CN110873958B - 宽波段消色差多焦点显微成像光学系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种宽波段消色差多焦点显微成像光学系统，显微镜、消色差透镜组、多焦点衍射光学元件、图像探测器及色差校正装置。显微镜成像置于消色差透镜组的前焦面，多焦点衍射光学元件设置在消色差透镜组的中继面，图像探测器设置在消色差透镜组的后焦面上。多焦点衍射光学元件在光轴方向上生成多个焦点并使各个像在子午方向上依次排列，以使图像探测器对样品的多个物面同时成像；其焦距和离轴量根据像距间隔、显微镜和消色差透镜组的光学参数确定。色差校正装置用于通过调整折射式光学元件的入射角对多焦点衍射光学元件产生的非零衍射级次的图像色差进行校正。本申请光路简单、便于调节且适用于宽波段，可有效减小色差，提高显微成像分辨率。

Description

宽波段消色差多焦点显微成像光学系统

技术领域

本申请涉及显微成像技术领域，特别是涉及一种宽波段消色差多焦点显微成像光学系统。

背景技术

显微成像系统对于现代生物医学的发展有着举足轻重的作用，但长久以来，光学显微系统一直面临一个难题：横向高分辨率和轴向大景深不能兼得，直到共聚焦技术的提出，这个难题才得到了很好的解决。共聚焦技术通过逐点照明和小孔光阑来去除空间非焦平面的杂散光来获得轴向的高分辨率，并且通过对物体的逐层扫描来获得物体的纵深信息。使用这种显微成像方法来观测静态物体时既能得到高精度的横向分辨率，又能获得大景深的三维信息。但是由于扫描需要一定的时间，所以在观察动态物体时就很难获得清晰的图像，这就提出了另一个难题，如何在满足高空间分辨率的基础上提高时间分辨率。

多焦点衍射光学元件可以将入射光在轴向上形成多个焦点，而离轴的多焦点衍射光学元件则可以将多个焦点在垂轴方向分离开。基于离轴菲涅尔波带片实现多物面同时成像最早是由格林恩韦和布兰卡德发明的(A.H.Greenaway and P.M.Blanchard，‘Three-dimensional imaging system’,International application published under thepatent cooperation treaty(PCT)，PCT/GB99/00658，(1999))，该系统通过离轴的菲涅尔波带片对入射光进行调制，可以对三个不同物面进行同时成像。一次采集可以获得多个物面信息，从而大幅减小所需扫描次数和时间，提高显微成像系统的时间分辨率。但是由于衍射元件的非零衍射级次具有明显的色散效应，即使在带宽为10nm的窄带照明光下，也有明显的色散现象，极大降低显微成像系统的分辨率。为了抑制色散对成像清晰度的影响，这种多焦点显微系统只能用于单色光照明成像，而荧光发射滤波片的带宽为30～50nm，这就极大限制了其在荧光生物显微镜中的应用。

虽然格林恩韦和布兰卡德提出使用反射式闪耀光栅和折叠式光路的方法以期达到色差补偿的目的，如图1所示。但是其光路复杂，系统难以调节，很难集成在现有的商用显微系统上。冯燕等人也提出过使用一对棱栅来进行色差校正，如图2所示，棱栅为光栅和棱镜的组合元件。但是棱栅需要根据多焦点衍射光学元件的特征尺寸进行针对性的设计和加工，需要设计加工多套棱栅以备用，普适性不强，且成本较高。此外，棱栅中含有衍射元件，很难对入射光进行高效率的利用，这对于低光通量的物体难以保证高质量的成像。

鉴于此，如何在提高显微成像系统分辨率的基础上，制备光路简单、便于调节、适用于宽波段的消色差多焦点显微成像光学系统是本领域技术人员需要解决的技术问题。

发明内容

本申请提供了一种宽波段消色差多焦点显微成像光学系统，光路简单、便于调节且适用于宽波段，可有效减小色差，提高显微成像分辨率。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供以下技术方案：

本发明实施例一方面提供了一种宽波段消色差多焦点显微成像光学系统，包括显微镜、消色差透镜组、多焦点衍射光学元件、图像探测器及色差校正装置；

其中，所述显微镜成像置于所述消色差透镜组的前焦面，所述多焦点衍射光学元件设置在所述消色差透镜组的中继面，所述图像探测器设置在所述消色差透镜组的后焦面上；

所述多焦点衍射光学元件用于在光轴方向上生成多个焦点并使各个像在子午方向上依次排列，以使所述图像探测器对样品的多个物面同时成像；所述多焦点衍射光学元件的焦距和离轴量根据像距间隔、所述显微镜和所述消色差透镜组的光学参数确定；

