CN109752842B - 一种基于消球差的超构透镜的层析成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于消球差的超构透镜的层析成像方法，即基于超构消球差透镜利用波长编码的层析成像技术，基于(1)光源探头，(2)消球差的超构透镜；(3)线偏振片和(4)四分之一波片可作为辅助光学元件插入成像系统中用于直接提高信噪比，设有感光器(5)置于成像面上用于接受图像；通过相对连续的不同波长的照射，获取波长编码的像面信息，再通过相应算法处理得到物体的层析图像信息。本发明采用超构表面的设计原理，利用相位实现对色差的调控和球差的矫正。

Description

一种基于消球差的超构透镜的层析成像方法

技术领域

本发明属于层析成像的技术领域，涉及到一种基于超薄体积的消球差的大色差超构透镜的新方法。

背景技术

层析成像技术在生物医学研究中有着不可或缺的作用。层析成像是一种获取生物体的断层信息，观测其内部三维结构的技术手段。目前主流的层析成像技术包括X射线计算机层析成像、核磁共振成像、超声层析成像、光学投影层析成像、激光扫描共聚焦显微术、光学相干层析成像、单光子发射层析成像和正电子发射层析成像等。

其中，光学层析成像相较其它类型的层析成像而言，具有对组织的干扰度小，分辨水平高、可离体或活体实时成像等优点。光学投影层析成像是根据某一断层在不同角度下投影的数据通过算法重建出此断层的二维图像，再将所有断层汇总叠加得到整体的三维结构。分辨率达微米量级，成像深度达到毫米量级。激光扫描共聚焦显微术是在传统光学显微镜的基础上，利用共轭聚焦原理，通过不同的调焦深度，获取样品不同深度的光学切片图样。光学相干层析成像是将低相干干涉仪和激光扫描共聚焦显微术结合的一种层析技术。分辨率达微米量级，探测深度也远超传统共聚焦显微镜，对于透明组织，可达厘米量级。光学相干层析成像是一种前景广阔的高分辨无损实时成像技术，但是其利用的是共聚焦技术逐点扫描成像，成像速度受到制约，机械移动的成像方法也不利于稳定的光学系统的集成。

超构表面是通过一薄层亚波长结构单元去局域地调控光场的光学设计。超构透镜就是其中一种典型的超构表面器件应用。关于超构透镜的研究各大科学自然杂志一直在持续不断地报导，包括分辨率，数值孔径，色差，像差等方面。2016年6月的Science封面文章(Science 352,1190(2016))就是报导的哈佛大学研究组做出的在可见光波段实现亚波长分辨成像的超构透镜。而关于超构透镜的色差部分，国际上各研究组都致力于消色差的研究，对于如何有效得利用色差还鲜有提及。而关于超构透镜的显微成像过程的球差问题在这儿之前也未曾得到解决。

发明内容

本发明目的是，提出一种基于消球差的超构透镜利用波长编码的层析成像方法，通过引入超构表面设计原理，利用不同波长透过消球差的超构透镜产生的不同切面的像进行数据处理，为实现层析成像提供了新方法。

本发明的技术方案是，一种基于消球差的超构透镜的层析成像方法，即基于超构消球差透镜利用波长编码的层析成像技术，基于(1)光源探头，(2)消球差的超构透镜；(3)线偏振片和(4)四分之一波片可作为辅助光学元件插入成像系统中用于直接提高信噪比，设有感光器(5)置于成像面上用于接受图像；通过相对连续的不同波长的照射，获取波长编码的像面信息，再通过相应算法处理得到物体的层析图像信息。本发明采用超构表面的设计原理，利用相位实现对色差的调控和球差的矫正。根据超构透镜的极大的色差效应，我们进一步设计了消球差的超构色差透镜的相位分布：

