CN114859542B - 一种照明系统和显微镜设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种照明系统，包括光源组件、设置在光源组件的输出光路上的匀光整形元件、和设置在匀光整形元件的输出光路上的物镜组；匀光整形元件用于将光源组件出射的光进行匀化整形成预定光斑形状的光束；物镜组用于对光源组件输出的光束光斑大小进行调制。本申请中利用微透镜阵列减少照明光束的能量损失，提升照明照度，保证照明光束的光斑照度均匀性，使得照明系统应用于显微镜设备中时，能够降低成像系统的检测图像的噪声，有利于提升检测图像分析结果的准确性；本申请还提供了一种显微镜设备，具有上述有益效果。

Description

一种照明系统和显微镜设备

技术领域

本发明涉及光学照明技术领域，特别是涉及一种照明系统和显微镜设备。

背景技术

在荧光分子检测分析领域，一般采用显微镜设备进行荧光图像采集，并基于荧光图像采集进行荧光分子分析。荧光显微镜中的光机系统的优良性直接决定了图像传感器获得图像的质量，一个优良的光机系统可以为后期图像处理例如荧光分子定位，信号增强，图像去噪等减轻很大的压力。在荧光分子检测领域，光机系统大致可以分为照明系统模块和成像系统模块；照明系统模块中的照明光源输出的光束通过一系列的光学元件调制成例如圆形、矩形等特定形状光斑入射在目标靶面上，其中，目标靶面上分布着荧光分子或荧光基团；成像系统模块的作用则是将目标靶面上发出的荧光信号通过显微物镜成像在工业相机上。

为了使得光机系统捕获最佳的荧光信号，如何提升显微镜设备中照明系统输出的照明光斑和成像系统的有效视场之间的匹配度、提升照明光斑的照度均匀性以及照明功率密度都是在荧光分子检测中需要重点关注的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种照明系统以及显微镜设备，在一定程度上提升了照明光束的光斑照度和光斑照度均匀性，为显微镜设备中检测图像采集提供高质量光照。

为解决上述技术问题，本发明提供一种照明系统，包括：

光源组件、设置在所述光源组件的输出光路上的匀光整形元件、和设置在所述匀光整形元件的输出光路上的物镜组；

所述匀光整形元件用于将光源组件出射的光进行匀化整形成预定光斑形状的光束；

所述物镜组用于对所述光源组件输出的光束光斑大小进行调制。

在本申请的一种可选地实施例中，所述匀光整形元件包括设置在所述光源组件的输出光路上的微透镜阵列、设置在所述微透镜阵列的输出光路上的聚光透镜；

其中，所述微透镜阵列的微元为设定形状的微元结构。

在本申请的一种可选地实施例中，所述微透镜阵列为双排微透镜阵列，且两排微透镜阵列之间的间距等于单个所述微透镜阵列的焦距。

在本申请的一种可选地实施例中，所述匀光整形元件包括设置在所述光源组件的输出光路上的匀光棒，所述匀光棒的光出射端面轮廓为设定形状。

在本申请的一种可选地实施例中，所述光源组件包括发光光源和设置在所述发光光源的输出光路上的准直透镜。

在本申请的一种可选地实施例中，所述发光光源的数量为两个，每个所述发光光源的输出光路上各设置一个所述准直透镜；且两个所述准直透镜的输出光路上设置有合光元件，用于将两个所述准直透镜输出的光束合光输出。

在本申请的一种可选地实施例中，所述物镜组包括双胶合透镜和显微物镜。

一种显微镜设备，包括如上任一项所述的照明系统，以及图像采集器；

所述照明系统用于向待测样品投射照明光线；

所述图像采集器用于在所述照明光线的照射下采集待测样品的图像。

在本申请的一种可选地实施例中，所述照明系统中的聚光透镜的输出光路上还设置有二向色镜；

所述图像采集器设于所述二向色镜的输出光路上，用于接收通过所述二向色镜入射至所述图像采集器的待测样品表面的反射光线。

在本申请的一种可选地实施例中，所述二向色镜设于所述物镜组中包含的多个透镜之间的光路上。

本发明所提供的一种照明系统，包括光源组件、设置在光源组件的输出光路上的匀光整形元件、和设置在匀光整形元件的输出光路上的物镜组；匀光整形元件用于将光源组件出射的光进行匀化整形成预定光斑形状的光束；物镜组用于对光源组件输出的光束光斑大小进行调制。