所述色差校正装置用于通过调整折射式光学元件的入射角对所述多焦点衍射光学元件产生的非零衍射级次的图像色差进行校正。

可选的，所述色差校正装置包括三角棱镜和角度调整机构；所述三角棱镜的个数和所述角度调整机构的个数保持一致；

所述三角棱镜安装在所述角度调整机构上，以使所述三角棱镜随所述角度调整机构的运转而旋转直至所述图像探测器中±1级衍射级次的图像的色差和清晰度满足要求。

可选的，所述三角棱镜为等边三角棱镜。

可选的，所述角度调整机构包括触发器和制动按钮；所述触发器用于当接收到停止转动指令时自动触发所述制动按钮，以使所述三角棱镜立刻停止旋转。

可选的，所述消色差透镜组包括第一双胶合消色差透镜和第二双胶合消色差透镜，且所述第一双胶合消色差透镜设置在所述第二双胶合消色差透镜前方；

所述第一双胶合消色差透镜的后焦面和第二双胶合消色差透镜的前焦面重合；所述显微镜成像置于所述第一双胶合消色差透镜的前焦面；所述图像探测器设置在所述第二双胶合消色差透镜的后焦面。

可选的，所述多焦点衍射光学元件为三焦点衍射光学元件，所述多焦点衍射光学元件的焦距F_DOE根据焦距计算关系式计算得到，所述焦距计算关系式为：

F_DOE＝F_lens²/(ΔZ*Amp²)；

式中，F_lens为消色差透镜的焦距，ΔZ为所述多焦点衍射光学元件成像对应的物距间隔，Amp为所述显微镜的物镜放大倍率。

可选的，所述多焦点衍射光学元件的离轴量根据周期计算关系式和分离距离计算关系式确定，所述周期计算关系式为d*sin(θ)＝λ，所述分离距离计算关系式为tan(θ)＝L/F_lens；

式中，λ为中心工作波长，θ为±1级衍射级次的分离角度，F_lens为消色差透镜的焦距，d为所述多焦点衍射光学元件的中心线宽周期长度，L为±1级衍射级次的分离距离。

可选的，所述图像传感器为线阵CCD图像传感器。

可选的，还包括设置在光源后的带通滤波片。

本申请提供的技术方案的优点在于，利用消色差透镜组和多焦点衍射光学元件对显微镜所成的像进行多物面二次成像，基于折射式光学元件和衍射式光学元件的色散效应相反，通过折射式光学元件的角度和位置来补偿由衍射光学元件带来的色差，可以有效的减小色差，提高图像分辨率，且整个系统光路简单，便于调节，可以实现对样品多个物面进行宽波段同时成像，扩大成像的深度范围，有利于实时、高清晰度地观测动态生物细胞。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的，并不能限制本公开。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或相关技术的技术方案，下面将对实施例或相关技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的相关技术中一种消色散多焦点成像系统结构示意图；

图2为本发明实施例提供的相关技术中另一种使用棱栅进行色差校正的多焦点成像系统结构示意图；

图3为本发明实施例提供的宽波段消色差多焦点显微成像光学系统的一种具体实施方式结构图；

图4为本发明实施例提供的衍射光学元件的色散现象示意图；

图5为本发明实施例提供的三角棱镜的色散现象示意图；

图6为本发明实施例提供的使用三角棱镜对衍射光学元件的色散进行校正示意图；

图7为本发明实施例提供的三焦点衍射光学元件的各衍射级次的能量分布示意图；

图8为本发明实施例提供的使用宽波段消色差多焦点显微成像光学系统在白光照明下对透明微球进行+1级衍射级次的成像效果图；其中，a和b分别是未校正色差和校正色差之后的像；

图9为本发明实施例提供的使用宽波段消色差多焦点显微成像光学系统在30mm带宽照明下对标准分辨率板进行成像的对比示意图，其中，a为显微镜得到的原始图像，b为+1级衍射级次未校正色差的图，c为+1级衍射级次校正色差的图；

图10为本发明实施例提供的使用宽波段消色差多焦点显微成像光学系统在30mm带宽照明下对透明微球进行+1级衍射级次的成像效果图，其中，a、b和c分别对应了焦点在-1、0以及+1级图像上的情况。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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做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。

本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等是用于区别不同的对象，而不是用于描述特定的顺序。此外术语“包括”和“具有”以及他们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可包括没有列出的步骤或单元。

