光镜5上的第二区域52反射至显微物镜组6中。
73.显微物镜组6将透射光束汇聚至物平面7上，此时处于物平面7上的待测物体被透射光束照明后，发出带有待测物体成像信息的成像光束再次进入显微物镜组6，依次经过第二分光镜5的透射和管镜12的汇聚后到达相机13。(相机13的位置也可是物镜与目镜的中间像面)。
74.聚光镜8的数值孔径大于显微物镜组6的数值孔径，其原理为透射暗场照明时，经聚光镜8汇聚的环形光经过物平面7后，透射光无法直接进入显微物镜组6，只有散射光进入显微物镜组6。准直镜103的数值孔径大于显微物镜组6的数值孔径，其原理是准直镜103能够提供足够尺寸的照明范围，提供暗场照明的孔径。第一挡光板2的直径与聚光镜8的尺寸相等或略大于聚光镜8的直径，以实现暗场照明时的光瞳匹配。
75.图4是根据本发明第一实施例提供的无限远显微物镜照明光学系统中的显微物镜组的结构示意图。
76.如图4所示，第一实施例的显微物镜组6包括：圆形通光孔611、第二环形通光孔612和分割环613。
77.圆形通光孔611与第二环形通光孔612为同一镜面分割而成，分割环613为机械压圈，固定在圆形通光孔611和第二环形通光孔612之间。圆形通光孔611的孔径略小于第一挡光板2的口径。
78.圆形通光孔611用于明场照明时成像光束的通过和透射光束的通过。
79.第二环形通光孔612用于暗场照明时成像光束的通过和反射光束的通过。
80.图5是根据本发明第二实施例提供的无限远显微物镜照明光学系统中的显微物镜组的结构示意图。
81.如图5所示，第二实施例的显微物镜组包括：第一显微物镜621、聚光镜组622、反射镜组623。聚光镜组622包括若干个相同的小口径聚光镜，均匀分布在第一显微物镜621的周围。
82.透射光束经过第一显微物镜621后汇聚在物平面7上；透射光束经过聚光镜组622的汇聚后，再次经过反射镜组623的反射后汇聚在物平面7上。聚光镜组622的光学尺寸根据第一显微物镜621的口径、机械尺寸和待测物体所需照明能量等决定。
83.图6是根据本发明第三实施例提供的无限远显微物镜照明光学系统中的显微物镜组的结构示意图。
84.如图6所示，第三实施例的显微物镜组包括：第二显微物镜631、抛物面反射镜组632。
85.抛物面反射镜组632包括若干个抛物面反射镜，均匀分布在第二显微物镜631的周围。
86.透射光束经过第二显微物镜631后汇聚在物平面7上；透射光束经过抛物面反射镜组632后汇聚至物平面7上。抛物面反射镜组632的光学尺寸参数根据第二显微物镜631的口径、机械尺寸、所需暗场照明能量等决定。
87.当透射光束从物平面7上方对待测物体进行照明时，此时构成反射式成像照明光路；
88.当反射光束从物平面7下方对待测物体进行照明时，此时构成透射式成像照明光路。
89.在本发明第一实施例提供的无限远显微物镜照明光学系统中：切出第一挡光板2，切入第二挡光板4，切出第三挡光板9，此时光学系统为透射式亮场成像照明光路。在该照明模式下，待测物体为透明或半透明介质，如待测物体可以为精子、细胞、悬浮介质、玻璃表面瑕疵等。
90.在本发明第二实施例提供的无限远显微物镜照明光学系统中：切出第一挡光板2，切出第二挡光板4，切入第三挡光板9，此时光学系统为反射式亮场成像照明光路。在该照明模式下，待测物体为不透明样本，利用不透明样本对照明光线的反射光观测样本的细节，如待测物体可以为金属材料、半导体材料、不透明塑料材质等。
91.在本发明第三实施例提供的无限远显微物镜照明光学系统中：切出第一挡光板2，切出第二挡光板4，切出第三挡光板9，此时光学系统为反射式和透射式亮场成像照明光路。在该照明模式下，待测物体为半透明物体或对波长选择性透过的物体，如待测物体可以为半导体晶圆，反射亮场用可见光波段，透射亮场用红外波段。
92.在本发明第四实施例提供的无限远显微物镜照明光学系统中：切入第一挡光板2，切入第二挡光板4，切出第三挡光板9，此时光学系统为透射式暗场成像照明光路。在该照明模式下，待测物体为透明或半透明介质，如待测物体可以为精子、细胞、悬浮介质、玻璃表面瑕疵等。
93.在本发明第五实施例提供的无限远显微物镜照明光学系统中：切入第一挡光板2，切出第二挡光板4，切入第三挡光板9，此时光学系统为反射式暗场成像照明光路。在该照明模式下，待测物体为不透明样本，利用不透明样本对照明光线的散射和衍射观测样本的细节，如待测物体可以为金属材料、半导体材料、不透明塑料材质等。
94.在本发明第六实施例提供的无限远显微物镜照明光学系统中：切入第一挡光板2，切出第二挡光板4，切出第三挡光板9，此时光学系统为反射式和透射式暗场成像照明光路。在该照明模式下，待测物体为粉末状、悬浮介质、半透明、透明等微小介质，两种暗场模式同
时工作可增加散射能量与散射角度，提高分辨率。
95.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
96.以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。