CN103728718B - 一种多光谱显微镜多重光照明方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多光谱显微镜多重光照明方法，包括以下步骤：1）白光光束经扩束匀光处理后得到宽视场照明光，对宽视场照明光进行分光，并通过空间频谱转换和整形后得到均匀复色光；2）将均匀复色光中不同波长的光进行光谱选择和谱宽调节，得到均匀单色光；3）把所述的均匀单色光转换为环形照明光，并调节环形照明光的环径后，对样品进行离轴照明。本发明还公开了一种多光谱显微镜多重光照明装置。本发明采用了多光谱照明和离轴照明技术，且共用一个系统，紧凑；应用范围广泛，可根据需要任选择照明光谱以及入射光照角度；装置结构简洁，方便快速高精度调整，且不会产生相互干扰。

Description

一种多光谱显微镜多重光照明方法和装置
技术领域
本发明属于显微镜照明技术领域，尤其涉及一种多光谱显微镜多重光照明方法和装置。
背景技术
随着科学技术的发展，人们不断追求越来越小的尺寸结构和越来越高的分辨能力。在显微成像领域，这一点显得尤为重要，一种好的照明方法对显微镜成像的效果影响甚远。
由瑞利判据可知，系统的分辨率R=k1λ/NA，其中k1为工艺因子，A为曝光波长，NA为数值孔径。要想提高系统的分辨率，可降低k1和λ，增大NA。但是λ和NA的改变存在诸多的限制，因此在其一定的情况下必须通过采用降低k1因子的分辨率增强技术，才能进一步延展系统的分辨率极限。目前主要有离轴照明、像移掩模、光学邻近效应校正等技术。
早期的技术是通过引入不同形状孔径光阑来实现离轴照明，虽然提高了分辨率，但是光阑的使用带来了一部分能量损失，这对实现高效、均匀的照明非常不利。
衍射光学元件（DOE）作为一种常用的光束整形元件，特点是能够在保持较高衍射效率的同时对光强分布进行精确控制，因此DOE成为实现离轴照明的理想元件，但是DOE设计数据量巨大，单元尺寸达到微米甚至亚微米，对加工工艺要求过高。
近年来，德国的LIMO公司将不对称的非球面微镜阵列（ROE）应用于离轴照明实现过结构光照，效率可接近100%，但是由于加工技术为LIMO所独有价格昂贵，使得不能得到广泛应用。
普通的激光光源和单色光照明中，光源的谱宽较小，应用范围较为狭窄，不能在广泛领域得到应用。
综上所述，需要提出一种新的照明方法，来实现能提供多种光谱照明，并且应用离轴照明技术来提高分辨率的多重光照明方式。
发明内容
本发明提供了一种多光谱显微镜多重光照明方法和装置，通过对照明光的光谱选择和照明方式的改进，有效提高了系统的应用范围，分辨率和照明效率等。
一种多光谱显微镜多重光照明方法，分为以下步骤：
1）白光光束经扩束匀光处理后得到宽视场照明光，对宽视场照明光进行分光，并通过空间频谱转换和整形后得到均匀复色光；
2）将均匀复色光中不同波长的光进行光谱选择和谱宽调节，得到均匀单色光；
3）把所述的均匀单色光转换为环形照明光，并调节环形照明光的环径后，对样品进行离轴照明。
所述的白光光束依次通过扩束透镜组和双排复眼透镜进行扩束匀光处理。
在步骤1）中，利用光栅对所述的宽视场照明光进行分光，并采用傅里叶透镜进行空间频谱转换和整形。
在步骤2）中，利用一级空间光调制器进行光谱选择和谱宽调节。
在步骤3）中，通过锥镜组将均匀单色光转换为环形照明光，并利用二级空间光调制器改变所述环形照明光的环径。
所述白光光束的光源为汞灯，具有高辐射，多光谱，寿命长等特点。
所述白光光束通过扩束准直及双排复眼透镜实现宽视场（3cmX3cm）均匀照明。
所述一级空间光调制器控制选择不同波长的光透过，并实现10nm谱宽的光谱选择。
所述锥镜组获得可调节的环形照明光，透过成像透镜经过反射镜映射在二级空间光调制器，电控通透范围，实现环形光入射角的时变选择。
本发明还提供了一种多光谱显微镜多重光照明装置，包括：包括沿光路依次布置的白光光源、扩束匀光模块、光谱选择模块和照明调节模块；
所述的扩束匀光模块，用于对白光光源发出的光束进行扩束匀光处理并得到宽视场照明光；
所述的光谱选择模块，用于将宽视场照明光转化为均匀复色光，并对均匀复色光进行光谱选择得到均匀单色光；
