CN110554491A - 用于观测活体未染色细胞的微型相位差数码显微镜 - Google Patents

用于观测活体未染色细胞的微型相位差数码显微镜 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种微相位差数码显微镜，由光源、孔径光阑、微控流芯片、物镜组、相板、图像传感器、音圈马达和控制和显示设备组成。与普通的显微镜比较，将普通显微镜的聚光器部分去掉，直接用平行光源照射样品，同时我们将普通相位差显微镜的微控流芯片放在在孔径光阑和透镜之后。那么从光源发出的在经过圆形孔径光阑之后，照射向样本，一部分光线变成衍射光，而另一部分光线直射通过。然后两束相干光在像平面上发生干涉增强。本发明结构简单，便于携带，能够非常好的进行细胞的观测。

Description

用于观测活体未染色细胞的微型相位差数码显微镜
技术领域
本发明属于光学显微镜领域，具体涉及一种用于观测活体未染色细胞的微型相位差数码显微镜。
背景技术
相位差显微镜是荷兰科学家Zermike于1935年发明的，并因此获1953年诺贝尔物理奖，用于观察未染色标本。因为未经染色的标本里的活细胞个部分的折射率与厚度不同，当光通过时，波长和振幅并不发生变化，只有相位产生了细微的变化，人眼是无法分辨出来的。一般地，可以通过相差显微镜通过改变上述相位差，并利用光的衍射和干涉现象，把相差变为振幅差来观察。
目前在微流控芯片的通道内，针对活细胞或未染色细胞，因为未经染色的标本里的活细胞内部的折射率与厚度不同，当光通过时，波长和振幅并不发生变化，只有相位产生了细微的变化，人眼是无法分辨出来的。而且如果采用直接成像显示的方法，因为普通细胞的大小和像素点相当，而且细胞透明和周围介质区别不明显，在成像时遇到了细胞边界不清楚的问题。那么在设计细胞采集***的过程中，细胞的显示效果和识别率都不如人意。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于观测活体未染色细胞的微型相位差数码显微镜，能够解决现有相位差显微镜尺寸太大、微流控芯片通道内细胞显影边界不清晰的问题。
本发明所采用的技术方案是：用于观测活体未染色细胞的微型相位差数码显微镜，包括光源，沿光源光线射出的方向依次排列有孔径光阑、物镜组、相板和音圈马达，孔径光阑与物镜组之间配置微控流芯片，微控流芯片的通道内两端设有一组对称放置的探测器，音圈马达连接控制和显示设备，音圈马达上安装CMOS图像传感器。
本发明的特点还在于，
光源、孔径光阑、微控流芯片、物镜组、相板和音圈马达的中心在同一条直线上。
物镜组的放大倍数为5～10倍。
当物镜组的放大倍数为5倍时，显微镜长度为77～79mm。
相板选用圆形相板，相板的厚度取值范围为9.90mm～10.80mm，步长为0.02mm。
相板的厚度为10.20mm，相板与光屏的距离为42.4mm。
孔径光阑采用圆形孔径光阑，孔径光阑直径为1.0mm。
微流控芯片材料选用普通玻璃BK7或PDMS材料。
物镜组由两个双胶合透镜构成。
光源采用激光二极管作为光源。
本发明的有益效果是：将载物片放在了凸透镜前面，使得凸透镜可以组合安装，形成透镜组，这样在后面设计数码显微镜时，便于将凸透镜和音圈马达以及图像传感器集成化，具有便携小型化的优点。改进的微相位差显微镜既可以用于微流控通道内细胞的固定显示***内，也可以作为通用的微型相位差显微镜用在与生物研究和医学诊断相关的细胞显示上。
附图说明
图1是本发明用于观测活体未染色细胞的微型相位差数码显微镜的结构示意图；
图2是本发明用于观测活体未染色细胞的微型相位差数码显微镜的阿贝尔成像原理图；
图3是本发明用于观测活体未染色细胞的微型相位差数码显微镜的微流控芯片的结构示意图；
图4是本发明用于观测活体未染色细胞的微型相位差数码显微镜的干涉图案随相板厚度改变的结果示意图；
图5是本发明用于观测活体未染色细胞的微型相位差数码显微镜的仿真干涉图案效果图。
图中，1.光源，2.孔径光阑，3微控流芯片，4.物镜组，5.相板，6.图像传感器，7.音圈马达，8.控制和显示设备，9.探测器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
