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, 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)

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1,2, 沈忠民1, 王 鹏1

(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)

传统显微镜光源主要包括卤素灯光源、纯水过滤热射线光源、LED光源等，由于卤素灯光源含有大量760～1400 nm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500 nm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、高质量显微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的基础上，提出了采用三棱镜-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卤素灯光源光谱按频率顺序打开，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，从而使样品免遭受破坏，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。

光学显微镜； 透镜组； 成像方式； 投影成像； 冷光源

光学显微镜是一种由一个或多个凸透镜组合构成的光学仪器[1-2]，其主要功能是将微小物体放大至人眼能直接观测的尺度范围。按照显微镜光学系统照射方式的不同，可以将光学显微镜分为反射式和透射式两种[3]。反射式显微镜主要用于观测样品表面的颜色、形状及结构等，如生物形态、印刷电路、金银饰品与宝石检测[4-6]。透射式显微镜主要用于检测样品类型，如珠宝鉴定与矿物鉴定[7]。

光学显微镜有着多种成像方式。传统的目镜成像方式是经由显微镜目镜的光线在人眼视网膜上成像[8-10]；较为少见的是光学投影成像[11]。近年来，又增加了光电转换的电子成像，即由显微镜的光路系统末端增加的图像传感器(CCD)采集数据，在对采集的数据进行电路转换后用电子显示屏或打印机等成像[12-13]。

根据不同的观察对象以及不同的研究目的，利用光学显微镜进行不同方式的成像时需要配备不同类型的光源。例如，检查印刷线路连通状况时，仅需要对自然光进行聚集反射至待检查的印刷板表面即可；而在鉴定岩矿类别时，常常需要提取矿物本身的颜色及形态结构等信息，这就要求光照强度较大的透射光，因而多配备大功率(≥100 W)的卤素灯。有时甚至要配备一些较为特殊的光源来检测某些特殊物质，如利用光学显微镜检测岩石样品切片中是否含有有机质以及分析有机流体的类型、期次及相互关系时，往往都会增配荧光光源[14]。

光学显微镜的光源在色温、光照强度与温度上有一定的要求。为了避免颜色上的差异，光源的色温通常在6500 K左右，接近于自然光的色温[15]。要求光源提供足够的光照强度，能够照亮样品，显示出样品的细微结构形态[16]。由于不同频段的光热效应差异较大[17-19]，为了避免高温损伤样品，在有限的光斑范围内(如 1 mm×1 mm)需保证及时散热，以保持样品处于较低的温度。在光学显微镜的投影成像方式下，由于光路长、面积大，大功率光源在提供足够光照强度的同时，也将产生了大量的热，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。前人在滤除光源的热射线、降低热效应方面开展了大量的研究，取得了一些重要的成果[20-24]。如周翼模等[11]通过设计盛有循环冷却水的密封透光隔热装置，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)混合生成接近自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，由于红外线滤除不彻底，或利用LED光源由于500 nm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。

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

光学显微镜的成像结果分目镜下的成虚像与投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虚像的原理。光学显微镜由透射光到目镜方向，样品经物镜和目镜先后成像两次，分别为一实一虚，如图1a所示。具体成像过程如下。

先将样品AB处于物镜L1左侧的一倍焦距和两倍焦距之间，经透射光源的照射，物体AB在物镜L1的右侧两倍焦距外形成放大的倒立实像B’A’，完成了物镜的第一次成像。在透射光的继续行进中，以第一次形成的倒立实像B’A’为参照调节目镜L2的位置，使得实像B’A’处于目镜L2的一倍焦距范围内，这样经由第一次成像B’A’的透射光从目镜L2左侧通过后发散开来，处于目镜L2右侧的人眼顺着进入的透射光反方向将于视网膜上看到形成于目镜L2左侧两倍焦距外的倒立放大虚像B’’A’’。

光学显微镜的另一种成像结果是在投影屏幕上成实像。在光学显微镜的成虚像的基础上，保持原有目镜L1不变，用焦距较小的凸透镜更换目镜L2。这样，经强光源透射后的第一次成像与光学显微镜形成的像完全一致，也就是说，样品AB经过物镜L1形成倒立实像B’A’；然而，由于目镜L2的焦距变短，使得样品AB在二次成像中形成了相对原有样品正立的实像，即A’’B’’(图1b)。这样不但保证了从目镜中观察的区域面积与光学显微镜成虚像的区域面积大小一样，并获得了与样品方位一致的正立实像，且像的大小可通过透镜组与投影屏幕间的相距大小进行调整，成像的明亮程度可由透射光的光照强度实现增减。