本申请中利用匀光整形元件将光源组件的输出光路进行匀化整形成预定光斑形状的光束，再经过物镜组对光斑大小的调制作用最终使得光束光斑符合照明要求大小。当本申请中的照明系统应用于显微镜设备中时只需要将匀光整形元件设置为和成像系统的有效视场形状相同的形状结构，即可实现照明系统的光束光斑和成像系统的有效视场匹配，相对于通过光阑限制光束光斑形状实现照明光斑和有效视场匹配而言，本申请中能够减少光束的能量损失，提升照明照度；在此基础上因为本申请中的照明光斑是基于匀光整形元件对光源组件输出的光束匀光后形成的光束，能够在一定程度上保证混合输出后光斑的照度均匀性。

综上所述，本申请中的照明系统应用于显微镜设备中时，能够在匹配成像系统的有效视场的基础上保证照明光束的高照度和良好均匀性，降低了后续成像系统中采集检测图像时的噪声，有利于荧光分子检测的准确性。

本申请还提供了一种显微镜设备，具有上述有益效果。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，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的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的照明系统的光路结构示意图；

图2为本申请实施例提供的显微镜设备的光路结构示意图。

具体实施方式

传统的显微镜设备中的照明系统为临界照明系统；临界照明系统是直接将光源成像于被照明的样品平面上，难以保证样品平面上的光斑照度均匀性。为此在此基础上提出坷垃照明系统，柯拉照明系统中是将柯拉镜成像于样品平面上，使得样品平面得到更均匀的光照。

但在显微镜设备中照明系统输出的照明光束为了匹配成像系统的有效视场，需要输出和成像系统的有效视场形状相同的光斑，为此就需要采用光阑对照明光束的光斑形状进行整形。例如有效视场为矩形，则需要在照明系统的光路上设置具有矩形通光孔的光阑，使得最终输出的照明光束的光斑形状和有效视场的形状相匹配。

而显然光阑之所以可以对光斑形状进行整形，是对照明系统中光源输出的部分光线进行了遮挡，使得只有矩形孔径内的光线能够输出最终得到矩形光斑，显然这在一定程度上会降低照明系统输出照明光束的功率。

为此，本申请中提出了一种在和成像系统的有效视场相匹配的基础上，能够提升照明系统的光照能量输出效率并保证光斑照度均匀性的照明系统，有利于提高成像系统采集检测图像的质量。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，图1为本申请实施例提供的照明系统的光路结构示意图。该照明系统可以包括：

光源组件1；

设置在光源组件1的输出光路上的匀光整形元件、和设置在匀光整形元件的输出光路上的物镜组4；

匀光整形元件用于将光源组件1出射的光进行匀化整形成预定光斑形状的光束。

物镜组4用于对光源组件1输出的光束的光斑大小进行调制输出。

如前所述，本申请中所提供的照明系统主要应用于显微镜设备中，基于显微镜设备中对照明系统的要求，照明系统输出的照明光束应当和成像系统的有效视场相匹配；也即是说照明光束的光斑形状大小恰好和有效视场的形状大小恰好相同，那么成像系统可拍摄采集检测图像的区域也就恰好是照明光束投射光斑照明的区域。

为了将照明光束的光斑形状调制成和成像系统的有效视场相同形状，本实施例中在光源组件1的输出光路上设置匀光整形元件，利用匀光整形元件的对光源组件1的匀光整形作用，使得经过匀光整形元件之后的光束光斑亮度均匀，且光斑形状转换为特定形状的光斑。

可选地，该匀光透镜元件可以为设置在光源组件1的输出光路上的微透镜阵列2以及设置在微透镜阵列2的输出光路上的聚光透镜3。

其中，微透镜阵列2的微元为设定形状的微元结构；且聚光透镜3、物镜组4用于对光源组件1输出的光束的光斑大小进行调制输出。

本实施例中在光源组件1的输出光路上设置微透镜阵列2，利用微透镜阵列2的微元对投射的光斑的切割划分作用，将投射在微透镜阵列2上的光斑切割划分成若干个和微元形状相同的小光斑并透射输出，各个小光斑基于聚光透镜3的聚光作用，使得各个小光斑对应的光束产生汇聚，并使得各个小光斑在聚光透镜3的焦平面上重叠汇聚成像，显然，该成像平面上的光斑和单独一个小光斑的大小和形状相同，照度是所有小光斑对应的光束的叠加。

由此可以确定光源组件1输出的照明光束经过微透镜阵列2以及聚光透镜3的调制，即可将照明光束调制成光斑形状和微透镜阵列2的微元形状相同的光束。因此，本实施例中的微透镜阵列2可以进一步地设定微元的形状，使得每个微元形状和有效视场的形状相同(大小不一定相同，相当于有效视场的等比例缩放形状)；在此基础上，在进一步地通过物镜组4对光斑大小的调制，使得照明系统输出的照明光束的光斑形状大小和有效视场相匹配。

