CN112180579A - 采用阵列式物镜的显微成像组件、装置、系统及成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用阵列式物镜实现大视场凝视成像的显微成像组件、装置、系统及成像方法。本发明的目的是解决现有显微系统存在观测时效性差、观测区域尺寸受限的技术问题。本发明通过在现有具有一次相面、且通过计算机成像的复式显微系统基础上，将单一物镜替换为物镜阵列，并在物镜阵列和二级补偿倍率镜组之间加入场镜组合，通过场镜组合分别给物镜阵列和二级补偿倍率镜组平场，并实现多光轴向单光轴的转变，在成像时使样品载玻片和显微系统进行有限次的相对平移，使得在测试期间物镜阵列可以完全覆盖样品载玻片的全部视场，在初始位置处和每次平移后均进行曝光成像，将多次成像所得图像进行融合，从而得到样品目标区域的全局图像。

Description

采用阵列式物镜的显微成像组件、装置、系统及成像方法

技术领域

本发明涉及显微成像装置，尤其涉及一种利用阵列式物镜实现大视场凝视成像的显微成像组件、装置、系统及成像方法。

背景技术

从人类第一次利用真正意义上的光学镜片对物体进行放大观察(1590年，源于荷兰)至今，已经历时400多年，而公认的第一台显微镜则出现在17世纪末期。显微镜作为人类在生物学、化学、医学和物理学等多个学科中必不可少的光学仪器，至今仍持续地在科研和生产中发挥着重要的作用。

从构成形式上划分，显微镜可以分为单镜系统、筒镜显微系统和复式显微系统。

单镜系统的代表就是虎克显微镜，其结构简单，仅由一片直径约3mm的凸透镜构成，但像差矫正能力极低，尤其是色差严重，因此仅能对轴上视场的极小区域进行成像，且放大倍率极其有限。

随着透镜加工技术和装调技术的不断进步，复式显微系统逐渐成为显微系统发展的主流，所谓复式，就是具有多片透镜的透镜组，通过调整曲率、材料配比、间隔等参数，达到复消像差、提高成像质量的目的，同时系统组成也形成了物镜和目镜的固定组合形式，习惯上被称为有限距显微系统。这种复式显微系统是由物镜首先成像于中间相面(一次相面)，再由倍率镜传像到最终像面(计算机成像)，或在中间相面经准直后通过目镜实现人眼观测(人眼目视观测)。

筒镜显微系统则是相对复式显微系统的一次升级，在业内经过十多年的改进和推广，目前在全球范围内已被广泛应用。相对于有限距的复式显微系统，筒镜显微系统则被称为无限距光学显微系统。与复式显微系统相比，筒镜显微系统的物镜和筒型镜共同构成一个具备一定放大倍率的传像镜，中间不再存在中间相面(一次相面)。

尽管相对单镜系统具有一定的优越性，复式显微系统和筒镜显微系统仍需共同面对一些难题，如观测时效性差、观测区域尺寸受限等。从结构构成来说，现有的这两种显微系统均属于共光轴单一结构(Coaxial single-configuration)，即单物镜结合倍率镜的基本形式。在现有产品中，无论是复式显微系统还是筒镜显微系统，其观测方(物方)线视场的直径一般不会超过1mm。而在现代生物学、芯片制造和化学分析等多个领域，对于大尺寸样片(≥10mm)的全局、高实时成像及检测提出了新的需求，故亟需一种观测时效性好、观测区域尺寸大的显微系统。

发明内容

本发明的目的是解决现有显微系统存在观测时效性差、观测区域尺寸受限的技术问题，提供一种采用阵列式物镜的显微成像组件、装置、系统及成像方法。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术解决方案如下：

本发明提供一种采用阵列式物镜的显微成像组件，其特殊之处在于：包括沿光线传输方向依次设置的物镜阵列和场镜组合；

所述物镜阵列包括以阵列方式共面排布的N×M个物镜单元；

每个物镜单元包括沿光线传输方向依次设置的第一物镜和一级倍率镜组；

所述场镜组合包括沿光线传输方向依次设置第一场镜阵列和第二场镜；

第一场镜阵列包括以阵列方式共面排布、且与N×M个一级倍率镜组一一对应的N×M个第一场镜，每个第一场镜用于一个一级倍率镜组的平场；

第二场镜用于将N×M个第一场镜对应的N×M个光轴会聚到同一光轴；

所述N≥M，N＞1。

本发明还提供一种采用阵列式物镜的显微成像装置，其特殊之处在于：包括沿光线传输方向依次设置的上述的采用阵列式物镜的显微成像组件和二级补偿倍率镜组；

所述第二场镜与二级补偿倍率镜组对应，用于二级补偿倍率镜组的平场，二级补偿倍率镜组的焦面处为像面。

本发明还提供一种采用阵列式物镜的显微成像系统，其特殊之处在于：包括上述的采用阵列式物镜的显微成像装置，以及位于所述像面处的一个探测器。

进一步地，所述N＝3，M＝3；每个所述物镜单元的物方线视场直径为4±0.5mm；所述探测器具有5-10微米的像素分辨能力。

本发明还提供一种采用上述采用阵列式物镜的显微成像系统的成像方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

