光學(xué)顯微鏡成像方式及投影冷光源的分頻合成探討

趙應(yīng)權(quán), 沈忠民, 王 鵬

(1．油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(成都理工大學(xué))， 四川 成都 610059; 2.成都理工大學(xué)沉積地質(zhì)研究院， 四川 成都 610059)

光學(xué)顯微鏡成像方式及投影冷光源的分頻合成探討

趙應(yīng)權(quán)1,2, 沈忠民1, 王 鵬1

(1．油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(成都理工大學(xué))， 四川 成都 610059; 2.成都理工大學(xué)沉積地質(zhì)研究院， 四川 成都 610059)

傳統(tǒng)顯微鏡光源主要包括鹵素?zé)艄庠础⒓兯^濾熱射線光源、LED光源等，由于鹵素?zé)艄庠春写罅?60～1400 nm區(qū)段的紅外線，純水過濾熱射線光源濾除紅外線不徹底且水會導(dǎo)致透射光線的部分散射，LED光源在500 nm波長附近的光照強(qiáng)度不足、波形存在缺陷，容易灼傷樣品或使成像質(zhì)量受限，都難以滿足需要采用大功率冷光源進(jìn)行無損、高質(zhì)量顯微觀察成像和測試的要求。本文在總結(jié)光學(xué)顯微鏡的成像方式、光源類型及各類光源優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出了采用三棱鏡-凸透鏡組分頻合成冷光源的新思路。該思路首先利用三棱鏡將鹵素?zé)艄庠垂庾V按頻率順序打開，然后選擇可見光區(qū)域內(nèi)的光譜，用凸透鏡組校正可見光方向后，再由三棱鏡將這些可見光合成不含熱射線的冷光源。理論和砂巖熒光薄片實(shí)際測試效果表明，該方法既可完全排除熱射線，從而使樣品免遭受破壞，又保持了完整的可見光光譜，解決了大功率冷光源紅外線生熱和光譜存在缺陷的難題，這為采用大功率冷光源的光學(xué)顯微鏡投影高質(zhì)量成像提供了新的方法及切實(shí)可行的依據(jù)。該套分頻合成光源的裝置主要配置為：玻璃材質(zhì)的同規(guī)格的三棱鏡與凸透鏡各兩個(gè)，鹵素?zé)艄庠匆粋€(gè)。結(jié)構(gòu)簡單，可在需使用大功率冷光源進(jìn)行無損成像和測試等方面獲得廣泛的應(yīng)用。

光學(xué)顯微鏡； 透鏡組； 成像方式； 投影成像； 冷光源

光學(xué)顯微鏡是一種由一個(gè)或多個(gè)凸透鏡組合構(gòu)成的光學(xué)儀器[1-2]，其主要功能是將微小物體放大至人眼能直接觀測的尺度范圍。按照顯微鏡光學(xué)系統(tǒng)照射方式的不同，可以將光學(xué)顯微鏡分為反射式和透射式兩種[3]。反射式顯微鏡主要用于觀測樣品表面的顏色、形狀及結(jié)構(gòu)等，如生物形態(tài)、印刷電路、金銀飾品與寶石檢測[4-6]。透射式顯微鏡主要用于檢測樣品類型，如珠寶鑒定與礦物鑒定[7]。

光學(xué)顯微鏡有著多種成像方式。傳統(tǒng)的目鏡成像方式是經(jīng)由顯微鏡目鏡的光線在人眼視網(wǎng)膜上成像[8-10]；較為少見的是光學(xué)投影成像[11]。近年來，又增加了光電轉(zhuǎn)換的電子成像，即由顯微鏡的光路系統(tǒng)末端增加的圖像傳感器(CCD)采集數(shù)據(jù)，在對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行電路轉(zhuǎn)換后用電子顯示屏或打印機(jī)等成像[12-13]。

