CN111722392B - 一种基于超构透镜阵列的大视场集成显微成像装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于超构透镜阵列的大视场集成显微成像装置。该装置包括：光源、超构透镜阵列、线偏振片和图像传感器；所述线偏振片固定于所述光源的后方，且所述线偏振片位于所述光源的出射光路上；所述超构透镜阵列固定于所述线偏振片的后方，且所述超构透镜阵列位于所述线偏振片的出射光路上；待成像物体位于所述线偏振片和所述超构透镜阵列之间；所述图像传感器位于所述超构透镜阵列的后方；所述超构透镜阵列中包括周期性排布的多个超构透镜。本发明可以实现在不牺牲分辨率不增加工作距离的条件下，扩大成像视场。

Description

一种基于超构透镜阵列的大视场集成显微成像装置
技术领域
本发明涉及显微成像领域，特别是涉及一种基于超构透镜阵列的大视场集成显微成像装置。
背景技术
在光学显微成像领域，同时获得大视场和高分辨率是光学显微成像的重要目标之一。然而，传统光学显微镜因其成像原理空间带宽积的限制，在使用高倍率物镜时视场范围必然减小，无法同时实现高分辨率和大视场成像。另一方面，复杂的光学系统也使得显微镜变得越来越复杂、笨重和昂贵，极大地限制了显微镜的推广和应用。为了打破透镜成像单一光轴导致的放大倍率和视场范围相耦合的瓶颈，人们提出了无透镜显微成像和仿生复眼结构透镜阵列来实现大视场、高分辨的成像。但无透镜成像过程不是直接可视化的，且最终图像质量取决于图像处理算法，近年来人们通过提出各种改进的算法提高重建图像的效果，但仍然依赖于图像的后处理；人工复眼装置要么需要弯曲的光电探测器，要么图像失真严重，要么缺乏自调节能力，因此亟需改善这些问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于超构透镜阵列的大视场集成显微成像装置，以实现在不牺牲分辨率不增加工作距离的条件下，扩大成像视场。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种基于超构透镜阵列的大视场集成显微成像装置，包括：光源、超构透镜阵列、线偏振片和图像传感器；
所述线偏振片固定于所述光源的后方，且所述线偏振片位于所述光源的出射光路上；所述超构透镜阵列固定于所述线偏振片的后方，且所述超构透镜阵列位于所述线偏振片的出射光路上；待成像物体位于所述线偏振片和所述超构透镜阵列之间；所述图像传感器位于所述超构透镜阵列的后方；
所述超构透镜阵列中包括周期性排布的多个超构透镜，所述超构透镜在第一偏振光和第二偏振光的相位分布满足：
Figure BDA0002595936360000021
其中，
Figure BDA0002595936360000022
为超构透镜p在第一偏振光的相位，λp1为超构透镜p在第一偏振光的波长，fp1为超构透镜p在第一偏振光的焦距，超构透镜p在第一偏振光的中心坐标为(0,0)，(x,y)是超构透镜p的面内坐标；
Figure BDA0002595936360000023
为超构透镜p在第二偏振光的相位；λp2为超构透镜p在第二偏振光的波长，fp2为超构透镜p在第二偏振光的焦距，(a,b)表示超构透镜p在第二偏振光下的中心与超构透镜p在第一偏振光下的中心之间的相对偏移位置。
可选的，还包括：四分之一波片；所述四分之一波片固定于所述线偏振片的后方，且位于所述线偏振片和所述超构透镜阵列之间。
可选的，通过调节所述四分之一波片的光轴与所述线偏振片偏振方向的空间关系，调节所述四分之一波片出射光的偏振状态；所述出射光的偏振状态包括；线偏振光、椭圆偏振光和圆偏振光。
可选的，所述超构透镜阵列中超构透镜的周期性排布方式包括；四方晶格排布和六角晶格排布。