1)将样品载玻片置于所述采用阵列式物镜的显微成像系统的物面处；

2)利用二维平移台控制样品载玻片在物面内进行L次平移，使得N×M个物镜单元经过L次平移完全覆盖样品载玻片的全部视场，在初始位置处和每次平移后均进行曝光成像，得到L+1张图像；所述L≥1；

3)将所得L+1张图像进行融合，从而得到样品目标区域的全局图像。

进一步地，步骤1)中，所述样品载玻片的规格为10mm×10mm；步骤2)中，所述L＝3。

本发明还提供一种采用上述采用阵列式物镜的显微成像系统的成像方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

1)将样品载玻片置于所述采用阵列式物镜的显微成像系统的物面处；

2)通过二维平移台控制所述采用阵列式物镜的显微成像系统在垂直光轴的平面内进行L次平移，使得N×M个物镜单元经过L次平移完全覆盖样品载玻片的全部视场，在初始位置处和每次平移后均进行曝光成像，得到L+1张图像；所述L≥1；

3)将所得L+1张图像进行融合，从而得到样品目标区域的全局图像。

本发明还提供一种采用阵列式物镜的显微成像系统，其特殊之处在于：包括上述的采用阵列式物镜的显微成像装置，以及位于所述像面处以阵列方式排布、且与N×M个物镜单元一一对应的N×M个探测器。

本发明还提供一种采用上述采用阵列式物镜的显微成像系统的成像方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

1)将样品载玻片置于所述采用阵列式物镜的显微成像系统物镜阵列的物面处；

2)通过二维平移台控制样品载玻片在物面内进行L次平移，使得N×M个物镜单元经过L次平移完全覆盖样品载玻片的全部视场，在初始位置处和每次平移后均进行曝光成像，得到N×M×(L+1)张图像；所述L≥1；

3)将所得N×M×(L+1)张图像进行融合，从而得到样品目标区域的全局图像。

本发明还提供一种采用上述采用阵列式物镜的显微成像系统的成像方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

1)将样品载玻片置于所述采用阵列式物镜的显微成像系统的物面处；

2)通过二维平移台控制所述采用阵列式物镜的显微成像系统在垂直光轴的平面内进行L次平移，使得N×M个物镜单元经过L次平移完全覆盖样品载玻片的全部视场，在初始位置处和每次平移后均进行曝光成像，得到N×M×(L+1)张图像；所述L≥1；

3)将所得N×M×(L+1)张图像进行融合，从而得到样品目标区域的全局图像。

本发明相比现有技术具有的有益效果如下：

1、本发明提供的采用阵列式物镜的显微成像组件、装置、系统及成像方法，通过在现有具有一次相面、且通过计算机成像的复式显微系统基础上，将单一物镜替换为物镜阵列，并在物镜阵列和二级补偿倍率镜组之间加入场镜组合，通过场镜组合分别给物镜阵列和二级补偿倍率镜组平场，并实现多光轴向单光轴的转变，在成像时使样品载玻片和显微系统进行有限次的相对平移，使得在测试期间物镜阵列可以完全覆盖样品载玻片的全部视场，在初始位置处和每次平移后均进行曝光成像，将多次成像所得图像进行融合，从而得到样品目标区域的全局图像，完全克服了现有显微系统中无法进行大视场、高实时性成像及录像的应用局限性。

2、一次相面位置采用了场镜组合，包括沿光线传输方向依次设置第一场镜阵列和第二场镜，第一场镜阵列包括以阵列方式共面排布、且与N×M个一级倍率镜组一一对应的N×M个第一场镜，每个第一场镜为一个一级倍率镜组平场，第二场镜一方面用于为二级补偿倍率镜组平场，另一方面用于将N×M个第一场镜对应的N×M个光轴会聚到同一光轴。由于每个物镜阵列对应二级补偿倍率镜组的不同视场，因此以系统会聚后的光轴为中心轴，不同区域的物镜阵列可以通过多重结构的分区域优化来独立控制，这样实现二级补偿倍率镜组(传像镜)和各个独立物镜阵列的最佳组合成像效果。

