应用于dPCR基因芯片的荧光精缩无限远物镜设计

数字聚合酶链式反应(dPCR)技术在生物医疗领域具有非常重要的应用价值,为了进一步投入临床诊断和病原体检测中需要在光学检测系统的检测效率和准确性方面取得进展。针对dPCR检测需求,使用ZEMAX软件设计了无限远消色差荧光精缩物镜。镜头物方数值孔径为0.1,整体放大倍率为-0.65倍,可对Φ为34.9mm的物体进行成像,物方工作距离105.3mm,像方传递函数在70lp/mm处高于0.73,相对畸变小于0.4%;镜头设计可以同时满足大视场高分辨率的荧光多通道探测要求;基于无限远荧光显微成像技术,镜头可一次性检测位于28mm×18mm基因芯片上2万个反应通道,克服现有设备拼接成像的弊端并提高检测效率。     

基于光学扩展量的LED均匀照明反射器的设计

针对发光二极管(LED)光源的发光特点,根据非成像光学的光学扩展量理论建立了获得均匀照明反射器的一般方程,实现了在特定目标面上的均匀照明,进而依据该方程设计了用于体视显微镜的LED照明系统.利用TracePro软件对所设计的系统进行光线追迹仿真,结果表明在Φ90 mm的范围内照度均匀性达到90.6%,不考虑反射率损失时能量利用率可达到99.6%.该设计方案采用单一反射器实现均匀照明,为实现照明系统小型化和简单化提供了一种有效的途径.     

基于定抛物面调制的直下式匀光照明透镜设计

对于近场大角度的匀光照明系统,透镜的一般设计方法是采用内表面为球形的自由曲面透镜设计,计算的自由曲面透镜只需考虑一次折射。但是当角度达到一定范围时,在透镜的内表面容易发生全反射,导致目标面照度不均匀。为了在近场照明系统中得到更大角度的配光,提出一种以合适的抛物面作为自由曲面透镜的内表面的设计方法,内抛物面先对光源的能量进行一次扩散,再计算自由曲面面型,通过模拟仿真,实现了在距离光源15 mm处形成半径40 mm的光斑,均匀度达到95%,能量利用率达到97.8%,相对于传统的直下式透镜,提高了照明的均匀度,同时减少了箱体的厚度。     

基于荧光显微镜单色光源系统的椭球反射镜的设计

为了实现胞内钙离子浓度的检测，设计了一种新型的荧光显微镜单色光源系统。系统采用短弧氙灯作为发光源，利用椭球面反射镜聚焦后得到模拟的点光源，经过准直及闪耀光栅分光、汇聚后，耦合到光纤中形成单色光输出。在荧光显微镜照明激发系统中，单色光源的输出功率和光谱纯度是仪器的2个技术关键，其中非球面反射镜是设计的重点。通过优化算法和光学仿真模拟，对系统的光能效率进行了分析和计算，设计了用于单色光源系统的椭球面反射镜，并研制成整套系统。经实验验证，效果良好。     

计算全息法检测离轴凸非球面照明镜组初始结构设计

设计一种特殊的应用于计算全息法(CGH)高精度检测离轴凸非球面系统的照明系统。该照明系统一方面用作参考系统,另一方面将检测光近似垂直投射到待检测镜面上,使得检测系统为近似共光路系统,降低照明系统的制造精度。分析了照明系统的几何光路模型,将复杂的两用途系统简化,得到照明系统工作距离、照明系统焦距以及参考面曲率半径三个特征参量之间的关系。设计时,通过控制这几个特征参量,得到满足检测要求的系统初始结构。设计结果表明,该方法可以满足系统使用要求。     

细胞发酵罐显微光电检测系统显微镜头光学设计

提出一种在发酵罐外部架设显微系统进行非接触式细胞观测的光电检测方案。现有倒置生物显微镜工作距不足,并且其自身光源发散角大、能量低不足以照亮细胞,而工作距足够的工业显微镜分辨率最小只能达到10μm,所培育的动植物细胞大小为10～20μm,无法获得清晰的细胞图像。为满足系统指标,设计了一种非接触式、折反射结合的长工作距可变焦光电检测系统。系统采用卡塞格林系统和李斯特物镜结合的设计思路,解决了折射式结构像差大的缺点。光学系统放大倍率为3～5倍,工作距为40mm,物方数值孔径0.18～0.3,分辨率可达到1.17～1.96μm,其轴上点在CCD截止频率133lp/mm处均大于0.1,大于人眼极限分辨阈值0.05。     

实现均匀照明的自由曲面反射器

通过单个自由曲面反射器的反射,令光源发出的能量重新分布,在特定照明面上实现所需照明,从而简化了投影设备中的照明系统,使设备的进一步小型化成为可能。根据给出的光源辐射特性和所需实现的照明面上的能量分布,可得到一组偏微分方程,数值差分求解直接得到自由曲面反射器。光源采用发光面积1 mm×1 mm朗伯体发光的LED,视角为120°,照明面为4:3的均匀矩形光斑。设计了两种自由曲面反射器,并用软件对得到的曲面进行了照明模拟,模拟得到的照明均匀性接近90%。两种反射器在光轴方向上的投影尺寸均小于25 mm,垂直光轴方向上投影长度均小于22 mm,照明系统总长均小于40 mm,结构紧凑,适用于小型LED投影设备。     

临界照明光学系统设计新方法的研究及应用

在光电检测系统中,照明系统的优劣与成像质量息息相关,照明系统的设计方法直接影响到最终照明系统设计的成败。提出了一种综合设计分析和模拟仿真的交互式设计方法,不仅提高了照明系统设计的直观性、可靠性和快速性,而且保证了其设计制造的经济性。以运用该方法设计的两种照明系统为例阐明了该方法的特点。     

基于正交试验法的显微镜上照明设计

根据LED光源特性和目标面光强的分布要求,采用正交试验法,对显微镜的LED照明系统进行优化设计。利用TracePro软件对所设计的系统进行光线追迹仿真,结果表明,在Φ50mm的范围内照度均匀性达到83.7%,能量利用率达到52.8%。该结构简单,成本低,易于实现。     

通用型数字鱼眼镜头检测系统的设计

设计了一种通用型数字鱼眼镜头检测系统,由照明系统、检测标板、等效平行平板系统和球幕组成。照明系统内部设有平面反光镜、柱体蝇眼透镜阵列、准直物镜,起到了缩小系统体积,提高光能利用率和照明均匀性,以及实现照明光斑大小尺寸可调的作用。其球幕内壁刻有角度分划尺,用于测量被测镜头的视场角。测试系统的照明视场范围为φ8.1 mm~φ36.3 mm,照度均匀度达到91%,光通量大于5 000 lm,且大小可调。检测系统可实现对芯片尺寸为0.55″~1.55″的1DLP、3DLP、3LCD、3LCOS的各种类型的数字投影或放映鱼眼镜头的像方视场角、分辨率、彩色还原性能、色差等性能和放映效果进行测试,降低了检测成本,通用性强。