CN114488503B - 用于病理切片扫描仪的超构微型数字成像系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种用于病理切片扫描仪的超构微型数字成像系统，包括照明系统、载物台和光学成像系统；照明系统将点光源重新均匀分布照射到载物台上的载玻片上，经过光学成像系统获得病例切片数字成像；照明系统为自由曲面透镜照明系统，载物台为微型压电载物台，光学成像系统包括前置平面超构物镜和后置平面超构物镜。本发明还公开用于病理切片扫描仪的超构微型数字成像方法。本发明基于平面超构透镜对可见光调控有效消除像差的同时减小结构尺寸，实现光学系统小型化集成化；通过自由曲面透镜照明系统形成矩形均匀照面区域，提高光照效率，实现光学系统的微型化，同时降低载物台要求使得微型压电载物台得以应用为病理切片扫描仪微型化奠定基础。
Description
技术领域
本发明涉及一种成像系统，尤其涉及一种用于病理切片扫描仪的超构微型数字成像系统及方法。
背景技术
病理切片扫描仪，采用可见光显微放大系统，将载玻片信息全方位地快速扫描形成数字化病理切。作为病理切片扫描仪核心的透镜光学成像系统，主要由高斯光学成像系统、Kolehr照明系统和直线电机驱动的高速精密载物台构成。
其中，高斯光学透镜成像系统通过光学镜面几何曲率变化实现电磁波的相位调谐和波前整形，即基于高斯几何光学Snell定律，利用透镜使光线发生折射，形成光学图像。在实际光学系统中，由于非近轴光线追迹所得的结果和近轴光线追迹所得的结果不一致，与高斯光学理想状况之间存在偏差，影响了光学系统的成像质量，其中影响成像质量的主要偏差是球差、彗差、像散、场曲、畸变和色散。为了解决像差问题以获得高质量的聚焦成像，需要采用透镜组，如对称透镜组；凸、凹透镜双胶合等，系统构成复杂，构成的光学系统体积大，在实际应用中很难微型化、集成化。
切片扫描仪的高斯光学透镜成像系统采用球面透镜，在远光轴区域成像质量无法满足病理切片清晰成像需要，成像区域受限。为了能满足通常26mmX76mm载玻片放大40倍的成像要求，需要通过高精度电动载物台，实现高速扫描成像。高精度的电动载物台，通常包括高速伺服电机，滚珠丝杠传动，光栅位移传感器，控制器等。对定位精度、运行速度提出了很高要求，如运行速度2mm/s,定位精度±5μm，导致系统复杂，难以微型化。
Kehler照明系统可以为显微照明提供均匀照明，包括聚光镜组、孔径光阑及聚光镜，同样，由于采用了科勒镜聚光镜组，其复杂的系统结构也难以实现微型化难。
光学成像系统，照明系统和载物台存在的上述不足，导致病理切片扫描仪微型化、集成化受到了极大限制。
发明内容
发明目的：本发明旨在提供一种用于病理切片扫描仪的超构微型数字成像系统及方法，解决成像系统结构复杂、体积大，在实际应用中很难实现小型化、集成化的问题。
技术方案：本发明的用于病理切片扫描仪的超构微型数字成像系统，包括照明系统、载物台和光学成像系统；照明系统将点光源重新均匀分布照射到载物台上的载玻片上，然后经过光学成像系统获得病例切片的数字成像。
照明系统包括球形反射平面镜、自由曲面透镜和光源；所述光源设置在球形反射平面镜和自由曲面透镜之间的球形反射平面镜的球心位置。
进一步，自由曲面透镜根据Monge-Ampere方程设计，将点光源重新分布照射到载波片上，形成矩形均匀照度分布。
载物台为微型压电载物台，由超声电机控制。
光学成像系统包括前置平面超构物镜和后置平面超构物镜；所述前置平面超构物镜和后置平面超构物镜构成平行光路；所述前置平面超构物镜包括前后并行放置的第一超构透镜和第二超构透镜；所述后置平面超构物镜包括第三超构透镜，放置在第二超构透镜后面。
超构透镜包括平板基底上规则排列的亚波长微单元结构。
进一步，平行光路中设置棱镜、滤光片、偏振片、超构透镜中一种或多种。
进一步，还包括CCD传感器，用于获得病例切片的数字成像并传输给微处理器。
本发明的用于病理切片扫描仪的超构微型数字成像方法，包括以下步骤：
