CN101694547B - 一种物体外轮廓非线性多级放大光学成像技术原理、装置和摄像方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种物体外轮廓非线性多级放大光学成像技术原理、装置和摄像方法，其特征是在物体和成像检测设备之间的光路系统上，接入3个和3个以上的直径从小到大的多个透镜，通过调节物体与透镜、透镜与透镜之间、以及透镜与检测设备之间的距离，使得从物体外轮廓上的发射、反射、折射和衍射光线，不穿过透镜光心，而通过非线性的传播方式实现物体轮廓图像的多级放大成像，可广泛用于各种需要显微图像成像放大的光学系统。特别是可实现光学图像放大倍数大于2000以上。

Description

一种物体外轮廓非线性多级放大光学成像技术原理、装置和摄像方法

技术领域：本发明涉及一种物体外轮廓非线性多级放大光学成像技术原理、装置和摄像方法，属于光学成像系统原理和装置技术领域

背景技术：自从十六世纪荷兰人扎恰里亚斯·詹森发明显微镜以来，显微镜的发明，对于扩大人们对微观世界的认识，特别是对微生物学和细胞生物学的发展，起着不可替代的巨大作用。虽然显微镜的制造技术在不断进步和发展，出现了各式各样各种用途的显微镜，其都是使用物镜透镜和目镜透镜的的光学成像原理，这种原理一直使用在所有光学成像系统到今天没有改变.然而，传统的显微镜和望远镜只使用两级放大，使用的是线性成像原理，即物体发出的光路直线通过透镜的光心而成像。由于受光波干涉理论的思想限制，一般认为显微镜的分辨率不能超过200纳米，光学显微镜的放大倍数小于2000，即阿贝障碍.因而也大大限制了显微镜放大倍数和分辨率的提高设计和制造，我们突破了传统理论思想的束缚，发明设计了一种物体外轮廓非线性多级放大光学成像技术原理、装置和摄像方法，克服了传统线性成像原理显微镜的分辨率和放大倍数不能进一步提高的障碍，实现了物体外轮廓光学显微成像的进一步放大。该项技术原理可用于所有需要物体外轮廓放大成像的光路系统之中，对于开阔人们对微观物质世界的认识视野，特别是促进细胞生物学的发展，有着十分重大的科学意义和经济价值。

发明内容：本发明涉及一种物体外轮廓光路多透镜多级放大成像的技术原理以及装置和摄像方法，其技术特征是，在物体和成像检测设备光路之间，使用3个和3个以上的直径从小到大的透镜组进行连级放大成像，利用从物体外轮廓发射、反射、折射和衍射的光线在多个透镜中非直线性传播而成像。通过分别调节物体和物镜、多个透镜之间、透镜和检测图像设备之间的距离，即调节多级成像焦距，在多个透镜后得到物体外轮廓图像的放大成像。

物体外轮廓光路多透镜多级放大成像的技术原理说明

附图说明：

图1凹透镜光线传播和成像

图2凸透镜光线传播和成像，物体在F1之内

图3凸透镜光线传播和成像，物体在焦距F1与2倍焦距F1之间

图4 3个凸透镜成像光路图

图5 4个凸透镜成像光路图

图6 5个凸透镜成像光路图

图7 6个凸透镜成像光路图

图8 1个凹透镜2个凸透镜成像光路图

图9 1个凹透镜3个凸透镜成像光路图

图10光学成像多级放大装置之一示意图

下面结合附图和实施方法对本发明的技术原理作进一步说明

光线从一种介质斜射入另一种介质时，传播方向一般会发生变化，这种现象叫光的折射。荷兰数学家W.斯涅耳通过实验精确确定了入射角与折射角的余割之比为一常数的规律，即cscθi/cscθt＝常数，这是光的折射定律。光学成像是将物体上发出或反射与折射的光通过利用透镜的折射原理，聚焦到一个特定距离的平面上或曲面上实现成像。显微镜和望远镜是利用两个透镜，将微小的物体或远处的物体，成像到某个平面上，从而实现物体的图像变大。依据阿贝(Abbé)定律，D＝λ/2N.A，D为分辨率，λ为光波波长，N.A为物镜的数值孔径，由于数值孔径最大值为1.4，可见光波长一般400nm至800nm，所以。光学显微镜物理分辨极限为200纳米。然而，阿贝定律是依据光的波动理论推导而得到的的。其推导的成像分辨率公式都是光线直线通过透镜光心传播成像的原理的，因而只适用于光路直线通过透镜光心传播成像的原理的而设计的光学设备和仪器。

我们依据光的折射定律对凸透镜和凹透镜各种光线的传播途径进行分析，如图1，图2，图3，我们发现，凸透镜有通过透镜光心的成像光焦点，还有非通过透镜光心的成像光焦点，凹透镜没有能通过透镜光心的成实像光焦点因而不能得到实像，但是也有非通过透镜光心的成像光焦点。通过凸透镜光心聚焦的成像的大小和成像于位置与原物的大小和物体距离成简单比例，从同一个垂直于光轴的平面上的任何一点发出的光线都可以形成通过凸透镜的光心聚焦成像在同一成像平面上，焦点深度无限长，成像的焦点位置容易找到。而非通过透镜光心的成像光焦点，焦点深度很小，并且同一个垂直于光轴的平面上的光点都不能聚焦成像在同一平面上。

