CN107037576B - 光学显微成像设备及其成像方法 - Google Patents

Abstract

一种光学显微成像设备，包括相机光敏面和物镜阵列，通过物镜阵列采集的图像在相机光敏面上成像；物镜阵列包括呈阵列排列的多个物镜，物镜阵列的光轴垂直于相机光敏面，多个物镜的采集端不在同一水平面上，多个物镜在光轴方向上的安装位置可调。此外，还提供一种成像方法。上述光学显微成像设备和成像方法，将多个物镜紧密排列成一个物镜阵列，通过调节物镜阵列的物镜在光轴方向上的安装位置，物镜阵列能将分布在不同三维空间位置的多个样品区域成像到同一个相机光敏面上，从而实现多个样品区域的同时观察。该光学显微成像设备和成像方法能在成像空间跨度大的多个样品区域的同时获取高空间分辨率的样品结构信息。能应用在显微成像相关的领域。

Description

光学显微成像设备及其成像方法

技术领域

本发明属于显微成像技术领域，尤其涉及一种光学显微成像设备及其成像方法。

背景技术

光学显微成像技术的两大发展趋势是：一、高的空间分辨率，即能获取清晰的样品细节信息；二、大的成像视野，即能同时看到一个面积大的样品空间内多个或全部的区域。

高的空间分辨率需要物镜具有高的数字孔径来保证光学分辨率，同时需要探测阵列(相机光敏面)的像元尺寸小来保证采样分辨率。而大的成像视野需要探测阵列(相机光敏面)的面积足够大。最直观的方法就是一个分辨率非常高(像元数量非常多)的探测阵列(相机)。

目前高分辨率大光敏面积的相机也在快速发展之中，但目前最高配的相机在很多应用中仍无法同时满足人们对高的空间分辨率和大视野的需求，更高分辨率的相机的出现还需要一段时间的发展。

一个大的成像视野中，人们感兴趣的可能只是其中若干个区域，只是这些区域的水平位置跨度很大，而且很可能位于不同轴向位置上。因此，一般的相机不能获得较为清晰的图像。

发明内容

有鉴于此，有必要提供一种能够对在不同轴向位置上的多个区域清晰成像的光学显微成像设备及其成像方法。

一种光学显微成像设备，包括相机光敏面和物镜阵列，通过物镜阵列采集的图像在所述相机光敏面上成像；

所述物镜阵列包括呈阵列排列的多个物镜，所述物镜阵列的光轴垂直于所述相机光敏面，所述多个物镜的采集端不在同一水平面上，所述多个物镜在光轴方向上的安装位置可调。

在其中一个实施例中，所述物镜阵列的排列方式为线阵并排排列、矩阵排列或同心圆排列。

在其中一个实施例中，相邻所述物镜的间距不超过单个所述物镜的直径。

在其中一个实施例中，每两个所述物镜所成的像在所述相机光敏面上相互重叠的面积不超过成像本身大小的20％。

在其中一个实施例中，所述物镜阵列与相机光敏面之间包括中继光路。

在其中一个实施例中，所述中继光路包括至少一个透镜。

一种采用上述光学显微成像设备的成像方法，包括如下步骤：

将所述物镜阵列的采集端置于位于不同三维空间位置的多个样品区域的上方；

分别调节所述多个物镜在光轴方向上的安装位置，使所述多个物镜采集的多个样品区域在所述相机光敏面上的成像。

在其中一个实施例中，所述物镜阵列的排列方式为线阵并排排列、矩阵排列或同心圆排列。

在其中一个实施例中，相邻所述物镜的间距不超过单个所述物镜的直径。

在其中一个实施例中，每两个所述物镜所成的像在所述相机光敏面上相互重叠的面积不超过成像本身大小的20％。

上述光学显微成像设备和成像方法，将多个物镜紧密排列成一个物镜阵列，通过调节物镜阵列的物镜在光轴方向上的安装位置，物镜阵列能将分布在不同三维空间位置的多个样品区域成像到同一个相机光敏面上，从而实现多个样品区域的同时观察。该光学显微成像设备和成像方法能在成像空间跨度大的多个样品区域的同时获取高空间分辨率的样品结构信息。能应用在显微成像相关的领域。

附图说明

图1为一实施方式的光学显微成像设备。

图2为另一实施方式的光学显微成像设备。

图3为一实施方式的3乘3矩阵排列的物镜阵列的截面示意图。

图4为图3所示的3乘3矩阵排列物镜阵列对应的多个样品区域。

图5为图3所示的3乘3矩阵排列物镜阵列对应的多个样品区域的成像。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参阅图1，一实施方式的光学显微成像设备100，包括物镜阵列10和相机光敏面30，通过物镜阵列10采集的图像在相机光敏面30上成像。

