CN114396888B - 一种可同时实现明场与暗场成像的共聚焦显微装置 - Google Patents
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Abstract
本发明的一种可同时实现明场与暗场成像的共聚焦显微装置，包括：连续激光器、第一光电探测器、三维平移台、第二光电探测器；连续激光器的激光发射端一侧依次装设有扩束***、分光平片、双腔三棱镜、挡光板；第一光电探测器的上端依次装设有第一共焦针孔、第一收集透镜。本发明装置通过双腔三棱镜，利用反射光与散射光在空间方向上的差异性，有效将样品的反射光与散射光在空间上进行分离，并分别进行明场成像与暗场成像，而且很好地保证了成像的原位性，且可以对待测样品同时进行明场与暗场高分辨显微成像，在传统共聚焦显微成像***的基础上，利用常规的光电器件即可实现***改进，方便快捷。
Description
技术领域
本发明属于显微成像技术领域，具体涉及一种可同时实现明场与暗场成像的共聚焦显微装置。
背景技术
共聚焦显微成像技术作为一种高分辨率的光学探针，可对被测样品的三维形貌进行非接触测量，由于具有无损、层析等优势，被广泛应用于材料科学、物理化学以及生物医学等领域。共聚焦显微镜基于“点照明”、“点探测”的成像模式，通过在收集光路中采用空间滤波的方式，压缩三维点扩散函数，改善三维成像的空间分辨力。相比于传统的显微成像技术，共聚焦显微成像技术在横向分辨力与轴向分辨力上均提升1.4倍。
随着低维材料、纳米颗粒以及生物细胞等学科技术的快速发展，共聚焦显微镜也逐渐显现出其测量模式单一的局限性。由于传统的共聚焦显微镜仅利用样品的反射光或透射光进行扫描成像，因此只能获取被测样品的明场像，即只能探测到样品三维形貌的低频信息，而暗场成像能够更多地反应样品的边缘细节，采集到样品形貌的高频信息，进而补充明场像所无法获取的样本结构信息。因此，发展一种可以对样品同时进行明场成像与暗场成像的多模式共聚焦显微镜，能够有效弥补当前共聚焦显微镜在成像模式方面的不足，以满足材料界面分析、活体组织原位检测、亚细胞成像以及纳米结构材料制造等学科领域的迫切需求。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种可同时实现明场与暗场成像的共聚焦显微装置，包括：连续激光器、第一光电探测器、三维平移台、第二光电探测器；
连续激光器的激光发射端一侧依次装设有扩束***、分光平片、双腔三棱镜、挡光板；
第一光电探测器的上端依次装设有第一共焦针孔、第一收集透镜；
第二光电探测器的下端依次装设有第二共焦针孔、第二收集透镜；
三维平移台的上侧放置有待测样品，待测样品的正上方装设有测量物镜，其中，双腔三棱镜位于第二收集透镜与测量物镜之间；
双腔三棱镜的斜边面镀有高反膜，双腔三棱镜的直角边面镀有增透膜。
本发明的成像过程中无需对器件进行切换，通过共光路照明、分光路探测的方式，实现高精度、原位的三维明场与暗场成像。
优选的，所述第二收集透镜位于测量物镜的正上方。
优选的，所述双腔三棱镜的截面为直角三角形，所述双腔三棱镜的斜边面朝向分光平片，双腔三棱镜的两直角面分别朝向第二收集透镜、挡光板，本发明装置通过双腔三棱镜，利用反射光与散射光在空间方向上的差异性，有效将样品的反射光与散射光在空间上进行分离，并分别进行明场成像与暗场成像，而且很好地保证了成像的原位性。
优选的，所述分光平片位于第一收集透镜的正上方，且分光平片倾斜设置。
优选的，所述第一共焦针孔装设在第一光电探测器的输入端，第二共焦针孔装设在第二光电探测器的输入端，所述双腔三棱镜位于分光平片与挡光板之间，所述第一收集透镜位于第一共焦针孔的正上方，所述测量物镜位于待测样品的正上方，为了消除***杂散光，在双腔三棱镜的透射方向上放置挡光板，以防止照明光束泄漏。