可选的，第一透镜阵列中透镜的排布周期与第二透镜阵列中透镜的排布周期相同；所述第一透镜阵列为所述超构透镜阵列在所述第一偏振光入射时的透镜阵列，所述第二透镜阵列为所述超构透镜阵列在所述第二偏振光入射时的透镜阵列。
可选的，第一透镜阵列中透镜的排布周期与第二透镜阵列中透镜的排布周期不同；所述第一透镜阵列为所述超构透镜阵列在所述第一偏振光入射时的透镜阵列，所述第二透镜阵列为所述超构透镜阵列在所述第二偏振光入射时的透镜阵列。
可选的，所述超构透镜阵列中超构透镜的几何形状包括矩形、方形、圆形、椭圆形和多边形。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明采用偏振复用的嵌套型超构透镜阵列，通过切换偏振即可获得两组视场互补的单一透镜阵列，可以消除单一透镜组成阵列产生的视场盲区，无需机械移动即可获得全视场的信息，利用透镜阵列的排布打破传统显微系统中视场和分辨率耦合的矛盾，在不牺牲分辨率和不增加工作距离条件下实现大视场、高分辨显微成像。其次，本发明具有可拓展性，设计加工的透镜阵列区域即为显微的视场范围，而扩大视场的同时分辨率不会退化。
并且，本发明设计简单，仅涉及单层偏振复用超构透镜阵列，无需对多层透镜进行对准、装配等。而且，本发明使用的偏振复用超构透镜阵列属于平板透镜阵列，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图像传感器集成。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明基于超构透镜阵列的大视场集成显微成像装置的结构示意图；
图2为超构透镜阵列的周期性排布示意图；
图3为实施例1的超构透镜阵列在两个偏振光入射时的透镜阵列示意图；
图4为实施例1的超构透镜阵列在两个偏振光入射时的聚焦仿真结果图；
图5为实施例2的超构透镜阵列的光学显微图；
图6为本发明基于超构透镜阵列的大视场集成显微成像装置所得大视场成像示意图；
图7为生物样本光学显微图和本发明基于超构透镜阵列的大视场集成显微成像装置所得大视场显微图的对比图。
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。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明基于超构透镜阵列的大视场集成显微成像装置的结构示意图。如图1所示，本发明基于超构透镜阵列的大视场集成显微成像装置包括：光源1、超构透镜阵列2、线偏振片3和图像传感器5。
所述线偏振片3固定于所述光源1的后方，且所述线偏振片3位于所述光源1的出射光路上；所述超构透镜阵列2固定于所述线偏振片3的后方，且所述超构透镜阵列2位于所述线偏振片3的出射光路上；待成像物体6位于所述线偏振片3和所述超构透镜阵列2之间；所述图像传感器5位于所述超构透镜阵列2的后方。超构透镜阵列2和图像传感器5直接集成在一起，构成大视场显微成像系统，例如可以采用外部胶装、夹持固定、流片封装等方式集成。超构透镜阵列2为嵌套型超构透镜阵列，通过切换偏振消除单一透镜阵列中的视场盲区，打破成像空间带宽积限制，在不牺牲分辨率和不增加工作距离条件下扩大成像视场，实现无需进行机械移动的大视场、高分辨成像。
所述超构透镜阵列2中包括周期性排布的多个超构透镜，每个超构透镜在第一偏振光和第二偏振光的相位分布满足：
Figure BDA0002595936360000041
其中，
Figure BDA0002595936360000042
为超构透镜p在第一偏振光的相位，λp1为超构透镜p在第一偏振光的波长，fp1为超构透镜p在第一偏振光的焦距，超构透镜p在第一偏振光的中心坐标为(0,0)，(x,y)是超构透镜p的面内坐标；
Figure BDA0002595936360000051
