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顯微鏡的相襯觀察照明系統專利技術綜述--歐陽姣
雜志名稱:河南科技 投稿:河南科技雜志社
 

顯微鏡的相襯觀察照明系統專利技術綜述

Overview of patented technology of phase contrast observation illumination system of microscope

歐陽姣    國家知識產權局專利局專利審查協作江蘇中心(蘇州,215163

摘 要

光學顯微鏡是生物醫學研究領域不可或缺的研究工具。在生物學及醫學研究中,細胞(可認為是相位樣品)通常是透明的,使用傳統光學顯微鏡觀察這樣的樣品對比度很低。但是利用光穿過透明的樣品時引起的相位的變化的信息,可以提高成像的對比度。本文以相襯顯微鏡的照明技術的相關專利為研究對象,對全球專利申請進行了統計和分析,包括申請量趨勢、地理分布、主要申請人、專利技術等,并對專利技術發展路線進行了梳理。

Optical microscopy is an indispensable tool in biomedical research. In biological and medical research, the cells (which can be considered as phase samples) are usually transparent, and the contrast of such samples is very low when observed by traditional microscope. But the contrast of the image can be improved by using the information of the phase change caused by the light passing through the sample. This paper takes the patents of illumination system of phase contrast microscope as the research object, analyses the statistcs of the patent applications, including the application trend, geographical distribution, main applicants, patent technology, and sorts out the development route of patent technology. .

關鍵詞:相襯照明,顯微鏡,專利

Key wordsphase contrast observation illumination systemmicroscopepatent

O439

正文

16世紀中葉第一臺原始光學顯微鏡發明以來,其發展已歷經四百余年。目前,光學顯微鏡已成為生物醫學研究領域不可或缺的研究工具。但是,一般的顯微鏡只能觀測微小物體的強度分布,對于透明物體的相位分布卻無能為力。然而,被測物體的相位分布直接關聯著被測物體的三維形貌,準確 測量微小物體的相位分布具有重要意義。

在過去的在一個世紀,有許多研究者致力于研究提高光學顯微成像技術的對比度。這些提高光學顯微成像對比度的技術可以廣泛地分成兩類:外源對比度法和內源對比度法。外源對比度法是通過在成像樣品中加入化合物(如:染料,熒光團等),由這些化合物在光照條件下發出熒光,來獲得極高的成像對比度。此類方法有諸多優點,但也存在一定的缺點,就是此方法需要一個將染料或熒光團等物質添加到樣品中的樣品準備過程,且此樣品準備過程可能會產生一些副效應,如:光漂白和光毒性。內源對比度法是通過利用光穿過透明的樣品時引起的相位的變化的信息,來提高成像的對比度。對比于外源對比度法,其具有非侵入性和無需樣品標記或染色的特性,這類方法在實際應用中很有意義,可以允許人們觀察沒有處理過的“天然”的樣品。相襯顯微鏡即是一種通過利用光穿過透明樣品時引起的相位的變化的信息來提高成像對比度的方法。

相襯顯微鏡及其相應的照明、成像結構的發展歷史較長,是相對而言比較成熟的技術。其涉及以下幾個主要的技術分支:相位相襯顯微術是指由于折射率的實際變化而影響探測光束相位變化,再將光束的相位變化轉變成振幅變化,以表現為圖像襯度不同。這種顯微鏡在僅僅是在一般的顯微照明光路/成像光路中加入相板。并且,其利用相匹配的環形光闌和相板才能得到好的相襯效果。因此,光闌和相板的不同結構和設置是此類相襯顯微鏡的改進點所在,通過光闌和相板的改進可以提高觀察的襯度、清晰度等,最常見的是環形圖案或者是類環形的圖案。

1光源  2 聚光透鏡   3 環形光闌 4 聚光透鏡

5 相板  6 物鏡    7 試樣    8 中繼透鏡  9 目鏡

1 相位相襯顯微鏡簡易原理圖

微分干涉相襯顯微技術是利用偏振光在單軸晶體傳播過程中的分束與復合,從而產生微小程差,并在物鏡后焦平面上發生干涉,通過檢偏后可進行顯微觀察,觀察到的圖像呈現立體浮雕感。這種相襯顯微技術將干涉測量引入原始的相襯顯微鏡,使定量測量成為可能,彌補了其僅能進行定性觀察不能定量測量的缺陷。由于其引入了干涉光路,其所使用的光源和光路結構都更為復雜,如使用/或產生相干光源,偏振元件的引入,加入平行光路等。

  

1 聚光鏡      2 檢偏鏡 

3 半透半反鏡  4 諾曼斯基棱鏡5 物鏡        6 試樣   

7 檢偏鏡      8 中間像面

1 起偏鏡    2 渥拉斯頓棱鏡

3 聚光鏡    4 試樣          5 物鏡      6 諾曼斯基棱鏡  7 檢偏鏡    8 中間像面


2 諾曼斯基干涉相襯顯微鏡

2為透射式(左)和落射式(右)諾曼斯基干涉相襯顯微鏡的光學系統的示意圖。

除此之外,還有馬赫澤德式干涉相襯顯微鏡(圖3)。其相對于利用偏振的諾曼斯基干涉相襯顯微鏡而言,降低的成本,減弱了雙像,提高了清晰度(如US2013162800A1),下圖為馬赫澤德式干涉相襯顯微鏡的光路示意圖。