其中，f表示焦距，s表示物距，R代表到中心的径向距离，λ为中心波长。

以4f的成像过程为例，即物距s选取为2f，则相位分布具体变为：

相对一般无消球差设计的超构透镜来说，这类相位分布的引入极大得改善了像的质量，在设计的成像范围内达到了球差的完全消除。

所述的消球差超构透镜包含针对任意物距或像距的设计。

所述的消球差超构透镜包含平面、曲面、多个面组合，阵列或交叉拼接的用于扩大视场的设计。

所述的消球差超构透镜是基于几何相位或几何相位与准共振结合的集成共振原理。

所述的消球差超构透镜基于几何相位原理而设计的各向异性结构包括各类孔及孔的互补结构。

所述的消球差超构透镜基于几何相位原理而设计的各向异性结构对应的二维几何图形包含矩形、椭圆形、多边形、工字形、十字形或之字形。

所述的消球差超构透镜的结构单元的排列方式包含正方晶格和六角晶格。

所述的消球差超构透镜的工作波段可通过改变参数设计和材料而实现的包含可见光、近红外、太赫兹和微波波段。

所述的消球差超构透镜的所用材料包含金银铜铝及其合金在内的金属和二氧化钛、氮化镓、氮化硅、硅在内的介质。

所述的消球差超构透镜的基底可有可无，基底材料包含硅、二氧化硅、氮化硅、及氟化物材料。

所述的可插入的四分之一波片和线偏振片包含传统的器件和通过超构表面的设计达到相同功能的器件。

其中，所述的消球差超构透镜包含针对任意物距或像距的设计。

其中，所述的消球差超构透镜包含平面、曲面、多个面组合，阵列或交叉拼接的用于扩大视场的设计。

其中，所述的消球差超构透镜是基于几何相位或几何相位与准共振结合的集成共振原理。

其中，所述的消球差超构透镜基于几何相位原理而设计的各向异性结构包括各类孔及孔的互补结构。

其中，所述的消球差超构透镜基于几何相位原理而设计的各向异性结构对应的二维几何图形包含矩形、椭圆形、多边形、工字形、十字形、v字形或之字形。

其中，所述的消球差超构透镜的结构单元的排列方式包含正方晶格和六角晶格。

其中，所述的消球差超构透镜的工作波段可通过改变参数设计和材料而实现的包含可见光、近红外、太赫兹和微波波段。

其中，所述的消球差超构透镜的所用材料包含金银铜铝及其合金在内的金属和二氧化钛、氮化镓、氮化硅、硅在内的介质。

其中，所述的消球差超构透镜的基底可有可无，如设有基底，基底材料包含硅、二氧化硅、氮化硅、及氟化物材料。

其中，所述的可插入的四分之一波片和线偏振片包含传统的器件和通过超构表面的设计达到相同功能的器件。

有益效果

本发明采用超构表面的设计原理，利用亚波长结构实现色差透镜的功能。在包括衬底在内的半毫米厚度范围内就可以达到传统玻璃一个量级以上的色差效果。在超薄体积上具有极大的优势。

本发明在实现大色差的同时，对像差有极大的改善作用，在显微成像过程中可以完全消除球差并改善彗差，成像质量相比普通的超构透镜有极大的提升。

本发明用于层析成像的精度较高，在um量级。

本发明相应时间快，由光谱信息可直接推算出深度信息。

本发明可以结合曲面设计、平面拼接或交叉结合的方式在保证成像质量的同时扩大成像视场。

本发明的设计简单，仅涉及一块超构透镜，无需对多块透镜进行组合考虑，且无机械传动。

本发明使用的超构色差消球差透镜属于平板透镜，工艺复杂度低，工序简单，成本也相较更为低廉。

本发明使用的超构色差消球差透镜对加工精度的要求较低，不受加工误差的影响，成品率高，节约成本。

本发明装置简单，体积超薄，与微电子制备工艺兼容，适合大规模生产，平板超薄结构便于与成像CCD芯片集成。

附图说明

图1为本发明所示例的色差表现与传统玻璃透镜色差表现的光线追迹对比图，即焦距变化图；(a)图为BK7玻璃透镜形成的8幅不同波长的焦距变化图，(b)图为超构透镜形成的8幅不同波长的焦距变化图；两者都是在波长为532nm的时候焦距设计为0.108mm。在可见光400nm-760nm的波段内，超构透镜的焦距变化是玻璃透镜的焦距变化的17倍。

图2为本发明所示例的超构色差消球差透镜与一般超构透镜微距成像的光线追迹对比图；(a)图为消球差的设计，(b)图为一般的超构透镜。

图3为本发明所示例的超构色差消球差透镜的光学显微图(a)和扫描电镜图(b)；

图4为本发明所示例的光路示意图；

图5为本发明所示例的超构色差消球差透镜的观测细胞的结果图。共有9幅图，按三列排列，分别对应530、540、550、560、570、580、590、600、610波长的照片。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方案对本发明作更进一步的说明，但本发明的保护范围并不仅限于下述实施例，应包括权利要求书的全部内容。

图1展示的是其中一例具有相同数值孔径(NA＝0.2175)的普通玻璃透镜(BK7)和超构透镜(基于几何相位原理)的色差表现。(a)图为BK7玻璃透镜，(b)图为超构透镜，两者都是在波长为532nm的时候焦距设计为0.108mm，图中比例尺为10um。根据光线追迹的结果，在可见光400nm-760nm的波段内，超构透镜的焦距变化是玻璃透镜的焦距变化的17倍，即超构透镜的色散效应是普通玻璃的一个量级以上。