为超构透镜p在第二偏振光的相位；λp2为超构透镜p在第二偏振光的波长，fp2为超构透镜p在第二偏振光的焦距，(a,b)表示超构透镜p在第二偏振光下的中心与超构透镜p在第一偏振光下的中心之间的相对偏移位置。
为了更丰富地调节偏振光的状态，本发明基于超构透镜阵列的大视场集成显微成像装置还包括四分之一波片4，所述四分之一波片4固定于所述线偏振片3的后方，且位于所述线偏振片3和所述超构透镜阵列2之间。通过调节所述四分之一波片4的光轴与所述线偏振片3偏振方向的空间关系，可以调节所述四分之一波片4出射光的偏振状态。所述出射光的偏振状态包括：线偏振光、椭圆偏振光和圆偏振光。具体的，当四分之一波片4的光轴取向为：e轴或o轴与线偏振片3的偏振方向一致时，出射的偏振光为线偏振光；当四分之一波片4的光轴取向为：e轴或o轴与线偏振片3的偏振方向呈45度角时，出射的偏振光为圆偏振光；当四分之一波片4光轴取向为其它角度时，出射的偏振光为椭圆偏振光。
本发明中所述超构透镜阵列2中超构透镜的几何形状可以为矩形、方形、圆形、椭圆形或多边形。超构透镜阵列2中超构透镜的周期性排布方式可以为四方晶格排布或六角晶格排布。而且，超构透镜阵列2在所述第一偏振光入射时透镜的排布周期与超构透镜阵列2在所述第二偏振光入射时透镜的排布周期可以相同，也可以不同。如图2所示，图2中(a)部分为四方晶格排布周期，图2中(b)部分为六角晶格排布周期，图2中(c)部分为六角晶格排布周期，且超构透镜阵列在两个偏振光入射时透镜的排布周期不同。
为了更好的理解本发明的方案，下面结合具体实施例进一步进行说明。
实施例1
图3为实施例1的超构透镜阵列在两个偏振光入射时的透镜阵列示意图，如图3所示，本实施例中超构透镜阵列为2×2的超构透镜阵列，在偏振1(左旋圆偏振光)入射时形成透镜A阵列，在偏振2(右旋圆偏振光)入射时形成透镜B阵列。本实施例中，超构透镜采用方形的几何形状，其焦距、设计波长均为f和λ，则每个超构透镜在两个偏振下的相位分布具体为：
Figure BDA0002595936360000061
其中D为透镜的边长，实际加工定为200μm，工作波长λ为630nm。
为了验证实施例1中设计的准确性和可行性，首先利用仿真模拟软件对设计的偏振复用超构透镜阵列的性能进行评估。由于商用仿真软件(Lumerical FDTD Solutions)仿真大口径超构透镜阵列所需计算资源较大、计算时间较长，实际仿真时保证偏振复用超构透镜的数值孔径不变，减小透镜的直径，因此将最终的仿真参数定为偏振复用超构透镜直径为10.0μm、焦距12.5m。仿真结果如图4所示，图4(a)部分为超构透镜阵列xy面结构排布示意图。图4(b)部分为左旋圆偏振入射光(上图)和右旋圆偏振入射光(下图)超构透镜阵列焦平面归一化的电场强度分布图，可以明显看到左旋圆偏振光入射时4个透镜的聚焦焦斑和右旋圆偏振光入射时1个完整透镜的聚焦焦斑、边上4个1/2透镜的焦斑以及角上4个1/4透镜的焦斑，并且两种偏振超构透镜之间的串扰很小。图4(c)部分为左旋圆偏振入射光(上图)和右旋圆偏振入射光(下图)偏振复用超构透镜阵列焦平面与入射光正交偏振分量归一化的电场强度分布图，可以看到进行检偏之后，透镜聚焦的信噪比更高。
实施例2
本实施例利用电子束曝光和干法刻蚀加工得到超构透镜阵列。图5所示为超构透镜6×6阵列对应的光学显微镜照片，其中单个偏振复用透镜边长200μm，两偏振对应的透镜焦距均为250μm，工作波长为630nm。将该透镜阵列按本发明方法集成到图像传感器，并将美国空军标靶作为成像物体进行成像，切换偏振采集到左旋圆偏振入射光和右旋圆偏振入射光的成像图如图6(a)部分和图6(b)部分所示。通过后续图像拼接，最终可以获得全视场成像图如图6(c)部分所示，其中分辨率和单个透镜成像相当(≈1.74μm)，而视场相对于单个透镜扩大36倍。
