CN110244442B - 一种应用于多视野并行成像的新型物镜阵列 - Google Patents

Abstract

一种多视野并行成像的新型物镜阵列，由多个小型显微物镜单元按照一定排列方式实现的阵列式显微光学成像系统，能够对同一组织切片的不同部位进行显微放大的同时成像，以实现多个显微视野的同时观察以及数字病理全切片高速扫描的目的。本发明的主要构成部分：小型显微物镜单元是一种折反射式物镜光学系统，沿其光轴方向一次包括第一透镜和第二透镜，第一透镜和第二透镜均为弯月透镜，第一透镜前表面和第二透镜后表面均镀有光学介质分光薄膜，简洁地实现了光在系统内的衍射最大路径，达到衍射极限。本发明其中一种实例实现了大视野高性能的小型显微物镜单元及由其构成的新型物镜阵列。

Description

一种应用于多视野并行成像的新型物镜阵列

技术领域

本发明涉及光学成像领域，具体的说是一种由多个大视野高性能的小型显微物镜所构成的多视野并行成像的新型物镜阵列光学系统。

背景技术

显微物镜是光学显微镜系统中不可缺少的重要光学部件之一，它使用在显微镜设备的前端，是显微镜光学系统中第一个接收到被观测物体光线的透镜。一般来说，显微物镜由入瞳透镜，孔径光阑，中间透镜或中间透镜组合，以及出瞳透镜组成，作用是将本观测物体的局部区域进行放大，以实现人们对微观世界的观察。来自被观测物体的光线，首先通过入瞳透镜，照射入镜筒之中，其次在孔径光阑和中间透镜的作用下被放大，最后通过出瞳透镜照射到镜筒之外，并实现清晰的成像。

单一的显微物镜性能主要由：数值孔径、视野范围、放大倍数、有效焦距。数值孔径描述了物镜收光锥角的大小，直接决定显微物镜的收光能力以及光学分辨率，例如：数值孔径越大，显微物镜收光能力越强，光学分辨率越高；视野范围是显微物镜所能够放大成像的观测物体范围，放大倍数是视野范围与成像面积的比例，通常在成像面积固定的情况下，放大倍数越大，视野范围越小，所需要的中间透镜数量越多(通常大于三片透镜)，以抑制高倍率成像的像差；有效焦距是光学系统的主点到焦点在光轴上的距离，有效焦距越小，放大倍数越大，视野范围越小，数值孔径越大。

传统显微物镜，视野范围小，镜筒体积大，不能对距离相近的不同部位的细胞组织进行同时观测，例如放大倍数40倍的传统物镜，镜筒直径为24 毫米，视野范围0.5毫米，因此24毫米直径范围内，能够进行观察的范围仅有直径0.5毫米的中心范围，其他区域均被庞大的物镜镜筒挡住，无法进行显微观察，若要对其他区域进行观察，必须移动显微镜光学系统或者组织切片。

因此，当需要对距离相近的不同细胞组织进行同时的显微观察时，传统物镜并不能满足需求。例如对病理组织芯片(Tissue Microarray，TMA)进行显微观察时，不同组织标本以规则阵列方式紧密排布与同一载玻片上，需要对这些组织标本进行同时的显微成像，以提高显微观察效率，减少诊断负担与误差，而使用传统物镜的情况下，只能对每个组织进行逐个观察与诊断，效率极低且容易造成误诊；另外，在利用数字病理扫描仪对一个切片组织进行数字化全切片成像时，需要对组织切片的不同部位进行同时成像与扫描，以实现高速扫描从而提升数字化病理诊断的效率，而使用传统物镜的情况下，只能对切片组织进行逐个视野的显微图像拍摄，再对图像进行拼接，不仅在全切片成像方面容易造成累计误差，而且效率极低，影响高效诊断的实现，无法充分体现数字病理在临床病理诊断中的价值。

