CN104614847B - 一种宽视场高分辨率显微成像系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽视场高分辨率显微成像系统，包括沿光路依次布置的：用于发出照射样品的光束的光源；宽视场一次成像部分，用于对带有样品信息的光进行一次成像，形成一个曲形像面；高分辨二次成像部分，用于对所述的曲形像面进行分视场采集，完成二次成像。本发明还公开了一种宽视场高分辨率显微成像方法。本发明利用二次成像和视场拼接技术，分辨率高，视场大；采用曲面成像，有效减少像差，提高成像质量。

Description

一种宽视场高分辨率显微成像系统和方法

技术领域

本发明属于显微镜成像技术领域，尤其涉及一种宽视场高分辨率显微成像系统和方法。

背景技术

随着科学技术的发展，人们在医用生理和病理观测上不断追求越来大的观测范围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。一种好的成像方法对最终观测效果影响甚远。足够宽并且清晰的观测视场能够观察到整个生理过程和物质的转移，能够促进医学发展。然而宽大的观测视场和超高的分辨率始终是一对矛盾。在现有的光电成像系统，特别是显微成像中，物面和像面均为平面，物点和像点一一映射，在视场边缘像差严重难以矫正，当视场较大时，难以获得清晰的高分辨率图像。因此，找到一种成像方法，在具有较大视场的同时，又能获得高分辨率图像，显得十分迫切。

斯坦福大学于2007年发明了利用密集摄像头阵列设计的动态光场成像系统，可实现图像分辨率3600万像素，并提供全景深成像，但是满足不了显微成像领域的分辨率要求。

加州理工学院在2012年研制了线阵CCD扫描成像仪，用于观测肝癌细胞成像，获得0.75cmx1cm视场，光学分辨率0.77um，像素分辨率54亿像素，但是无法获得动态样本成像，景深单一，成像质量较差。

美国科学院院士Joshua Sanes教授提到：“神经科学的一个中心目标是揭示神经环路图谱”。然而，目前所有针对神经环路成像的手段都有其致命的局限性，现有仪器精确描述环路图谱极端困难；麻省理工学院的Robert Weinberg教授断言，新型的成像系统能够提供过去难以想象的肿瘤转移过程实时动态的可视化信息，将彻底改变肿瘤转移的研究面貌。

综上所述，需要提出一种新的显微成像方法，来实现宽观测视场，高图像分辨的显微观测指标。

发明内容

本发明提供了一种宽视场高分辨率显微成像系统及方法，通过对物镜的设计和成像方法的改进，有效地增大了观测视场，提高了分辨率。

一种宽视场高分辨率显微成像方法，包括：

1)样品被光源照射后，光经过成像物镜一次成像，形成一个曲形像面；物镜由三个镜组构成，用于校正像差并增大视场。

2)用小透镜对中间弯曲像面进行分视场采集，在中间像面位置安放场镜使得物镜和小透镜主光线匹配。

3)在每个小透镜后面放一块成像CCD采集光线，二次成像。

4)利用小透镜部分成像重叠视场进行视场拼接，最终得到宽视场高分辨显微图像。

所述成像物镜有多个镜组，20多片球面镜片构成，用于获得厘米计宽视场，具有结构复杂排布精巧，相比于非球面镜易于加工实现等特点。

所述物镜曲面成像，获得弯曲的中间像不同于平面成像，有利于减小像面弯曲，易于减小场曲，校正像差。

所述用于匹配成像物镜和小透镜主光线的场镜为双胶合透镜，每个小透镜对应一块场镜，形状为六边形，用于拼接成与中间曲行像面相对应的一个整体。

所述每个小透镜负责各自的一部分视场，进行分视场校正相差，具有了更大的灵活度。

本发明还提供了一种宽视场高分辨率显微成像系统，包括：

按照显微成像光路依次布置的样品；

用于获得宽视场的成像物镜；

用于主光线匹配的场镜阵列，用于获得校像差，获得高分辨率图像的小透镜阵列；

用于采集光线成像的CCD成像面。

所述的宽视场成像物镜由多个镜片组构成。前组采用正片结构，用于将主面前移，获得长焦距，短工作距离；中间组采用基本对称结构，用于校正大孔径离轴像差；后组选用高阿贝系数玻璃来矫正色差最终获得宽视场(3cmX3cm)。