图 1 光学显微镜成像光路图Fig.1 The light path imaging of optical microscope

1.2 常规光学显微镜投影光源的类型

光学显微镜上有单色光与混合光光源。其中，单色光波长固定，该类光照射样品出现的显著特征往往有限，因而在光学显微镜中应用较少。混合光是多类单色光的混合，该类光照射样品出现的特征相对较多，能更好地揭示样品的细微特征，因此光学显微镜上的光源多采用混合光光源。光学显微镜的混合光源主要有卤素灯光源、纯水过滤热射线光源、LED光源等。然而，这些光源或是含有较多的热射线，或是光谱形态存在缺陷，使用这些光源难以获得高质量的显微成像结果。

1.2.1 卤素灯光源

卤素灯工作产生的光的波谱与太阳光波谱[25](图2)最为接近，因而充当了光学显微镜光源的主要电子器件。卤素灯是在泡壳内充入惰性气体的同时，混入微量的卤族元素(碘、澳、氯、氟)的白炽灯[19]。显微镜上使用的卤素灯主要为德国产的欧司朗牌(OSRAM)卤素灯[8,14]，功率范围在 10～400 W之间，最常用的功率为100 W。

卤素灯光源的优点是：成本较低，频谱最接近自然光，显色效果最好。不足之处是：寿命短(2000 h左右)，电光转换效率较低，实际光效在12～18 LM/W。这意味着消耗单位功率的电能产生的热能远大于产生的光能，且转换出的光线中含有大量的热射线(红外线)，在聚焦光线时将同步聚焦这些热射线，以致在样品局部容易产生较高的温度。当卤素灯的功率较大时，这些含有大量红外线的光斑照射样品产生的热若未能及时散除，就很容易引起样品的灼毁。

图 2 太阳辐射波谱Fig.2 Spectrum of solar radiation

1.2.2 纯水过滤热射线光源

为减弱卤素灯光源中的热射线，周翼模等[11]发明了纯水滤除卤素灯灯光热射线的装置(图3)。该发明的理论依据是“1 cm厚的纯水能够完全吸收波长大于1400 nm的红外线和普通玻璃能够完全吸收紫外线和波长大于2000 nm的红外线”。具体做法为：将隔热装置设计为一个带有进出水管且内盛循环冷却水的密封透光隔热器皿，设置在光线聚焦前的光路上，用以吸收全部红外线，使射出的光形成冷光。

纯水过滤热射线光源的优点是：成本低，容易实现，能获得较高亮度的光源。其不足之处是：不能排除760～1400 nm区段的红外线，继续加强光照强度时，这部分红外线仍会在光线的聚焦点产生较高温度；水流的循环会造成水介质密度的动态变化，以致透射光线的部分散射，最终难以得到高质量的“冷”光源。

图 3 纯水滤除热射线光源(红外线)装置(据文献[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

在光学显微镜上选用的另一类光源是发光二极管(LED)光源。发光二极管(LED)是一种较高发光效率的电子元器件，由镓与砷、磷、氮、铟的化合物制成，该类二极管在电子与空穴复合时能辐射出可见光[20]。由于发光二极管(LED)发出的是带状光谱，在可见波段内不连续[23]。因此，混合不同波长的色光从而生成叠加波谱的白光(图4)，继而满足显微镜的光源需求。发光二极管(LED)的白光主要有两种生成方式[22]：一是利用单色LED，如R、G、B三基色LED芯片，混合生成白光；二是利用蓝光或紫外LED芯片激发荧光粉，进而进行了波长转换，与原波长混合生成白光。

图 4 白光LED波谱(据文献[21])Fig.4 W-LED spectrum (from Reference [21])

LED作为新兴的节能光源，主要优点是：寿命长(100000 h)，光效高(实际光效130 LM/W)，光谱集中(可见光光谱区段)。LED光源的不足之处在于：能充当显微镜光源的白色LED是由R、G、B三基色芯片混合或是由蓝、紫色芯片激发荧光粉获得，这种混合而来的白色LED光谱虽然较为接近自然光光谱[23]，但实测结果发现白色LED光源的光谱于波长500 nm附近有一较大的波谷，这与自然光或卤素灯光源在可见光光谱区段的形态出现了一定差异，致使光源质量受到了一定的影响。

2 三棱镜-凸透镜组分频合成光源

为了获得足够亮度且光谱更为接近自然光或卤素灯光源的高质量冷光源，基于上述冷光源的基本原理和优缺点的分析，本文作者提出了一种三棱镜-凸透镜组分频合成卤素灯光源的新方法。

2.1 分频合成光源的原理及过程

分频合成冷光源的原理，主要是基于不同频率的光线沿非垂直方向由某一介质进入另一介质时的偏转角度不同，将含热射线的自然光或卤素灯光按频率(波长)大小顺序打开后选择可见光频段的光线重新合成不含热射线的新光源。

该方法所需准备的主要器材为：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。

图 5 三棱镜组滤除热射线(红外线)光源装置Fig.5 A light source device of heat-rays (infrared ray) filtered by prism group