(1)点光源设置在球形反射平面镜和自由曲面透镜之间的球形反射平面镜的球心位置；所述自由曲面透镜根据Monge-Ampere方程设计，将点光源重新分布照射到载波片上，形成矩形均匀照度分布；
(2)点光源对放置在微型压电载物台上载玻片高速扫描后，经过光学成像系统获得病例切片的数字成像。
光学成像系统包括前置平面超构物镜和后置平面超构物镜；所述前置平面超构物镜和后置平面超构物镜构成平行光路；所述前置平面超构物镜包括前后并行放置的第一超构透镜和第二超构透镜；所述后置平面超构物镜包括第三超构透镜，放置在第二超构透镜后面；所述平行光路中设置棱镜、滤光片、偏振片、超构透镜中的一种或多种。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：
(1)基于非球面的平面超构透镜对可见光的调控，能够有效消除像差；平面超构透镜系统，结构尺寸大大减小，实现光学系统小型化、集成化，是病理切片扫描仪微型化的基础。
(2)通过自由曲面透镜照明系统形成矩形均匀照面区域，提高了光照效率，实现光学系统的微型化，同时降低了载物台的性能要求，使得微型压电载物台得以应用，为病理切片扫描仪微型化奠定基础
附图说明
图1为本发明的系统原理图；
图2为本发明的自由曲面透镜结构图；
图3为本发明的自由曲面透镜照明系统结构图；
图4为本发明的圆形及矩形照明区域对比图；
图5为本发明的光学成像原理图；
图6为本发明的亚波长微单元结构示意图；
图7为本发明的亚波长微单元布置示意图；
图8为本发明基于超构微型数字成像系统的微型病理切片扫描仪原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
由图1可知，本发明所述用于病理切片扫描仪的超构微型数字成像系统包括照明系统、载物台和光学成像系统；照明系统将点光源重新均匀分布照射到载物台上的载玻片上，然后经过光学成像系统获得病例切片的数字成像。
如图2所示，自由曲面透镜是根据Monge-Ampere方程设计的折射曲面透镜，通过优化设计的折射曲面，可以将点光源重新分布照射到目标面上，形成矩形均匀照度分布。如图3所示，自由曲面透镜照明系统由大功率LED点光源提供照明，照明系统包括球形反射平面镜和自由曲面透镜，反射平面镜将非自由曲面镜光场内的光反射回焦点-即led处，避免光能损失。自由曲面透镜对led光源及平面镜反射光进行调制，形成亮度均匀的矩形照明区域，为载玻片提供照明。矩形照明方式能提供照明能量效率，可避免圆形照明方式由于照明边缘的能量损失，提高有效区域的光照度，如图4所示。
由于采用平面超构透镜成像，没有远光轴成像的难题，成像区域由平面超构透镜的几何尺寸决定，大大增加了成像面积，可降低载物台的运动速度及定位精度要求，故载物台采用微型压电载物台。压电载物台由压电超声电机直接驱动，不需要复杂的传动及控制机构，可以实现载物台的微型化。
如图5所示，光学成像系统包括前置平面超构物镜和后置平面超构物镜，前置平面超构物镜对图像进行一级放大，包括两个超构透镜，与后置平面超构物镜一起构成放大的平行光路；平行光路中可以加入棱镜、滤光片、偏振片及其他超构透镜等，在不影响像点位置变化，造成双重重叠误差的情况下，实现滤光、偏振等功能；后置平面超构物镜将图像进行二次放大，成清晰的放大实像。
前置和后置平面超构物镜均为超构透镜，是周期性阵列亚波长微单元组成的平面元件，由介质材料构成，如Si。其结构为平板的基底，如SiO2上规则排列的亚波长微单元结构,单元结构为长方体，正方体、圆柱型等，系列微单元结构规律阵列构成超构透镜。
如图6和图7所示，本实施例中，前置和后置平面超构物镜为介质材料，其结构为平面Si基底上规则排列亚波长SiO2柱体结构，主体截面为八面体，系列的单元结构规律阵列构成整个超构透镜。以八面体的边长及对称轴的偏转角度为优化参数，实现色散补偿功能。超构透镜的平面对称非球面结构，可有效消除球差、彗差