基于上述论述可知，本实施例中实现照明光束的光斑形状的调制是通过微透镜阵列2的微元对光束的切割划分后重新汇聚实现的，在这一过程中并不需要将光束中的部分光线进行遮挡滤去，而是将光源组件1输出的光线进行了最大程度的利用，由此在实现光斑形状和有效视场相匹配的基础上，进一步提升了照明光束的利用率，保证了照明光束高照度输出。

并且，本实施例中通过光源组件1输出的照明光束通过微透镜阵列2的切割划分后由经过聚光透镜3的聚光重叠形成汇聚光束，显然该汇聚光束相对于光源组件1直接输出的照明光束而言，对光斑各个不同部分的明暗部分进行了叠加，从而在一定程度上降低了光束的散斑问题，提升了照明光束对应光斑的照度均匀性。

需要说明的是，微透镜阵列2一般是双排微透镜阵列配合使用，由此，本实施例中所采用的微透镜阵列2也可以是双排微透镜阵列，且两排微透镜阵列之间的间距可以等于单个微透镜阵列2的焦距，也即是微透镜阵列2的微元焦距；第二排微透镜阵列起到一个场镜的作用，控制第一排微透镜阵列出射光束的发散角度。

对于单个微元的形状是为了将光斑调制成和有效视场形状相同，因此，该微元形状应当基于显微镜设备中所采用的成像系统的有效视场形状而设定，可以是长方形、正方形、圆形等等。

其中，为了进一步提升微透镜阵列2对照明光束的调制效果，可以将光源组件1中设置准直透镜12，使得光源组件1中的发光光源11输出的照明光束通过准直透镜12的准直作用形成近似平行光到微透镜阵列2，由此可以使得经过微透镜阵列2输出的光束也几乎完全是不同视场角大小的平行光，使得各个小光斑对应的光束能够经过聚光透镜3更好的汇聚成一个光斑。

并且，为了提升光源组件1输出的照明光束的照度，可以采用多个发光光源11，每个发光光源11配置一个准直透镜12准直后，利用类似于二向色镜等合光元件13，将各个发光光源11输出的照明光束合为同一束光束输出。其中，各个发光光源11输出的光波波长可以相同也可以不同。

对于光源组件1中的发光光源11可以采用LED光源，也可以采用激光光源。当发光光源采用LED光源时，LED光源输出光束的空间光强分布呈朗伯式分布，为了达到最佳的准直效果，准直透镜12可以采用NA0.7至NA0.9的非球面，优选NA0.8的非球面。

当该发光光源11为激光光源时，可以进一步地在准直透镜12的输出光路上设置扩束系统组件，使得激光光源输出的光束经过准直和扩束后再入射至微透镜阵列2。该扩束系统组件可以采用伽利略扩束系统组件。

匀光整形元件除了可以采用微透镜阵列2和聚光透镜3之外，还可以采用其他结构的光学元件。

在本申请的另一可选的实施例中，匀光整形元件包括设置在光源组件的输出光路上的匀光棒，匀光棒的光出射端面轮廓为设定形状。

该匀光棒的光线入射端可以紧贴光源组件1的光发射表面设置，光源组件1的输出光为平行光，更不需要设置准直透镜，并且设置匀光棒的光出射面的形状与有效视场的形状相同即可。

匀光棒分空心实心，空心一般内层镀高反膜，实心的一般使用石英玻璃或者K9玻璃。光线从匀光棒的入射端以一定发散角入射至匀光棒内部之后，多次反射，每次反射都会形成虚拟光源像，多次反射形成二维的虚拟光源矩阵，使光束分布均匀，进而实现匀光棒匀光的效果。理论上而言，匀光棒随着长度的增加，光束的均匀性呈现震荡上升，到达一定程度后继续增加长度对于均匀度的提升不明显，反而降低亮度，因此在实际应用中，可以依据实际需求选择合适的匀光棒长度。

而匀光棒输出的光束的光斑形状取决于其输出光束的出射面，因此为了获得特定光斑的光束，设置出射面的形状即可。

此外，本实施例中所提供的照明系统中，对于匀光整形元件的输出光路上的物镜组4，可以包括双胶合透镜41，以及成像系统中的显微物镜42，该双胶合透镜41也可以采用和成像系统中显微物镜42的筒镜一致的筒镜结构系统，对此本申请中不再详细赘述。

综上所述，本申请中所提供的照明系统采用匀光整形元件在光能损失最小的基础上实现光源组件输出的照明光束的整形，使得照明光束的光斑形状和成像系统的有效视场相匹配，提升照明系统的光能输出效率，并基于匀光整形透镜的匀光作用，提升输出光斑的照度均匀性，保证了采用本申请中的照明系统的显微镜设备采集荧光图像等检测图像的图像质量，降低图像噪声，有利于提升检测图像分析结果的准确性。

