光学显微镜成像方式及投影冷光源的分频合成探讨.pdf

2014年9月
岩矿测试
Vol 33 No 5
September 2014
ROCK AND MINERAL ANALYSIS
674~680
文章编号:0254-5357(2014)05-0674-07
光学显微镜成像方式及投影冷光源的分频合成探讨
赵应权2,沈忠民,王鹏
(1.油气藏地质及开发工程国家重点实验室(成都理工大学),四川成都610059
2.成都理工大学沉积地质研究院,四川成都610059)
摘要:传统显徽镋光源主要包括卤素灯光源、纯水过滤热射线光
源、ED光源等,由于卤素灯光源含有大量760~1400nm区段的
红外线,纯水过滤热射线光源滤除红外线不彻底且水会导致透射
光线的部分散射,LED光源在500mm波长附近的光照强度不足、
波形存在缺陷,容易灼伤样品或使成像质量受限,都难以满足需要
采用大功率冷光源进行无损、高质量显徽观察成像和测试的要求
本文在总结光学显微镜的成像方式、光源类型及各类光源优缺点冷光源图光纤
的基础上,提出了采用三棱镜一凸透镜组分频合成冷光源的新思路。该思路首先利用三棱镜将鹵素灯光源
光谱按频瘁顺序打开,然后选择可见光区域内的光谱,用凸透镜组校正可见光方向后,再由三棱镜将这些可
见光合成不含热射线的冷光源。理论和砂岩荧光薄片实际测试效果表明,该方法既可完全排除热射线,从而
使样品免受破坏,又保持了完整的可见光光谱,解决了大功率冷光源红外线生热和光谱存在缺陷的难题,
这为采用大功率冷光源的光学显微镜投影高质量成像提供了新的方法及切实可行的依据。该套分频合成光
源的装置主要配置为:玻璃材质的同规格的三棱镜与凸透镜各两个,卤素灯光源一个。结构简单,可在需使
用大功率冷光源进行无损成像和测试等方面获得广泛的应用。
关键词:光学显徽镜;逶镋组;成像方式;投影成像;冷光源
中图分类号:0614.3;P59
文献标识码:A
光学显微镜是一种由一个或多个凸透镜组合构等成像品。
成的光学仪器-2,其主要功能是将徴小物体放大
根据不同的观察对象以及不同的研究目的,利
至人眼能直接观测的尺度范围。按照显微镜光学系用光学显微镜进行不同方式的成像时需要配备不同
统照射方式的不同,可以将光学显微镜分为反射式类型的光源。例如,检杳印刷线路连通状况时,仅需
和透射式两种?。反射式显微镜主要用于观测样要对自然光进行聚集反射至待检査的印刷板表面即
品表面的颜色、形状及结构等,如生物形态、印刷电可;而在鉴定岩矿类别时,常常需要提取矿物本身的
路、金银饰品与宝石检测“?。透射式显微镜主要颜色及形态结构等信息,这就要求光照强度较大的
用于检测样品类型,如珠宝鉴定与矿物鉴定。
透射光,因而多配备大功率(100W)的卤素灯。
光学显微镜有着多种成像方式。传统的目镜成有时甚至要配备一些较为特殊的光源来检测某些特
像方式是经由显微镜目镜的光线在人眼视网膜上成殊物质,如利用光学显微镜检测岩石样品切片中是
像-?;较为少见的是光学投影成像"。近年来,否含有有机质以及分析有机流体的类型、期次及相
又增加了光电转换的电子成像,即由显微镜的光路互关系时,往往都会增配荧光光源“。
系统末端增加的图像传感器(CD)采集数据,在对
光学显微镜的光源在色温、光照强度与温度上
采集的数据进行电路转换后用电子显示屏或打印机有一定的要求。为了避免颜色上的差异,光源的色
投稿日期:2013-11-22;修回日期:2014-07~22;接受日期:2014-07-29
基金项目:油气藏地质及开发工程国家重点实验室开放基金项日(PLC201102);国家自然科学基金项目(4117219)