中间像面形成一个曲面，作为二次成像的中间像面，打破现有光电成像系统物理边界约束，有效减少宽视场边缘的场曲像差。

场镜安放在中间曲形像面成像位置，解决了主光线匹配问题，减小了渐晕。小透镜阵列位于场镜之后，按照排布位置负责不同的成像区域，校正各自像差，最后CCD拼接成像。

本发明的原理：样品经过照明光照射之后，带有样品信息的光通过成像物镜方法之后曲行像面，看成是一次成像后的中间像面。物镜是由20多块球面经划分成前后两个镜组组成的。前组采用正片结构用于将主面前移，获得长焦距，短工作距离；中间组采用基本对称结构，用于校正大孔径离轴像差；后组选用高阿贝系数玻璃来矫正色差最终获得宽视场。由物镜获得的曲形像面不同传统仪器的像平面，由于每一个像面上的点都是轴上点，所以像差得到很到的遏制，减少了后面小透镜校正像差的压力。物镜获得的整个样品的视场有后面的小透镜分视场采集，各自负责一部分成像以及校正像差。

小透镜和物镜设计到光瞳匹配和主光线匹配的问题，在中间像面上放置使轴外光束转向小透镜可以解决这个问题。场镜的光焦度对整个成像系统的光焦度并无贡献，不影响轴上点光束和系统的放大率。在相邻小透镜之间会有一部分光同时透过2个或3个小透镜，在各自的CCD上成像。这样相邻小透镜直接就会形成一部分的叠加视场，用于后续相邻视场拼接处理成一副完整的图像。整一副图像的像素为所有CCD像素之和，大大地提高了图像分辨率。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

(1)采用曲面成像，有效减少像差，提高成像质量；

(2)成像物镜设计精巧，可获得厘米计级宽视场；

(3)利用二次成像和视场拼接技术，分辨率高，视场大；

(4)成像物镜，场镜和小透镜镜片全部采用球面镜，易于加工，成本较低。

附图说明

图1为本发明中宽视场高分辨率显微成像装置的结构示意图；

图2为本发明中宽视场物镜的结构示意图；

图3为本发明的场镜阵列排布图；

图4为本发明中安放在场镜后面的小透镜结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种基于宽视场高分辨率显微成像装置的显微镜成像模块结构，包括样品1，宽视场成像物镜2，场镜阵列3，微型相机阵列4。

其中，光源发出光束后，照射到样品1上，宽视场成像物镜2，场镜阵列3，成像小透镜4.1和采集光线的CCD4.2依次设置在光束光路的光轴上。

按照成像系统的工作原理，可将该系统分为2个部分，宽视场一次成像部分和高分辨二次成像部分。光源发出的白光经过照明系统透过样品之后，光经过宽视场成像物镜2。根据3cmX3cm大视场要求，该物镜2设计时被分为3个部分：前组镜片2.1，中间组镜片2.2，后组镜片2.3。按照发明内容中提到的设计思想为依据，将镜片结构设计复杂化，巧妙化。如图2所示，前组镜片2.1采用总体正片结构。考虑到较大的后工作距，前部分3片为正-负-正结构，后两片为负片结构，用于将主面前移，增大工作距，扩大反远距比；中间组镜片2.2以基本对称结构为设计思想，分为前后两个部分，前部分有4片组成，为正-负-负正的总体负片结构，后部分关于光阑基本对称(比如光阑两边位置相同的面都是凹面或者凸面，半径，厚度差不多)，用于校正大孔径离轴像差，提高图像清晰度；后组镜片2.3采用高色散系数玻璃来校正色差。最后放置一块棱镜是为了与照明系统衔接，引进照明光到样品上。整体排布见表一。

