CN113267495A - 一种将每两条平行线光斑重组成共线线光斑的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种将每两条平行线光斑重组成共线线光斑的装置及方法。装置包括两套中继系统，将每两条平行线光斑分别从不同角度共轭到空间中的另一位置，形成两条重合或平行的共轭线光斑，还包括两个相互垂直、交线垂直于两条共轭线光斑所在的平面且与两条共轭线光斑之间的距离相等的第二反射面，两条共轭线光斑分别通过两个第二反射面反射后形成共线线光斑。当为重合状态时，通过反射形成相连的共线线光斑，当为平行状态时，经过反射形成具有间隔的共线线光斑。可以一次共线成像，与现有共面成像相比，能大幅减少探测浪费，提高成像通量，且成像通量不受横向间隔的约束影响，从而能更加灵活地进行多层信号扫描的位置调节。

Description

一种将每两条平行线光斑重组成共线线光斑的装置及方法

技术领域

本发明属于显微光学多层成像技术领域，更具体地，涉及一种将每两条平行线光斑重组成共线线光斑的装置及方法。

背景技术

常规显微镜只能清晰成像较薄景深范围内的样本。为了提高对三维生物样本的成像通量，开发了多层成像技术，例如将不同深度的样本面共轭到一个面阵相机的不同区域，从而实现对多层样本的共面成像。但是宽场的成像方式没有去除背景干扰的能力，这导致图像对比度较低，因此，线扫描的成像方式可以利用狭缝共聚焦的层析能力，提高图像的对比度。

公开号为CN108982503A的专利中公开了一种基于梯度反射的多层信号共面并行探测方法，通过梯度补偿反射镜将具有轴向位移差和横向位移差的多层条带信号进行校正补偿，从而可以使用面阵探测装置将多层条带信号进行共面探测。

然而，在这种多层扫描成像系统中，多条线照明激发不同深度的样本产生的多层信号往往会在成像面有较大弥散，为了避免信号串扰，相邻两个条带信号(相邻两条线光斑)之间在面阵探测装置上通常会间隔有至少数十个像素。并且，由于信号光具有一定的发散角度，在使用梯度补偿反射镜时为了避免阻挡，两条线光斑之间的距离也会随着补偿的轴向位移差的变大而变大，最终也会导致在面阵探测装置上相邻两个条带信号之间存在较大的间隔，这种较大的冗余间隔会引起冗余采集，降低成像通量以及成像的扫描速度，限制了多层线扫描成像系统在快速成像，例如活体成像中的应用。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种将每两条平行线光斑重组成共线线光斑的装置及方法，其目的在于解决现有技术中多层线光斑进行共面成像时具有较大冗余间隔的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种将每两条平行线光斑重组成共线线光斑的装置，包括两套中继系统，两套中继系统将每两条平行线光斑分别从不同角度共轭到空间中的另一位置，形成两条重合或两条平行的共轭线光斑；

还包括位于两套中继系统出射路径上的两个第二反射面，两个第二反射面相互垂直，它们的交线垂直于两条共轭线光斑所在的平面且与两条共轭线光斑之间的距离相等，两条共轭线光斑分别通过两个第二反射面反射后形成共线线光斑。

通过上述技术方案，中继系统将每两条平行线光斑中继到空间中的另一位置，获得两条共轭线光斑，当这两条共轭线光斑为重合状态时，再通过第二反射面的反射，形成相连的共线线光斑，当这两条共轭线光斑为平行状态时，经过第二反射面的反射，形成中间具有一定间隔的共线线光斑。因此，可以一次共线成像，相比于现有技术中的共面成像，能大幅减少探测装置的浪费，提高成像通量，而且将平行线光斑重组成共线线光斑后，就不受横向间隔的约束影响，从而能更加灵活地进行多层信号扫描的位置调节。

本发明的另一个方面提供了一种共线成像系统，包括上述的装置，还包括位于两个第二反射面出射路径上的探测装置，所述共线线光斑一次成像在所述探测装置的一个线阵上。

通过上述技术方案，将重组后的共线线光斑一次成像在探测装置的一个线阵上，也就是说在对样本的不同深度同时进行光学层析成像时，一次可以同时获取样本多层的信号，且不会产生冗余探测，有利于提高成像通量及线扫描的速度，那么在对活体进行扫描成像时，能在有用的生物信号产生变化前快速地记录下来。

