CN102879895A

CN102879895A - 一种大景深数码显微系统

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Publication number: CN102879895A
Application number: CN2012103417370A
Authority: CN
Inventors: 赵廷玉; 刘爱萍; 刘钦晓; 余飞鸿
Original assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Current assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Priority date: 2012-09-14
Filing date: 2012-09-14
Publication date: 2013-01-16
Anticipated expiration: 2032-09-14
Also published as: CN102879895B

Abstract

本发明公开了一种大景深数码显微系统，涉及光学技术领域，其包括显微物镜、带光电转换器件的电子目镜、与光电转换器件连接的数字解调器以及与数字解调器连接的图像输出设备，其特征在于，所述显微物镜与电子目镜之间设有景深延拓器，所述景深延拓器具有相位掩膜片，该相位掩膜片的一面满足式①方程：z(x,y)=ax³+by³+cx⁴+dy⁴+ex²y²+fxy³+gx³y①，式①中，a,b,c,d,e,f,g分别为系数，x，y，z(x,y)分别为相位掩膜片满足式①方程的面上任一点在三维笛卡儿坐标系中X、Y、Z轴坐标，所述三维笛卡儿坐标系以相位掩膜片中心为坐标原点，以光轴为Z轴。本发明大景深数码显微系统在不破坏传统数码显微系统的主要部件结构的前提下，通过外加景深延拓器来实现大景深的功能，具有成本低廉、兼容性强等优点。

Description

一种大景深数码显微系统

技术领域

本发明涉及光学技术领域，具体涉及一种大景深数码显微系统。

背景技术

光学显微镜自16世纪末在欧洲发明后，将人类的视野拓展到一个全新的世界中。显微镜技术在生物、医学、工业等诸多方面有着广泛的应用。经过400余年的发展，显微镜的成像质量日益提高。尤其是上个世纪末，光电转换器件的广泛应用和数字处理技术的不断更新，给这个古老的学科注入新的生命力。

现有的数码显微系统包括显微物镜、带光电转换器件的电子目镜、与光电转换器件连接的数字解调器以及与数字解调器连接的图像输出设备，小景深一直是传统数码显微系统中的重要问题，在中高倍的数码显微系统中尤为严重。

数码显微系统中显微物镜的景深d可以表示为波动光学景深和几何光学景深之和

其中，λ₀为波长；n表示物方折射率；M表示放大倍数；NA表示显微物镜的数值孔径；e表示显微物镜在像面上能分辨的最小距离。考虑到显微物镜的像面实际上就是电子目镜的物面，因此，e实际是由电子目镜决定。以普通的生物显微物镜为例，取λ₀为550nm。若采用的是放大倍率为1/3，像元尺寸为7um的光电转换器件，则显微物镜在像面上能分辨的最小距离e为21um。以常用的数值孔径（NA）0.65，放大倍率（M）40倍的中倍显微物镜和数值孔径（NA）1.1，放大倍率（M）100倍的高倍显微物镜为例，将相应的参数代入上式中，可得显微物镜的景深，中高倍显微物镜的主要参数见表1。

表1

	数值孔径NA	放大倍率M	物方折射率n	景深d（um）
					中倍显微物镜	0.65	40	1	2.1

高倍显微物镜

1.1

100

1.5

0.78

由表1可见，显微物镜的倍率越高，则景深就越小；显微物镜的数值孔径越大，则景深就越小。数码显微系统是通过对整个镜筒的调焦来看清被观察物体的，因此对实现微调的机械结构的精密度要求很高。

解决光学系统小景深的问题方法主要有三类。第一类是对光学系统的孔径进行振幅调制，其中以减小相对孔径为代表，但该方法以减小通光量和降低分辨率为代价。第二类是通过共焦成像的方式对每个成像面进行扫描，最后通过数字图像重建的方式来实现，这种方法需要专门的精密电机完成扫描，成本高且耗时长。第三类是通过波前编码技术来拓展景深，它通过在光阑处加上一个φ＝α(x³+y³)的相位片，然后对光电转换器件CCD或光电转换器件CMOS上得到的图像进行数字滤波，以此来达到拓展景深的要求，它需要对整个显微系统进行重新设计、加工和制作，成本较高。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供了一种大景深数码显微系统，在不破坏传统数码显微系统的主要部件结构（包括照明部件、载物部件、显微物镜和电子目镜）的前提下，通过外加景深延拓器来实现大景深的功能，具有成本低廉、兼容性强的特点。

