CN111123498A - 一种用于活体细胞观察***的聚光镜 - Google Patents

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周伟
杨西斌
徐宝腾
刘家林
熊大曦
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Abstract

本发明公开了一种用于活体细胞观察***的聚光镜，由从光源侧到样本侧依次同轴设置的第一组元和第二组元组成；第一组元和第二组元构成反远距型光学***；第一组元为弯月型双胶合透镜，具有负光焦度；第二组元由依次同轴设置的第一单透镜和第二单透镜组成，具有正光焦度；弯月型双胶合透镜由依次同轴设置的具有负光焦度的双凹单透镜和具有正光焦度的双凸单透镜胶合而成，凹面朝向光源；第一单透镜为一个具有正光焦度的双凸透镜；第二单透镜为一个具有正光焦度的平凸透镜，平面朝向样本侧；本发明在可见光波段实现消色差设计，在提供高NA的同时具有比焦距更长的工作距离，***结构简单紧凑，特别适用于需要具有较长工作距离的活体细胞观察***。

Description

一种用于活体细胞观察***的聚光镜
技术领域
本发明属于显微成像领域，特别是一种用于活体细胞观察***的聚光镜。
背景技术
为适应疫苗、单克隆抗体、细胞治疗等领域对细胞培养的需求，需要对培养中的细胞的生长、形态等进行观察。普通明场显微镜只能观察有颜色的或者染色的切片，但染色剂将会“杀死”要观察的细胞。泽尼尔克根据光的波动理论和阿贝原理发明了相衬成像技术。相衬成像技术可以将人眼无法观察的相位差转化成振幅差，因为可以观察培养中的活体透明细胞。细胞培养通常位于一定厚度的容器(如培养板、培养皿、培养瓶等)中，这就需要活体细胞观察***中的聚光镜具有一定的工作距离以确保足够的工作空间。增加工作距离通常采用长焦距的光学***，这将导致整个活体细胞观察***的尺寸偏大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于活体细胞观察***的聚光镜，用于活体细胞观察***中，在保持焦距恒定的情况下增加工作距离。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种用于活体细胞观察***的聚光镜，由从光源侧到样本侧依次同轴设置的第一组元和第二组元组成；第一组元和第二组元构成反远距型光学***；
所述第一组元为弯月型双胶合透镜，具有负光焦度；
所述第二组元由依次同轴设置的第一单透镜和第二单透镜组成，具有正光焦度；
所述弯月型双胶合透镜由依次同轴设置的具有负光焦度的双凹单透镜和具有正光焦度的双凸单透镜胶合而成，凹面朝向光源；
所述第一单透镜为一个具有正光焦度的双凸透镜；
所述第二单透镜为一个具有正光焦度的平凸透镜，平面朝向样本侧。
本发明与现有技术相比，其显著优点是：
(1)本发明采用反远距光学***结构，使得聚光镜在保持焦距恒定的情况下具有比焦距更长的工作距离，即焦距相对比工作距离更短，所以可以使照明光学***和整个活体细胞观察***结构更加紧凑。
(2)组成聚光镜的各光学透镜单元均为球面透镜，制造成本低。
附图说明
图1为现有技术的具有长工作距离聚光镜的相衬成像光学***的原理示意图。
图2为环形光阑的结构示意图。
图3为相位板的结构示意图。
图4为本发明实施例中的聚光镜的光学结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。
结合图1-图3，相衬成像技术(Phase Contrast)可用于活体细胞观察***对活体细胞进行可视化观察。相衬成像光学原理如图1所示。准直透镜2将光源1发出的光准直后，由集光透镜3聚焦到如图2所示的环形光阑4上。环形光阑4所在平面即为聚光镜5的前焦面上。照明光经过环形光阑4后形成环形照明光。环形照明光从聚光镜出射的照明光，就是光源1发光面上所有发光点从各个方位汇聚起来的一束平行光，其穿透样品使得样品6获得充分的均匀照明。环形光阑4经过聚光镜5及相衬物镜7后，成像在相衬物镜的像方焦平面上。相衬物镜7的像方焦面上设置有如图3所示的专用相位板8(通常内置于相衬物镜中)，因此，环形光阑4与相位板8共轭。由相衬物镜7收集的背景光和经过样品6散射后的散射光在其后焦面处被相位板8分离，并经过筒镜9聚焦在相机10的成像面上以形成最终的相衬图像，实现对活体细胞的可视化观察。
其中，聚光镜5与样品6之间的距离即为聚光镜5的工作距离WD。一方面，细胞通常位于一定厚度的培养容器中，这就要求聚光镜5具有一定的工作距离以确保足够的工作空间。另一方面，聚光镜5不仅是在整个视场提供均匀的照明，而且还与相衬物镜组成光学***将环形光阑投影到相衬物镜像方焦面上的专用相位板上，即环形光阑4与相位板8具有成像共轭关系。环形光阑4的直径Dring、聚光镜5的焦距Fcon、相衬物镜7的焦距Fobj和相位板8的直径Dph满足如下关系：
Figure BDA0002340752680000021
增加工作距离WD通常选用长焦距的聚光镜，这使得环形光阑的直径增加，导致照明光学***和整个活体细胞观察***的尺寸偏大，因此需要在保持焦距恒定的情况下获得较长的工作距离。
结合图4，本发明的一种用于活体细胞观察***的聚光镜，由从光源侧到样本侧依次同轴设置的第一组元G1和第二组元G2组成；所述第一组元G1和第二组元G2构成反远距型光学***；
所述第一组元G1为弯月型双胶合透镜L1，具有负光焦度；
所述第二组元G2由依次同轴设置的第一单透镜L2和第二单透镜L3组成，具有正光焦度；
所述弯月型双胶合透镜L1由依次同轴设置的具有负光焦度的双凹单透镜L101和具有正光焦度的双凸单透镜L102胶合而成，弯月型双胶合透镜L1凹面朝向光源。
所述第一单透镜L2为一个具有正光焦度的双凸透镜；
所述第二单透镜L3为一个具有正光焦度的平凸透镜，平面朝向样本侧。
所述第二单透镜L3的平面与样本的距离与整个聚光镜的焦距，满足WD/Fcon＞1，其中，WD是所述第二单透镜L3的平面与样本的距离，即所述聚光镜的工作距离，Fcon是所述聚光镜的焦距。
进一步的实施方式中，所述弯月型双胶合透镜L1满足|ν1-ν2|＞25，其中，ν1为所述双凹单透镜L101的色散系数，ν2为所述双凸单透镜L102的色散系数，可以很好地校正设置在照明光学***中视场光阑成像到样品面上时产生的色差，从而可以方便地知道和调节视场光阑的最佳焦点位置。
进一步地实施方式中，所述第二单透镜L3的焦距与整个聚光镜的焦距，满足1＜fL3/Fcon＜2.5，其中fL3为所述第二单透镜L3的焦距。由于第一组元中G1的弯月型双胶合透镜L1具有负光焦度，因此可以通过第一组元G1的负光焦度，消除由多个正焦度单透镜构成的第二组元产生G2的球差。从而使得环形光阑可以精确地投影到相衬物镜后焦面上的相位板上，进而可以获得对比度良好的相衬图像。当fL3/Fcon≤1时，第二单透镜L3的屈光力太强，对光线的偏折程度越高，导致由第一组元G1中的弯月型双胶合透镜不能很好地校正第二单透镜L3产生的球差。当fL3/Fcon≥2.5时，第二单透镜L3的屈光力变弱，而第一单透镜L2的屈光力变强，导致不能通过第一组元G1中的弯月型双胶合透镜校正第一单透镜L2产生的球差。
图4为本发明一个优选实施例中的聚光镜的结构示意图。具体光学参数如下表所示,其中编号s1～s10为从光源侧到样本侧聚光镜各光学表面的编号。
Figure BDA0002340752680000041
表中的编号s9为样品的水溶液。因为在活体细胞观察***中，活体细胞通常位于培养液中进行观察，因此，样品6和聚光镜之间的部分区域被水覆盖。
聚光镜的焦距Fcon为36.43mm，第二单透镜L3的平面与样本的距离，即聚光镜的工作距离WD，为48.98mm，满足WD/Fcon＝1.34＞1，可以获得比焦距更长的工作距离。
位于第一组元G1中的弯月型双胶合透镜L1中，双凹单透镜L101的色散系数ν1与双凸单透镜L102的色散系数ν2满足|ν1-ν2|＝28.7＞25，因此，照明光学***中视场光阑成像到样品面上时不会产生色差，从而可以很容易地调整视场光阑像的聚焦位置。
第二单透镜L3的焦距fL3与聚光镜5的焦距Fcon之比fL3/Fcon＝2.1，满足1＜fL3/Fcon＜2.5，可以很好地校正聚光镜5的球差。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也视为本发明的保护范围。
本说明书中未作详细描述的内容属于本专业领域技术人员公知技术。

