一种多场景实时应用的超便携光镊

本发明涉及光镊领域，特别是指一种多场景实时应用的超便携光镊。
背景技术：
：光镊是利用光场强度空间变化形成的梯度力把微粒稳定的捕获在光场最强处，即光束的焦点位置。当激光束移动时就可以带动微粒一起移动，实现对微粒的精密操控。光镊技术由于具有对被操作微粒无损伤、非入侵性等特性，并且光镊捕获微粒尺寸通常是在微米到纳米量级，而生物细胞、大分子尺寸也一般在几十纳米到几十微米，因此逐渐被应用于生物和医学研究领域，如细胞、病毒和细菌操作。传统光镊是基于光学显微镜系统构建的，它通过光学显微镜物镜将激光束聚焦，利用聚焦中心附近的梯度力场形成光阱，实现对微粒的捕获和操作。传统光镊系统的主要结构为高精度光学显微镜，仪器体积庞大，系统复杂笨重，价格昂贵，操作界面复杂，操作技能要求高，样品移动自由度小，限制了光镊的捕获范围，场景使用受限。技术实现要素：本发明的主要目的在于克服现有技术中的上述缺陷，提出一种多场景实时应用的超便携光镊，具有体积小、结构一体化、便于携带和运输、采用定制光路便于操作、由于全封闭式操作环境从而可多场景实时应用的特点，为生物医疗领域的科学研究提供先进便携的研究工具。本发明采用如下技术方案：一种多场景实时应用的超便携光镊，其特征在于，包括激光器、激光准直模块、激光扩束模块、二向色反射镜、充当物镜的透镜组、微型电动样品台、聚光透镜组、照明光源、摄影目镜、cmos相机、控制板和显示屏；具体地，通过激光器发射单一波长的激光；通过激光准直模块进行激光准直；通过激光扩束模块进行激光扩束；通过二向色反射镜将所需波长的激光反射同时将其他波长的光束透射；通过充当物镜的透镜组进行激光聚焦至微型电动样品台处；通过照明光源和聚光透镜组为样品池提供照明光；通过摄影目镜和cmos相机获取粒子的信息；通过显示屏观察样品池中的目标物；通过控制板调节微型电动样品台，以改变样品位置直至目标物被光阱捕获，然后对其进行其他操作。具体地，所述半导体激光器的中心波长为675nm，输出功率为150mw，采用to封装，在弧矢方向上的发散角为θ||＝7.0°，在子午方向上的发散角θ⊥＝15°。具体地，所述激光准直模块采用两个垂直放置的平凸柱透镜，其柱透镜面型为椭圆型，所述激光准直模块对激光进行准直，使得弧矢方向上的发散角θ||＝0.1776°，子午方向上的发散角θ⊥＝0.0745°，输出直径为1.079mm的准平行光。具体地，所述激光扩束模块采用一个平凹透镜和一个平凸透镜，采用伽利略型结构。具体地，所述二向色反射镜是一个与光轴成45°角放置的光学平板，捕获光束经过二向色反射镜改变方向与系统主光路严格共轴。具体地，所述充当物镜的透镜组包括第一单透镜、第二单透镜、第三单透镜、第一双胶合透镜组、第二双胶合透镜组、第一三胶合透镜组、第二三胶合透镜组和第四单透镜。具体地，所述照明光源为led光源，波长为741nm，最大输出功率为170mw。具体地，还包括电池，所述超便携光镊内部通过所述电池充电，所述电池设有type-c充电口，充电口设有拨动式的保护盖。具体地，所述超便携光镊包括外壳，所述外壳底部添加缓冲减震橡胶垫，外壳顶部为翻盖设计。本发明另一方面提供一种多场景实时应用的超便携光镊，包括激光器、激光准直模块、激光扩束模块、二向色反射镜、充当物镜的透镜组、微型电动样品台、聚光透镜组、照明光源、摄影目镜、cmos相机、控制板和显示屏；具体地，包括激光聚焦光路和成像光路，所述激光聚焦光路包括：由激光器发出激光，经过激光准直模块输出准平行光，后经过激光扩束模块使得出射光束直径变大，再经过二向色反射镜将出射光束反射至充当物镜的透镜组后瞳，透镜组将激光聚焦到微型电动样品台区域；成像光路包括照明环节和成像环节，其中在照明环节中，照明光源产生的照明光束通过柯勒照明的方式经过聚光透镜组照射到样品池中的目标物上。成像环节中，从目标物散射的光束携带了相关信息，该散射光束经过样品池液体、盖玻片、透镜组、二向色反射镜和摄影目镜后成像到cmos相机接收面上。通过显示屏进行观测，在控制板的操控下实现对样品池中目标物的操控。