如图1所示，本发明一种用于观测活体未染色细胞的微型相位差数码显微镜的结构，包括光源1，沿光源1光线射出的方向依次排列有孔径光阑2、物镜组4、相板5和音圈马达7，孔径光阑2与物镜组4之间配置微控流芯片3，微控流芯片3的通道内两端设有一对对称放置的探测器9，音圈马达7连接控制和显示设备8，音圈马达7上安装CMOS图像传感器6。
其中，光源1、孔径光阑2、微控流芯片3、物镜组4、相板5和音圈马达7的中心在同一条直线上。
其中，光源1采用激光二极管作为光源。
其中，微流控芯片3材料选用普通玻璃材料BK7或PDMS材料。
本发明用于观测活体未染色细胞的微型相位差数码显微镜的工作原理是：将普通显微镜中的聚光器部分去掉，直接用平行光源1照射样品，这样的话就可以很大程度上缩短样品细胞与物镜组4的距离，同时将普通相位差显微镜的载物台换成微控流芯片3放在孔径光阑2和物镜组4之间，可以看出直射光经过物镜组4之后，全部聚焦到了相板5上，如附图2所示，根据阿贝尔成像原理，平行光束经过细胞样品之后，直射光通过物镜组4聚焦到相板5上，衍射光聚焦在图像传感器6上，然后两束相干光在像平面上发生干涉作用，因此相板5的位置是在透镜组的右焦点。
如图3所示，本发明用于观测活体未染色细胞的微型相位差数码显微镜的光路历程是：从光源1发出的光经过孔径光阑2，通过微控流芯片3通道内的探测器9照射向细胞样本，在细胞边界处，光源一部分光线通过细胞边界变成衍射光，其相位发生了相应的变化，而另一部分光线直射通过，直射光经过物镜组4之后，全部聚焦到了圆柱形相板5上，通过相板5将直射光延时π/2，细胞边界的衍射光聚焦在图像传感器6(仿真时用光屏代替)上，然后两束相干光在像平面上发生干涉增强。其中为了尽量消除色差，提高成像质量，物镜决定采用消色差物镜，是由两个双胶合透镜组成。
受现有相差显微镜结构的影响，对本发明中显微镜进行仿真时，将孔径光阑2和相板5都设计成的圆形，因为在实际中圆形比环形更容易加工，孔径光阑2变为透光的圆孔，直径一般选择1.0mm～2.0mm，相板5变为镀膜的圆柱(在从样品过来直射光所对的那面镀膜)。本发明采用的是1.0mm直径的圆形孔径光阑2，既保证通过孔径光阑2的光线形成的光场，又能够满足视场的显示。
物镜4的选择能够影响细胞放大倍数以及光线通过的光程差，从而影响干涉效果。一般地，放大倍数选择在5～10倍即可，这个放大倍数足以使其清晰地成像在光屏上。本发明中，细胞放大倍数为5倍，如果物距选用的是5mm，经仿真得到像距为50mm左右，如此就可以知道光屏6的位置。
为了得到最佳干涉增强效果，本发明还对相板5的厚度进行了仿真：相板5的作用是改变特定区域通过光线的相位和光照强度，要使衍射光和直射光发生干涉现象，有两种办法。第一种即调整直射光使其与衍射光同相位，这种是衍射光和直射光产生干涉增强，使样本细胞与环境(或其他杂物如气泡)的明暗对比更加明显，细胞更亮。第二种则是衍射光使其与直射光的相位相差π的奇数倍，两者干涉减弱，细胞较环境更暗。本发明中，光源发出的光经过尺寸很小的孔径光阑2，可以作为平行光源达到微流控芯片3上，这样圆形相板5只能给直射光通光区域镀膜，因此只可以做干涉增强，即细胞比周围环境更亮。本发明中相板5厚度为9.90-10.80mm，步长0.02mm，如附图4所示，是本发明显微镜的干涉图案随相板厚度改变的结果示意图，从附图5可以看出：当相板5厚度为10.20mm时，圈马达7和相板5的距离为42.4mm时干涉效果最佳。
本发明中孔径光阑采用微小圆形孔径光阑，使得激光二极管光场平行性较好；将载物片和透镜组分离，和普通的大尺寸相位差显微镜的结构不同，更便于集成到数码显微镜上；设计微型化，整个结构目前设计出来***长度只有77～79mm，非常容易携带和集成。
实施例：
一束平行光源发出的光穿过直径为1.0mm的孔径光阑2，直接射到圆柱形微流控片内的通道下壁，经一对探测器9穿过照到样本细胞上，一部分光发生衍射，直射光和衍射光都通过圆柱形上壁，然后经物镜组4汇聚之后，直射光聚焦在圆形相板5上，衍射光则从旁边区域穿过。平行直射光在穿过样本细胞及其周围区域时，一部分由于遇到障碍物发生衍射，衍射光和直射光经过物镜组4之后聚焦的位置不同。可以看出，直射光聚焦的位置离物镜4更近，而相板5的位置是在物镜焦平面附近，衍射光聚焦的位置为像平面，两者聚焦的位置不同，因此上文中才需要为直射光设计一个圆柱形的相板5，让直射光通过镀膜区，镀膜区目的就是改变直射光，将它的相位延迟然后与直接通过非镀膜区的衍射光同相位，所以我们可以在光屏6上观察干涉图样，如附图5所示，细胞边缘产生干涉增强，与环境存在明显的亮暗。