在介绍了本发明实施例的技术方案后，下面详细的说明本申请的各种非限制性实施方式。

首先参见图3，图3为本发明实施例提供的一种宽波段消色差多焦点显微成像光学系统方法的流程示意图，本发明实施例可包括以下内容：

宽波段消色差多焦点显微成像光学系统可包括显微镜1、消色差透镜组2、多焦点衍射光学元件3、图像探测器4及色差校正装置。显微镜1所成的像置于消色差透镜组2的前焦面，多焦点衍射光学元件3设置在消色差透镜组2的中继面，图像探测器4设置在消色差透镜组2的后焦面上。

其中，显微镜1可为相关技术中任何一种类型的普通显微镜，显微镜1在本申请中用于对样品或者任何物进行成像，且所成像位于消色差透镜组2的前焦面上。消色差透镜组2中的多个消色差透镜用于搭建4F系统，然后根据实际需求设置离轴多焦点衍射光学元件3，并将其放置在4F系统中，形成多焦点显微成像系统。例如消色差透镜组2可包括第一双胶合消色差透镜和第二双胶合消色差透镜，且第一双胶合消色差透镜设置在第二双胶合消色差透镜前方。第一双胶合消色差透镜的后焦面和第二双胶合消色差透镜的前焦面重合；显微镜1成像置于第一双胶合消色差透镜的前焦面；图像探测器4设置在第二双胶合消色差透镜的后焦面。

在本申请中，多焦点衍射光学元件3可为任何一种多焦点衍射元件,例如可为并不限制于为三焦点衍射元件、五焦点衍射光学元件、九焦点衍射光学元件、25焦点衍射光学元件。多焦点衍射光学元件3用于在光轴方向上生成多个焦点并使各个像在子午方向上依次排列，从而使图像探测器4对样品的多个物面同时进行成像，光轴方向也就是垂直于样品平面。多焦点衍射光学元件的焦距和离轴量可根据像距间隔、显微镜和消色差透镜组的光学参数确定。将加工好的多焦点衍射光学元件3放置于4F系统的中继面上，中继面即为消色差透镜组2重合的焦面，例如消色差透镜组2包括两个双胶合消色差透镜，中继面即为双胶合消色差透镜的后焦面和后端双胶合消色差透镜的前焦面。旋转多焦点衍射光学元件3使得各个像在子午方向上依次排列，这样可以充分利用图像传感器4的尺寸。

本发明实施例中，图像探测器4可用来捕获多焦点显微系统所得到的同等大小的像，也即从图像探测器4中可获取样品二次成像后的多个物面像。图像探测器4可采用任何一种类型的图像探测器，本申请对此不作任何限定，为了提高图像成像质量，例如可采用线阵CCD图像传感器。

色差校正装置可用于通过调整折射式光学元件的入射角对多焦点衍射光学元件3产生的非零衍射级次的图像色差进行校正。色差校正装置可包括折射式光学元件，折射式光学元件例如可为棱镜。基于折射式光学元件和衍射式光学元件的色散效应相反，多焦点衍射光学元件3的色散现象示意图可如4所示，折射式光学元件的色散现象可如5所示，通过合理的选取棱镜的材料并且通过转动棱镜的角度(即改变入射角)来补偿由衍射元件带来的色差。衍射光学元件对于长波长的光的折转角大，短波长的光折转角度小，而传统光学材料对于长波长的光线的折射率小，发生折射现象时折转角也小，而对于短波长的光折射率大，因此光线的折转角度也大。将这种现象进行有机的结合，可以有效的减小色差，使用棱镜对衍射光学元件的色散进行校正原理可图6所示。该方法光路简单，便于调节，通过精确调整棱镜的角度和位置就能应对不同多焦点衍射元件所带来的色差。

在本发明实施例提供的技术方案中，利用消色差透镜组和多焦点衍射光学元件对显微镜所成的像进行多物面二次成像，基于折射式光学元件和衍射式光学元件的色散效应相反，通过折射式光学元件的角度和位置来补偿由衍射光学元件带来的色差，可以有效的减小色差，提高图像分辨率，且整个系统光路简单，便于调节，可以实现对样品多个物面进行宽波段同时成像，扩大成像的深度范围，有利于实时、高清晰度地观测动态生物细胞。

作为一种可选的实施方式，色差校正装置可包括三角棱镜5和角度调整机构6，三角棱镜5安装在角度调整机构6上，三角棱镜5例如可为但并不限制于为等边三角棱镜。三角棱镜5的个数可根据实际光路进行确定，例如可为2块，相应的，角度调整机构6的个数要与三角棱镜的个数保持一致，也就是说，一个角度调整机构6安装一个三角棱镜。三角棱镜5随角度调整机构的运转而旋转直至图像探测器中±1级衍射级次的图像的色差和清晰度满足要求。