本发明的另一个方面还提供了一种将每两条平行线光斑重组成共线线光斑的方法，包括以下步骤：

S1，提供两套中继系统，将每两条平行线光斑分别从不同角度共轭到空间中的另一位置，获得两条重合或平行的共轭线光斑；

S2，提供两个第二反射面，来对两条共轭线光斑反射，形成两条共线线光斑，两个第二反射面相互垂直，它们的交线垂直于两条共轭线光斑所在的平面且与两条共轭线光斑之间的距离相等。

本发明的另一个方面还提供了一种将多条平行线光斑重组成共线线光斑的方法，采用前述的装置进行，包括以下步骤：

S1，将每两条平行线光斑作为一对，采用上述的装置同时将各对重组出一条共线线光斑；

S2，将当前输出的共线线光斑作为下一次重组输入的平行线光斑，重复步骤S1，直到多条平行线光斑重组成一条共线线光斑为止。

通过上述技术方案，可以将2条以上的平行线光斑重组成一条共线线光斑，那么在对样本进行多层光学层析成像时，可以同时进行2层以上的扫描，然后一次成像在探测装置的一个线阵上，能大幅提高成像速度，非常有利于活体样本的成像应用。

附图说明

图1是两条平行线光斑位于不同xy平面的位置示意图；

图2是两条平行线光斑位于同一xy平面的位置示意图；

图3是本发明一实施例中将两条平行线光斑重组成共线线光斑的装置示意图；

图4是本发明又一实施例中将两条平行线光斑重组成共线线光斑的装置示意图；

图5是本发明一实施例中的第一直角刀锋反射镜对两条同一xy平面的平行线光斑的反射示意图；

图6是本发明又一实施例中的第一直角刀锋反射镜对两条不同xy平面的平行线光斑的反射示意图；

图7是本发明中两条平行线光斑通过中继系统形成两条平行的共轭线光斑示意图；

图8是本发明中两条平行线光斑通过中继系统形成两条重合的共轭线光斑示意图；

图9是本发明又一实施例中两条平行线光斑通过中继系统形成两条重合的共轭线光斑的示意图；

图10是本发明又一实施例中两条平行线光斑通过中继系统形成两条平行的共轭线光斑的示意图；

图11是本发明中两条共轭线光斑与两个第二反射面之间的关系图；

图12是本发明一实施例中第二直角刀锋反射镜将两条平行的共轭线光斑反射成首首相邻的共线线光斑的示意图；

图13是本发明又一实施例中第二直角刀锋反射镜将两条平行的共轭线光斑反射成首首相邻的共线线光斑的示意图；

图14是本发明中第二直角刀锋反射镜将两条重合的共轭线光斑反射成首首相连的共线线光斑的示意图；

图15是本发明中共线成像系统的原理示意图；

图16是本发明中将多条平行线光斑重组成一条共线线光斑的原理示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提出了一种将每两条平行线光斑重组成共线线光斑的装置，如图1所示，在一些实施例中，两条平行线光斑1、2位于两个不同的xy平面22、23，xy平面指的是平行于相机或探测器的探测面，也就是成像面，如两条平行线光斑1、2位于不同的xy平面，那么无法被相机或探测装置同时共面探测到，因此，在公开号为CN108982503A的专利中，进行轴向多层信号扫描时，补偿校正后两条平行线光斑就可以位于如图2所示的同一个xy平面3，可以实现共面探测，此时两条平行线光斑1、2的位置关系分别从xz平面看以及从xy平面看时如图2所示。xy平面垂直于z方向，z方向指的是在对样本进行多层扫描时的轴向，本申请可以将位于不同xy平面的平行线光斑重组成共线线光斑，也可以将位于同一个xy平面的平行线光斑重组成共线线光斑。

如图3所示，本装置包括两套中继系统，两套中继系统将每两条平行线光斑1、2分别从不同角度共轭到空间中的另一位置，形成两条重合或两条平行的共轭线光斑12、13；

还包括位于两套中继系统出射路径上的两个第二反射面24、25，两个第二反射面24、25相互垂直，它们的交线垂直于两条共轭线光斑12、13所在的平面且与两条共轭线光斑12、13之间的距离相等，两个共轭线光斑12、13分别通过两个第二反射面24、25反射后形成共线线光斑19、20。

通过中继系统将每两条平行线光斑1、2共轭到同一个xy平面内，然后通过两个第二反射面24、25进行反射，从而可以使每两条平行线光斑1、2重组成一条共线线光斑19、20，因此，在轴向多层信号扫描这种应用场景下，可以将每两条平行线光斑(不论是否位于同一个xy平面)重组成共线线光斑，从而对重组的共线线光斑19、20进行无冗余探测，提高了同时多层共面线扫描的成像通量。现有技术中在使用单个相机探测多条平行线光斑时，为了减少冗余，每两条平行线光斑之间的横向距离通常不能太大。而通过本申请的装置，每两条平行线光斑之间的横向距离不会影响到探测效率，从而可以使多层信号扫描的位置更加灵活的进行调节。