根據(jù)不同的觀察對象以及不同的研究目的，利用光學(xué)顯微鏡進(jìn)行不同方式的成像時(shí)需要配備不同類型的光源。例如，檢查印刷線路連通狀況時(shí)，僅需要對自然光進(jìn)行聚集反射至待檢查的印刷板表面即可；而在鑒定巖礦類別時(shí)，常常需要提取礦物本身的顏色及形態(tài)結(jié)構(gòu)等信息，這就要求光照強(qiáng)度較大的透射光，因而多配備大功率(≥100 W)的鹵素?zé)?。有時(shí)甚至要配備一些較為特殊的光源來檢測某些特殊物質(zhì)，如利用光學(xué)顯微鏡檢測巖石樣品切片中是否含有有機(jī)質(zhì)以及分析有機(jī)流體的類型、期次及相互關(guān)系時(shí)，往往都會增配熒光光源[14]。

光學(xué)顯微鏡的光源在色溫、光照強(qiáng)度與溫度上有一定的要求。為了避免顏色上的差異，光源的色溫通常在6500 K左右，接近于自然光的色溫[15]。要求光源提供足夠的光照強(qiáng)度，能夠照亮樣品，顯示出樣品的細(xì)微結(jié)構(gòu)形態(tài)[16]。由于不同頻段的光熱效應(yīng)差異較大[17-19]，為了避免高溫?fù)p傷樣品，在有限的光斑范圍內(nèi)(如 1 mm×1 mm)需保證及時(shí)散熱，以保持樣品處于較低的溫度。在光學(xué)顯微鏡的投影成像方式下，由于光路長、面積大，大功率光源在提供足夠光照強(qiáng)度的同時(shí)，也將產(chǎn)生了大量的熱，這些熱集中起來時(shí)往往容易造成樣品的損毀。為保證樣品的安全，需要對光源中的熱射線進(jìn)行濾除。前人在濾除光源的熱射線、降低熱效應(yīng)方面開展了大量的研究，取得了一些重要的成果[20-24]。如周翼模等[11]通過設(shè)計(jì)盛有循環(huán)冷卻水的密封透光隔熱裝置，利用純水濾除光源中的紅外線；文獻(xiàn)[20-23]使用發(fā)光二極管(LED)混合生成接近自然光光譜的白光作為顯微鏡的冷光源。但實(shí)際應(yīng)用分析結(jié)果表明，利用純水過濾熱射線光源，由于紅外線濾除不徹底，或利用LED光源由于500 nm波段處的光照強(qiáng)度不足、波形存在缺陷，造成這些冷光源都難以得到高質(zhì)量的冷光。

1 常規(guī)光學(xué)顯微鏡成像方式和投影光源類型

1.1 常規(guī)光學(xué)顯微鏡的成像方式

光學(xué)顯微鏡的成像結(jié)果分目鏡下的成虛像與投影屏幕上的成實(shí)像兩種。較為常見的是目鏡下的成虛像，本文以2個(gè)凸透鏡為例說明光學(xué)顯微鏡的成虛像的原理。光學(xué)顯微鏡由透射光到目鏡方向，樣品經(jīng)物鏡和目鏡先后成像兩次，分別為一實(shí)一虛，如圖1a所示。具體成像過程如下。

先將樣品AB處于物鏡L1左側(cè)的一倍焦距和兩倍焦距之間，經(jīng)透射光源的照射，物體AB在物鏡L1的右側(cè)兩倍焦距外形成放大的倒立實(shí)像B’A’，完成了物鏡的第一次成像。在透射光的繼續(xù)行進(jìn)中，以第一次形成的倒立實(shí)像B’A’為參照調(diào)節(jié)目鏡L2的位置，使得實(shí)像B’A’處于目鏡L2的一倍焦距范圍內(nèi)，這樣經(jīng)由第一次成像B’A’的透射光從目鏡L2左側(cè)通過后發(fā)散開來，處于目鏡L2右側(cè)的人眼順著進(jìn)入的透射光反方向?qū)⒂谝暰W(wǎng)膜上看到形成于目鏡L2左側(cè)兩倍焦距外的倒立放大虛像B’’A’’。

