CN202854395U - 用于多维成像系统的单轴照明系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型揭示了一种用于多维成像系统的单轴照明系统，特别适用于阵列显微镜。单轴照明系统是用来透射具有多个各自轴的一系列的成像元件组成的物体。对于科勒照明，光源被有效地放置在照明子系统的前焦平面上。对于临界照明，光源被有效成像在照明子系统的物平面上。对于暗视野的照明，环形光源被有效地提供。对于相差显微镜，在成像系统物镜的后焦平面上放置一个环形相位掩膜，相应的环形振幅掩膜也放置在光源处。对于霍夫曼调制对比度显微镜，振幅掩膜放置在成像系统物镜的后焦平面上，在成像系统的光源处提供一个狭缝。本实用新型为多维成像系统的透射照明提供一种新的系统。

Description

用于多维成像系统的单轴照明系统

技术领域

本实用新型属于成像系统的透射技术领域，尤其涉及一种用于多维成像系统的单轴照明系统。

背景技术

在成像系统里，尤其是显微镜的使用，对物体充足且合适的光源是必不可少的。有了充足的光源照射到物体或样品上，才能保证观察者分辨物体的各个特征。此外，提供光源给物体的方式也会影响哪些特征会被探测到，以及成像图案的差别。传统的显微镜大都采用复合成像镜系统来成像物体。任何数值的镜头或其他光学零件，比如偏振器、瞄准仪、扩散光、平面镜和分离器都可能被包括在镜头系统里。部分镜头系统有它的数值孔径的主要特征，数值孔径明确规定了光从物体照射到镜头系统的极限角。被显微镜成像的物体安放在底层的物平面上。底层的基片放置在显微镜的平台上以便于之后放置镜头系统的光轴。这个阶段会被计算机自动化控制。另外，图像平面由照相机或其他成像设备提供，图像平面用来记录图像，或者在相同的计算机系统的控制下监视这个图像。

除了以数值孔径为特征之外，一个成像镜系统也以它的视野为特征。显微镜下的可见光视野的范围从数万微米到几毫米。这意味着一个有宏观尺寸的物体，比如20mm×50mm的物体需要不断移动镜台来使整个物体成像。自从在物体中小部分组织的诊断信息被成像以来，移动镜台的操纵和高倍数放大成像物体的要求在病理学诊断方面尤其困难。最近在光学显微镜领域中提出这个问题的创想是一个微型化的显微镜阵列(MMA)，当它应用于一个通常的物体时，也叫做“阵列显微镜”。在微型阵列显微镜中，大多数的成像镜系统都有分开独立的光轴。每个成像镜系统使物体中独立的一部分成像。在一个阵列显微镜中，一位阵列正好用来成像物体的一个维度，物体被转化成视野范围内阵列中独立的成像元件，因此阵列用第二维度扫面物体来使整个物体成像。相对较大的独立成像阵列元件方向交错地被扫描，因此相对较小的视野连续在第一维度上。单轴探测阵列的规定消除了在第一维度上机械扫描的要求，使成像速度大大地得到了提高。

正如所提到的，显微镜是依靠充足的光源来成像一个物体。许多不同类型的成像系统可以被使用。有一个成像系统被称作“落射偏光成像”。在落射偏光成像中，光使物体的表面成像，也从物体反射或反散射到成像镜系统。这种光也可能被物体转化成波长，作为物体的荧光，这就是所谓的“落射偏光荧光”。当成像的物体在不透明的情况下，落射偏振成像是必不可少的。另一方面，如果成像的物体是透明的，它就可以被传送到物体的光照射成像。这种成像就是“刻度盘照明”、“通过照明”，或者，迄今提到的“透射照明”。一个不同的不透明物体可以通过把它切成小块的方法使它可以透过光，或者物体可以转化成透明的材料，比如生物材料。例如，病理学家通常用光学显微镜的透射成像系统观察像尿蛋白或血一样的组织样品或液体样品。透射成像主要使用一个能从光源发射光透过前面提到的基片和物体的成像镜系统。这个基片一般是玻璃或者其他透明的材料片，大约1到1.5毫米的厚度。被观察的物体在基片的前端被处理，灯光就通过基片的后面照射到物体上。由于基片也是由光学元件组成的，这个照明镜系统的遵循与成像镜系统相同的规则。因此，照射镜系统具有它的数值孔径和视野的特点。

最基本的透射系统有两种。一种是科勒照射，这种照明系统的像平面是安装在成像系统的光瞳面上，或者一个共轭平面，光通过瞳孔成像到成像系统里。另一种是临界照明，在这种照明系统里，照面系统的像平面安装在成像系统的物平面上，或者说，光源是被成像到成像系统的物平面上。科勒照明的一个优点是照射到像平面上的每一点的光强度都是均等的，因此照明系统对于光源的空间变化反映会比较迟钝。临界照明使光学系统变得比科勒照明的更短，而且增加了其照明效率；然而，临界照明需要的是光源在空间上的统一。