3、通过将N×M个第一场镜对应的N×M个光轴会聚到同一光轴，有效的降低了物镜阵列规模扩大时，二级补偿倍率镜组(传像镜)过于复杂且成像质量下降的矛盾，通过探测器阵列的分离排布，克服了大视场系统带来的严重场曲影响，且多块小型探测器形成阵列所产生的成本，将远远低于采用单片大尺寸探测器的成本，并在采样速率和维护更换等方面具有优势。

4、本发明中物镜阵列可根据不同观测成像需求(如视场覆盖、扫描模式)进行调整，且物镜倍率、实现形式、单镜视场覆盖、物方数值孔径等参数均可根据实际需要进行独立设计，而二级补偿倍率镜组属于大线性视场(有限距系统)、低倍率成像镜，可以通过场镜组合，高效匹配物镜阵列的变化调整，从而达到衍射极限的成像效果。

5、场镜组合中的第二场镜和二级补偿倍率镜组，可以根据物镜阵列的具体需求进行独立设计，进而满足不同视场、空间分辨率、扫描模式等需求。

6、二级补偿倍率镜组对应像面可以拆分成和物镜阵列一一对应的多个独立部分，每个部分设置一个探测器，每个探测器可以通过倾斜和工作距的微小调整，有效克服大视场混合光轴成像系统带来的像面弯曲(场曲)影响，进一步获得高分辨率成像结果。

7、大视场覆盖。现有显微成像系统采用单一物镜，其物方实际观测视场(线视场)的直径一般不超过1mm，而本发明中采用9个具有独立成像能力的物镜单元组成阵列，每个物镜单元的物方线视场直径为4±0.5mm，在物方形成一个填充率(fill rate)优于25％的复合视场，通过简单的3次平移，实现了优于10mm×10mm正方形大视场覆盖。

8、高时间分辨率。现有显微成像系统由于视场小，对大尺寸观测样片成像时，需要进行长时间的扫描、平移和图像拼接等一系列处理过程(如通过不超过1mm的线视场对10mm×10mm正方形样品成像时，需经过至少100多次的平移、成像，以及100多张图像的拼接)。本发明中物镜阵列仅需要进行二维平面内有限的3次平移即可实现全视场成像，在相同有效观测面积和相同单次成像时间的前提下，较现有成像方式，在时间分辨率上提高了30倍以上。

9、微米级空间分辨。本发明中充分利用了现代可见光探测器微米级像素分辨能力，通过对光学系统全局优化的方式(在本发明系统结构基础上对各个部件的结构、组成、参数等利用常规技术手段进行优化)，使得光学系统的固有分辨率和微米级像素分辨能力的探测器优化匹配，达到光学系统的低倍率、高分辨空间(即大视场覆盖)成像。

附图说明

图1为本发明实施例1的结构示意图，图中还示出了物面(物镜阵列的物面)和像面(二级补偿倍率镜组的焦面)，系统的探测器位于该像面处；

图2为本发明实施例1中一个物镜单元和其对应第一场镜部分的结构示意图，对应图1中虚线框a中的部分，图中各参数对应表1；

图3为本发明实施例1中的第二场镜和二级补偿倍率镜组部分的结构示意图，对应图1中虚线框b中的部分，图中各参数对应表2；

图4为本发明实施例1中对于样品载玻片的扫描模式示意图，图中灰度最深的圆位置对应物镜阵列位于初始位置时对应的物方视场，箭头表示3次平移中物镜阵列相对于样品载玻片的移动方向；

图5为本发明实施例1中物镜阵列位于初始位置处以及3个相对平移位置对应的物方视场叠加，虚线框区域表示物镜阵列中的一个物镜单元位于初始位置处以及3个相对平移位置对应物方视场的叠加；

图6为本发明实施例3的结构示意图，图中还示出了物面(物镜阵列的物面)和像面(二级补偿倍率镜组的焦面)，系统的探测器位于该像面处；

附图标记说明：

1-物面、2-物镜阵列、201-物镜单元、2011-第一物镜、2012-一级倍率镜组、3-场镜组合、301-第一场镜阵列、3011-第一场镜、302-第二场镜、4-二级补偿倍率镜组、5-像面、6-探测器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步地说明。