从理论上讲，只要物体轮廓上一个点存在有任意两个不同角度发出的光线，通过透镜系统的折射原理，最终聚焦在特定距离的平面上或曲面上就可以实现成像。因此，无论物体尺寸大小，只要其外轮廓大小可以发光、反射光或折射光，就可以通过3个和3个以上透镜的组合使用，调节物体与透镜，透镜与透镜之间，以及透镜与成像检测设备之间的距离，使得从物体外轮廓上某一个点上发出的无数条光线中一定存在某两个向两种不同方向传出的光线，最终能够被3个和3个以上透镜的组合而聚焦在特定距离的平面上或曲面上。同时，这种不通过透镜光心的非直线传播的成像光路，通过一组3个和3个以上不断增大直径的透镜而聚焦成像，光线传播距离光轴愈来愈远，因而成像放大。从外轮廓上某一个点上其他方向的光线不能完全聚焦同一平面，在同一个垂直于光轴的物体平面上的其他位置点的光线也不能完全聚焦在同一个焦点平面。因此，只要物体轮廓具有较强的发射光、反射光、衍射或折射光，就一定可能得到较清晰的物体外轮廓图像。

非线性多级放大光学成像的光路图，如图4，图5，图6，图7，图8，图9。由于使用透镜的数目不同，得到的图像正倒不同，3个透镜正像，四个透镜倒像。5个透镜正像，6透镜倒像。如此类推。透镜愈多，放大物体尺寸愈小，可小到物体大小不能发射光、反射光、衍射或折射光。使用的透镜可以是凸透镜和凹透镜。凸凹透镜的多种组合方式都可以成像。

该原理具体实施方式之一：

1.依据拍摄的物体大小和需要成像放大倍率，选择透镜个数和透镜放大率，透镜直径从小到大直线排列，摄像机或数码相机检测和拍摄成像，所有透镜同心同轴。

2.首先从摄像机或数码相机前面的倒数第一个透镜开始调焦距，用一个载玻片检测是否能够成像，再从倒数第二透镜调焦成像，依次逐级调节焦距，最后调整物体与物镜的距离，初步成像。

3.初步成像后。再从从第一个物镜开始，逐级向后调像，调整物体与物镜、物镜与放大透镜、多级放大透镜之间、以及最后透镜与成像检测之间的距离，使需要放大的微粒物体边缘清晰。

4.使用双角度光源照射物体，调整光源射入物体角度，尽量使得需要拍摄的颗粒透射光线与反射光线比例适当，从而使的微粒边缘清晰。

5.使用透镜的个数不同，透镜调节的位点也不同，一般在透镜的一倍焦距和二倍焦距点附近调整，依据放大级数不同，透镜位置不同，有的调节正焦距，有的负焦距。

6.放大级数的透镜愈多，图像放大倍数愈高，但是调节的成像镜深焦距愈小，物体的视野也愈小。调焦愈需精密细致。同一视野下，适当大小的颗粒边缘最清晰。不同大小的颗粒在不同的成像聚焦面上。

7.本项发明特别适合拍摄有明显外轮廓结构的微小物体，如拥有细胞膜的细胞，拍摄清晰明显。细胞的内部有膜结构的物体，也可用于拍摄纳米颗粒。我们的实验照片完全证实。

物体外轮廓光路多透镜多级放大成像的装置说明

1.依据本项发明原理而设计的物体外轮廓光路多透镜多级放大成像的装置之一如示意图，图10

2.其中光源，载物平面，从小到大的透镜组，图像检测设备都安装在底座上一条直线，可以前后滑动，用来调节成像焦距。

3.同时设计了垂直于底座方向的一个载物平台，物镜和反射镜，用于适合水平放置的物体的成像观测，

4.所有的透镜和反射镜装置都可自由组装，易于拆装。

Claims (9)

1.一种物体轮廓非线性多级放大装置，其特征在于，所述装置包括：按照透镜直径从小到大排列的、竖直且同心同轴放置的3个或3个以上透镜，以及离透镜直径最大的透镜最近的摄像机或者照相机，其中，直径最小的透镜为第一物镜。

2.如权利要求1所述的物体轮廓非线性多级放大装置，其特征在于，所述透镜为凸透镜、凹透镜、或者复合透镜。

3.如权利要求1所述的物体轮廓非线性多级放大装置，其特征在于，还包括位于所述第一物镜一侧的第一载物台。

4.如权利要求3所述的物体轮廓非线性多级放大装置，其特征在于，还包括位于所述第一载物台一侧的第一光源，使用高亮度均匀的光源。

5.如权利要求3所述的物体轮廓非线性多级放大装置，其特征在于，按照透镜直径从小到大的顺序将所述3个或3个以上透镜编号为1，......，n，其中，n为透镜的个数，还包括位于透镜1与透镜2之间的反射镜，以及位于所述反射镜正上方的第二物镜，所述第二物镜的直径小于所述透镜2的直径。

6.如权利要求5所述的物体轮廓非线性多级放大装置，其特征在于，还包括位于所述第二物镜正上方的第二载物台。

7.如权利要求6所述的物体轮廓非线性多级放大装置，其特征在于，还包括位于所述第二载物台正上方的第二光源。

8.一种利用权利要求1～7之任一项所述的物体轮廓非线性多级放大装置的摄像方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，根据拍摄的物体的尺寸和需要成像的放大倍率选择具有一定放大率的透镜，并确定透镜的个数；

S2，依次从透镜n至第一物镜或第二物镜调焦距，然后调整物体与第一物镜或第二物镜之间的距离，使每个透镜成像；此处，若物体 位于第一物镜上，则对第一物镜调焦距，若物体位于第二物镜上，则对第二物镜调焦距；

S3，从所述第一物镜或第二物镜开始，依次调整物体与物镜、物镜与其它透镜、各透镜之间，以及透镜n与摄像机或照相机之间的距离，使观测到的物体的轮廓清晰。

9.如权利要求8所述的摄像方法，其特征在于，在步骤S3之后还包括如下步骤：S4，调整第一光源或第二光源的入射角度，使得从物体透射的光线与从物体反射的光线比例适当，从而使得物体的轮廓清晰。 

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