本实用新型属于显微成像
技术领域：
：，具体涉及可变光片照明系统。
背景技术：
：：光片照明显微镜是一种新型的光学显微镜。与传统的荧光显微镜不同，光片照明显微镜的照明光路与荧光探测光路相互垂直。照明光束经过柱透镜形成了在一定范围内厚度很薄、很均匀的片状光束，而探测光路在与照明光路垂直的方向进行探测成像，激发光束被限制在探测物镜焦面附近。光片照明显微镜成像的光毒性弱，成像速度快，适于进行活体组织三维成像与长时间实时成像，可以得到细胞和亚细胞水平的实时动态。因此，光片照明显微镜对于生命科学研究有非常重要的意义。光片照明显微镜的层切能力主要由光片厚度决定，而其视场就是整个光片的长度。光片的3D图如附图1示，其厚度定义为激光通过照明物镜后，YZ平面高斯光束束腰位置的半高全宽(FWHM)，视场为两倍瑞利距离(L，又称光片长度)、通光口径定义为光片高度(h)。观察不同尺寸的样本，要求的光片厚度和长度也有所不同。现有绝大多数的光片显微镜的光片厚度和长度是确定的，所以要想对不同尺寸样本观察就需要更换不同种类的光片显微镜，这极大地限制了光片照明显微镜的使用范围。由于光片的形状和照明物镜的焦距有关，本专利提出一种变焦照明物镜的设计以获得厚度和长度连续变化的光片的新方法，使得在一个光片照明系统上做到对一定范围内不同尺寸样本的观察。2011年G.Ritter等人[1]设计了一款全柱透镜的无焦变倍扩束系统，其扩束比为6.3，并将其应用于光片照明显微镜中，实现了对不同尺寸样本的观察。由于整个系统为全柱透镜，加工和装调都特别困难，制造和装配成本很高；其次它是在扩束系统部分实现的无焦变倍扩束，与本实用新型提出的方法不同。[1]G,Ritter,Jan-Hendrik,Spille,Tim,Kaminski,and,Ulrich,Kubitscheck*.Acylindricalzoomlensunitforadjustableopticalsectioninginlightsheetmicroscopy[J].OSA,2010,2(138857):185-193。2009年汤善庆等人设计一种新型激光发射天线[2]，该天线通过四组元机械补偿变焦物镜实现了激光发射光束孔径的连续变化。该系统除了激光光源和定焦准直镜外，其余部分是一个倒置的开普勒望远镜，属于通信系统，主要关注光束大小和能量，且变焦物镜系统的使用是为了保证当卫星在不同轨道高度时地面接收天线上光斑的大小不变。这些与本实用新型提出变焦物镜的使用目的是不一样的，且光学系统的组成和性质也不一样，不能应用于光片荧光照明显微镜中。[2]汤善庆，陈名松.一种新型激光发射天线的设计与研究[J].大众科技,2009(3)，27-29。技术实现要素：本实用新型的目的是提供一种基于变焦原理的可变光片照明系统，在不更换光片照明系统的情况下，实现对一定尺寸范围内的生物样本的观察。一种三组元可变光片照明系统，由物侧至像侧依次包括沿着光轴排列的：激光光源、扩束系统、柱透镜、变焦照明物镜，其中所述的扩束系统为定扩束比的扩束系统，所述的变焦照明物镜为焦距连续变化的三组元机械补偿变焦照明物镜，所述的三组元机械补偿变焦照明物镜从物侧至像侧依次为前固定组、变焦组及补偿组，所述的前固定组的焦距为正、变焦组的焦距为负、补偿组的焦距为正；从所述的激光光源发出的光经过所述的扩束系统出射为准直光束；所述的准直光束经过所述的柱透镜，在其有光焦度的方向被会聚。该技术方案实现了：光片厚度和长度的连续变化，适合于不同尺寸样本的观察，简化了操作程序，降低了使用成本；系统总长固定；系统总长较短；避免了较高激光能量损伤镜片的技术效果。优选的：上述扩束系统采用倒置伽利略望远系统。采用倒置伽利略望远系统可缩小光路长度。高斯光束经过柱透镜有光焦度的截面后束腰半径被压缩，而经过柱透镜无光焦度的截面后束腰半径不变，使得原本圆对称的光束变成线聚焦光束，形成片光。