本申请还提供了一种显微镜设备的实施例，参考图2，图2为本申请实施例提供的显微镜设备的光路结构示意图，该显微镜设备可以包括如上任一项所述的照明系统，还包括图像采集器6。

显然该图像采集器6也相当于成像系统，用于采集照明系统投射照明光束的样品平面的图像。

一般情况下，照明系统向待测样品5所在平面投射照明光线，该照明光线在待测样品5表面反射输入至图像采集器6。因为照明光线入射至待测样品5表面的光路和待测样品5表面反射至图像采集器6表面的光线光路在空间上存在一定程度上的重合。为此可以进一步地在照明系统的光路上设置二向色镜7。

参照图2，该二向色镜7可以设置在匀光整形元件的输出光路上，以匀光整形元件为微透镜整列2和聚光透镜3为例。二向色镜7位于聚光透镜3和物镜组4之间，也可以设置在物镜组4中多个透镜之间的光路上，例如设置在双胶合透镜41和显微物镜42之间。该二向色镜7对照明光束反射，使得照明光束经过二向色镜7发生偏折之后入射至待测样品5，而从待测样品5表面反射的光线从二向色镜7透射入射至图像采集器6；同理在双胶合透镜41和显微物镜42之间设置二向色镜7也是按照相同的光路原理实现光线传导，在实际应用过程中，在聚光透镜3和物镜组4之间的位置以及在在双胶合透镜41和显微物镜42之间位置中选取其中任意一个位置设置一个二向色镜7即可。并且，在实际应用过程中也可以采用二向色镜7对照明光束透射，对待测样品5表面反射的光线反射实现本申请的技术方案，基于二向色镜7的应用常识，可以容易基于图2所示的光路结构获得其他类似结构和原理的光路结构，对此本申请中不再详细赘述。

本申请的显微镜设备中的照明系统能够最大程度上减小输出的照明光线的光能损失，提升光能输出效率，进而提升照明照度，并能够很好的实现照明光线和成像系统的有效视场之间的相互匹配，并保证照明光束光斑照度均匀性，使得该显微镜设备在进行荧光分子检测等实际应用过程中，能够采集获得高质量的检测图像，保证后续图像分析结果的准确性，有利于显微镜设备在类似于荧光分子检测等领域的广泛应用。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。另外，本申请实施例提供的上述技术方案中与现有技术中对应技术方案实现原理一致的部分并未详细说明，以免过多赘述。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (5)

1.一种照明系统，其特征在于，包括光源组件、设置在所述光源组件的输出光路上的匀光整形元件、和设置在所述匀光整形元件的输出光路上的物镜组；

所述物镜组用于对所述光源组件输出的光束光斑大小进行调制；使所述照明系统输出的照明光束的光斑形状大小和成像系统的有效视场相匹配；

所述匀光整形元件包括设置在所述光源组件的输出光路上的微透镜阵列、设置在所述微透镜阵列的输出光路上的聚光透镜；所述光源组件输出的照明光束经过所述微透镜阵列以及所述聚光透镜的调制，形成光斑形状和所述微透镜阵列的微元的形状相同的光束；其中，所述微透镜阵列的每个所述微元的形状与所述成像系统的有效视场的形状相同；

所述微透镜阵列为双排微透镜阵列，且两排微透镜阵列之间的间距等于单个所述微透镜阵列的焦距；

所述聚光透镜用于对所述微透镜阵列输出的若干个和所述微元的形状相同的小光斑进行重叠汇聚，在所述聚光透镜的焦平面上形成和单独一个所述小光斑的大小和形状相同的光斑；

所述光源组件包括发光光源和设置在所述发光光源的输出光路上的准直透镜；

所述发光光源的数量为两个，每个所述发光光源的输出光路上各设置一个所述准直透镜；且两个所述准直透镜的输出光路上设置有合光元件，用于将两个所述准直透镜输出的光束合光输出。

2.如权利要求1所述的照明系统，其特征在于，所述物镜组包括双胶合透镜和显微物镜。

3.一种显微镜设备，其特征在于，包括如权利要求1或2所述的照明系统，以及图像采集器；

所述照明系统用于向待测样品投射照明光线；

所述图像采集器用于在所述照明光线的照射下采集待测样品的图像。

4.如权利要求3所述的显微镜设备，其特征在于，所述照明系统中的聚光透镜的输出光路上还设置有二向色镜；

所述图像采集器设于所述二向色镜的输出光路上，用于接收通过所述二向色镜入射至所述图像采集器的待测样品表面的反射光线。

5.如权利要求4所述的显微镜设备，其特征在于，所述二向色镜设于所述物镜组中包含的多个透镜之间的光路上。