由上述对本发明的描述可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：(1)本发明提供一种多场景实时应用的超便携光镊，包括激光器、激光准直模块、激光扩束模块、二向色反射镜、充当物镜的透镜组、微型电动样品台、聚光透镜组、照明光源、摄影目镜、cmos相机、控制板和显示屏；具体地，通过激光器发射单一波长的激光；通过激光准直模块进行激光准直；通过激光扩束模块进行激光扩束；通过二向色反射镜将所需波长的激光反射同时将其他波长的光束透射；通过充当物镜的透镜组进行激光聚焦至微型电动样品台处；通过照明光源和聚光透镜组为样品池提供照明光；通过摄影目镜和cmos相机获取粒子的信息；通过显示屏观察样品池中的目标物；通过控制板调节微型电动样品台，以改变样品位置直至目标物被光阱捕获，然后对其进行其他操作。本发明具有体积小、结构一体化、便于携带和运输、采用定制光路便于操作、由于全封闭式操作环境从而可多场景实时应用的特点，为生物医疗领域的科学研究提供先进便携的研究工具。(2)本发明采用的激光准直模块采用两个垂直放置的平凸柱透镜，其柱透镜面型为椭圆型，由于半导体激光器具有在垂直和平行于结平面两个方向的发散角不同的特点，通过该激光准直模块对激光进行准直，使得θ||＝0.1776°，θ⊥＝0.0745°，缩小了两个方向上的发散角，从而输出直径为1.079mm的准平行光。(3)本发明采用的激光扩束模块采用一个平凹透镜和一个平凸透镜达到扩束的效果，使得出射光束的直径达到5.2983mm，采用伽利略型结构，在确保超便携的同时保证捕获光束充满透镜组后瞳从而实现光镊所需要的强会聚光场。(4)本发明采用的二向色反射镜是一个与光轴成45°角放置的光学平板，捕获光束经过二向色反射镜改变方向与系统主光路严格共轴，射入充当物镜的透镜组从而形成强会聚梯度光场，同时携带有样品信息的照明光透过二向色反射镜进入摄影目镜后成像用于观测。(5)本发明采用的充当物镜的透镜组包括第一单透镜、第二单透镜、第三单透镜、第一双胶合透镜组、第二双胶合透镜组、第一三胶合透镜组、第二三胶合透镜组和第四单透镜；满足形成三维光阱的条件，同时具有高的放大倍率。(6)本发明采用的外壳，壳底添加缓冲减震橡胶垫，减震且耐用，外壳顶部是可翻盖的设计，通过对盖子与触屏式液晶显示屏一体化设计以及对盖子底部的可进行180°旋转的转轴的选择来实现触屏操作及图像显示的便携式要求。附图说明图1为本发明实施例提供的多场景实时应用的超便携光镊示意图；图2为本发明实施例提供的微型电动样品台示意图；图3为本发明实施例提供的激光聚焦光路示意图；图4为本发明实施例提供的激光聚焦光路像面的点列图。图5为本发明实施例提供的成像环节光路示意图；图6为本发明实施例提供成像环节光路像面的点列图。以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详述。具体实施方式以下通过具体实施方式对本发明作进一步的描述。如图1，一种多场景实时应用的超便携光镊，包括激光器1、激光准直模块2、激光扩束模块3、二向色反射镜4、充当物镜的透镜组、微型电动样品台5、聚光透镜组6、照明光源7、摄影目镜、cmos相机8、控制板和显示屏；具体地，通过激光器发射单一波长的激光；通过激光准直模块进行激光准直；通过激光扩束模块进行激光扩束；通过二向色反射镜将所需波长的激光反射同时将其他波长的光束透射；通过充当物镜的透镜组进行激光聚焦至微型电动样品台处；通过照明光源和聚光透镜组为样品池提供照明光；通过摄影目镜和cmos相机获取粒子的信息；通过显示屏观察样品池中的目标物；通过控制板调节微型电动样品台，以改变样品位置直至目标物被光阱捕获，然后对其进行其他操作。具体地，所述半导体激光器的中心波长为675nm，输出功率为150mw，采用to封装，在弧矢方向上的发散角为θ||＝7.0°，在子午方向上的发散角θ⊥＝15°。具体地，所述激光准直模块采用两个垂直放置的平凸柱透镜，其柱透镜面型为椭圆型，该模块的具体数据见表1，由于半导体激光器具有在垂直和平行于结平面两个方向的发散角不同的特点，通过该激光准直模块对激光进行准直，使得θ||＝0.1776°，θ⊥＝0.0745°，缩小了两个方向上的发散角，从而输出直径为1.079mm的准平行光。