Claims (4)

1.一种用于活体细胞观察***的聚光镜，其特征在于：由从光源侧到样本侧依次同轴设置的第一组元(G1)和第二组元(G2)组成；第一组元(G1)和第二组元(G2)构成反远距型光学***；
所述第一组元(G1)为弯月型双胶合透镜(L1)，具有负光焦度；
所述第二组元(G2)由依次同轴设置的第一单透镜(L2)和第二单透镜(L3)组成，具有正光焦度；
所述弯月型双胶合透镜(L1)由依次同轴设置的具有负光焦度的双凹单透镜(L101)和具有正光焦度的双凸单透镜(L102)胶合而成，凹面朝向光源；
所述第一单透镜(L2)为一个具有正光焦度的双凸透镜；
所述第二单透镜(L3)为一个具有正光焦度的平凸透镜，平面朝向样本侧。
2.根据权利要求1所述的一种用于活体细胞观察***的聚光镜，其特征在于：满足WD/Fcon＞1，其中，WD是所述第二单透镜(L3)的平面与样本的距离，即所述聚光镜的工作距离，Fcon是所述聚光镜的焦距。
3.根据权利要求1所述的一种用于活体细胞观察***的聚光镜，其特征在于：所述弯月型双胶合透镜(L1)满足|ν1-ν2|＞25，其中，ν1为所述双凹单透镜(L101)的色散系数，ν2为所述双凸单透镜(L102)的色散系数。
4.根据权利要求1所述的一种用于活体细胞观察***的聚光镜，其特征在于：满足1＜fL3/Fcon＜2.5，其中fL3为所述第二单透镜(L3)的焦距，Fcon是所述聚光镜的焦距。
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