具体的，两条共轭线光斑分别与两条平行线光斑1:1共轭，如图3和图4所示，即12与1为1:1共轭，13与2为1:1共轭，因此，平行线光斑1、2经过中继系统后其方向发生了180°旋转，最后经过第二反射面24、25后又转向一定角度，且两个共轭线光斑12、13转动角度和为180°，同时两个第二反射面的交线垂直于两条共轭线光斑12、13所在的平面且与两条共轭线光斑12、13之间的距离相等，可保证转动后形成共线的首首相邻/相连或尾尾相邻/相连。

如图4所示，本装置还包括位于中继系统的入射路径上的第一反射面26、27，第一反射面26、27平行于平行线光斑1、2，两条平行线光斑1、2分别经过两个第一反射面26、27后入射至对应的中继系统内。

在一些实施例中，可以通过两个平面反射镜来分别提供两个第一反射面；在另一些实施例中也可以通过一个立体反射镜例如直角刀锋反射镜来分别提供两个第一反射面。优选的，如图5所示，两条平行线光斑1、2位于同一个xy平面时，在两个平行线光斑1、2之间设置一个第一直角刀锋反射镜5，使它的两个直角面6、7作为图4中的两个第一反射面26、27，从xz面看，第一直角刀锋反射镜5的刀锋4则需要与两条平行线光斑1、2平行则两条平行线光斑1、2经过反射后会依然保持相互平行的状态。更优选的，第一直角刀锋反射镜5的刀锋4与两条平行线光斑1、2之间的距离相等，这样可以保证反射后的两条平行线光斑1、2在第一直角刀锋反射镜5内的虚像位置8、9位于同一个xy平面；当然，在一些实施例中，第一直角刀锋反射镜5的刀锋4与两条平行线光斑1、2之间的距离也可以不相等，这样反射后它们会位于两个不同的xy平面，但不论刀锋4与两条线光斑1、2之间的距离如何，都能使两条平行线光斑1、2的传播方向进行90°的转向，使它们的传播方向由相互平行转为相背，来达到分离的目的，便于入射到各自对应的中继系统内，避免相互干扰。

在另一些实施例中，如图6所示，两条平行线光斑1、2也可位于两个不同的xy平面，优选地，可以使反射后的两条平行线光斑1、2在第一直角刀锋反射镜5内的虚像位置8、9重合，此时，反射后的两条平行线光斑1、2位于同一个xy平面内，之后再经过中继系统获得两条平行的共轭线光斑12、13时如图7所示，获得两条重合的共轭线光斑12、13时如图8所示。当然，虚像位置8、9也可不重合(未进行图示)，不论虚像位置是否重合，反射后的两条平行线光斑1、2是否位于同一个xy平面，都可以实现分别进入两个中继系统内获得1:1共轭的两条共轭线光斑12、13。

中继系统则可以采用现有技术中能实现中继功能的透镜进行组合，只要能将平行线光斑从不同角度进行1:1共轭成像即可。优选的，如图9所示，中继系统可以包括中继镜11和位于中继镜11入射路径与出射路径上的两块反射镜10，中继镜11实现了1:1共轭成像，两块反射镜10则用于调整两条共轭线光斑12、13的空间位置，使它们如图9所示的重合或如图10所示的平行。当平行时，如图11，图中(a)所示两条共轭线光斑12、13可以位于同一个xy平面内，也可以分别位于(d)所示两个不同的xy平面内，(b)(c)展示了位于同一个xy平面的两条共轭线光斑与两个第二反射面之间的关系图，(e)(f)展示了位于两个不同xy平面的两条共轭线光斑与两个第二反射面之间的关系图，因为经过中继系统后它们的传播方向由之前的相互平行变成相对，所以不论是否位于同一个xy平面均可以通过两个第二反射面反射成共线线光斑，只要使两个第二反射面24、25相互垂直，它们的交线垂直于两条共轭线光斑12、13所在的平面且与两条共轭线光斑12、13之间的距离相等即可。