优选的：上述扩束系统，系统光阑在位于扩束系统前组，这一设置可使光阑位置和大小固定，极大地降低机械设计的难度，并使系统总体光能量恒定。上述三组元机械补偿变焦照明物镜，无后固定组，结构简单、紧凑，便于设计，总长较短。上述三组元机械补偿变焦照明物镜，实现了整个照明系统的总长不随变焦照明物镜的焦距变化而变化的技术效果。这样的照明系统总长固定，可简化系统的机械设计，同时方便使用者对样本的观察。上述三组元机械补偿变焦照明物镜，实现了在变焦过程中光片束腰位置不随变焦照明物镜的焦距的变化而改变的技术效果，在变焦过程中不需要移动样本，方便使用者对样本的观察。上述三组元机械补偿变焦照明物镜可替换为四组元机械补偿变焦照明物镜，从物侧至像侧依次为前固定组、变焦组、补偿组及后固定组，焦距依次为“正、负、正、正”。这一设置，实现了：系统总长固定；避免了较高激光能量损伤镜片的技术效果。有利于系统像差校正和光片照明均匀性的优化。后固定组的设置使辐照度均匀性的优化达到最佳状态，还可以起到调整系统后工作距离和光学筒长的作用。综上，本技术方案中按光线经过的顺序，分别为从激光光源发出的光，其束腰位置位于扩束系统前组的物方或像方焦面及附近，经过扩束系统实现出射激光光束的扩束，再通过柱透镜形成一种片光，所形成的片光通过变焦照明物镜实现光片厚度和长度的连续变化。附图说明图1：光片照明系统所形成的光片3D图；图2：三组元光片照明显微镜的照明系统示意图；图3：三组元系统在短焦时的YZ平面光路示意图(不含光源)；图4：三组元系统在短焦时的XZ平面光路示意图(不含光源)；图5：三组元系统在中焦时的YZ平面光路示意图(不含光源)；图6：三组元系统在中焦时的XZ平面光路示意图(不含光源)；图7：三组元系统在长焦时的YZ平面光路示意图(不含光源)；图8：三组元系统在长焦时的XZ平面光路示意图(不含光源)；图9：三组元系统在短焦时的点列图；图10：三组元系统在中焦时的点列图；图11：三组元系统在长焦时的点列图；图12：三组元系统在短焦时的物理光学传播图；图13：三组元系统在中焦时的物理光学传播图；图14：三组元系统在长焦时的物理光学传播图；图15：四组元光片照明显微镜的照明系统示意图；图16：四组元系统在短焦时的YZ平面光路示意图(不含光源)；图17：四组元系统在短焦时的XZ平面光路示意图(不含光源)；图18：四组元系统在中焦时的YZ平面光路示意图(不含光源)；图19：四组元系统在中焦时的XZ平面光路示意图(不含光源)；图20：四组元系统在长焦时的YZ平面光路示意图(不含光源)；图21：四组元系统在长焦时的XZ平面光路示意图(不含光源)；图22：四组元系统在短焦时的点列图；图23：四组元系统在中焦时的点列图；图24：四组元系统在长焦时的点列图；图25：四组元系统在短焦时的物理光学传播图；图26：四组元系统在中焦时的物理光学传播图；图27：四组元系统在长焦时的物理光学传播图；其中:1为激光光源；2为扩束系统；2-1为扩束系统前组；2-2为扩束系统后组；3为柱透镜；4为变焦照明物镜；4-1为变焦照明物镜前固定组；4-2为变焦照明物镜变焦组；4-3为变焦照明物镜补偿组；4-4为变焦照明物镜后固定组；具体实施方式下面结合附图及实施例对本实用新型作进一步描述：实施例一：一种三组元可变光片照明系统示意图，如图2所示，由物侧至像侧依次包括沿着光轴排列的：激光光源1、扩束系统2、柱透镜3、变焦照明物镜4，拟在变焦照明物镜的像方某固定位置实现0.8～4.0μm厚度(半高全宽)的可变光片，对应的光片束腰半径为0.48～2.40μm。所述激光光源波长λ＝532nm，束腰半径为0.5mm。扩束系统采用倒置伽利略或倒置开普勒望远系统，本实施例采用倒置伽利略望远系统，可缩小长度；扩束比大小M根据需要确定，等于扩束系统后组2-2与扩束系统前组2-1的焦距之比，本实施例的扩束比定为10倍。