所述的照明调节模块，用于将均匀单色光转换为环形照明光，并对环形照明光进行环径调节，所述照明调节模块出射的光束对样品进行离轴照明。
所述的扩束匀光模块包括沿光路依次布置的扩束透镜组和双排复眼透镜。
所述的光谱选择模块包括沿光路依次布置的光栅、傅里叶透镜和一级空间光调制器。
所述的照明调节模块包括沿光路依次布置的锥镜组、第一成像透镜、二级空间光调制器和第二成像透镜。
在本发明中，沿所述白光光束光路依次布置有扩束透镜组、双排复眼透镜、光栅，傅里叶透镜；用于波长选择的一级空间光调制器；用于获得环形照明角度变化的锥镜组、反射镜，用于实现环形光入射角时变选择的二级空间光调制器，用于准直的成像透镜。
所述光栅用来实现分光，应该置于傅里叶透镜的物方焦平面上，这样可得到多种光谱，投射在一级空间光调制器不同位置上。
所述锥镜组空气间隙可调，安置于所述成像透镜的物方焦平面上，可获得不同半径大小的环形光。光经过反射镜再投射到二级空间光调制器，使得系统的结构紧凑，布置合理。
为了保证投射在样品上的光均匀照射，所述二级空间光调制器应置于所述成像透镜的物方焦平面上。
本发明的工作原理如下：
白光光束经过扩束透镜组放大后得到平整的光束，经过双排复眼透镜后获得均匀的宽视场照明光。然后经过光栅，基于多缝夫琅禾费衍射原理，光栅具有分光能力，将组成白光的不同波长的光谱被分开。由于光栅位于傅里叶透镜的物方焦平面，经过傅里叶透镜空间频谱转换和整形后出射的均匀复色光平行投射到一级空间光调制器上。不同波长的光投射到一级空间光调制器的不同位置，通过人为控制，就可以选择其中一种透过，达到了光谱选择和调节谱宽的效果，因此可以根据需要选取不同波长的照明光。
选定一种波长的光谱之后，出射均匀单色光，一级空间光调制器位于傅里叶透镜物方焦平面，经过傅里叶透镜出射平行光打在锥镜组上。由于锥镜组镜片之间存在一定的空气间隙，因此出射光是具有一定大小的环形照明光，调节空气间隙，可得到不同半径大小的环形照明光。经过成像透镜和反射镜后，光束投射到二级空间光调制器上，形成一个环形光斑，通过控制二级空间光调制器，可在锥镜组控制的环形照明光范围内随意调节透过的光的范围，然后经过成像透镜，达到了环形入射角的时变选择，而且实现了均匀照明。由于环形照明光与主光轴有一定的夹角，形成了离轴照明，辐射光经过样品发生衍射，0级和±1级甚至±2级光都参与成像，反映出更多的信息，提高系统的分辨率，增加焦深并提高成像对比度。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
（1）采用了多光谱照明和离轴照明技术，且共用一个系统，紧凑；
（2）应用范围广泛，可根据需要任选择照明光谱以及入射光照角度；
（3）装置结构简洁，方便快速高精度调整，且不会产生相互干扰。
附图说明
图1为本发明一种多光谱显微镜多重光照明装置的结构示意图。
图2为本发明的光源扩束匀光系统。
图3为本发明的多光谱选择系统。
图4为本发明的多重光选择系统。
图5为本发明的环形照明光获取原理图。
图6为本发明环形光离轴照明示意图。
具体实施方式
如图1所示，一种基于多种光谱多重光照明方式的显微镜照明装置，包括光源1，扩束透镜组2，双排复眼透镜3，光栅4，傅里叶透镜5，一级空间光调制器6，锥镜组7，成像透镜8，反射镜9，二级空间光调制器10，成像透镜11和样品12。
其中，光源1发出光束，扩束透镜组2，双排复眼透镜3，光栅4，傅里叶透镜5，一级空间调制器6，锥镜组7，成像透镜8，反射镜9，二级空间光调制器10，成像透镜11，依次设置在光束光路的光轴上。
按照系统的工作原理，可将该系统分为3个部分，扩束匀光模块，光谱选择模块，多重光照明调节模块。光源发出的白光要经过扩束和匀光再使用。如图2所示，光经过扩束透镜组2，其由两个透镜组成，前一个的像方焦距与后一个的物方焦距重合，这样使出射光为平行光束。光束经过双排复眼透镜3后，光变的极为均匀且平行。