可选的，为了方便实施，角度调整机构6可包括触发器和制动按钮；触发器用于当接收到停止转动指令时自动触发制动按钮，以使三角棱镜5立刻停止旋转，以保证图像探测器中±1级衍射级次图像的清晰度最高，色差最小。

可以理解的是，根据所需的物面间隔以及4F系统中使用的透镜焦距等参数来设计多焦点衍射光学元件的焦距，并且根据透镜的口径以及需要分离的像距来确定多焦点衍射元件的离轴量。在一种具体的实施方式中，多焦点衍射光学元件3的光学参数可根据下述内容进行确定：

多焦点衍射光学元件3为三焦点衍射光学元件，在系统中三焦点衍射光学元件可为凸透镜、平行平板和凹透镜的集合体，其分别对应了多焦点显微系统中的+1衍射级次、0级衍射级次和-1级衍射级次。衍射元件的刻蚀深度决定了各个衍射级次的能量分布，在三焦点衍射光学元件中，刻蚀深度所对应的相位为：2*arctan(π/2)，在这种情况下，90％的入射光能量均匀分布在0&±1三个衍射级次中，能量分布如图7所示。多焦点衍射光学元件3的焦距F_DOE可根据焦距计算关系式计算得到，焦距计算关系式可表示为：

F_DOE＝F_lens²/(ΔZ*Amp²)；

式中，F_lens为消色差透镜的焦距，ΔZ为多焦点衍射光学元件成像对应的物距间隔，Amp为显微镜1的物镜放大倍率。

在多焦点衍射光学元件3中加入适量的离轴量可以使得多个像面在垂轴方向有效分离，使得各个像之间互不干扰。所加的离轴量既不能太小，需要将各衍射级次的图像分离开并且留有一定的空间放置三角棱镜做后续的消色差处理，也不能太大导致非零衍射级次的图像位置超过了后端的消色差透镜的口径。需根据实际的使用需求和使用的光学元件的尺寸来确定所加的离轴量。可选的，多焦点衍射光学元件的离轴量根据周期计算关系式和分离距离计算关系式确定，也就是说，多焦点衍射元件的中心线宽周期长度d和±1级衍射级次的分离距离L的关系如下：

周期计算关系式为d*sin(θ)＝λ，分离距离计算关系式为tan(θ)＝L/F_lens；

式中，λ为中心工作波长，θ为±1级衍射级次的分离角度，F_lens为消色差透镜的焦距，d为多焦点衍射光学元件的中心线宽周期长度，L为±1级衍射级次的分离距离。

可选的，为了提高后续图像探测器所成像的清晰度，系统中还可设置光源后端的带通滤波片，以用于滤除光源中不需要的成分，使得照明光的带宽控制在消色差元件能够工作的范围内。光源1设置在显微镜1前端，用于出射光线值显微镜1中以进行一次成像。

为了证实本申请提供的技术方案的有效性和可行性，利用图3所示的宽波段消色差多焦点显微成像光学系统，本申请还以具体实例进行了验证性实验，可包括下述内容：

一种示意性例子的实施方式中，基于本申请提供的宽波段消色差多焦点显微成像光学系统，使用白光光源作为照明光源，对一个尺寸为10μm的透明微球进行了成像实验。图8的a和b分别是未经色差校正和经棱镜色差校正之后的+1级衍射级次的图像，可以发现未经色差校正的图像由于存在明显的色散，图像模糊不清。经过等边三角棱镜色差校正后，+1级衍射图像的色差现象大幅度减小，尽管在微球边缘仍然可以看到色散现象，但是微球样品清晰可辨。而在实际的荧光显微镜中，荧光发射带通滤光片的带宽一般小于50nm，因此，本申请系统的色散现象会更小。

另一种示意性例子的实施方式中，基于本申请提供的宽波段消色差多焦点显微成像光学系统，如图9所示，可使用中心波长515nm，带宽为30nm的带通滤光片放置于光源后，使用50倍放大率的物镜镜头对分辨率板进行成像来分析比较等边三角棱镜消色差对多焦点显微镜分辨率的影响。图9的a图所示为传统显微镜对分辨率板得到的原始像，可以看到其分辨极限为第9组第6个样品，对应线宽为548nm。当未校正色差时，多焦点显微系统的+1级衍射图像如图9的b图所示，图像子午方向模糊不清，分辨率极大下降。使用了等边三角棱镜进行色差校正后，图像分辨率得到了显著的提升，如图9的c图所示，此时的分辨极限为第9组的第3个样品，对应线宽为775nm。相较于原始图像，分辨率下降227nm，这对于观测尺寸为几微米的细胞样品来说是可以接受的。