1 狹縫光源  2 聚光鏡    3 試樣  4511 物鏡  

6 干涉儀部分    7 光楔  8-10 補償板 12 目鏡

3 馬赫澤德式干涉相襯顯微鏡

專利的申請量的變化與相襯顯微鏡的技術發展是相關聯的。最早的相位相襯顯微鏡出現在二十世紀三十年代,其僅僅能夠進行相位物體的觀察,并不能用于位相物體的測量。在這一時期,針對相襯顯微鏡的技術改進主要在光闌圖樣、照明透鏡、物鏡等方面。從六七十年代開始,利用干涉原理的相襯顯微鏡開始出現,其涉及到干涉光路的形成,偏振光的形成和偏振態的改變等,并且,局部非對稱的遮擋的光闌形式開始出現,令立體觀察變得容易,這種原理性的改進直接導致本領域申請量上升。在這之后,專利申請量又維持在一個較低的狀態。進入90年代以后,各國的申請主要還是針對微分干涉相差顯微鏡,但是,其采用不同的干涉光路,采用可調的光闌部件,可見,相襯顯微圖像的獲得的相關理論并沒有出現太大的改進,但是,顯微鏡使用方式(掃描顯微鏡等)、調制方式(如液晶、空間光調制器、聲光調制器等)、光源(如LED等)、優化方式(自動控制以優化照明、成像效果)等針對相襯顯微鏡所使用的各種器件的改進專利開始出現,可見,這得益與相關技術,如計算機技術、微結構制造技術的發展,申請人以此為契機改進完善和細化了相襯顯微鏡的相關技術。

本領域申請人很多,本領域有四個主要的申請人,分別是德國的卡爾蔡司(ZEIS)、萊卡(LICA)以及日本的奧林巴斯(OLYU)和尼康(NIKR),其申請量占所有申請總量的12%10%10%12%。其中,蔡司公司是最早制作相襯顯微鏡制造商,萊卡公司也是較早設計相襯顯微鏡的早期申請人,而尼康和奧林巴斯則是在19世紀七十年代左右才開始設計相襯顯微鏡。

其中,這四個主要申請人近十幾年來均對光闌圖樣、光瞳的調制等進行了改進,除此之外,卡爾蔡司涉及雙光源成像、物鏡(含相位板)的光學設計,奧林巴斯申請還涉及光路的控制、顯微鏡的多功能性等;萊卡公司專利申請涉及光源控制、掃描顯微鏡以及快速精確裝配方面;尼康公司的申請涉及到的方面較廣,其還涉及鏡筒、顯微鏡的聚焦以及顯微鏡的多功能及功能快速切換等。

但是,除了這幾個主要申請人以外,還有大量的其他申請人,其他申請人的申請數量也非常可觀。這種情況主要是由于顯微鏡的原理出現較早,且在近幾十年均未見大的改進,而針對顯微鏡的早期申請多數已經超過專利保護年限。因此,雖然主要申請人在不斷的完善自己的專利體系,但是,相襯顯微鏡最核心的原理技術部分對他們而言已經不再是明顯的優勢,隨著時間以及顯微鏡器件的技術發展,專利造成的壁壘正在逐漸的降低,其他的申請人得以更多的進入該領域。

在顯微鏡相襯照明、成像領域,國內申請量不大,每年均在10件以下,基本呈上升的趨勢,但是由于申請量不大,其申請量波動比較明顯。在這些申請中,本國申請占大多數(68%),其他占比重較大的是美國、德國,分別占15%,除此之外,還有部分日本申請(2件)和其他國家的申請(1件)。

總體來說,雖然相襯顯微鏡是一個發展歷史較長的儀器,但是,這一領域的主要申請人向中國提出申請的時間都相對較晚,萊卡以及奧林巴斯等公司在1993年之后才開始向中國申請相關的專利保護,而尼康公司直到2001年才有相關專利在中國公布。在顯微鏡相襯照明領域,中國最早的申請人是中國科學院上海光學精密機械研究所(1985.7),除此之外,還有西安光機所、南京理工大學等高校,并有少量個人申請,專利申請量比較低。究其原因,主要還是因為相襯顯微鏡發展歷史較長,針對已有的相襯顯微鏡原理,外國已經有較好的研究基礎和加工制造基礎,中國由于起步晚,產業鏈不健全,自行研發和制造成本高,因此,除了進行基礎科研、前沿科研較多的高校之外,在相襯顯微鏡領域難以支持更好的自主創新。在這種情況下,由高校進行理論的開發和研究,并聯合企業進行產業化并申請相關的專利可能是比較適合的方式。

參考文獻

[1]光學顯微分析(第2版),孫業英主編,清華大學出版社,2003

[2]光學技術手冊,王之江主編,機械工業出版社,1994

[3]生物材料科學:醫用材料導論(原著第2版),(美)拉特納等編著,顧忠偉等譯校,科學出版社,2011

作者簡介:

歐陽姣,1989-2,女,江蘇省蘇州市人,現任審協江蘇中心實質審查員,20143月畢業于北京理工大學光學工程專業,碩士,現主要從事發明專利申請的實質審查工作。

 

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