光學(xué)顯微鏡的另一種成像結(jié)果是在投影屏幕上成實(shí)像。在光學(xué)顯微鏡的成虛像的基礎(chǔ)上，保持原有目鏡L1不變，用焦距較小的凸透鏡更換目鏡L2。這樣，經(jīng)強(qiáng)光源透射后的第一次成像與光學(xué)顯微鏡形成的像完全一致，也就是說，樣品AB經(jīng)過物鏡L1形成倒立實(shí)像B’A’；然而，由于目鏡L2的焦距變短，使得樣品AB在二次成像中形成了相對原有樣品正立的實(shí)像，即A’’B’’(圖1b)。這樣不但保證了從目鏡中觀察的區(qū)域面積與光學(xué)顯微鏡成虛像的區(qū)域面積大小一樣，并獲得了與樣品方位一致的正立實(shí)像，且像的大小可通過透鏡組與投影屏幕間的相距大小進(jìn)行調(diào)整，成像的明亮程度可由透射光的光照強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)增減。

圖 1 光學(xué)顯微鏡成像光路圖Fig.1 The light path imaging of optical microscope

1.2 常規(guī)光學(xué)顯微鏡投影光源的類型

光學(xué)顯微鏡上有單色光與混合光光源。其中，單色光波長固定，該類光照射樣品出現(xiàn)的顯著特征往往有限，因而在光學(xué)顯微鏡中應(yīng)用較少。混合光是多類單色光的混合，該類光照射樣品出現(xiàn)的特征相對較多，能更好地揭示樣品的細(xì)微特征，因此光學(xué)顯微鏡上的光源多采用混合光光源。光學(xué)顯微鏡的混合光源主要有鹵素?zé)艄庠?、純水過濾熱射線光源、LED光源等。然而，這些光源或是含有較多的熱射線，或是光譜形態(tài)存在缺陷，使用這些光源難以獲得高質(zhì)量的顯微成像結(jié)果。

1.2.1 鹵素?zé)艄庠?/p>

鹵素?zé)艄ぷ鳟a(chǎn)生的光的波譜與太陽光波譜[25](圖2)最為接近，因而充當(dāng)了光學(xué)顯微鏡光源的主要電子器件。鹵素?zé)羰窃谂輾?nèi)充入惰性氣體的同時(shí)，混入微量的鹵族元素(碘、澳、氯、氟)的白熾燈[19]。顯微鏡上使用的鹵素?zé)糁饕獮榈聡a(chǎn)的歐司朗牌(OSRAM)鹵素?zé)鬧8,14]，功率范圍在 10～400 W之間，最常用的功率為100 W。

鹵素?zé)艄庠吹膬?yōu)點(diǎn)是：成本較低，頻譜最接近自然光，顯色效果最好。不足之處是：壽命短(2000 h左右)，電光轉(zhuǎn)換效率較低，實(shí)際光效在12～18 LM/W。這意味著消耗單位功率的電能產(chǎn)生的熱能遠(yuǎn)大于產(chǎn)生的光能，且轉(zhuǎn)換出的光線中含有大量的熱射線(紅外線)，在聚焦光線時(shí)將同步聚焦這些熱射線，以致在樣品局部容易產(chǎn)生較高的溫度。當(dāng)鹵素?zé)舻墓β瘦^大時(shí)，這些含有大量紅外線的光斑照射樣品產(chǎn)生的熱若未能及時(shí)散除，就很容易引起樣品的灼毀。

圖 2 太陽輻射波譜Fig.2 Spectrum of solar radiation

1.2.2 純水過濾熱射線光源

為減弱鹵素?zé)艄庠粗械臒嵘渚€，周翼模等[11]發(fā)明了純水濾除鹵素?zé)魺艄鉄嵘渚€的裝置(圖3)。該發(fā)明的理論依據(jù)是“1 cm厚的純水能夠完全吸收波長大于1400 nm的紅外線和普通玻璃能夠完全吸收紫外線和波長大于2000 nm的紅外線”。具體做法為：將隔熱裝置設(shè)計(jì)為一個(gè)帶有進(jìn)出水管且內(nèi)盛循環(huán)冷卻水的密封透光隔熱器皿，設(shè)置在光線聚焦前的光路上，用以吸收全部紅外線，使射出的光形成冷光。