微型阵列显微镜的理论引进了与照明元件与成像元件一一对应的概念。为了达到最佳的效果，成像元件的数值孔径要完全吻合照明系统的数值孔径。也就是说，如果照明系统发射到物体上的光的角度比成像系统能接受的角度大，有一些光就会被浪费掉，从而降低了系统的效率。相反，如果照明系统发射的光的角度过小，成像系统就不能完全利用它的分辨能力。

在一个较大的数值孔径的阵列显微镜中，很难在最短的扫描时间内，将阵列中的成像元件紧密结合，组合成物体的各个部分。另一方面，透射系统在照明系统与数值孔径能达到的统一程度上也有一个极限。这是因为为物体提供的透明薄片必须足够薄来满足一定的机械稳定性。照明系统发射出的光要透过1到1.5mm的玻璃基片，工作距离不能比这个距离更大。为了有一个足够长的照明系统的工作距离，在维持数值孔径与成像系统相同的同时，照明系统的镜直径必须比成像系统的镜直径长。这就意味着每次依据照明系统提供成像系统的时候，要求最佳成像元件的组合和最合适的数值孔径。在不牺牲成像元件的密度和数值孔径的最佳匹配的情况下，提供具有独立光轴的成像元件的透射照明设备和方法没有满足需要，尤其是阵列显微镜。

实用新型内容

鉴于上述现有技术存在的缺陷，本实用新型的目的是提出一种用于多维成像系统的单轴照明系统。

本实用新型的目的将通过以下技术方案得以实现：

一种用于多维成像系统的单轴照明系统，包括一多轴成像体统，所述多轴成像体统具有一多轴成像体统物平面和复数个的横向分布的成像元件，所述成像元件在所述多轴成像体统物平面上产生物体各部分的图像，所述成像元件具有独立的镜头，光学成像轴和视野，所述光学成像轴彼此分散布置；还包括一光源和一照明子系统，所述照明子系统设置在所述光源和多轴成像体统物平面之间，所述照明子系统具有一单独的照明光轴。

优选的，上述的用于多维成像系统的单轴照明系统，其中：所述照明光轴与所述成像元件的光学成像轴平行。

优选的，上述的用于多维成像系统的单轴照明系统，其中：所述照明子系统包括一照明子系统前焦平面，所述光源设置在所述照明子系统前焦平面上，用以提供科勒照明。

优选的，上述的用于多维成像系统的单轴照明系统，其中：所述照明子系统包括共轭的一照明子系统物平面和一照明子系统像平面，所述光源设置在所述照明子系统物平面上，所述照明子系统像平面设置在所述多维成像系统物平面上，用以提供临界照明。

优选的，上述的用于多维成像系统的单轴照明系统，其中：所述照明子系统包括共轭的一照明子系统物平面和一照明子系统像平面，还包括一振幅掩膜，所述振幅掩膜设置在所述光源和所述多维成像系统物平面之间，用以控制在所述多维成像系统物平面上照明子系统的成像区域的，并且所述振幅掩膜设置在所述照明子系统物平面上或者照明子系统像平面上。

优选的，上述的用于多维成像系统的单轴照明系统，其中：所述照明子系统包括一照明子系统前焦平面，所述光源设置在所述照明子系统前焦平面上，所述照明子系统包括一设置在所述光源和所述多维成像系统物平面之间的振幅掩膜，所述振幅掩膜具有一用于阻隔光束照射到多维成像系统物平面上的不透明部分。

优选的，上述的用于多维成像系统的单轴照明系统，其中：所述照明子系统包括一照明子系统前焦平面，所述光源为一环形光源，所述环形光源设置在所述照明子系统前焦平面上，用以提供暗区域的照明。

优选的，上述的用于多维成像系统的单轴照明系统，其中：还包括复数个设置在所述成像元件的后焦平面上的相差掩膜，所述相差掩膜包括一中心区域和一外部区域，对于透过外部区域的相差光，透过中心区域的相差光延迟预先设定的数值，所述预先设定的相差延迟的数值为π除以二，以产生相差对比成像。

优选的，上述的用于多维成像系统的单轴照明系统，其中：还包括复数个设置在所述成像元件的后焦平面上的振幅掩膜，所述振幅掩膜具有不同的透射率，所述照明子系统包括一照明子系统前焦平面，所述光源设置在所述照明子系统前焦平面上，所述照明子系统包括一狭缝，所述狭缝设置在所述光源和多维成像系统物平面之间，所述光源和狭缝之间设有一偏振器，用以提供霍夫曼调制对比照明，所述偏振器的是可旋转的，用于调整有效的狭缝宽度。

优选的，上述的用于多维成像系统的单轴照明系统，其中：所述照明子系统包括一设置在所述光源和所述多维成像系统物平面之间的二次光源，用于控制光线照射到物平面上的角度和位置。