物镜阵列10包括呈阵列排列的多个物镜，物镜阵列的光轴垂直于相机光敏面30，多个物镜的采集端不在同一水平面上，多个物镜在光轴方向上的安装位置可调。光轴方向如图1中箭头方向所示。

样品焦平面20位于物镜阵列10的采集端。样品焦平面20可以分为处于不同三维空间位置的多个样品区域。物镜阵列10的多个物镜对应的多个样品区域位于不同三维空间位置。物镜在光轴方向上的安装位置能根据其对应的样品区域的轴向位置进行调整，使物镜阵列10的成像位于同一个相机光敏面30上。物镜阵列10将位于不同三维空间位置的多个样品区域成像到同一个相机光敏面30上，从而实现多个样品区域的同时观察。

由于是只获取多个样品区域的信息而不是所有样品空间的信息，因此相机光敏面30的面积足够获取这些样品区域的信息，并且成像分辨率足够高。这些样品区域的空间跨度与相机光敏面30直径大小相当。

可以理解，根据样品区域的分布特点，物镜列阵10的排列方式可以为线阵并排排列、矩阵排列或同心圆排列等多类型的排列方式。此外，为保证相机光敏面30的利用率，相邻物镜的间距最好不超过单个物镜的直径。

在其中一个实施方式中，每两个物镜所成的像在相机光敏面30上互不重叠。在其他实施方式中，为保证像的图像质量，控制物镜的放大率使每两个物镜所成的像在相机光敏面30上相互重叠的面积不超过成像本身大小的20％。

在其中一个实施方式中，物镜列阵10中的物镜的参数相同，此时，能够降低制造难度。可以理解，在其他实施方式中，由于实际情况下，每个感兴趣的样品区域面积并不雷同，因此并不要求构成物镜列阵10的每一个物镜参数相同，不要求每个物镜对应的样品区域的面积和对应像的面积相等。

请参考图2，光学显微成像设备的物镜阵列与相机光敏面之间可以加入中继光路40。用以增加样品与相机之间的距离，或进一步增加成像放大倍率。中继光路40包括至少一个透镜。具体的，图2所示的实施例中，中激光路40包括两个透镜41和42。

上述光学显微成像设备100，将多个物镜紧密排列成一个物镜阵列10，通过调节物镜阵列10的物镜在光轴方向上的安装位置，物镜阵列10能将分布在不同三维空间位置的多个样品区域成像到同一个相机光敏面30上，从而实现多个样品区域的同时观察。该光学显微成像设备100能在成像空间跨度大的多个样品区域的同时获取高空间分辨率的样品结构信息。能应用在显微成像相关的领域。

此外，还提供一种成像方法，该成像方法采用上述光学显微成像设备100成像，包括如下步骤：

S10、将物镜阵列的采集端置于位于不同三维空间位置的多个样品区域的上方。

可以理解，根据样品区域的分布特点，物镜列阵10的排列方式可以为线阵并排排列、矩阵排列或同心圆排列等多类型的排列方式。此外，为保证相机光敏面30的利用率，相邻物镜的间距最好不超过单个物镜的直径。

在其中一个实施方式中，每两个物镜所成的像在相机光敏面30上互不重叠。在其他实施方式中，为保证像的图像质量，控制物镜的放大率使每两个物镜所成的像在相机光敏面30上相互重叠的面积不超过成像本身大小的20％。

在其中一个实施方式中，物镜列阵中的物镜的参数相同，此时，能够降低制造难度。可以理解，在其他实施方式中，由于实际情况下，每个感兴趣的样品区域面积并不雷同，因此并不要求构成物镜列阵的每一个物镜参数相同，不要求每个物镜对应的样品区域的面积和对应像的面积相等。

S20、分别调节多个物镜在光轴方向上的安装位置，使多个物镜采集的多个样品区域在相机光敏面上的成像。

物镜阵列与相机光敏面之间可以加入中继光路。用以增加样品与相机之间的距离，或进一步增加成像放大倍率。中继光路包括至少一个透镜。

上述成像方法，通过调节物镜阵列10的物镜在光轴方向上的安装位置，物镜阵列10能将分布在不同三维空间位置的多个样品区域成像到同一个相机光敏面30上，从而实现多个样品区域的同时观察。该方法能在成像空间跨度大的多个样品区域的同时获取高空间分辨率的样品结构信息。能应用在显微成像相关的领域。