用本发明所示的基于超构透镜阵列的大视场集成显微成像技术对一些生物样本进行成像。生物样本的光学显微镜照片和本发明所述成像技术所得显微图片的对比如图7所示，分别是巴氏涂片中的宫颈细胞(图7(a)部分)，苍蝇翅膀样本(图7(b)部分)，舌纵切切片标本(图7(c)部分)和心肌纵切切片标本(图7(d)部分)，图7(a)部分、(b)部分、(c)部分和(d)部分中，左侧图像为光学显微镜照片，右侧图像为本发明所得大视场显微图。可以看到，相比于同样视场范围的光学显微镜照片，本发明所示的基于超构透镜阵列的大视场集成显微成像技术所得显微图片对比度好，细节清晰。
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他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
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；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种基于超构透镜阵列的大视场集成显微成像装置，其特征在于，包括：光源、超构透镜阵列、线偏振片和图像传感器；
所述线偏振片固定于所述光源的后方，且所述线偏振片位于所述光源的出射光路上；所述超构透镜阵列固定于所述线偏振片的后方，且所述超构透镜阵列位于所述线偏振片的出射光路上；待成像物体位于所述线偏振片和所述超构透镜阵列之间；所述图像传感器位于所述超构透镜阵列的后方；
所述超构透镜阵列中包括周期性排布的多个超构透镜，所述超构透镜在第一偏振光和第二偏振光的相位分布满足：
Figure FDA0002998740100000011
其中，
Figure FDA0002998740100000012
为超构透镜p在第一偏振光的相位，λp1为超构透镜p在第一偏振光的波长，fp1为超构透镜p在第一偏振光的焦距，超构透镜p在第一偏振光的中心坐标为(0，0)，(x，y)是超构透镜p的面内坐标；
Figure FDA0002998740100000013
为超构透镜p在第二偏振光的相位；λp2为超构透镜p在第二偏振光的波长，fp2为超构透镜p在第二偏振光的焦距，(a，b)表示超构透镜p在第二偏振光下的中心与超构透镜p在第一偏振光下的中心之间的相对偏移位置。
2.根据权利要求1所述的基于超构透镜阵列的大视场集成显微成像装置，其特征在于，还包括：四分之一波片；所述四分之一波片固定于所述线偏振片的后方，且位于所述线偏振片和所述超构透镜阵列之间。
3.根据权利要求2所述的基于超构透镜阵列的大视场集成显微成像装置，其特征在于，通过调节所述四分之一波片的光轴与所述线偏振片偏振方向的空间关系，调节所述四分之一波片出射光的偏振状态；所述出射光的偏振状态包括：线偏振光、椭圆偏振光和圆偏振光。
4.根据权利要求1所述的基于超构透镜阵列的大视场集成显微成像装置，其特征在于，所述超构透镜阵列中超构透镜的周期性排布方式包括：四方晶格排布和六角晶格排布。
5.根据权利要求1所述的基于超构透镜阵列的大视场集成显微成像装置，其特征在于，第一透镜阵列中透镜的排布周期与第二透镜阵列中透镜的排布周期相同；所述第一透镜阵列为所述超构透镜阵列在所述第一偏振光入射时的透镜阵列，所述第二透镜阵列为所述超构透镜阵列在所述第二偏振光入射时的透镜阵列。
6.根据权利要求1所述的基于超构透镜阵列的大视场集成显微成像装置，其特征在于，第一透镜阵列中透镜的排布周期与第二透镜阵列中透镜的排布周期不同；所述第一透镜阵列为所述超构透镜阵列在所述第一偏振光入射时的透镜阵列，所述第二透镜阵列为所述超构透镜阵列在所述第二偏振光入射时的透镜阵列。
7.根据权利要求1所述的基于超构透镜阵列的大视场集成显微成像装置，其特征在于，所述超构透镜阵列中超构透镜的几何形状包括圆形、椭圆形和多边形。
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