一种大景深数码显微系统，包括显微物镜、带光电转换器件的电子目镜、与光电转换器件连接的数字解调器以及与数字解调器连接的图像输出设备，所述显微物镜与电子目镜之间设有景深延拓器，所述景深延拓器具有相位掩膜片，该相位掩膜片的一面满足式①方程：

z(x,y)=ax³+by³+cx⁴+dy⁴+ex²y²+fxy³+gx³y ①，

式①中，a,b,c,d,e,f,g分别为系数，x，y，z(x,y)分别为相位掩膜片满足式①方程的面上任一点在三维笛卡儿坐标系中X、Y、Z轴坐标，所述三维笛卡儿坐标系以相位掩膜片中心为坐标原点，以光轴为Z轴。

作为优选，x,y为落在通光孔径中的笛卡儿坐标，x,y取值范围均为[-r,r]，其中r为通光孔径的半径，只需将通光孔径范围内相位掩膜片的一面满足式①方程即可，就能够实现景深的延拓。

以X轴、Y轴、Z轴建立一个三维笛卡儿坐标系，x,y分别为X轴、Y轴对应的坐标，z(x,y)为不同x,y取值下在Z轴方向上的坐标，Z轴即为光轴，将三维笛卡儿坐标系的坐标原点作为相位掩膜片的中心，x,y均在[-r，r]范围内取值，得到不同的z(x,y)，不同的点[x，y，z(x,y)]连续组合在一起，形成满足式①方程的相位掩膜片的一面，相对于该面的另一面可以根据需要设置成曲面或平面。

相位掩膜片可以采用一面为平面、另一面满足上述方程的透明板，也可以直接将透镜作为相位掩膜片，在透镜上设置满足上述方程的一个面，另一面为曲面，从而实现大景深的目的。即所述相位掩膜片相对于满足式①方程一面的另一面为平面或者曲面。

作为优选，所述景深延拓器包括依次布置在显微物镜和电子目镜之间的前透镜、相位掩膜片和后透镜，相位掩膜片朝向前透镜的一面满足式①方程，朝向后透镜的一面为平面。前透镜和后透镜沿光路方向前后设置，即所述前透镜靠近显微物镜，所述后透镜靠近电子目镜。

作为优选，所述景深延拓器包括依次布置在显微物镜和电子目镜之间的前透镜和相位掩膜片，所述相位掩膜片朝向前透镜一面满足式①方程，另一面为曲面。前透镜和相位掩膜片沿光路方向前后设置，即所述前透镜靠近显微物镜，所述相位掩膜片靠近电子目镜。

上述的两种具体形式可以根据需要进行设置，均能够实现大景深的目的。

本发明大景深数码显微系统的原理如下：

大景深数码显微系统中的显微物镜和电子目镜是相对独立的，两者能配合成像的关键在于显微物镜的像面和电子目镜的物面是完全重合的。因此，在本发明中，增加景深延拓器后，本发明大景深数码显微系统要顺利成像，需要满足以下几点要求：

第一，显微物镜的像面和景深延拓器的物面重合；第二，景深延拓器的像面与电子目镜的物面相重合；第三，景深延拓器前后的光束结构应保持不变；第四，为了保证原显微系统的放大倍率，景深延拓器的放大率为1。在此要求的基础上设计景深延拓器。本发明大景深数码显微系统中的景深延拓器通过相位掩膜对光瞳函数的调制，使得调制传递函数和点扩散函数对物距不敏感。非相干光源产生的光线通过显微物镜后，经景深延拓器进行调制，由电子目镜中的光电转换器件将物方图像转换成数据流，将经数字解调器解调后的高分辨率的图像输出至显示终端或打印终端。