出射的平行均匀光打在光栅4上，接着光就进入了光谱选择模块。光栅4使光发生色散，由于不同单色光的波长差别，光从光栅4出射便分散开来。调节光栅4和傅里叶透镜5之间的距离，使得光栅4位于傅里叶透镜5的物方焦平面上，这样从傅里叶透明5出射的光就为分散平行光。傅里叶透镜5的作用是聚光和减小像差，接受光栅4发出的光使之平行出射。接着不同波长的光投射在一级空间光调制器6不同位置上，如图3所示，此时不同波长的光谱已分开，因此可以选择不同的光谱透过。均匀白光经过光谱选择系统后就可以根据需要来使用不同波长的照明光，调节一级空间光调制器6，在对光谱进行选择的同时还可以调节谱宽，达到预期的要求。因此，可以根据需要来选照明光谱，这大大扩展了照明系统的使用范围。这就是整个系统的多光谱选择部分。
接着光进入多重光调节模块。调节锥镜组7的位置，使得其位于一级空间光调制器6出射的光路的光轴上。这样出射的光源平行光到达锥镜组7的中心位置。锥镜组7对光具有发散作用，中间的光就会向外部发散，形成了暗环，得到一个环形光斑。调节锥镜组7镜片之间的空气间隙，可以得到不同大小的环形光斑。
如图5所示，光束经过锥镜组7形成的环形光斑可看成半径分别r1和R1的圆组成的圆环，当把空气间隙拉大时，锥镜组对光的发散作用加强，环形光斑向外扩散，光环半径变得更加大，半径变为r2和R2，相反，减小空气间隙时光环半径减小，因此，调节空气间隙的厚度，可以得到不同半径的环形照明光。
锥镜组实现了环形照明光的变化，加上二级空间光调制器10就可以实现环形照明光入射角的时变选择。如图4所示，光路通过锥镜组7后，平行投射到用于聚光的成像透镜8上，为了使系统结构紧凑，在光投射到二级空间光调制器10前加反射镜9改变光路。光通过反射镜9之后，光斑成像在二级空间光调制器10上，这相当于锥镜组7的物方光斑经过成像透镜8在二级空间光调制器10上形成像方光斑。此时，环形光斑的环径为（R-r），通过调节二级空间光调制器10，可控制照明光的环径为0～（R-r）。调节透镜11的位置，使二级空间光调制器10位于其物方焦平面上。不同环径的照明光透过透镜后照射到样品上的角度就会不同，这样就实现了环形照明光入射角的时变选择。如图6所示，由于环形照明光与主光轴有一定的夹角，形成了离轴照明。与垂直照明不同，辐射光经过样品发生衍射，0级和±1级甚至±2级光都参与成像，反映出更多的信息，提高系统的分辨率，增加焦深并提高成像对比度。

Claims (6)

1.一种多光谱显微镜多重光照明方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)白光光束经扩束匀光处理后得到宽视场照明光，对宽视场照明光进行分光，并通过空间频谱转换和整形后得到均匀复色光；
2)将均匀复色光中不同波长的光进行光谱选择和谱宽调节，得到均匀单色光；
在步骤2)中，利用一级空间光调制器进行光谱选择和谱宽调节；
3)把所述的均匀单色光转换为环形照明光，并调节环形照明光的环径后，对样品进行离轴照明；
在步骤3)中，通过锥镜组将均匀单色光转换为环形照明光，并利用二级空间光调制器改变所述环形照明光的环径以及照射到样品上的角度。
2.如权利要求1所述的多光谱显微镜多重光照明方法，其特征在于，所述的白光光束依次通过扩束透镜组和双排复眼透镜进行扩束匀光处理。
3.如权利要求1所述的多光谱显微镜多重光照明方法，其特征在于，在步骤1)中，利用光栅对所述的宽视场照明光进行分光，并采用傅里叶透镜进行空间频谱转换和整形。
4.一种多光谱显微镜多重光照明装置，其特征在于，包括沿光路依次布置的白光光源、扩束匀光模块、光谱选择模块和照明调节模块；
所述的扩束匀光模块，用于对白光光源发出的光束进行扩束匀光处理并得到宽视场照明光；
所述的光谱选择模块，用于将宽视场照明光转化为均匀复色光，并对均匀复色光进行光谱选择得到均匀单色光；
所述的光谱选择模块包括沿光路依次布置的光栅、傅里叶透镜和一级空间光调制器；
所述的照明调节模块，用于将均匀单色光转换为环形照明光，并对环形照明光进行环径调节以及改变照射至样品的角度，所述照明调节模块出射的光束对样品进行离轴照明；
所述的照明调节模块包括沿光路依次布置的锥镜组、第一成像透镜、二级空间光调制器和第二成像透镜。
5.如权利要求4所述的多光谱显微镜多重光照明装置，其特征在于，所述的白光光源为汞灯或氙灯。
6.如权利要求4所述的多光谱显微镜多重光照明装置，其特征在于，所述的扩束匀光模块包括沿光路依次布置的扩束透镜组和双排复眼透镜。
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