作者简介:赵应权,讲师,主要从事油气勘探研究。E-mail:'hbszzyqc@126.com
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第5期
赵应权,等:光学显微镜成像方式及投影冷光源的分频合成探讨
第33卷
温通常在6500K左右,接近于自然光的色温。形成倒立实像B'A';然而,由于日镜I2的焦距变
要求光源提供足够的光照强度,能够照亮样品,显示短,使得样品AB在二次成像中形成了相对原有样
出样品的细微结构形态·?。由于不同频段的光热品正立的实像,即A2'B'(图1b)。这样不但保证
效应差异较大”,为了避免高温损伤样品,在有了从目镜中观察的区域面积与光学显微镜成虚像的
限的光斑范固内(如1mmx1mm)需保证及时散区域面积大小一样,并获得了与样品方位一致的正
热,以保持样品处于较低的温度。在光学显微镜的立实像,且像的大小可通过透镜组与投影屏幕间的
投影成像方式下,由于光路长、面积大,大功率光源相距大小进行调整,成像的明亮程度可由透射光的
在提供足够光照强度的同时,也将产生了大量的热,光照强度实现增减。
这些热集中起来时往往容易造成样品的损毁。为保
证样品的安全,需要对光源中的热射线进行滤除。(a)成虚像L
前人在滤除光源的热射线、降低热效应方面开展了
人眼
大量的研究,取得了一些重要的成果0-。如周冀
B
B”g
模等通过设计盛有循环冷却水的密封透光隔热卤素灯
装置,利用纯水滤除光源中的红外线;文献
[20-23]使用发光二极管(LED)混合生成接近白
物镜
目镜
然光光谱的白光作为显微镜的冷光源。但实际应用
分析结果表明,利用纯水过滤热射线光源,由于红外
b)成实像
线滤除不彻底,或利用LED光源由于500nm波段
处的光照强度不足、波形存在缺陷,造成这些冷光源(
都难以得到高质量的冷光。
冷光源
物鏡
目镜
1常规光学显微镜成像方式和投影光源类型
1.1常规光学显微镜的成像方式
图1光学显微镜成像光路图
光学显微鏡的成像结果分目镜下的成虚像与投
ig. I The light path imaging of optical microscope
影屏幕上的成实像两种。较为常见的是目镜下的成
虚像,本文以2个凸透镜为例说明光学显微镜的成1.2常规光学显徼镜投影光源的类型
光学显微镜上有单色光与混合光光源。其中,
虚像的原理。光学显微镜由透射光到目镜方向,样单色光波长固定,该类光照射样品出现的显著特征
品经物镜和目镜先后成像炳次,分别为一实一虚,如
往往有限,因而在光学显微镜中应用较少。混合光
图1a所示。具体成像过程如下。
是多类单色光的混合,该类光照射样品出现的特征
先将样品AB处于物镜L1左侧的一倍焦距和两
相对较多,能更好地揭示样品的细微特征,因此光学
倍焦距之间,经透射光源的照射,物体AB在物镜Ll
显微镜上的光源多采用混合光光源。光学显微镜的
的右侧炳倍焦距外形成放大的倒立实像B'A',完成
混合光源主要有卤素灯光源、纯水过滤热射线光源
了物镜的第一次成像。在透射光的继续行进中,以第
LED光源等。然而,这些光源或是含有较多的热射
次形成的倒立实像B'A'为参照调节目镜I2的位
线,或是光谱形态存在缺陷,使用这些光源难以获得
置,使得实像B'A'处于目镜I2的一倍焦距范围内,高质量的显徴成像结果。
这样经由第一次成像B'A'的透射光从目镜I2左侧
1.2.1卤素灯光源
通过后发散开来,处于目镜I2右側的人眼顺着进入
卤素灯工作产生的光的波谱与太阳光波谱23
的透