Claims (10)

1.用于观测活体未染色细胞的微型相位差数码显微镜，其特征在于，包括光源(1)，沿光源(1)光线射出的方向依次排列有孔径光阑(2)、物镜组(4)、相板(5)和音圈马达(7)，所述孔径光阑(2)与物镜组(4)之间配置微控流芯片(3)，微控流芯片(3)的通道内两端设有一组对称放置的探测器(9)，音圈马达(7)连接控制和显示设备(8)，音圈马达(7)上安装CMOS图像传感器(6)。
2.如权利要求1所述的用于观测活体未染色细胞的微型相位差数码显微镜，其特征在于，所述光源(1)、孔径光阑(2)、微控流芯片(3)、物镜组(4)、相板(5)和音圈马达(7)的中心在同一条直线上。
3.如权利要求1所述的用于观测活体未染色细胞的微型相位差数码显微镜，其特征在于，所述物镜组(4)的放大倍数为5～10倍。
4.如权利要求3所述的用于观测活体未染色细胞的微型相位差数码显微镜，其特征在于，当物镜组(4)的放大倍数为5倍时，显微镜长度为77～79mm。
5.如权利要求1所述的用于观测活体未染色细胞的微型相位差数码显微镜，其特征在于，所述相板(5)选用圆形相板，相板(5)的厚度取值范围为9.90mm～10.80mm，步长为0.02mm。
6.如权利要求5所述的用于观测活体未染色细胞的微型相位差数码显微镜，其特征在于，所述相板(5)的厚度为10.20mm，相板(5)与光屏(6)的距离为42.4mm。
7.如权利要求1所述的用于观测活体未染色细胞的微型相位差数码显微镜，其特征在于，所述孔径光阑(2)采用圆形孔径光阑，孔径光阑(2)直径为1.0mm。
8.如权利要求1所述的用于观测活体未染色细胞的微型相位差数码显微镜，其特征在于，所述微流控芯片(3)材料选用普通玻璃BK7或PDMS材料。
9.如权利要求1所述的用于观测活体未染色细胞的微型相位差数码显微镜，其特征在于，所述物镜组(4)由两个双胶合透镜构成。
10.如权利要求1所述的用于观测活体未染色细胞的微型相位差数码显微镜，其特征在于，所述光源(1)采用激光二极管作为光源。
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