表1激光准直模块具体数据表面编号曲率半径厚度ndvd圆锥系数物面infinity1.5000l1infinity3.00001.516864.1670-3.52352.0000-0.3214l2infinity3.00001.516864.1670-6.654910.0000-0.9688像面infinity-具体地，激光扩束模块采用一个平凹透镜和一个平凸透镜达到扩束的效果，使得出射光束的直径达到5.2983mm，采用伽利略型结构，在确保超便携的同时保证捕获光束充满整个透镜组后瞳从而实现光镊所需要的强会聚光场，该模块的具体数据见表2。表2激光扩束模块具体数据表面编号曲率半径厚度ndvd圆锥系数物面infinityinfinityinfinity5.0000l1-4.14403.05281.516864.1670infinity31.9792l2infinity2.78831.516864.1670-28.01005.0000像面infinity-二向色反射镜是一个与光轴成45°角放置的光学平板，捕获光束经过二向色反射镜改变方向与系统主光路严格共轴，射入充当物镜的透镜组从而形成强会聚梯度光场，同时携带有样品信息的照明光透过二向色反射镜进入摄影目镜后成像用于观测。具体地，所述充当物镜的透镜组包括第一单透镜、第二单透镜、第三单透镜、第一双胶合透镜组、第二双胶合透镜组、第一三胶合透镜组、第二三胶合透镜组和第四单透镜，通过加入非球面降低该透镜组的像差。焦距为4.9086，后瞳直径5.2983mm。满足形成三维光阱的条件，同时具有高的放大倍率。该透镜组的具体数据见表3。表3充当物镜的透镜组的具体数据表面编号曲率半径厚度ndvd圆锥系数物面infinityinfinityl1infinity4.79351.654057.3-2.60970.9168l2-11.46085.81581.517052.4-8.75680.9440l3-14.68365.98591.498082.5-10.82271.2966l4-27.77225.92001.557050.2-21.11476.5152l6249.85179.15321.623058.7l716.75694.47861.462078.0-26.649013.7688l843.71167.44231.614060.5l912.46796.82091.462078.0l10-19.92757.55121.450067.41991.76241.8364l1115.40609.97201.517052.4l12-10.65776.21701.450067.4l1316.38218.43681.816046.65.47431.95310.0742l14-4.86718.69671.816046.6-13.56265.30922.5766e-04像面infinity-微型电动样品台利用单片机进行控制，可在x，y，z方向上小尺寸移动范围，从而实现精确操作，避免了手动调节的不准确性。样品池固定于微型电动样品台上，并采用推拉式的结构进行样品放置，进行封闭处理，可重复使用，同时长期保持试验样品的可操作性，通过采用紫外灯照射等方式可对该封闭式样品池进行灭菌。图2为微型电动样品台示意图。图3为激光聚焦光路示意图，其中激光聚焦光路是由激光器发出激光，经过激光准直模块输出准平行光，后经过激光扩束模块使得出射光束直径变大，再经过二向色反射镜将出射光束反射至充当物镜的透镜组后瞳，高数值孔径的透镜组将激光聚焦到微型电动样品台区域。图4是激光聚焦光路像面的点列图。照明光源为led光源，其波长为741nm，最大输出功率为170mw。照明光源产生的照明光束通过柯勒照明的方式经过聚光透镜组照射到样品池中的目标物上。聚光透镜组的具体数据见表4。表4聚光透镜组的具体数据表面编号曲率半径厚度ndvd圆锥系数物面infinity15.4205-33.34981.0000l13.35654.00001.516864.16707.21593.574322.9342l2-82.16544.00001.516864.16704.00006.0000-95.9003像面infinity-来自样品池的目标物的散射光束，经过样品池液体、盖玻片、透镜组和二向色反射镜，进入摄影目镜，之后在cmos相机的探测器靶面上成实像。目镜的具体数据见表5。