純水過濾熱射線光源的優(yōu)點(diǎn)是：成本低，容易實(shí)現(xiàn)，能獲得較高亮度的光源。其不足之處是：不能排除760～1400 nm區(qū)段的紅外線，繼續(xù)加強(qiáng)光照強(qiáng)度時(shí)，這部分紅外線仍會在光線的聚焦點(diǎn)產(chǎn)生較高溫度；水流的循環(huán)會造成水介質(zhì)密度的動態(tài)變化，以致透射光線的部分散射，最終難以得到高質(zhì)量的“冷”光源。

圖 3 純水濾除熱射線光源(紅外線)裝置(據(jù)文獻(xiàn)[11]修改)Fig.3 A light source device of heat-rays (infrared ray) filtered pure water (modified from Reference [11])

1.2.3 LED光源

在光學(xué)顯微鏡上選用的另一類光源是發(fā)光二極管(LED)光源。發(fā)光二極管(LED)是一種較高發(fā)光效率的電子元器件，由鎵與砷、磷、氮、銦的化合物制成，該類二極管在電子與空穴復(fù)合時(shí)能輻射出可見光[20]。由于發(fā)光二極管(LED)發(fā)出的是帶狀光譜，在可見波段內(nèi)不連續(xù)[23]。因此，混合不同波長的色光從而生成疊加波譜的白光(圖4)，繼而滿足顯微鏡的光源需求。發(fā)光二極管(LED)的白光主要有兩種生成方式[22]：一是利用單色LED，如R、G、B三基色LED芯片，混合生成白光；二是利用藍(lán)光或紫外LED芯片激發(fā)熒光粉，進(jìn)而進(jìn)行了波長轉(zhuǎn)換，與原波長混合生成白光。

圖 4 白光LED波譜(據(jù)文獻(xiàn)[21])Fig.4 W-LED spectrum (from Reference [21])

LED作為新興的節(jié)能光源，主要優(yōu)點(diǎn)是：壽命長(100000 h)，光效高(實(shí)際光效130 LM/W)，光譜集中(可見光光譜區(qū)段)。LED光源的不足之處在于：能充當(dāng)顯微鏡光源的白色LED是由R、G、B三基色芯片混合或是由藍(lán)、紫色芯片激發(fā)熒光粉獲得，這種混合而來的白色LED光譜雖然較為接近自然光光譜[23]，但實(shí)測結(jié)果發(fā)現(xiàn)白色LED光源的光譜于波長500 nm附近有一較大的波谷，這與自然光或鹵素?zé)艄庠丛诳梢姽夤庾V區(qū)段的形態(tài)出現(xiàn)了一定差異，致使光源質(zhì)量受到了一定的影響。

2 三棱鏡-凸透鏡組分頻合成光源

為了獲得足夠亮度且光譜更為接近自然光或鹵素?zé)艄庠吹母哔|(zhì)量冷光源，基于上述冷光源的基本原理和優(yōu)缺點(diǎn)的分析，本文作者提出了一種三棱鏡-凸透鏡組分頻合成鹵素?zé)艄庠吹男路椒ā?/p>

2.1 分頻合成光源的原理及過程

分頻合成冷光源的原理，主要是基于不同頻率的光線沿非垂直方向由某一介質(zhì)進(jìn)入另一介質(zhì)時(shí)的偏轉(zhuǎn)角度不同，將含熱射線的自然光或鹵素?zé)艄獍搭l率(波長)大小順序打開后選擇可見光頻段的光線重新合成不含熱射線的新光源。

該方法所需準(zhǔn)備的主要器材為：玻璃材質(zhì)的同規(guī)格的三棱鏡與凸透鏡各兩個(gè)、鹵素?zé)艄庠匆粋€(gè)。

圖 5 三棱鏡組濾除熱射線(紅外線)光源裝置Fig.5 A light source device of heat-rays (infrared ray) filtered by prism group