系统光阑在位于扩束系统前组2-1，光阑位置和大小固定，极大地降低机械设计的难度，并使系统总体光能量恒定。柱透镜有光焦度的弧矢面焦距可参考其通光口径，根据有利于像差校正的要求以合适的F数(比如≥3)来确定。变焦照明物镜拟采用有前固定组的三组元机械补偿变焦距光学系统；变焦照明物镜的变焦比与可变光片厚度比一致。所述的三组元变焦距照明物镜从物至像侧依次为前固定组4-1，变焦组4-2，补偿组4-3，焦距依次为“正、负、正”，无后固定组，结构简单、紧凑，便于设计，总长较短。产生可变厚度和长度光片的原理如下：从所述激光光源发出的光经过扩束系统出射的光为准直光束；准直光束经过柱透镜，在其有光焦度的方向被会聚，在柱透镜后焦面处压缩成线聚焦光束，而在无光焦度的方向仍平行出射；再借助后面照明物镜焦距的变化在其像方后焦面附近得到不同厚度和不同长度的光片。焦距在一定范围内连续变化，有效地保证了厚度连续变化的光片的产生，在观察样本过程中可以根据需要通过变焦选择合适厚度的光片。系统中激光高斯光束束腰的物像转换关系如下：首先，所述激光光源的束腰可位于扩束系统前组2-1的物方或像方焦面上，也可位于它们附近，但不要位于任何镜片表面，避免较高激光能量损伤镜片；当激光光源的束腰严格位于扩束系统前组2-1的物方焦面时，经过扩束系统其束腰也严格位于扩束系统后组2-2的像方焦面上，而当激光光源的束腰位于其余位置时，经过扩束系统的像方束腰位置变化较大，但像方束腰半径不变，等于初始束腰半径乘上扩束比M。在本实施例中经过扩束系统后束腰半径为5mm。其次，柱透镜位于扩束系统后组附近，距离大小应适合安装和调整柱透镜，为减小系统长度也应尽量紧凑。经过柱透镜有光焦度的截面(XZ平面)后，束腰位于柱透镜像方焦面上，也位于变焦照明物镜物方的一个合适的位置(比如与变焦物镜第一片的距离≥6mm)，而束腰半径则会变小，本实施例中束腰半径被压缩到微米级；而经过柱透镜无光焦度的截面(YZ平面)后束腰半径不变。最后，从XZ平面看，被压缩的束腰经过三组元变焦照明物镜后，出射光近似平行光束；从YZ平面看，出射为束腰很小的高斯光束，其像方束腰位于变焦照明物镜补偿组后方一固定位置，即物镜系统的后焦面附近，变焦过程中此位置保持不变，且系统总长固定，在变焦过程中不需要移动样本，方便使用者对样本的观察。激光高斯光束束腰的表达式如公式(1)所示：ω0′＝λf′/πMω0(1)其中λ为激光光源波长，ω0为激光光源束腰半径，f′为变焦照明物镜的焦距，M为扩束系统的扩束比，ω0′为经过变焦照明物镜后的光片束腰半径。光片厚度定义为YZ平面光片束腰处的半高全宽(FWHM)，光片束腰半径ω0′与光片厚度(FWHM)的关系公式(2)所示：FWHM≈1.66ω0′(2)变焦照明物镜的变焦比为5，焦距为14.19～70.93mm，经过变焦照明物镜的光片束腰半径为0.48～2.40μm，相应的光片厚度为0.8～4μm；与此截面相垂直的方向为光片的长度方向，长度值L等于两倍瑞利距离，其大小为2.73～68.16μm。焦距在14.19～70.93mm范围内连续变化的设置有效地保证了厚度0.8～4μm范围内变化的光片。基于上述原理的可变光片照明系统，列出附图3-图8的短焦、中焦和长焦光路示意图，对应的变焦照明物镜的焦距分别为14.19～42.56～70.93mm,对应的光片厚度分别为0.8～2.4～4μm,该照明系统的点列图分别如图9-图11所示，物理光学传播图分别如图12-图14所示。实施例二：一种四组元元可变光片照明系统示意图，如图15示，由物侧至像侧依次包括沿着光轴排列的：激光光源1、扩束系统2、柱透镜3、变焦照明物镜4，拟在变焦照明物镜的像方某固定位置实现0.8～4.0μm厚度(半高全宽)的可变光片，对应的光片束腰半径为0.48～2.40μm。