根据超构透镜的极大的色差效应，我们进一步设计了消球差的超构色差透镜的相位分布：

其中，f表示焦距，s表示物距，R代表到中心的径向距离，λ为中心波长。

以4f的成像过程为例，即物距s选取为2f，则相位分布具体变为：

若成像物距为无穷远，即将s＝∞带入，则相位分布变为一般的超构透镜所使用的相位分布：

若成像物距取s＝4f,则相位分布变为：

相对一般无消球差设计的超构透镜来说，这类相位分布的引入极大得改善了像的质量，在设计的成像范围内达到了球差的完全消除。图2展示了我们设计的消球差超构透镜和一般超构透镜在微距成像时(此处展示的是4f成像体系)的光线追迹对比。(a)图为消球差的设计，中心轴上的点的所有角度入射的光线经过透镜仍然汇聚再同一点，没有球差。(b)图为一般的超构透镜，从中心轴上的点发出的不同角度的光线经过透镜交于中心轴不同的位置，带来较严重的球差。

为了进一步展示设计的超构消球差色差透镜在层析成像方面的应用，我们利用电子束曝光和电感耦合等离子体刻蚀加工了可工作在可见光波段的样品用于实验验证。具体设计时，采用的相位分布是公式(2)，工作在4f系统下，f＝80μm,λ＝532nm,图3所示为超构色差消球差透镜的光学显微图(a)图和扫描电镜图(b)图，示例中展示的是基于几何相位原理的正方晶格的天线结构。

图4所示为本发明的实验验证的光路图，超构色差透镜之前需要辅助光学元件线偏振片和1/4波片调节入射光为圆偏振光，感光器CCD之前需要辅助光学元件1/4波片和线偏振片获取调制过后的圆偏振光，提高信噪比。改变照明探头照射波长，在无机械传动的情况下，可快速得到物体的不同深度的成像信息。光路如下述排列：(1)光源探头为像，(3)线偏振片、(4)四分之一波片(2)消球差的超构透镜(4)四分之一波片、(3)线偏振片、感光器(5)；感光器(5)置于成像面上用于接受图像；

图5所示是以蛙卵细胞标本为例，利用本发明的设计得到的处理后的蛙卵细胞不同深度处的成像信息，景深范围约40μm，将图像利用算法处理后叠加即可得到三维立体图像。

上述内容结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不限于上述的具体实施方案，说明书的具体实施方案仅是示意性的，而非限制性的。本领域的普通技术人员在本发明的启示下，利用本发明给出的消球差相位分布的任一设计，在不违背本发明主旨的情况下还可作出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公识技术。

Claims (8)

1.一种基于消球差的超构透镜的层析成像方法，即基于超构消球差透镜利用波长编码的层析成像技术，基于光源探头(1)，消球差的超构透镜(4)，线偏振片(2)和四分之一波片(3)作为辅助光学元件插入成像系统中用于直接提高信噪比，设有感光器(5)置于成像面上用于接受图像；通过相对连续的不同波长的照射，获取波长编码的像面信息，再通过相应算法处理得到物体的层析图像信息；

其特征是，采用超构表面的设计，利用相位实现对色差的调控和球差的矫正；即根据超构透镜的极大的色差效应，设计消球差的超构色差透镜，并满足如下的相位分布：

其中，f表示焦距，s表示物距，R代表到中心的径向距离，λ为中心波长，

以4f的成像过程，即物距s选取为2f，则相位分布具体变为：

在设计的成像范围内达到了球差的完全消除；

所述的消球差超构透镜包含针对任意物距或像距的设计；

所述的消球差超构透镜包含平面、曲面、多个面组合，阵列或交叉拼接的用于扩大视场的设计。

2.根据权利要求1所述的一种基于消球差的超构透镜的层析成像方法，其特征在于：所述的消球差超构透镜是基于几何相位或几何相位与准共振结合的集成共振原理。

3.根据权利要求1所述的一种基于消球差的超构透镜的层析成像方法，其特征在于：所述的消球差超构透镜基于几何相位原理而设计的各向异性结构包括各类孔及孔的结构。

4.根据权利要求1所述的一种基于消球差的超构透镜的层析成像方法，其特征在于：所述的消球差超构透镜基于几何相位原理而设计的各向异性结构对应的二维几何图形，所述二维几何图形包含矩形、椭圆形、多边形、工字形、十字形或之字形。

5.根据权利要求1所述的一种基于消球差的超构透镜的层析成像方法，其特征在于：所述的消球差超构透镜的结构单元的排列方式包含正方晶格和六角晶格。

6.根据权利要求1所述的一种基于消球差的超构透镜的层析成像方法，其特征在于：所述的消球差超构透镜的工作波段通过改变参数设计和材料而实现，工作波段包含可见光、近红外、太赫兹和微波波段。

7.根据权利要求1所述的一种基于消球差的超构透镜的层析成像方法，其特征在于：所述的消球差超构透镜的所用材料包含金银铜铝及其合金在内的金属和二氧化钛、氮化镓、氮化硅、硅在内的介质；能够设有所述的消球差超构透镜的基底，基底材料包含硅、二氧化硅、氮化硅、及氟化物材料。

8.根据权利要求1所述的一种基于消球差的超构透镜的层析成像方法，其特征在于：所述的可插入的四分之一波片和线偏振片包含传统的器件或通过超构表面的设计，达到相同功能的器件。

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