分頻合成鹵素?zé)艄庠吹木唧w步驟如下。

(1)在同一平面上，按照圖5的順序從左至右依次排列鹵素?zé)艄庠?、三棱鏡A與凸透鏡L1。

(2)打開鹵素?zé)簦瑢⑵叫械墓馐?90o的角度α入射三棱鏡A的左側(cè)。

(3)調(diào)節(jié)入射白光與三棱鏡A的入射角度α，使三棱鏡出射的光線S1、S2的間距達(dá)到最大。

(4)以光線S1、S2的角平分線R1為光軸[26]，垂直放置凸透鏡L1，并調(diào)整透鏡L1與三棱鏡A的距離，使得S1、S2的交點(diǎn)到透鏡L1的距離為透鏡的焦距，從而經(jīng)由L1的光線以平行光出射。

(5)以凸透鏡L1光軸右側(cè)的垂線R2為對稱軸，在同一平面上，對稱的放置凸透鏡L2與三棱鏡B。

微調(diào)各棱鏡透鏡的距離與角度，使得出射的光線為一平行光束。該光束即是針對鹵素?zé)?，選擇可見光范圍內(nèi)的波譜進(jìn)行的分解與合成，最終得到高質(zhì)量的“冷”光源。

2.2 分頻合成光源與傳統(tǒng)光源的比較

三棱鏡-凸透鏡的分頻合成光源與傳統(tǒng)光源相比，主要有三個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)。

(1)分頻合成光源是針對鹵素?zé)艄庠吹囊粋€(gè)頻譜過濾，該類光源選擇性地截取可見光光譜段進(jìn)行還原，充分地濾除了熱射線。

(2)在濾波介質(zhì)的穩(wěn)定性方面，固態(tài)的玻璃介質(zhì)相對液態(tài)的水介質(zhì)而言，不需要增加額外的機(jī)械裝置，也不存在介質(zhì)的流動，介質(zhì)密度始終穩(wěn)定且均勻，從而使同一頻率光線的折射方向不會隨時(shí)間發(fā)生變化。

(3)分頻合成光源中的所有熱射線都通過三棱鏡附近的空氣輻射散失，而傳統(tǒng)光源中的殘余熱射線或是通過水吸收后部分重新聚焦于樣品上，或是部分封閉于光電二極管內(nèi)。

3 應(yīng)用實(shí)例及效果

為了驗(yàn)證三棱鏡-凸透鏡組分頻合成的冷光源的實(shí)際應(yīng)用效果，本文利用Olympus BX51顯微鏡和HORIBA iHR320熒光光譜儀對砂巖熒光薄片[27-28]進(jìn)行了觀察和測試分析。

圖6a、b和c是采用三棱鏡-凸透鏡組分頻合成冷光源后，再利用Olympus BX51顯微鏡在開機(jī)預(yù)熱完成后第2 min、第15 min和第30 min時(shí)觀察結(jié)果。

圖 6 采用三棱鏡-凸透鏡組分頻合成冷光源和鹵素?zé)艄庠从^察含油砂巖熒光薄片的成像結(jié)果

Fig.6 Images of fluorescence thin section of oil bearing sandstone observazed with prism-convex lens group frequency synthesis cold light source and halogen light source

a、b、c—三棱鏡-凸透鏡組分頻合成冷光源；d、e、f—鹵素?zé)艄庠础?/p>

由圖6可見，在使用三棱鏡-凸透鏡組分頻合成冷光源的條件下，第2 min時(shí)的薄片成像圖和第15 min以及第30 min的薄片成像圖中發(fā)藍(lán)白色熒光的石油和礦物的顏色基本沒有發(fā)生變化，薄片觀察視域的溫度沒有明顯升高。圖6d、e和f是分別利用Olympus BX51顯微鏡在開機(jī)預(yù)熱完成后第1 min、第15 min和第30 min時(shí)，采用鹵素?zé)艄庠粗苯佑^察和測試的結(jié)果。第2 min測試時(shí)，薄片的溫度為23℃；第15 min測試時(shí)，薄片觀察視域的溫度明顯升高，第30 min時(shí)薄片觀察視域的溫度再稍微升高。由圖可見，第2 min時(shí)的薄片成像圖和第15 min、第30 min時(shí)的薄片成像圖的顏色明顯發(fā)生了改變，發(fā)藍(lán)白色熒光的石油和礦物的顏色都逐漸變淡。這是由于在鹵素?zé)艄庠粗械募t外線的長時(shí)間照射下產(chǎn)生的大量熱使樣品遭受破壞、成分發(fā)生了改變。