同样，对于图4中两个第二反射面24、25，可以通过两个平面反射镜来分别提供，也可以通过一个立体的反射镜来提供。优选的，如图12所示，在两个共轭线光斑12、13之间设置一个第二直角刀锋反射镜14，其两个直角面17、18作为图4中的两个第二反射面24、25，从xy面看，第二直角刀锋反射镜14的刀锋15垂直于两条共轭线光斑12、13所在的平面，且刀锋15与两条共轭线光斑12、13之间的距离相等。在一些优选实施例中，两个直角面17、18与对应的共轭线光斑12、13分别成45°，因此每条共轭线光斑反射后转向了90°，从而使得两条平行的共轭线光斑12、13反射后共线。在另一些实施例中，如图13所示，两个直角面17、18与对应的共轭线光斑12、13可以不为45°，例如一个为20°一个为70°，此时，两条共轭线光斑12、13反射后分别转向了40°和140°，因此，只要两个直角面17、18相互垂直、交线垂直于两条共轭线光斑12、13所在的平面且与两条共轭线光斑12、13之间的距离相等，两条共轭线光斑12、13反射后就能实现共线。

在一些实施例中，如图14所示，两条共轭线光斑12、13为重合状态时，在第二直角刀锋反射镜14内的虚像位置为16，可以使第二直角刀锋反射镜14的刀锋15与两条共轭线光斑12、13的虚像位置16的一端相交，则经过反射后的共线线光斑19、20呈一条连续、没有间隔的共线线光斑，可以最大限度地利用探测装置，提高成像通量。

综上，从xy面看，在一些实施例中，每两条平行线光斑1、2被两套中继系统从不同角度中继到空间中相近的位置时，两条共轭线光斑12、13不重合，它们相互平行且距离较近，经过第二反射面的反射后，形成如图12所示的首首相邻或尾尾相邻的共线线光斑。在另一些实施例中，每两条平行线光斑被中继到空间中的相同位置时，两条共轭线光斑12、13重合，重合的两条共轭线光斑12、13经过第二反射面的反射后，形成如图14所示的首首相连或尾尾相连的共线线光斑。

本装置中一个第一反射镜、一套中继系统、一个第二反射镜组成一条光路，共两条光路，如平行线光斑的条数超过2条，即有2^N+1条平行线光斑时，N为正整数，一条光路中可以并行传播2^N条平行线光斑，通过本装置可以将每两条平行线光斑重组成一条共线线光斑，最终同时重组出2^N条共线线光斑。

如图15所示，本发明还提出了一种共线成像系统，包括上述的装置，还包括位于两个第二反射面出射路径上的探测装置28，共线线光斑一次成像在探测装置28的一个线阵上。探测装置28可以是相机也可以是探测器。进一步地，由于共线线光斑的聚焦位置与第二反射面的距离较近，探测装置不容易探测到共线线光斑，因此通常需要在第二反射面与探测装置之间再设置一个1:1的中继成像镜组，便于探测装置对共线线光斑进行探测。

通过本系统，可以将共线线光斑一次成像在探测装置的一个线阵上，也就是说在对样本的不同深度同时进行光学层析成像时，一次可以同时获取样本多层的信号，且不会产生冗余探测，有利于提高成像通量及线扫描的速度，那么在对活体进行扫描成像时，能在有用的生物信号产生变化前快速地记录下来。同时，重组的共线线光斑需要通过狭缝成像在探测装置上，因此可以过滤背景杂光，从而提高成像对比度，那么在进行大样本的光学成像时，也就可以对应获得层析能力。

如图3所示，本发明还提出了一种将每两条平行线光斑重组成共线线光斑的方法，通过上述的装置来实现，包括以下步骤：

S1，提供两套中继系统，将每两条平行线光斑1、2分别从不同角度共轭到空间中的另一位置，获得两条重合或平行的共轭线光斑12、13；

S2，提供两个第二反射面24、25，来对两条共轭线光斑12、13反射，形成两条共线线光斑19、20，两个第二反射面相互垂直。两个第二反射面的交线垂直于两条共轭线光斑所在的平面且与两条共轭线光斑之间的距离相等。

如图4所示，基于上述步骤，优选的，在S1之前，还提供两个分别平行于两条平行线光斑1、2的第一反射面26、27，以将两条平行线光斑分别反射进两套中继系统中。

具体的，如图7所示，中继系统包括中继镜11和位于中继镜入射路径与出射路径上的两块反射镜10，中继镜实现了1:1共轭成像，两块反射镜则用于调整两条共轭线光斑的位置。在一些实施例中，通过中继系统将两条平行线光斑中继到空间中的相同位置时，两条共轭线光斑重合，重合的两条共轭线光斑经过S2的反射后，形成如图14所示的一端相连的共线线光斑。在另一些实施例中，通过中继系统将两条平行线光斑中继到空间中相近的位置时，两条共轭线光斑不重合，而是处于平行状态且距离较近，经过S2的反射后，形成如图12所示的中间有一定间隔的共线线光斑。