本发明技术方案具有以下优点：
本发明装置通过双腔三棱镜，利用反射光与散射光在空间方向上的差异性，有效将样品的反射光与散射光在空间上进行分离，并分别进行明场成像与暗场成像，而且很好地保证了成像的原位性，且可以对待测样品同时进行明场与暗场高分辨显微成像，在传统共聚焦显微成像***的基础上，利用常规的光电器件即可实现***改进，方便快捷。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明的基本实施图；
图2是本发明的双腔三棱镜的结构示意图。
其中，1-三维平移台，2-待测样品，3-测量物镜，4-挡光板，5-双腔三棱镜，6-第二收集透镜，7-第二共焦针孔，8-第二光电探测器，9-第一收集透镜，10-第一共焦针孔，11-第一光电探测器，12-扩束***，13-连续激光器，14-分光平片。
实施方式
本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需说明的是，当部件被称为“固定于”或“设置于”另一个部件，它可以直接在另一个部件上或者间接在该另一个部件上。当一个部件被称为是“连接于”另一个部件，它可以是直接或者间接连接至该另一个部件上。
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
本发明提供了一种可同时实现明场与暗场成像的共聚焦显微装置，如图1-2所示，包括：连续激光器13、第一光电探测器11、三维平移台1、第二光电探测器8；
连续激光器13的激光发射端一侧依次装设有扩束***12、分光平片14、双腔三棱镜5、挡光板4；
第一光电探测器11的上端依次装设有第一共焦针孔10、第一收集透镜9；
第二光电探测器8的下端依次装设有第二共焦针孔7、第二收集透镜6；
三维平移台1的上侧放置有待测样品2，待测样品2的正上方装设有测量物镜3，其中，双腔三棱镜5位于第二收集透镜6与测量物镜3之间
本实施例的所述双腔三棱镜5的斜边面镀有高反膜，双腔三棱镜5的直角边面镀有增透膜，所述第二收集透镜6位于测量物镜3的正上方，所述双腔三棱镜5的截面为直角三角形，所述双腔三棱镜5的斜边面朝向分光平片14，双腔三棱镜5的两直角面分别朝向第二收集透镜6、挡光板4，所述分光平片14位于第一收集透镜9的正上方，且分光平片14倾斜设置，所述第一共焦针孔10装设在第一光电探测器11的输入端，第二共焦针孔7装设在第二光电探测器8的输入端，所述双腔三棱镜5位于分光平片14与挡光板4之间，所述第一收集透镜9位于第一共焦针孔10的正上方，所述测量物镜3位于待测样品2的正上方。
上述技术方案的工作原理及有益技术效果：首先，连续激光器出射的激光经过扩束***扩束以及分光平片后，被双腔三棱镜的高反面反射，形成环形照明光束，经过测量物镜聚焦后，会聚在待测样品处，同时产生反射光与散射光。由于样品反射光具有良好的方向性（与入射光方向关于法线对称），因此，反射光束与照明光束具有相同的环形形状，在收集的过程中，反射光再次经过双腔三棱镜的高反面与分光平片的反射后，通过第一收集透镜、第一共焦针孔以及第一光电探测器收集探测，实现共聚焦明场探测。与此同时，样品所产生的散射光由于不具有方向性，即在任意角度均可以收集探测，因此在收集的过程中，散射光通过双腔三棱镜的空心腔，被第二收集透镜、第二共焦针孔以及第二光电探测器收集探测，实现共聚焦暗场探测。最终通过三维平移台对样品进行三维扫描，实现对样品的原位三维明场与暗场成像。