由此應(yīng)用實(shí)例表明，三棱鏡-凸透鏡組分頻合成的冷光源能有效濾除紅外線，降低生熱量，從而使樣品免遭受破壞，這種冷光源可在需使用大功率冷光源進(jìn)行無損成像和測試等方面獲得廣泛的應(yīng)用。

4 結(jié)語

光學(xué)顯微鏡傳統(tǒng)的成像方式不同，對光源的要求及所得圖像的虛實(shí)、大小及觀察范圍等方面有較大的差異。傳統(tǒng)的目鏡成像方式得到的是放大的倒立虛像，觀察范圍僅限于顯微鏡的目鏡較小的觀察孔，光源可選用自然光或普通的小功率鹵素?zé)?。而投影成像方式得到的是放大的正立?shí)像，成像結(jié)果投影于投影幕布上，觀察范圍不受目鏡限制。

光學(xué)顯微鏡的投影成像需要較大功率的冷光源，前人選用的純水過濾熱射線光源與白色LED光源中，前者含有760～1400 nm區(qū)段的紅外線，后者在500 nm波長附近的光波強(qiáng)度存有不足，即兩者在溫度或色溫上分別存在缺陷。本文提出了三棱鏡-凸透鏡組的分頻合成冷光源，通過三棱鏡將含熱射線的白光分頻后，由凸透鏡組校正可見光方向后，再由三棱鏡將這些可見光合成為不含熱射線的白光，解決了大功率冷光源紅外線生熱和光譜存在缺陷的難題。該分頻合成光源的裝置結(jié)構(gòu)簡單，且能有效地控制大功率光源中的熱射線，這為光學(xué)顯微鏡投影成像增加了新的內(nèi)容。

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Discussion on Optical Microscope Imaging Modes and Composion of Cold Light Source Device Using Frequency Splitting

ZHAOYing-quan1,2，SHENZhong-min1，WANGPeng1

(1.State Key Laboratory of Oil & Gas Reservoir Geology and Exploration (Chengdu University of Technology), Chengdu 610059, China; 2.Institute of Sedimentary Geology, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, China)

Halogen lamps, pure water filtered heat rays and LED are the main conventional light sources for the optical microscope. Halogen lamp light source contains a lot of infrared rays from 760 to 1400 nm. The pure water filter incompletely filters out infrared rays, which results in scattering of some transmission light. For the LED light source, around the 500 nm wavelength, the light intensity is weak and the waveform is incomplete, which can cause samples to burn or can affect the final imaging quality. Therefore, conventional light sources are not suitable cold light sources for non-destructive and high-quality imaging microscopic observation and testing. Based on the comparison of imaging modes and the light source types, the advantages and disadvantages of different light sources are discussed. A new idea to obtain a cold light source through prisms and convex mirror groups is proposed. The idea is firstly to open the spectrum of the halogen lamp light source in order of frequency through the prism, then choose the visible spectrum, finally adjust the light direction through convex mirror groups and then compound the cold light without heat rays through the prism. Theory and practical application results by studying fluorescence in thin sections of sandstone showed that the cold light obtained by this method not only completely filters out heat rays, but also retains the whole visible spectrum. This method provides a feasible foundation for the projection imaging of a high-power cold light source microscope. The whole device includes two prisms and convex mirrors, and one halogen lamp and is especially suited for non-destructive imaging.

optical microscope； lens group； imaging mode； projection imaging； cold light source

油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目(PLC201102)；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41172119)

趙應(yīng)權(quán)，講師，主要從事油氣勘探研究。E-mail: hbszzyq@126.com。

0254-5357(2014)05-0674-07

O614.33； P59

A