当采用第一直角刀锋反射镜5来提供两个第一反射面，采用第二直角刀锋反射镜14来提供两个第二反射面时，从xz面看，两条平行线光斑1、2分别被两个直角面6、7反射，从而分离，进入到两个光路支路中，根据反射成像的几何特性，被反射后的光线可以看作是从第一直角刀锋反射镜5内两条平行线光斑的虚像8、9发出的，然后依次经过中继系统中的第一块反射镜、中继镜、第二块反射镜，到达空间中的另一位置，形成分别与两条平行线光斑1:1共轭的共轭线光斑，通过调节中继系统中的两块反射镜可以调整两个共轭线光斑之间的距离。

如图16所示，本发明还提出一种将多条平行线光斑重组成共线线光斑的方法，采用上述的装置与方法进行，具体为：

S1，将每两条平行线光斑作为一对，采用上述的方法同时将各对重组出一条共线线光斑；

S2，将当前输出的共线线光斑作为下一次重组输入的平行线光斑，重复步骤S1，直到多条平行线光斑重组成一条共线线光斑为止。

其中，将最外侧的两条作为一对，次外侧的两条作为一对，依次类推，2^N+1条则有2^N对，N为正整数，当有2^N+1条平行线光斑时，经过一次S1，可以重组出2^N条共线线光斑；然后将当前输出的共线线光斑作为下一次重组输入的平行线光斑，再重复N次步骤S1，即总共进行N+1次S1，最后可以将所有的平行线光斑重组共线，成像在相机或探测器的一个线阵上，每次重复S1时，具体也是将最外侧的两条作为一对，次外侧的两条作为一对，依次类推。

以N＝2为例，将8条平行线光斑变为1条共线光斑，就需要进行3次S1，第一次进行S1将8条平行线光斑重组出4条共线线光斑，其中第1条与第8条首首相连，第2条与第7条首首相连，第3条与第6条首首相连，第4条与第5条首首相连；第二次进行S1将4条平行的共线线光斑重组出2条共线线光斑，第三次进行S1将2条平行的共线线光斑变为1条共线线光斑。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种将每两条平行线光斑重组成共线线光斑的装置，其特征在于，包括两套中继系统，两套中继系统将每两条平行线光斑分别从不同角度共轭到空间中的另一位置，形成两条重合或两条平行的共轭线光斑；

还包括位于两套中继系统出射路径上的两个第二反射面，两个第二反射面相互垂直，它们的交线垂直于两条共轭线光斑所在的平面且与两条共轭线光斑之间的距离相等，两条共轭线光斑分别通过两个第二反射面反射后形成共线线光斑。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，两条共轭线光斑分别与两条平行线光斑1:1共轭。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，还包括位于中继系统入射路径上且平行于平行线光斑的第一反射面，两条平行线光斑分别经过两个第一反射面反射后入射至对应的中继系统内。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，两个平行线光斑之间设有第一直角刀锋反射镜，所述第一直角刀锋反射镜的刀锋平行于两条平行线光斑，所述第一直角刀锋反射镜的两个直角面即两个所述第一反射面。

5.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，中继系统包括中继镜和位于中继镜出射路径与入射路径上的两块反射镜，所述反射镜用于调节所述共轭线光斑的空间位置。

6.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，两条共轭线光斑之间设有第二直角刀锋反射镜，所述第二直角刀锋反射镜的刀锋垂直于两条共轭线光斑所在的平面且与两条共轭线光斑之间的距离相等，所述第二直角刀锋反射镜的两个直角面即两个所述第二反射面。

7.一种共线成像系统，其特征在于，包括如权利要求1-6任一所述的装置，还包括位于两个第二反射面出射路径上的探测装置，所述共线线光斑一次成像在所述探测装置的一个线阵上。

8.一种将每两条平行线光斑重组成共线线光斑的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，提供两套中继系统，将每两条平行线光斑分别从不同角度共轭到空间中的另一位置，获得两条重合或平行的共轭线光斑；

S2，提供两个第二反射面，来对两条共轭线光斑反射，形成两条共线线光斑，两个第二反射面相互垂直，它们的交线垂直于两条共轭线光斑所在的平面且与两条共轭线光斑之间的距离相等。

9.一种将多条平行线光斑重组成共线线光斑的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，将每两条平行线光斑作为一对，采用如权利要求1所述的装置同时将各对重组出一条共线线光斑；

S2，将当前输出的共线线光斑作为下一次重组输入的平行线光斑，重复步骤S1，直到多条平行线光斑重组成一条共线线光斑为止。

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