综上所述，需要一种多视野并行成像的新型物镜阵列，改进现有光学显微镜同时只能观察一个显微视野的缺点，满足对多个显微视野进行同时显微观察的需要。

发明内容

根据上述传统显微物镜的问题以及改善需要，本发明提供一种应用于多视野并行成像的新型物镜阵列，可应用于光学显微镜领域，特别是超高速数字病理成像以及显微成像领域。

本发明提供一种应用于多视野并行成像的新型物镜阵列，其成像原理是这样的：

一种应用于多视野并行成像的新型物镜阵列，由多个完全相同的大视野高性能的小型显微物镜单元按照四边形矩阵排列方式实现的阵列式显微光学成像系统；所述物镜阵列沿其光轴方向，依次包括第一透镜阵列和第二透镜阵列；所述显微物镜单元包括位于第一透镜阵列的第一透镜和位于第二透镜阵列的第二透镜，所述第一透镜与所述第二透镜相对；每一个小型显微物镜单元是一种折反射式的物镜。所述小型显微物镜单元，首先，沿其光轴方向，从被观测物体表面(物面)到成像表面(像面)依次包括第一透镜和第二透镜，所述的第一透镜为弯月透镜，面向物面的前表面为凹面，面向像面的后表面为凸面；所述的第二透镜为凹凸透镜，面向物面的前表面为凹面，面向像面的后表面为凸面；所述的第一透镜和第二透镜的前后表面曲率均不相同；孔径光阑阵列位于第一透镜阵列的后表面位置。

所述的小型物镜单元，沿其光轴方向，第一透镜的前表面与第二透镜的后表面均镀有半透半反光学介质分光薄膜，所述半透半反光学介质分光薄膜是一种光学镀膜，能够使入射光沿入射方向透过并继续传播，同时使入射光沿入射逆方向反射并沿入射逆方向继续传播，沿入射方向透过并继续传播的光为透过光，沿入射逆方向发射并沿入射逆方向继续传播的光为反射光，根据能量守恒定律，反射光与透过光的能量总和等于入射光的能量，具体体现在反射光与透过光的光照强度的总和等于入射光的光照强度。

所述的小型物镜单元，所有透镜的材料均采用低熔点和高低色散搭配的玻璃。

上述的材质高低色散搭配，也即第一透镜选用高色散材料玻璃且第二透镜选用低色散材料玻璃，或者第一透镜选用低色散材料玻璃且第二透镜选用高色散材料玻璃，通过上述高低色散的材质组合搭配，使光学色散相互补偿，实现色差的消除以及成像质量的提升。

所述的小型显微物镜单元，其成像原理是这样的：沿光轴方向，来自被观测物体的光照射到第一透镜的前表面，通过第一半透半反光学介质分光薄膜，一部分光被反射到光学系统之外，不进行成像，另一部分光通过膜进入光学系统，形成入射光，进入光学系统的入射光通过第一透镜，从第一透镜的后表面出射，通过第一透镜与第二透镜之间的空气间隙，入射到第二透镜的前表面并照射到第二透镜的后表面，通过第二透镜的后表面上的第二半透半反光学介质分光薄膜，一部分光通过膜出射到光学系统之外，形成发散的、光照强度弱的光并照射到像面，另一部分光发生反射并根据第二透镜后表面的曲率汇聚照射到第一透镜中，这一部分反射光再通过第一透镜的前表面的第一半透半反光学介质分光薄膜，根据第一透镜前表面的曲率，汇聚照射到第二透镜的后表面，透过第二透镜的第二半透半反光学介质分光薄膜，继续汇聚形成集中并光照强度强的焦点，该焦点位置即为像面位置。

根据上述成像原理，在像面上的光成分为发散的、没有形成焦点的完全透射光，以及汇聚的、形成成像焦点的多次反射光，多次反射光的辐照远远高于一次完全透射光，在成像中，完全透射光为噪声，多次反射光为成像，因此成像对比噪声的信噪比高，即使存在完全透射光，也对清晰成像不会造成较大影响。

进一步的，前述的第一透镜和第二透镜是圆形透镜，第一透镜和第二透镜之间具有间隔；间隔中可充满空气或者液体，又或者间隔内设有满足更高成像要求的其他透镜及其他透镜组合。

进一步的，前述第一透镜的前表面和后表面的面型为非球面或者自定义曲面，第二透镜的前表面和后表面为非球面或者自定义曲面。使用非球面或者自定义曲面的表面，能够使光学系统设计更容易达到小型化的要求，也能够更加容易地使光学系统设计的优化，完全符合系统性能要求。而使用传统球面表面的情况下，达到光学系统性能要求需要更大面积透镜或者更长的光学系统距离，简单地说，使用非球面或者自定义曲面的表面，在光学系统小型化以及高性能要求的制约下，光学系统设计的优化更加完善，而球面表面则不能同时满足高性能要求和小型化要求的制约。