再一种示意性例子的实施方式中，基于本申请提供的宽波段消色差多焦点显微成像光学系统，如图10所示，可使用消色差多焦点显微成像系统对尺寸为10μm的透明微球进行了多焦点成像实验，可以发现0&±1衍射级次的图像可以被图像传感器同时捕获。图10的a、b以及c的图像分别对焦在-1、0、+1级图像上，对应级次的微球图像轮廓清晰，而离焦部分的微球图像模糊，证明了该多焦点显微成像系统能够同时对不同物面进行成像的可行性。

由上可知，本发明实施例提供的系统光路简单、便于调节且适用于宽波段，可有效减小色差，提高显微成像分辨率。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

以上对本申请所提供的一种宽波段消色差多焦点显微成像光学系统进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。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的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种宽波段消色差多焦点显微成像光学系统，其特征在于，包括显微镜、消色差透镜组、多焦点衍射光学元件、图像探测器及色差校正装置；

其中，所述显微镜成像于所述消色差透镜组的前焦面，所述多焦点衍射光学元件设置在所述消色差透镜组的中继面，所述图像探测器设置在所述消色差透镜组的后焦面上；

所述多焦点衍射光学元件用于在光轴方向上生成多个焦点并使各个像在子午方向上依次排列，以使所述图像探测器对样品的多个物面同时成像；所述多焦点衍射光学元件的焦距和离轴量根据像距间隔、所述显微镜和所述消色差透镜组的光学参数确定；

所述色差校正装置用于通过调整折射式光学元件的入射角对所述多焦点衍射光学元件产生的非零衍射级次的图像色差进行校正。

2.根据权利要求1所述的宽波段消色差多焦点显微成像光学系统，其特征在于，所述色差校正装置包括三角棱镜和角度调整机构；所述三角棱镜的个数和所述角度调整机构的个数保持一致；

所述三角棱镜安装在所述角度调整机构上，以使所述三角棱镜随所述角度调整机构的运转而旋转直至所述图像探测器中±1级衍射级次的图像的色差和清晰度满足要求。

3.根据权利要求2所述的宽波段消色差多焦点显微成像光学系统，其特征在于，所述三角棱镜为等边三角棱镜。

4.根据权利要求2所述的宽波段消色差多焦点显微成像光学系统，其特征在于，所述角度调整机构包括触发器和制动按钮；所述触发器用于当接收到停止转动指令时自动触发所述制动按钮，以使所述三角棱镜立刻停止旋转。

5.根据权利要求1所述的宽波段消色差多焦点显微成像光学系统，其特征在于，所述消色差透镜组包括第一双胶合消色差透镜和第二双胶合消色差透镜，且所述第一双胶合消色差透镜设置在所述第二双胶合消色差透镜前方；

所述第一双胶合消色差透镜的后焦面和第二双胶合消色差透镜的前焦面重合；所述显微镜成像于所述第一双胶合消色差透镜的前焦面；所述图像探测器设置在所述第二双胶合消色差透镜的后焦面。

6.根据权利要求1至5任意一项所述的宽波段消色差多焦点显微成像光学系统，其特征在于，所述多焦点衍射光学元件为三焦点衍射光学元件，所述多焦点衍射光学元件的焦距F_DOE根据焦距计算关系式计算得到，所述焦距计算关系式为：

F_DOE＝F_lens²/(ΔZ*Amp²)；

式中，F_lens为消色差透镜的焦距，ΔZ为所述多焦点衍射光学元件成像对应的物距间隔，Amp为所述显微镜的物镜放大倍率。

7.根据权利要求1至5任意一项所述的宽波段消色差多焦点显微成像光学系统，其特征在于，所述多焦点衍射光学元件的离轴量根据周期计算关系式和分离距离计算关系式确定，所述周期计算关系式为d*sin(θ)＝λ，所述分离距离计算关系式为tan(θ)＝L/F_lens；

式中，λ为中心工作波长，θ为±1级衍射级次的分离角度，F_lens为消色差透镜的焦距，d为所述多焦点衍射光学元件的中心线宽周期长度，L为±1级衍射级次的分离距离。

8.根据权利要求7所述的宽波段消色差多焦点显微成像光学系统，其特征在于，所述图像探测器为线阵CCD图像传感器。

9.根据权利要求8所述的宽波段消色差多焦点显微成像光学系统，其特征在于，所述显微镜前端设置光源，所述光源用于出射光线至所述显微镜中以进行一次成像，还包括设置在所述光源后的带通滤波片。

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