实施例1

一种采用阵列式物镜的显微成像系统，如图1至3所示，包括沿光线传输方向依次设置的物镜阵列2(阵列式成像物镜)、场镜组合3(双场镜组件)、二级补偿倍率镜组4(近场传像镜)和一个探测器6(电子学焦面探测器，图像传感器，5-10微米像素分辨能力的商业探测器)；所述物镜阵列2包括以阵列方式共面排布的3×3个物镜单元201(即9个参数一致的近场低倍率物镜单元201按九宫格进行排列)；每个物镜单元201包括沿光线传输方向依次设置的第一物镜2011和一级倍率镜组2012；所述场镜组合3包括沿光线传输方向依次设置第一场镜阵列301和第二场镜302，第一场镜阵列301包括以阵列方式共面排布、且与3×3个物镜单元201一一对应的3×3个第一场镜3011，每个第一场镜3011用于给一个物镜单元201的一级倍率镜组2012平场，第二场镜302用于将3×3个第一场镜3011对应的3×3个光轴会聚到同一光轴，所述第二场镜302还与二级补偿倍率镜组4对应，用于给二级补偿倍率镜组4平场，二级补偿倍率镜组4的焦面处为像面5(传像镜成像焦面，图像传感器感光面)，探测器6位于该像面5处。

本系统中每个物镜单元201对应的物方线视场直径为4mm，其中，物镜阵列2和场镜组合3中的第一场镜阵列301独立设计(一起设计，如图2和表1所示)，第一场镜阵列301用于为物镜阵列2平场，场镜组合3中的第二场镜302和二级补偿倍率镜组4独立设计(一起设计，如图3和表2所示)，第二场镜302用于为二级补偿倍率镜组4平场，然后将第一场镜阵列301和第二场镜302密接，再进行系统级全局优化。

下面列表给出两个半独立系统中，光学元件的半径r，玻璃厚度及空气间隔d，光学材料的折射率N及色散系数V等设计参数(表1对应图2，表2对应图3)：

表1 物镜阵列和场镜组合中的第一场镜阵列一起设计的参数列表

表2 场镜组合中的第二场镜和二级补偿倍率镜组一起设计的参数列表

一种采用上述显微成像系统的成像方法，包括以下步骤：

1)将10mm×10mm规格的样品载玻片置于所述采用阵列式物镜的显微成像系统的样品放置平面(物面1，物镜阵列2物方平面)处；

2)利用二维平移台控制样品载玻片在物面1内进行3次平移，3×3个物镜单元201经过3次平移可完全覆盖样品载玻片的全部视场，在初始位置处和每次平移后均进行曝光成像，形成4张图像；

3)将4张图像进行融合，从而得到样品目标区域的全局图像。

本实施例中，系统的物方线视场通过等距平移成像后，可以实现10mm×10mm矩形区域的大视场快速成像。如图4所示，9个灰度最深的圆形区域代表9个物镜阵列2在原始位置处对应的物方视场，通过对物镜阵列2沿阵列所在平面3个方向(向右、向下、向左)的三次等距平移后，完整覆盖5图中虚线框内的正方形视场，其中不同灰度的区域分别代表原始位置和每次平移后的位置。

工作原理：该物镜阵列2由9个参数一致的近场低倍率物镜单元201按九宫格进行排列，其物方等效视场覆盖全视场的25％，通过控制精密的二维平移台，带动样品载玻片进行3次3个方向的平移(每平移一次进行一次曝光成像，包含初始位置的成像共4次)完成样品目标区域的全局成像。

实施例2

与实施例1的区别仅在于：

将成像方法的步骤2)中，通过二维平移台控制样品载玻片在物面1内平移替换为控制成像系统在垂直光轴的平面内进行3次平移。

实施例3

与实施例1的区别仅在于：

如图6所示，将成像系统像面5处的一个探测器6替换为以阵列方式共面排布、且与3×3个物镜单元201一一对应的3×3个探测器6，在成像中，每个探测器可以通过倾斜和工作距的微小调整，有效克服大视场混合光轴成像系统带来的像面弯曲(场曲)影响，进一步获得高分辨率成像结果。

实施例4

与实施例3的区别仅在于：

将成像方法的步骤2)中，通过二维平移台控制样品载玻片在物面内平移替换为控制成像系统在垂直光轴的平面内进行3次平移。

除上述实施例中的取值外，N、M和L还可根据具体应用场景中的时间长短、视场大小、分辨率要求等进行选取，比如N×M还可以为2×1、2×2等，L的数值以物镜阵列2经过有限的L次平移可完全覆盖样品载玻片的全部视场为准。

此外，一级倍率镜组2012主要是起倍率放大的作用，其具体结构可根据具体需要进行调整，二级补偿倍率镜组4的作用在于放大倍率和全局优化补偿，具体结构形式可根据具体应用场景进行设计。