进一步的，前述的四边形矩阵排列方式，是多个大视野高性能的小型显微物镜单元进行并排拼接摆放所构成的矩形物镜阵列。

本发明的多视野并行成像的新型物镜阵列及其组成部分：大视野高性能的小型显微物镜单元与现有技术相比，具有如下的性能优点：

(1)本发明的大视野高性能的小型显微物镜单元内采用折反射式结构，不仅能够以极少的透镜数量实现高性能的光学显微物镜，而且增长了光线在光学系统中传播的路径长度，达到了其所能的衍射极限，将两片透镜的光学性能发挥到极致；

(2)本发明的大视野高性能的小型显微物镜，由于保证高性能的同时减少了透镜的数量，带来体积的极大减少，生产成本的极大节省，以及生产难度的极大降低；

(3)本发明的大视野高性能的小型显微物镜，能够实现成像光的汇聚，形成高能量成像焦点，极大提升成像的信噪比，实现在大的显微视野内的高质量清晰成像；

(4)本发明的多视野并行成像的新型物镜阵列，是由两片透镜阵列组成的阵列光学系统，面向物面的第一透镜阵列是多个上述大视野高性能的小型显微物镜单元面向物面的第一透镜通过加工集成在一个镜片的透镜阵列，面向像面的第二透镜阵列是多个上述大视野高性能的小型显微物镜单元面向像面的第二透镜通过加工集成在一个镜片的透镜阵列。上述第一透镜阵列与第二透镜阵列组成新型物镜阵列，能够对位置相近的多个组织区域进行同时的显微成像，有效实现高效的病理组织芯片观察与诊断、高速数字病理扫描。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1为本发明的多视野并行成像的新型物镜阵列中一个大视野高性能的小型显微物镜单元的光学系统的结构及光路图；

图2为本发明多视野并行成像的新型物镜阵列中一个大视野高性能的小型显微物镜单元的光学系统的第一透镜的结构图；

图3为本发明多视野并行成像的新型物镜阵列中一个大视野高性能的小型显微物镜单元的光学系统的第二透镜的结构图；

图4为本发明多视野并行成像的新型物镜阵列中一个大视野高性能的小型显微物镜单元的光学系统的调制传递函数MTF图；

图5为本发明多视野并行成像的新型物镜阵列中一个大视野高性能的小型显微物镜单元的光学系统的纵截面的光线特性光扇图；

图6为本发明多视野并行成像的新型物镜阵列中一个大视野高性能的小型显微物镜单元的光学系统的横截面的光线特性光扇图；

图7为本发明多视野并行成像的新型物镜阵列中一个大视野高性能的小型显微物镜单元的光学系统的纵截面的光程光扇图；

图8为本发明多视野并行成像的新型物镜阵列中一个大视野高性能的小型显微物镜单元的光学系统的横截面的光程光扇图；

图9为本发明多视野并行成像的新型物镜阵列中一个大视野高性能的小型显微物镜单元的光学系统的点列图；

图10为本发明多视野并行成像的新型物镜阵列中一个大视野高性能的小型显微物镜单元的光学系统的视场场曲图；

图11为本发明多视野并行成像的新型物镜阵列中一个大视野高性能的小型显微物镜单元的光学系统的畸变图；

图12为本发明多视野并行成像的新型物镜阵列的截面图。

图13为本发明多视野并行成像的新型物镜阵列的成像示意图。

附图标记：1-物面，2-盖玻片，301-第一半透半反光学介质分光薄膜， 302-第一透镜，303-第一透镜后表面，401-第二透镜前表面，402-第二透镜， 403-第二半透半反光学介质分光薄膜，5-像面。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

以下将本发明的应用于多视野并行成像的新型物镜阵列光学系统做进一步的详细描述，但不应该限定本发明的保护范围。

本发明的目的在于提供一种应用于多视野并行成像的新型物镜阵列光学系统，为光学显微镜领域提供多视野并行成像及显微观察的实现方案和成像光学系统，特别地，为数字病理领域提供超高速化和设备小型化的实现方案和成像光学系统、为组织芯片领域提供多视野同时观察与诊断的实现方案和成像光学系统。