表5目镜的具体数据表面编号曲率半径厚度ndvd圆锥系数物面infinityinfinityl1-44.01507.09261.559661.2-6.37840.8646l28.61293.34271.559661.215.98691.0499l3-3.63913.34431.559661.2l4-2.35513.61671.688931.1-3.20621.7309l51.32703.53311.647133.9像面infinity-成像光路包括照明环节和成像环节，其中在照明环节中，照明光源产生的照明光束通过柯勒照明的方式经过聚光透镜组照射到样品池中的目标物上。图5为成像环节光路示意图，其中成像环节是从目标物散射的光束携带了相关信息，该散射光束经过样品池液体、盖玻片、透镜组、二向色反射镜和摄影目镜后成像到cmos相机接收面上。通过显示屏进行观测，在控制板的操控下实现对样品池中目标物的操控。图6是成像环节光路像面的点列图。传统光镊工业级cmos相机连接pc端并显示图像，我们通过采用单片机控制屏幕显示，设计电路使得cmos相机在液晶显示屏上显示成像，通过cmos相机的usb接口向控制板传输图像数据。本发明实施例提供的多场景实时应用的超便携光镊内部均通过电池进行供电，该电池设有type-c充电口，可在需要时及时通过该充电口进行外部供电。充电口设有拨动式的保护盖，可在不使用充电口时对其进行保护。本发明实施例提供的多场景实时应用的超便携光镊，外部采用聚丙烯复合材质构成外壳，具备高强度、高韧性，承重、耐压、耐磨的特性。箱底添加缓冲减震橡胶垫，减震且耐用。外壳顶部是可翻盖的设计，通过对盖子与触屏式液晶显示屏一体化设计以及对盖子底部的可进行180°旋转的转轴的选择来实现触屏操作及图像显示的便携式要求。在外壳顶部中央处水平设置一个橡胶提手，其下表面是与手指肚的形状相契合的波形，符合人体工程学，省力耐用。本发明提供一种多场景实时应用的超便携光镊，包括激光器、激光准直模块、激光扩束模块、二向色反射镜、充当物镜的透镜组、微型电动样品台、聚光透镜组、照明光源、摄影目镜、cmos相机、控制板和显示屏；具体地，通过激光器发射单一波长的激光；通过激光准直模块进行激光准直；通过激光扩束模块进行激光扩束；通过二向色反射镜将所需波长的激光反射同时将其他波长的光束透射；通过充当物镜的透镜组进行激光聚焦至微型电动样品台处；通过照明光源和聚光透镜组为样品池提供照明光；通过摄影目镜和cmos相机获取粒子的信息；通过显示屏观察样品池中的目标物；通过控制板调节微型电动样品台，以改变样品位置直至目标物被光阱捕获，然后对其进行其他操作。本实用新型具有体积小、结构一体化、便于携带和运输、采用定制光路便于操作、由于全封闭式操作环境从而可多场景实时应用的特点，为生物医疗领域的科学研究提供先进便携的研究工具。本发明采用的激光准直模块采用两个垂直放置的平凸柱透镜，其柱透镜面型为椭圆型，该模块的具体数据见表1，由于半导体激光器具有在垂直和平行于结平面两个方向的发散角不同的特点，通过该激光准直模块对激光进行准直，使得θ||＝0.1776°，θ⊥＝0.0745°，缩小了两个方向上的发散角，从而输出直径为1.079mm的准平行光。本发明采用的激光扩束模块采用一个平凹透镜和一个平凸透镜达到扩束的效果，使得出射光束的直径达到5.608mm，采用伽利略型结构，在确保超便携的同时保证捕获光束充满整个充当物镜的透镜组后瞳从而实现光镊所需要的强会聚光场。本发明采用的二向色反射镜是一个与光轴成45°角放置的光学平板，捕获光束经过二向色反射镜改变方向与系统主光路严格共轴，射入充当物镜的透镜组从而形成强会聚梯度光场，同时携带有样品信息的照明光透过二向色反射镜进入摄影目镜后成像用于观测。本发明采用的充当物镜的透镜组包括第一单透镜、第二单透镜、第三单透镜、第一双胶合透镜组、第二双胶合透镜组、第一三胶合透镜组、第二三胶合透镜组和第四单透镜；满足形成三维光阱的条件，同时具有高的放大倍率。本发明采用的外壳，壳底添加缓冲减震橡胶垫，减震且耐用，外壳顶部是可翻盖的设计，通过对盖子与触屏式液晶显示屏一体化设计以及对盖子底部的可进行180°旋转的转轴的选择来实现触屏操作及图像显示的便携式要求。上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。当前第1页12