由于超表面的周期远小于波长，根据惠更斯-菲涅耳原理，通过电磁波的相位调控，能够将入射波前塑造成为所需的形状。其中可见光与亚波长结构发生相互作用,对于任意的入射偏振光将在亚波长结构作用下发生散射，散射光由两个部分组成，一部分是没有相位调制的同旋向圆偏光，另一部分是有相位调制和振幅调制的反旋向圆偏光，当亚波长结构发生变化，利用有相位调制和振幅调制的反旋向圆偏光，以实现对光的相位调制。通过优化亚波长结构的几何形状和排列方式，可控制超表面的色散。平面超构透镜的平面对称非球面结构，能避免透镜光学系统中的球差、彗差、像散、场曲、畸变5种像差，实现像差矫正。
本实施例中，基于超构微型数字成像系统的微型病理切片扫描仪包括微型数字成像系统及微机电系统，如图8所示。微型数字成像系统包括照明系统、载物台和光学成像系统。光学成像系统由前置和后置两个超构透镜构成，载玻片放置在精密平台上，精密平台为微型压电载物台，配置自由曲面透镜照明照明系统代替复杂的科勒照明系统，实现数字成像系统的微型化。由微处理器及超声电机组成的微机电系统，实现扫描驱动及图像采集功能，并提供数据接口。数据接口通过有线或无线传输方式，将CCD传感器采集的图像，上传至图像处理系统，进行图像处理。
本发明的用于病理切片扫描仪的超构微型数字成像方法，包括以下步骤：
(1)点光源设置在球形反射平面镜和自由曲面透镜之间的球形反射平面镜的球心位置；所述自由曲面透镜根据Monge-Ampere方程设计，将点光源重新分布照射到载波片上，形成矩形均匀照度分布；
(2)点光源对放置在微型压电载物台上载玻片高速扫描后，经过光学成像系统获得病例切片的数字成像。光学成像系统包括前置平面超构物镜和后置平面超构物镜；所述前置平面超构物镜和后置平面超构物镜构成平行光路；所述前置平面超构物镜包括前后并行放置的第一超构透镜和第二超构透镜；所述后置平面超构物镜包括第三超构透镜，放置在第二超构透镜后面；所述平行光路中设置棱镜、滤光片、偏振片、超构透镜中的一种或多种。
切片扫描仪在远光轴区域成像质量无法满足病理切片清晰成像需要，成像区域受限。为了能满足通常的载玻片(26mmX76mm)放大40倍的成像要求，需要通过高精度电动载物台，实现高速扫描成像，本实例中采用了超声电机控制微型压电载物台。
最后通过有线或无线传输方式，将CCD传感器采集病例切片的数字成像的图像，上传至图像处理系统，进行图像处理。
Claims (3)
1.一种用于病理切片扫描仪的超构微型数字成像系统，其特征在于：包括照明系统、载物台和光学成像系统；所述照明系统将点光源重新均匀分布照射到载物台上的载玻片上，然后经过光学成像系统获得病理切片的数字成像；所述照明系统包括球形反射平面镜、自由曲面透镜和光源；所述光源设置在球形反射平面镜和自由曲面透镜之间的球形反射平面镜的球心位置，所述自由曲面透镜根据Monge-Ampere方程设计，将点光源重新分布照射到载波片上，形成矩形均匀照度分布，所述光学成像系统包括前置平面超构物镜和后置平面超构物镜；所述前置平面超构物镜和后置平面超构物镜构成平行光路；所述前置平面超构物镜包括前后并行放置的第一超构透镜和第二超构透镜；所述后置平面超构物镜包括第三超构透镜，放置在第二超构透镜后面，所述超构透镜包括平板基底上规则排列的亚波长微单元结构，所述微单元结构为亚波长SiO2柱体结构，柱体截面为八面体，所述平行光路中设置棱镜、滤光片、偏振片、超构透镜中的一种或多种。
2.根据权利要求1所述的用于病理切片扫描仪的超构微型数字成像系统，其特征在于：还包括CCD传感器，用于获得病理切片的数字成像并传输给微处理器。
3.一种根据权利要求1所述的用于病理切片扫描仪的超构微型数字成像系统的成像方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）点光源设置在球形反射平面镜和自由曲面透镜之间的球形反射平面镜的球心位置；所述自由曲面透镜根据Monge-Ampere方程设计，将点光源重新分布照射到载波片上，形成矩形均匀照度分布；
（2）点光源对放置在微型压电载物台上载玻片高速扫描后，经过光学成像系统获得病理切片的数字成像。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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