下面为一个具体实施例。

请参考图1，为本实施例提供的一种物镜阵列，该物镜阵列由并排的四个物镜构成，分别是物镜11、物镜12、物镜13、物镜14。

为保证相机光敏面的利用率，要求相邻物镜的间距最好不超过单个物镜的直径，如图1中物镜11的直径为D，物镜11与物镜12的间距为d，最好需要满足D>d。

样品区域21、22、23、24分别为物镜11、12、13、14在样品焦平面上对应的样品区域。物镜阵列将多个样品区域放大成像于相机光敏面上，从而同时获取多个样品区域的结构信息。像31、32、33、34分别是样品区域21、22、23、24在相机光敏面上的像。

物镜排列方法除了线阵并排排列，还包括矩阵排列、同心圆排列等多种类型排列方式。图3提供的实施例为一种3乘3矩阵排列的物镜阵列。

图3中的3乘3矩阵排列的物镜阵列由物镜11、12、13、14、15、16、17、18、19构成。它们每3个一排，每3个一列，构成了一个3乘3矩阵排列的物镜阵列。

图4为图3的3乘3矩阵排列物镜阵列对应的在样品焦平面上的多个样品区域。图中样品区域21、22、23、24、25、26、27、28、29分别为图3中物镜11、12、13、14、15、16、17、18、19在样品焦平面上对应的样品区域，它们在样品焦平面也呈3乘3矩阵排列。

图5为图3的3乘3矩阵排列物镜阵列对应的在相机光敏面上的多个样品区域的像。像31、32、33、34、35、36、37、38、39分别是样品区域21、22、23、24、25、26、27、28、29经过物镜阵列后成像在相机光敏面上的像，它们在相机光敏面也呈3乘3矩阵排列。

图1所示的光学显微成像设备中，样品区域21、22、23、24除了水平方向上的位置不同外，也可以位于不同的轴向位置，这时各个物镜在光轴方向上的安装位置需要根据其对应的样品区域的轴向位置进行调整，使像31、32、33、34位于同一个平面上。

图2所示的光学显微成像设备中具有中继光路40。与图1相似，物镜11、12、13、14组成物镜阵列分别将样品区域21、22、23、24成像为像31、32、33、34。透镜41与透镜42构成了一组中继光路，物镜阵列的像平面位于透镜41的焦平面上，相机光敏面位于透镜42的焦平面上。像31、32、33、34经过透镜41与透镜42进行二次成像，二次像位于相机光敏面上，分别为像51、52、53、54。

为保证像的图像质量，控制物镜的放大率使每两个样品区域的像在相机光敏面上尽量不相互重叠。如果无法避免相互重叠，其相互重叠的面积最好不超过成像本身大小的20％。

图2所示的光学显微成像设备中，样品区域21、22、23、24除了水平方向上的位置不同外，也可以位于不同的轴向位置，这时各个物镜在光轴方向上的安装位置需要根据其对应的样品区域的轴向位置进行调整，使像31、32、33、34仍然位于同一个平面上，进而二次像51、52、53、54也位于同一个相机光敏面上。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种光学显微成像设备的成像方法，所述光学显微成像设备包括：相机光敏面和物镜阵列，通过物镜阵列采集的图像在所述相机光敏面上成像；所述物镜阵列包括呈阵列排列的多个物镜，所述物镜阵列的光轴垂直于所述相机光敏面，所述多个物镜的采集端不在同一水平面上，所述多个物镜在光轴方向上的安装位置可调，其特征在于，包括如下步骤：

将所述物镜阵列的采集端置于位于不同三维空间位置的多个样品区域的上方；

分别调节所述多个物镜在光轴方向上的安装位置，使所述多个物镜采集的多个样品区域在所述相机光敏面上的成像；

其中，每两个所述物镜所成的像在所述相机光敏面上相互重叠的面积不超过成像本身大小的20％。

2.如权利要求1所述的成像方法，其特征在于，所述物镜阵列的排列方式为线阵并排排列、矩阵排列或同心圆排列。

3.如权利要求1所述的成像方法，其特征在于，相邻所述物镜的间距不超过单个所述物镜的直径。

4.如权利要求1所述的成像方法，其特征在于，所述物镜阵列与相机光敏面之间包括中继光路。

5.如权利要求4所述的成像方法，其特征在于，所述中继光路包括至少一个透镜。