并且，上述各物镜单元201的参数可以一致，也可以以系统会聚后的光轴为中心轴，径向位置相同的物镜单元201参数相同，径向位置不同的物镜单元201参数则根据本领域常规方式进行调整，以满足具体应用场景的要求。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，对于本领域的普通专业技术人员来说，可以对前述各实施例所记载的具体技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所保护技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种采用阵列式物镜的显微成像组件，其特征在于：包括沿光线传输方向依次设置的物镜阵列(2)和场镜组合(3)；

所述物镜阵列(2)包括以阵列方式共面排布的N×M个物镜单元(201)；

每个物镜单元(201)包括沿光线传输方向依次设置的第一物镜(2011)和一级倍率镜组(2012)；

所述场镜组合(3)包括沿光线传输方向依次设置第一场镜阵列(301)和第二场镜(302)；

第一场镜阵列(301)包括以阵列方式共面排布、且与N×M个一级倍率镜组(2012)一一对应的N×M个第一场镜(3011)，每个第一场镜(3011)用于一个一级倍率镜组(2012)的平场；

第二场镜(302)用于将N×M个第一场镜(3011)对应的N×M个光轴会聚到同一光轴；

所述N≥M，N＞1。

2.一种采用阵列式物镜的显微成像装置，其特征在于：包括沿光线传输方向依次设置的如权利要求1所述的采用阵列式物镜的显微成像组件和二级补偿倍率镜组(4)；

所述第二场镜(302)与二级补偿倍率镜组(4)对应，用于二级补偿倍率镜组(4)的平场，二级补偿倍率镜组(4)的焦面处为像面(5)。

3.一种采用阵列式物镜的显微成像系统，其特征在于：包括如权利要求2所述的采用阵列式物镜的显微成像装置，以及位于所述像面(5)处的一个探测器(6)。

4.根据权利要求3所述的采用阵列式物镜的显微成像系统，其特征在于：所述N＝3，M＝3；每个所述物镜单元(201)的物方线视场直径为4±0.5mm；所述探测器(6)具有5-10微米的像素分辨能力。

5.一种采用权利要求3或4所述采用阵列式物镜的显微成像系统的成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将样品载玻片置于所述采用阵列式物镜的显微成像系统的物面(1)处；

2)利用二维平移台控制样品载玻片在物面(1)内进行L次平移，使得N×M个物镜单元(201)经过L次平移完全覆盖样品载玻片的全部视场，在初始位置处和每次平移后均进行曝光成像，得到L+1张图像；所述L≥1；

3)将所得L+1张图像进行融合，从而得到样品目标区域的全局图像。

6.根据权利要求5所述的采用阵列式物镜的成像方法，其特征在于：步骤1)中，所述样品载玻片的规格为10mm×10mm；步骤2)中，所述L＝3。

7.一种采用权利要求3或4所述采用阵列式物镜的显微成像系统的成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将样品载玻片置于所述采用阵列式物镜的显微成像系统的物面(1)处；

2)通过二维平移台控制所述采用阵列式物镜的显微成像系统在垂直光轴的平面内进行L次平移，使得N×M个物镜单元(201)经过L次平移完全覆盖样品载玻片的全部视场，在初始位置处和每次平移后均进行曝光成像，得到L+1张图像；所述L≥1；

3)将所得L+1张图像进行融合，从而得到样品目标区域的全局图像。

8.一种采用阵列式物镜的显微成像系统，其特征在于：包括如权利要求2所述的采用阵列式物镜的显微成像装置，以及位于所述像面(5)处以阵列方式排布、且与N×M个物镜单元(201)一一对应的N×M个探测器(6)。

9.一种采用权利要求8所述采用阵列式物镜的显微成像系统的成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将样品载玻片置于所述采用阵列式物镜的显微成像系统物镜阵列(2)的物面(1)处；

2)通过二维平移台控制样品载玻片在物面(1)内进行L次平移，使得N×M个物镜单元(201)经过L次平移完全覆盖样品载玻片的全部视场，在初始位置处和每次平移后均进行曝光成像，得到N×M×(L+1)张图像；所述L≥1；

3)将所得N×M×(L+1)张图像进行融合，从而得到样品目标区域的全局图像。

10.一种采用权利要求8所述采用阵列式物镜的显微成像系统的成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将样品载玻片置于所述采用阵列式物镜的显微成像系统的物面(1)处；

2)通过二维平移台控制所述采用阵列式物镜的显微成像系统在垂直光轴的平面内进行L次平移，使得N×M个物镜单元(201)经过L次平移完全覆盖样品载玻片的全部视场，在初始位置处和每次平移后均进行曝光成像，得到N×M×(L+1)张图像；所述L≥1；

3)将所得N×M×(L+1)张图像进行融合，从而得到样品目标区域的全局图像。

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