所述激光光源波长λ＝532nm，束腰半径为0.5mm。扩束系统采用倒置伽利略或倒置开普勒望远系统，本实施例采用倒置伽利略望远系统，可缩小长度；扩束比大小M根据需要确定，等于扩束系统后组2-2与前组2-1的焦距之比，本实施例的扩束比定为10倍。系统光阑在位于扩束系统前组2-1，光阑位置和大小固定，极大地降低机械设计的难度，并使系统总体光能量恒定。柱透镜有光焦度的弧矢面焦距可参考其通光口径，根据有利于像差校正的要求以合适的F数(比如≥3)来确定。变焦照明物镜拟采用有前后固定组的四组元机械补偿变焦距光学系统；变焦照明物镜的变焦比与可变光片厚度比一致。所述的四组元变焦距照明物镜从物至像侧依次为前固定组4-1，变焦组4-2，补偿组4-3，后固定组4-4，焦距依次为“正、负、正、正”。四组元变焦距物镜系统有利于系统像差校正和光片照明均匀性的优化。后固定组的设置使辐照度均匀性优化达到最佳状态，还可以起到调整系统后工作距离和光学筒长的作用。产生可变厚度和长度光片的原理如下：从所述激光光源发出的光经过扩束系统出射的光为准直光束；准直光束经过柱透镜，在其有光焦度的方向被会聚，在柱透镜后焦面处压缩成线聚焦光束，而在无光焦度的方向仍平行出射；再借助后面变焦照明物镜焦距的变化在其像方后焦面附近得到不同厚度和不同长度的光片。焦距在一定范围内连续变化，有效地保证了厚度连续变化的光片的产生，在观察样本过程中可以根据需要通过变焦选择合适厚度的光片。系统中激光高斯光束束腰的物像转换关系如下：首先，所述激光光源的束腰可位于扩束系统前组的物方或像方焦面上，也可位于它们附近，但不要位于任何镜片表面，避免较高激光能量损伤镜片；当激光光源的束腰严格位于扩束系统前组2-1的物方焦面时，经过扩束系统其束腰也严格位于扩束系统后组2-2的像方焦面上，而当激光光源的束腰位于其余位置时，经过扩束系统的像方束腰位置变化较大，但像方束腰半径不变，等于初始束腰半径乘上扩束比M。在本实施例中经过扩束系统后束腰半径为5mm。其次，柱透镜位于扩束系统后组附近，距离大小应适合安装和调整柱透镜，为减小系统长度也应尽量紧凑。经过柱透镜有光焦度的截面(XZ平面)后束腰位于柱透镜像方焦面上，也位于变焦照明物镜物方的一个合适的距离(比如与变焦物镜第一片的距离≥6mm)，而束腰半径则会变小，本实施例中束腰半径被压缩到微米级；而经过柱透镜无光焦度的截面(YZ平面)后束腰半径不变。最后，从XZ平面看，被压缩的束腰经过四组元变焦照明物镜后，出射光近似看作平行光束；从YZ平面看，出射为束腰很小的高斯光束，其像方束腰位于变焦照明物镜补偿组后方一固定位置，即物镜系统的后焦面附近，变焦过程中此位置保持不变，且系统总长固定，在变焦过程中不需要移动样本，方便使用者对样本的观察。变焦照明物镜的变焦比为5，焦距为14.19～70.93mm，像方束腰半径为0.48～2.40μm，则光片厚度为的0.8～4μm；与此截面相垂直的方向为光片的长度方向，其大小为2.73～68.16μm。基于上述原理的可变光片照明系统，列出附图16-图21的短焦、中焦和长焦光路示意图，对应的变焦照明物镜的焦距分别为14.19～42.56～70.93mm,对应的光片厚度分别为0.8～2.4～4μm,该照明系统的点列图分别如图22-图24所示，物理光学传播图分别如图25-图27所示。从设计结果来看，该系统在没有加入复杂变焦系统的情况下实现了光片尺寸大小的变化，降低了材料和加工成本。实际光学系统除采用常用的球面镜外，可根据像差和光片均匀性优化的需要适当加入非球面。本技术方案未详细说明部分属于本领域技术人员公知技术。当前第1页1 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