分频合成卤素灯光源的具体步骤如下。

(1)在同一平面上，按照图5的顺序从左至右依次排列卤素灯光源、三棱镜A与凸透镜L1。

(2)打开卤素灯，将平行的光束以<90o的角度α入射三棱镜A的左侧。

(3)调节入射白光与三棱镜A的入射角度α，使三棱镜出射的光线S1、S2的间距达到最大。

(4)以光线S1、S2的角平分线R1为光轴[26]，垂直放置凸透镜L1，并调整透镜L1与三棱镜A的距离，使得S1、S2的交点到透镜L1的距离为透镜的焦距，从而经由L1的光线以平行光出射。

(5)以凸透镜L1光轴右侧的垂线R2为对称轴，在同一平面上，对称的放置凸透镜L2与三棱镜B。

微调各棱镜透镜的距离与角度，使得出射的光线为一平行光束。该光束即是针对卤素灯，选择可见光范围内的波谱进行的分解与合成，最终得到高质量的“冷”光源。

2.2 分频合成光源与传统光源的比较

三棱镜-凸透镜的分频合成光源与传统光源相比，主要有三个方面的优点。

(1)分频合成光源是针对卤素灯光源的一个频谱过滤，该类光源选择性地截取可见光光谱段进行还原，充分地滤除了热射线。

(2)在滤波介质的稳定性方面，固态的玻璃介质相对液态的水介质而言，不需要增加额外的机械装置，也不存在介质的流动，介质密度始终稳定且均匀，从而使同一频率光线的折射方向不会随时间发生变化。

(3)分频合成光源中的所有热射线都通过三棱镜附近的空气辐射散失，而传统光源中的残余热射线或是通过水吸收后部分重新聚焦于样品上，或是部分封闭于光电二极管内。

3 应用实例及效果

为了验证三棱镜-凸透镜组分频合成的冷光源的实际应用效果，本文利用Olympus BX51显微镜和HORIBA iHR320荧光光谱仪对砂岩荧光薄片[27-28]进行了观察和测试分析。

图6a、b和c是采用三棱镜-凸透镜组分频合成冷光源后，再利用Olympus BX51显微镜在开机预热完成后第2 min、第15 min和第30 min时观察结果。

图 6 采用三棱镜-凸透镜组分频合成冷光源和卤素灯光源观察含油砂岩荧光薄片的成像结果

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—三棱镜-凸透镜组分频合成冷光源；d、e、f—卤素灯光源。

由图6可见，在使用三棱镜-凸透镜组分频合成冷光源的条件下，第2 min时的薄片成像图和第15 min以及第30 min的薄片成像图中发蓝白色荧光的石油和矿物的颜色基本没有发生变化，薄片观察视域的温度没有明显升高。图6d、e和f是分别利用Olympus BX51显微镜在开机预热完成后第1 min、第15 min和第30 min时，采用卤素灯光源直接观察和测试的结果。第2 min测试时，薄片的温度为23℃；第15 min测试时，薄片观察视域的温度明显升高，第30 min时薄片观察视域的温度再稍微升高。由图可见，第2 min时的薄片成像图和第15 min、第30 min时的薄片成像图的颜色明显发生了改变，发蓝白色荧光的石油和矿物的颜色都逐渐变淡。这是由于在卤素灯光源中的红外线的长时间照射下产生的大量热使样品遭受破坏、成分发生了改变。

由此应用实例表明，三棱镜-凸透镜组分频合成的冷光源能有效滤除红外线，降低生热量，从而使样品免遭受破坏，这种冷光源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。

4 结语

光学显微镜传统的成像方式不同，对光源的要求及所得图像的虚实、大小及观察范围等方面有较大的差异。传统的目镜成像方式得到的是放大的倒立虚像，观察范围仅限于显微镜的目镜较小的观察孔，光源可选用自然光或普通的小功率卤素灯。而投影成像方式得到的是放大的正立实像，成像结果投影于投影幕布上，观察范围不受目镜限制。

光学显微镜的投影成像需要较大功率的冷光源，前人选用的纯水过滤热射线光源与白色LED光源中，前者含有760～1400 nm区段的红外线，后者在500 nm波长附近的光波强度存有不足，即两者在温度或色温上分别存在缺陷。本文提出了三棱镜-凸透镜组的分频合成冷光源，通过三棱镜将含热射线的白光分频后，由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为不含热射线的白光，解决了大功率冷光源红外线生热和光谱存在缺陷的难题。该分频合成光源的装置结构简单，且能有效地控制大功率光源中的热射线，这为光学显微镜投影成像增加了新的内容。

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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

油气藏地质及开发工程国家重点实验室开放基金项目(PLC201102)；国家自然科学基金项目(41172119)

赵应权，讲师，主要从事油气勘探研究。E-mail: hbszzyq@126.com。

0254-5357(2014)05-0674-07

O614.33； P59

A