作为优选，式①方程中，a＝(4~6)×10^-3，b=(4~6)×10^-3，c=-(0.9~1.3)×10^-6，d=-(0.9~1.3)×10^-6，e=(2.5~3.5)×10^-7，f=-(0.8~1.2)×10^-7，g=-(0.8~1.2)×10^-7，进一步优选，式①方程中，a=5×10^-3，b=5×10^-3，c=-1.1×10^-6，d=-1.1×10^-6，e=3×10^-7，f=-1×10^-7，g=-1×10^-7，该相位掩膜片的一面满足该具体方程，可以明显提高本发明大景深数码显微系统的景深。

作为优选，所述的光电转换器件为CCD光电传感器、CMOS光电传感器、光电倍增管。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

一、本发明大景深数码显微系统通过在传统数码显微系统中加入一个景深延拓器，就可方便地升级成大景深数码显微系统，不会破坏原有数码显微系统的主要结构及放大率等主要光学参数，具有兼容性好的优点。

二、本发明大景深数码显微系统由于景深延拓器使用之后，对多种像差不敏感，因而除了景深延拓器本身，其余的光学部件包括显微物镜和电子目镜，它们的加工容差也很大，成本也能降低，从而可在低端传统数码显微系统基础上增加景深延拓器实现高质量成像。

三、本发明大景深数码显微镜系统通过对光瞳函数的调制来实现景深延拓，因此对光通量没有影响。

四、本发明大景深数码显微镜系统对调焦精度要求较低，调焦系统的加工容差大，成本降低。

五、本发明大景深数码显微镜系统中景深延拓器适用于不同倍率的显微物镜和不同倍率的电子目镜，适用范围广。

附图说明

图1为本发明大景深数码显微系统的一种结构示意图；

图2为本发明大景深数码显微系统的另一种结构示意图；

图3为本发明景深延拓器中的相位掩膜片的结构示意图；

图4为现有的数码显微系统的结构及光束示意图；

图5为本发明大景深数码显微系统的结构及光束示意图；

图6为实施例1大景深数码显微系统在显微物镜的数值孔径为0.65、放大倍数为40倍条件下点扩散函数示意图；

图7为实施例1大景深数码显微系统在显微物镜的数值孔径为1.1、放大倍数为100倍条件下点扩散函数示意图；

图8为实施例1大景深数码显微系统在显微物镜的数值孔径为0.65、放大倍数为40倍条件下获得的信息经数字解调后得到的清晰像；

图9为实施例1大景深数码显微系统在显微物镜的数值孔径为1.1、放大倍数为100倍条件下获得的信息经数字解调后得到的清晰像。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1和图2所示，为本发明大景深数码显微系统，包括显微物镜1、带光电转换器件5的电子目镜4、与光电转换器件5连接的数字解调器6以及与数字解调器6连接的图像输出设备7，显微物镜1与电子目镜4之间设有景深延拓器2，景深延拓器2具有相位掩膜片3，该相位掩膜片3的一面满足式①方程：

z(x,y)=ax³+by³+cx⁴+dy⁴+ex²y²+fxy³+gx³y ①，

式①中，a,b,c,d,e,f,g分别为系数，x，y，z(x,y)分别为相位掩膜片满足式①方程的面上任一点在三维笛卡儿坐标系中X、Y、Z轴坐标，该三维笛卡儿坐标系以相位掩膜片中心为坐标原点，以光轴为Z轴。x,y为落在通光孔径中的笛卡儿坐标，x,y取值范围均为[-r，r]，其中r为通光孔径的半径。

如图3所示，本发明景深延拓器中的相位掩膜片3，首先以X轴、Y轴、Z轴建立一个三维笛卡儿坐标系，将三维笛卡儿坐标系的坐标原点O作为相位掩膜片3的中心，x,y分别为X轴、Y轴对应的坐标，z(x,y)为不同x,y取值下在Z轴方向上的坐标，Z轴即为光轴，x,y为落在通光孔径中的笛卡儿坐标，x,y取值范围均为[-r,r]，其中r为通光孔径的半径，在x,y取值范围内取不同的x,y，代入式①方程，得到不同的Z轴方向上的对应坐标z(x,y)，若干个不同的点[x，y，z(x,y)]连续组合在一起，形成相位掩膜片3的一面，该面满足式①方程，相对于该面的另一面可以根据需要设置成曲面或平面。

