非球面反射镜在荧光显微镜单色光源中的应用

　　1　引　言

　　生物物理学中的荧光测钙技术[1]对于生物物理学的研究具有重要的意义。激发转染荧光染料的生物样本,需要波长能够连续可调单色光源,而目前国内尚无此类光源系统的生产,急需填补该项技术上的空白以满足国内各高校及研究所生物物理实验的需要。

　　生物荧光实验对光谱纯度和单色光的强度都有一定要求,但是在发光源(氙灯)确定的情况下,通过减小空间滤波器的窗口提高光谱纯度势必使单色光的能量降低。同时,由于单色光源工作在紫外与可见波段,因此光学系统的设计必须保证这一部分的通过率。选择适当的非球面反射镜作为聚光元件可以解决以上矛盾。现通过对发光源能量分布的模拟,空间能量分布的仿真,利用光线追迹的方法分析非球面反射镜的能量汇聚特性,最终在单色光源系统中得以实现。

　　2　单色光源光学系统设计

　　系统由氙灯、非球面反射镜、小孔光阑、准直镜、闪耀光栅、耦合透镜组和光纤等组成。由氙灯发出的光线经过非球面反射镜汇聚到小孔光阑上,形成近似的点光源,再由准直镜反射为平行光,经过闪耀光栅分光后,由消色差透镜组汇聚耦合进入光纤,形成单色光输出,如图1所示。系统所用的光纤是芯径1.25mm,数值孔径为0.22的特种石英光纤。在考虑光纤耦合需满足数值孔径匹配和模场匹配[2]的前提下,各元件的参数均可以确定,其中小孔的尺寸约为1mm～1.2mm,反射镜输出数值孔径略大于0.22。

图1　系统光路图

　　考虑到生物实验经常使用340nm,380nm,488nm等多个波长的单色光,且对光谱纯度和输出能量都有较高要求,唯一可行的方法是提高小孔处汇聚光的能量。采用透镜聚光难以得到足够的收光角,同时对紫外光部分有较大的吸收。采用非球面反射镜聚光可以解决以上问题,现选取了椭球反射镜和环面反射镜两种面形,设计出合适的光学参数,比较两种面形的能量汇聚特性,最终给出了适用的结果。

　　3　两种非球面反射镜的面形结构

　　椭球面反射镜是由椭圆绕其长轴旋转所得,根据所需数值孔径截取一部分,底部开孔用于氙灯的安装。氙灯的发光点置于截取部分的焦点上,经过反射,光能量汇聚到另一个焦点。环面反射镜可以定义为y-z平面内的曲线绕z轴旋转得到,在通常情况下,曲线为圆弧。参照椭球面反射原理,当光线在短轴方向顶点反射时,放大率为1,以此处的曲率半径作圆弧,绕椭圆长轴旋转,可形成环面反射镜面形。由于离轴椭球面加工难度大,故在椭圆长短轴相差不大,短轴附近曲率变化较小时,可以用这样的环面反射镜代替离轴椭球面点对点成放大率约为1的像。分析可知,通过旋转轴的光线(或矢量分量),经过反射后仍然通过旋转轴,因此弧矢方向球差为零,子午方向存在一定球差。