表一：宽视场物镜镜片明细表

光从宽视场物镜2出射后，形成一个曲形像面，即一次成像。曲形像面可以有效地减小像面弯曲，因此可沿着像面排布成像小透镜和CCD采集光线二次成像。但是考虑到宽视场物镜和成像4.1的主光线匹配问题，以及减小成像小透镜的口径，可先沿曲形像面放置场镜阵列3(参考对象；D.Marks and D.Brady,Close-up imaging using microcameraarrays for focal plane synthesis)使得前后两个成像部分光瞳衔接，如图3所示。场镜3的六边形排布有利于结构紧凑，增大光通量等。然后在每个场镜之后对应放置微型相机4，由成像小透镜4.1和CCD 4.2构成，见图4。成像小透镜4.1以双高斯结构为初始设计结构，后组增加了一片透镜增加自由度以校正相差。成像小透镜4.1对宽视场物镜形成的一次像面进行分视场采集，每个小透镜负责对各自的视场成像，增加了自由度。而相邻的成像小透镜4.1之间的视场有重叠部分，用于后续的图像拼接。最终光线到达成像小透镜4.1后面的CCD4.2上，完成了二次成像。这样，整一幅图就由多个小透镜共同成像完成，图像的分辨率就是所有CCD模块的像素之和，选取一定分辨率的CCD，就可以获得高分辨图像。图像拼接由后续的算法以及图像处理完成。

本实施例中，宽视场物镜除了全部用球面镜之外，还可以采用非球面结构。即将物镜中的几片球面结构换成非球面，提高了自由度，可以改善成像质量，达到更好的效果。这里将其中的2、5、8、19、32这5个面换成了偶次非球面，具体数据见下表：

此设计中的非球面采用偶次非球面形式，即非球面的面型可用一个偶此项的数学多项式来表示，例如y＝a₀+a₁X²+a₂X⁴+a₃X⁶+a₄X⁸+a₅X¹⁰.......其中y指的是面型，a指每一阶的系数，每个偶次非球面的高阶系数如下：

在表1和非球面数据表中，surface表示面，就是说一个透镜有两个面，后面的数字表示面的序号，如果有20个镜片，就有40个面，最后一个是成像面，radius是每个面的半径，因为是球面，所以都有半径，在非球面中指的是的0阶系数还有thickness指的是一个面的中心到下一个面的中心的距离。

Claims (6)

1.一种宽视场高分辨率显微成像系统，其特征在于，包括沿光路依次布置的：

用于发出照射样品的光束的光源；

宽视场一次成像部分，用于对带有样品信息的光进行一次成像，形成一个曲形像面；所述的宽视场一次成像部分采用宽视场成像物镜，具有沿光路依次布置的：

前组镜片，用于将主面前移并获得长焦距，由依次排布的五个镜片组成，前3片为正-负-正结构，后两片为负片结构；

中间组镜片，用于校正大孔径离轴像差，呈基本对称结构，前部分由4片组成，为正-负-负正的总体负片结构，后部分关于光阑基本对称；

后组镜片，用于获得宽视场的曲形像面，采用高色散系数玻璃的镜片；

高分辨二次成像部分，用于对所述的曲形像面进行分视场采集，完成二次成像。

2.如权利要求1所述的宽视场高分辨率显微成像系统，其特征在于，所述的宽视场一次成像部分和高分辨二次成像部分之间设有沿曲形像面放置的场镜阵列。

3.如权利要求2所述的宽视场高分辨率显微成像系统，其特征在于，所述的场镜阵列为紧凑排布的六边形场镜。

4.如权利要求1所述的宽视场高分辨率显微成像系统，其特征在于，所述的高分辨二次成像部分由成像小透镜和CCD组成。

5.如权利要求4所述的宽视场高分辨率显微成像系统，其特征在于，所述的成像小透镜为双高斯结构，用于曲形像面进行分视场采集。

6.一种宽视场高分辨率显微成像方法，其特征在于，包括步骤：

1)样品被光源照射后，光经过成像物镜一次成像，形成曲形像面；

所述的成像物镜，具有沿光路依次布置的：

前组镜片，用于将主面前移并获得长焦距，由依次排布的五个镜片组成，前3片为正-负-正结构，后两片为负片结构；

中间组镜片，用于校正大孔径离轴像差，呈基本对称结构，前部分由4片组成，为正-负-负正的总体负片结构，后部分关于光阑基本对称；

后组镜片，用于获得宽视场的曲形像面，采用高色散系数玻璃的镜片；

2)对中间弯曲的曲形像面进行分视场采集，并采用成像CCD对分视场采集后的光线进行二次成像；

3)将成像重叠视场进行视场拼接，最终得到宽视场高分辨显微图像。