如图1所示，景深延拓器2包括依次布置在显微物镜1和电子目镜4之间的前透镜、相位掩膜片3和后透镜，前透镜和后透镜沿光路方向前后设置，即前透镜靠近显微物镜1，后透镜靠近电子目镜4，相位掩膜片3朝向前透镜的一面满足式①方程，相位掩膜片3朝向后透镜的一面为平面。

如图2所示，景深延拓器2包括依次布置在显微物镜1和电子目镜4之间的前透镜和相位掩膜片3，前透镜和相位掩膜片3沿光路方向前后设置，前透镜靠近显微物镜1，相位掩膜片3靠近电子目镜4，相位掩膜片3朝向前透镜一面满足式①方程，另一面为曲面，保证景深延拓器2前后的光束结构保持不变。

景深延拓器2可以是一个或多个光学元件（例如，多个透镜和/或多个反射镜），在光学元件之间可以有折射和反射媒介（例如，固体、液体和/或气体）。光电转换器件5可采用一个或多个光电传感器（例如CCD光电传感器、CMOS光电传感器、光电倍增管）。

如图4所示，为现有的数码显微系统，包括显微物镜1、带光电转换器件5的电子目镜4、与光电转换器件5连接的数字解调器（未画出）以及与数字解调器连接的图像输出设备（未画出），12为待观察的样品，13为显微物镜1的像面，同时也为电子目镜4的物面。

实施例1

如图5所示，为本发明大景深数码显微系统图1结构的基础上的实施例。本发明大景深数码显微系统包括显微物镜1、带光电转换器件5的电子目镜4、与光电转换器件5连接的数字解调器（图5中未画出）以及与数字解调器连接的图像输出设备（图5中未画出），均采用现有技术，12为待观察的样品，显微物镜1与电子目镜4之间设有景深延拓器2，景深延拓器2包括前透镜8、后透镜9以及设置在前透镜8和后透镜9之间的相位掩膜片3，该景深延拓器2由一个光学4f系统和相位掩膜片3所构成，其中，光学4f系统由两块焦距为f的前透镜8和后透镜9所构成，前透镜8位于显微物镜1的像面10后距离为f处，后透镜9位于前透镜8后距离为2f处，电子目镜4的物面位于后透镜9后距离为f处，实施例1中焦距f取100mm。显微物镜1的像面10与景深延拓器2的物面重合，景深延拓器2的像面11与电子目镜4的物面重合。相位掩膜片3朝向前透镜8的一面满足式②方程，相位掩膜片3朝向后透镜9的一面为平面。式②方程为：z(x,y)=5×10^-3x³+5×10^-3y³-1.1×10^-6x⁴-1.1×10^-6y⁴+3×10^-7x²y²-1×10^-7xy³-1×10^-7x³y,相位掩膜片3距前透镜8的距离L由远心光瞳的位置所确定，如图5所示，假定显微物镜1的物距为Δ，显微物镜1的物像共轭距为D，显微物镜1的像高为h，主光线在前透镜8上的最大高度为H，远心光阑的孔径角为θ，由几何光学易知：

考虑到实际系统中Δ<<D，Δ<<f，则上式的近似解为d ≈f+f²/D。我国规定生物显微镜的物像共轭距D为195mm，因此，相位掩膜片3距前透镜8的距离L为151mm。

图6为本实施例大景深数码显微系统在显微物镜1的数值孔径为0.65、放大倍数为40倍条件下点扩散函数示意图，如图6所示，图6中a部分，b部分，c部分分别对应于物距0.141mm，物距0.167mm和物距0.193mm。可见加了景深延拓器2后本发明大景深数码显微系统的点扩散函数在不同物距的情况下，虽然存在一定的弥散，但大小、形状及模糊分布基本一致，完全可以通过反卷积的方法进行数值滤波，最终得到清晰图像。

图7为本实施例大景深数码显微系统在显微物镜1的数值孔径为1.1、放大倍数为100倍条件下点扩散函数示意图，如图7所示，图7中a部分，b部分，c部分分别对应于物距0.193mm，物距0.198mm和物距0.203mm。同样，加了景深延拓器2后本发明大景深数码显微系统的点扩散函数在不同物距的情况下，虽然存在一定的弥散，但大小、形状及模糊分布基本一致，完全可以通过反卷积的方法进行数值滤波，最终得到清晰图像。