所述应用于多视野并行成像的新型物镜阵列光学系统中一个物镜单元的一种实施例，具体性能参数为：视野范围直径为1毫米，数值孔径为0.6，有效焦距为0.78毫米，入瞳直径为1.17毫米，视野范围为1.17毫米，系统总长为4.23毫米，放大倍数为5.14倍，成像分辨率为0.24微米/像素，工作波长为 0.4微米到0.7微米的可见光波长区域，设计波长为0.643微米、0.591微米、 0.542微米、0.5微米、0.466微米，其中设计中心波长为0.542微米。

所述大视野高性能的超小型显微物镜光学系统中一个物镜单元的一种实施例，主要性能参数之间具体满足如下关系：

数值孔径与工作介质折射率以及入射光最大锥角的半角之间的关系：

NA＝n*sinθ-----------------------------------------------式1

其中，NA表示数值孔径，n表示工作介质折射率，θ表示入射光最大锥角的半角。

入射光最大锥角的半角与入瞳直径以及有效焦距之间的关系：

tanθ＝EPD/(2*EFL)----------------------------------------式2

其中，θ表示入射光最大锥角的半角，EPD表示入瞳直径，EFL表示有效焦距。

成像分辨率与放大倍数以及视野范围之间得关系：

δ＝ρ²/(Mag*U)--------------------------------------------式3

其中，δ表示成像分辨率，ρ表示图像传感器的像素大小，Mag表示放大倍数，U表示单位长度；本实例中ρ具体为1.12微米，U具体为1微米，Mag具体为5.14，因此，成像分辨率具体为0.24微米/像素。

如图12和图13所示，一种多视野并行成像的新型物镜阵列，由多个完全相同的大视野高性能的小型显微物镜单元按照四边形矩阵排列方式实现的阵列式显微光学成像系统。其中，四边形矩阵排列方式，可以是多个大视野高性能的小型显微物镜单元进行并排拼接摆放所构成的矩形物镜阵列。

如图12所示，本发明的物镜阵列沿其光轴方向，依次包括第一透镜阵列和第二透镜阵列。显微物镜单元包括位于第一透镜阵列的第一透镜302和位于第二透镜阵列的第二透镜402。第一透镜302与第二透镜402相对。每一个小型显微物镜单元是一种折反射式的物镜。所述大视野高性能的超小型显微物镜光学系统中一个物镜单元的一种实施例，具体使用两片的光学透镜，材质为高熔点和高低色散搭配的玻璃，具体为第一透镜302采用高色散材质玻璃搭配第二透镜402采用低色散材质玻璃，或者第一透镜302采用低色散材质玻璃搭配第二透镜402采用高色散材质玻璃，例如SCHOTT公司的编号NLAF35材料 (Vd＝-2.6444)搭配编号NSK16(Vd＝-0.0007)材料，或者HOYA公司的编号 NBF2(Vd＝-0.9575)材料搭配编号MBACD15(Vd＝2.1589)材料，又或者成都光明公司的编号DLAF82L(Vd＝-2.0274)材料搭配HZK7(Vd＝-0.2680)材料等。

所述大视野高性能的超小型显微物镜光学系统中一个物镜单元的一种实施例，具体为沿光轴方向从左向右分别设置的物面1，第一透镜302，第二透镜402，以及像面5，其中物面1位于最左侧有限远，像面5位于最右侧有限远第一透镜302的前表面以及第二透镜402的后表面均镀有半透头半反的光学介质分光薄膜。该半透半反的光学介质分光薄膜，具体为：一种半透半反光学介质分光镀膜，利用其光学性能，实现对入射到镀膜表面的光，一部分进行透射，一部分进行反射。

本发明一种大视野高性能的超小型显微物镜光学系统中一个物镜单元的一种实施例，如图1至图3所示，光在系统中的传播路径具体如下：首先沿光轴方向，从被观测物体来的光照射到镀有第一半透半反光学介质分光薄膜301 的第一透镜302前表面，第一透镜302前表面面向物面1为凹面，面向像面5为凸面，第一半透半反光学介质分光薄膜301的曲率与第一透镜302前表面的曲率相同，入射光被第一透镜302前表面镀膜反射的光不作成像，另一部分被透过的光通过第一透镜302及其后表面303，照射到第二透镜402的前表面401，第一透镜302的后表面303面向物面1为凹面，面向像面5为凸面，第二透镜402 的前表面401面向物面1为凹面，面向像面5为凸面；光线通过第二透镜402的前表面401，照射到镀有第二半透半反光学介质分光薄膜403的第二透镜402 后表面，第二透镜402后表面面向物面1为凹面，面向像面5为凸面，第二透镜 402后表面的光学镀膜的曲率与第二透镜402后表面的曲率相同；被第二透镜 402后表面的第二半透半反光学介质分光薄膜403反射的光再次进入光学系统，透过第二透镜402后表面光学膜的光散射照射到像面5。