值得注意的是，在装置构建的过程中，需要保证扩束光束的直径范围在双腔三棱镜腔体直径的1.5倍到2.5倍之间，以保证暗场成像与明场成像足够的信噪比以及空间分辨力。
对样品进行三维扫描成像时，经过扩束后的激光光束被双腔三棱镜反射，形成环形照明光束，聚焦在样品处，同时产生反射光与散射光。两种光束经测量物镜收集后，在双腔三棱镜处进行空间上的分离，其中，样品反射光被双腔三棱镜反射后，用于明场成像；样品散射光通过双腔三棱镜的空心腔体后，用于暗场成像。两路光强探测***均具有共焦针孔，因此可形成明场与暗场相结合的原位共聚焦成像。此外，为了消除***杂散光，在双腔三棱镜的透射方向上放置挡光板，以防止照明光束泄漏。
本发明装置的光路结构与传统共聚焦显微镜的区别在于，传统的共聚焦显微镜普遍采用分光平片或分光棱镜等光束分离器件，无法将微弱的散射光从反射光中剥离出来，因此无法利用样品散射光实现暗场成像。而本发明装置通过双腔三棱镜，利用反射光与散射光在空间方向上的差异性，有效将样品的反射光与散射光在空间上进行分离，并分别进行明场成像与暗场成像，而且很好地保证了成像的原位性。此外，本发明装置也可对被测样品进行三维暗场层析测量，这是传统的暗场成像技术所无法实现的。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (4)
1.一种可同时实现明场与暗场成像的共聚焦显微装置，其特征在于，包括：连续激光器（13）、第一光电探测器（11）、三维平移台（1）、第二光电探测器（8）；
连续激光器（13）的激光发射端一侧依次装设有扩束***（12）、分光平片（14）、双腔三棱镜（5）、挡光板（4）；
第一光电探测器（11）的上端依次装设有第一共焦针孔（10）、第一收集透镜（9）；
第二光电探测器（8）的下端依次装设有第二共焦针孔（7）、第二收集透镜（6）；
三维平移台（1）的上侧放置有待测样品（2），待测样品（2）的正上方装设有测量物镜（3），其中，双腔三棱镜（5）位于第二收集透镜（6）与测量物镜（3）之间；
所述双腔三棱镜（5）的斜边面镀有高反膜，双腔三棱镜（5）的直角边面镀有增透膜，所述第二收集透镜（6）位于测量物镜（3）的正上方，所述双腔三棱镜（5）的斜边面朝向分光平片（14），双腔三棱镜（5）的两直角面分别朝向第二收集透镜（6）、挡光板（4），所述分光平片（14）位于第一收集透镜（9）的正上方，且分光平片（14）倾斜设置；
连续激光器（13）出射的激光经过扩束***（12）扩束以及分光平片（14）后，被双腔三棱镜（5）的高反面反射，形成环形照明光束，聚焦在待测样品（2）处，同时产生反射光与散射光；反射光与散射光经测量物镜（3）收集后，在双腔三棱镜（5）处进行空间上的分离，其中，样品反射光被双腔三棱镜（5）的高反面与分光平片（14）反射后，通过第一收集透镜（9）、第一共焦针孔（10）以及第一光电探测器（11）收集探测，实现明场成像；样品散射光通过双腔三棱镜（5）的空心腔体后，被第二收集透镜（6）、第二共焦针孔（7）以及第二光电探测器（8）收集探测，实现暗场成像。
2.根据权利要求1所述的一种可同时实现明场与暗场成像的共聚焦显微装置，其特征在于，所述双腔三棱镜（5）的截面为直角三角形。
3.根据权利要求1所述的一种可同时实现明场与暗场成像的共聚焦显微装置，其特征在于，所述第一共焦针孔（10）装设在第一光电探测器（11）的输入端，第二共焦针孔（7）装设在第二光电探测器（8）的输入端。
4.根据权利要求1所述的一种可同时实现明场与暗场成像的共聚焦显微装置，其特征在于，所述第一收集透镜（9）位于第一共焦针孔（10）的正上方。
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