在空间频率域，数字解调器6将调制传递函数乘以一函数（衍射受限的调制传递函数和大景深数码显微系统的调制传递函数之比），使解调后的调制传递函数接近于受衍射限制的调制传递函数，以实现高分辨率。本领域的技术人员应该意识到，光学传递函数和点扩散函数分别表示镜头在空间频率域和空间域的传递信息的能力。它们可以通过傅里叶变换和反傅里叶变换互相转化，因此，数字解调器6实现包括空间频率域解调和/或空间域解调等解调方法。

现用分辨率为512*512的图像输出设备7来待观察的样品。本实施例大景深数码显微系统在显微物镜1的数值孔径为0.65、放大倍数为40倍条件下获得的信息经数字解调后得到的清晰像如图8所示，图8中a部分，b部分，c部分分别对应于物距0.141mm，物距0.167mm和物距0.193mm。可见在物距0.141mm至物距0.193mm之间的52um的景深范围内，系统均能清晰成像。

本实施例大景深数码显微系统在显微物镜1的数值孔径为1.1、放大倍数为100倍条件下获得的信息经数字解调后得到的清晰像如图9所示，图9中a部分，b部分，c部分分别对应于物距0.193mm，物距0.198mm和物距0.203mm。可见在物距0.193mm至物距0.203mm之间的10um的景深范围内，系统均能清晰成像。

综上，本实施例大景深数码显微系统在显微物镜1的数值孔径为0.65、放大倍数为40倍条件下显微物镜1的景深为52um，在显微物镜1的数值孔径为1.1、放大倍数为100倍条件下显微物镜1的景深为10um，分别是原来的24倍和13倍。

由于本发明大景深数码显微系统对物距都不敏感，即对离焦相关像差和不敏感，故系统加工的容差比传统数码显微镜系统会大很多。

上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims

1.一种大景深数码显微系统，包括显微物镜、带光电转换器件的电子目镜、与光电转换器件连接的数字解调器以及与数字解调器连接的图像输出设备，其特征在于，所述显微物镜与电子目镜之间设有景深延拓器，所述景深延拓器具有相位掩膜片，该相位掩膜片的一面满足式①方程：

z(x,y)=ax³+by³+cx⁴+dy⁴+ex²y²+fxy³+gx³y ①，

2.根据权利要求1所述的大景深数码显微系统，其特征在于，x,y取值范围均为[-r,r]，其中，r为通光孔径的半径。

3.根据权利要求1所述的大景深数码显微系统，其特征在于，所述相位掩膜片相对于满足式①方程一面的另一面为平面或者曲面。

4.根据权利要求1所述的大景深数码显微系统，其特征在于，所述景深延拓器包括依次布置在显微物镜和电子目镜之间的前透镜、相位掩膜片和后透镜，相位掩膜片朝向前透镜的一面满足式①方程，朝向后透镜的一面为平面。

5.根据权利要求1所述的大景深数码显微系统，其特征在于，所述景深延拓器包括依次布置在显微物镜和电子目镜之间的前透镜和相位掩膜片，所述相位掩膜片朝向前透镜一面满足式①方程，另一面为曲面。

6.根据权利要求1所述的大景深数码显微系统，其特征在于，所述显微物镜的像面和景深延拓器的物面重合；所述景深延拓器的像面与电子目镜的物面相重合。

7.根据权利要求1所述的大景深数码显微系统，其特征在于，式①方程中，a＝(4~6)×10^-3，b=(4~6)×10^-3，c=-(0.9~1.3)×10^-6，d=-(0.9~1.3)×10^-6，e=(2.5~3.5)×10^-7，f=-(0.8~1.2)×10^-7，g=-(0.8~1.2)×10^-7。

8.根据权利要求7所述的大景深数码显微系统，其特征在于，式①方程中，a=5×10^-3，b=5×10^-3，c=-1.1×10^-6，d=-1.1×10^-6，e=3×10^-7，f=-1×10^-7，g=-1×10^-7。