其次，再次进入光学系统的光，被第二透镜402所聚焦，再次进入第一透镜302，再通过第一透镜302前表面的第一半透半反光学介质分光薄膜301进行反射，最终聚焦照射到像面5上；因此像面5上具有散射的第一次光传播透射光，同时具有聚焦的折反射光，但是由于聚焦光的光照强度远大于散射光的光照强度，因此，像面5上能够成高信噪比的高清高质量的显微图像。

第一透镜阵列和第二透镜阵列中每一个透镜均可以是圆形透镜。第一透镜302和第二透镜402之间具有间隔。该间隔中可以充满空气或者液体，又或者间隔内设有其他透镜或其他透镜组合。前述第一透镜阵列中每一个透镜的前表面和后表面的面型均可以为非球面，第二透镜阵列中每一个透镜的前表面和后表面也可以均为非球面。

本发明公开的大视野高性能的超小型显微物镜光学系统中一个物镜单元的设计数据如表1所示。表1给出了上述所述实施例：大视野高性能的超小型显微物镜光学系统一个物镜单元的每一片透镜表面以及半透半反光学介质分光薄膜的具体设计参数值。

表1本发明的一种大视野高性能的超小型显微物镜光学系统中一个物镜单元的设计参数。

图4显示了本实施例的大视野高性能的超小型显微物镜光学系统中一个物镜单元的调制传递函数MTF，接近衍射极限。图5显示了本实施例的纵截面的光线特性，图6显示了本实施例的光学系统的横截面的光线特性。图7显示了本实施例的纵截面的光程特性图，图8显示了本实施例的横截面的光程特性图。图9显示了本实施例的点列图。图10显示了本实施例的视场场曲图，图11 显示了本实施例的畸变图。这些性能图均表示了本发明由多个物镜单元组成的应用于多视野并行成像的新型物镜阵列具有良好的光学性能，成像质量接近完美成像，完全满足多视野并行光学显微观察以及数字病理高速成像的要求。

这里需要说明的是：在不冲突的情况下，本领域的技术人员可以根据实际情况将上述各示例中相关的技术特征相互组合，以达到相应的技术效果，具体对于各种组合情况在此不一一赘述。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种应用于多视野并行成像的新型物镜阵列，其特征在于,其是由多个大视野高性能的小型显微物镜单元，按照四边形矩阵排列方式实现的阵列式显微光学成像系统；

所述物镜阵列沿其光轴方向，依次包括第一透镜阵列和第二透镜阵列；

所述显微物镜单元包括位于物面、第一透镜阵列的第一透镜、位于第二透镜阵列的第二透镜、像面、其中所述物面位于沿光轴前端有限远，所述像面位于沿光轴后端有限远，所述第一透镜与所述第二透镜相对；其中，第一透镜面向物面的表面为前表面，面向像面的表面为后表面；第二透镜面向物面的表面为前表面，面向像面的表面为后表面；所述的第一透镜和第二透镜构成一种折反射式光学系统，在第一透镜前表面镀有第一半透半反光学介质分光薄膜，在第二透镜后表面镀有第二半透半反光学介质分光薄膜。

2.根据权利要求1所述的应用于多视野并行成像的新型物镜阵列，其特征在于，第一透镜阵列和第二透镜阵列中每一个透镜均是圆形透镜；第一透镜和第二透镜之间具有间隔；间隔中充满空气或者液体，又或者间隔内设有其他透镜或其他透镜组合。

3.根据权利要求1或2所述的应用于多视野并行成像的新型物镜阵列，其特征在于，第一透镜阵列中每一个透镜的前表面和后表面的面型为非球面，第二透镜阵列中每一个透镜的前表面和后表面为非球面。

4.根据权利要求1或2所述的应用于多视野并行成像的新型物镜阵列，其特征在于，四边形矩阵排列方式，是多个大视野高性能的小型显微物镜单元进行并排拼接摆放所构成的矩形物镜阵列。