本实用新型的突出效果为：本实用新型在以阵列显微镜为例的多维成像系统中，提供一个能最大化地组合成像元件和最佳匹配照射系统的数值孔径与成像系统的数值孔径的单轴照明系统，同时为照明系统提供一个可工作的距离。因此，一个独立的光学系统提供照明，完全匹配成像系统的数值孔径，和一个足够大的出射光瞳来充满成像阵列的视野。对于科勒照明，光源成像到成像系统的阵列元件上。对于临界照明，光源成像到成像系统的物平面上，在这种情况下，光源必须足够大来充满成像阵列的视野。对于暗视野的照明，有一个中央暗点的环形振幅掩膜安装在光源处或者光源的共轭平面处。对于相差显微技术，环形相位掩膜要先安装在后焦平面上，物镜应依照安放好的成像元件安放，或者安放在共轭平面上；一个相应的环形振幅掩膜安放在光源和物体之间的照明系统的聚光镜的前焦平面上。在照明系统里，采用掩膜来提供结构化的照明和干涉分析。同样地，一个二次光源，例如散光，用来改善远心或修改空间或角度上的光性能。相应地，为多维成像系统的透射照明提供新的系统和方法是本实用新型的目的之一。本实用新型的另一个目的是在成像系统里提供具有独立轴的大量成像元件的单轴透射照明。本实用新型一个更深远的目标是为阵列显微镜提供单轴透射系统。

以下便结合实施例附图，对本实用新型的具体实施方式作进一步的详述，以使本实用新型技术方案更易于理解、掌握。

附图说明

图1是本实用新型的第一台显微镜模型的透视图；

图2是本实用新型的第二台阵列显微镜模型的透视图；

图3是图1和图2中显微镜阵列的成像元件的光线追踪图；

图4a是本实用新型在阵列显微镜中使用的第一台科勒照明系统的模型的光线追踪图；

图4b是根据本实用新型在阵列显微镜中使用的第二台科勒照明系统的模型的光线追踪图；

图5是图1或图2的阵列显微镜使用的照明系统的光线追踪图；

图6是根据本实用新型的阵列显微镜的临界照明系统的光线追踪图；

图7是根据本实用新型配有振幅掩膜的科勒照明系统的光线追踪图；

图8a 是图4a的科勒照明系统的黑暗区域的照明的光线追踪图；

图8b 是图8a中振幅掩膜的俯视图；

图9a 是相差显微技术的显微系统的光线追踪图；

图9b 是本实用新型使用相差显微技术的阵列显微镜移相阵列的俯视图；

图10是霍夫曼调制对比度显微镜的显微系统的光线追踪图；

图11a 是本实用新型霍夫曼调制对比度显微技术中，对称振幅掩膜中的元件的俯视图；

图11b 是本实用新型霍夫曼调制对比度显微技术中，非对称振幅掩膜中的元件的俯视图；

图12a 是图11a中配合振幅掩膜的对称狭缝膜的俯视图；

图12b 是图11b中配合振幅掩膜的非对称狭缝膜的俯视图；

图13是本实用新型采用单轴二次光源的照明系统的阵列显微镜的光线追踪图；

图14是本实用新型采用具有作为光源的纤维束的单轴照明系统，这样的阵列显微系统的光线追踪图。

具体实施方式

本实用新型的照明系统和方法适用于多维成像系统，特别是显微镜阵列，更加适合于数字显微镜。阵列显微镜是最近才开始发展起来的，或许会被用在一些地方，例如被病理学家用来扫描成像整个组织或液体样品。阵列显微镜的独立的成像元件精密结合在一起，具有一个较大的数值孔径。这使得显微镜能够通过阵列扫描样品在短时间内捕捉到高分辨率的样品图像。这也展现了本实用新型遇到的新照明系统的挑战。

1. 显微镜阵列

如图1所示，显微镜阵列模型10由一个具有大量独立的成像元件12的成像镜系统9组成的。每个成像元件12由许多光学元件组成，例如元件14、16、18和20。在这个例子中，元件14、16和18是镜头，元件20是一个探测器，就像一个CCD阵列。这些光学元件被固定在数值轴22上，因此每个成像元件12决定了一个光学轴OA12 。显微镜阵列10被提供了探测器接触面24来连接显微镜到一个处理器或计算机26上，这可以储存被成像元件12中的探测器20探测到的数据。物体被放置在平台或箱子28中，这样可以在显微镜阵列下移动来被阵列扫描到。显微镜阵列10包括了之前提到的照明镜系统。另一个显微镜阵列32如图2所示。在成像镜系统中，多数的与独立的成像系统复合的镜头34安放在镜头板36、38、40上，在成像元件光轴OA32旁。探测器42放置在镜头40的上面。对于显微镜阵列10，显微镜阵列32会采用在箱子44上扫描一个样品，箱子可以移动到阵列或者反过来。

在成像元件里的显微镜阵列被安排来成像一个物体各自的合成部分，扫描物体的时候一行行地扫描。阵列显微镜也可能被用到，例如，病理学家用它扫描整个组织或液体样品。阵列显微镜的独立的成像元件紧密结合在一起，具有一个较大的数值孔径。这使得显微镜能够通过阵列扫描样品在短时间内扑捉到高分辨率的样品图像。阵列显微镜的探测器是直线天线阵分散在与扫描方向垂直的方向上。因为成像元件产生的图像是放大的，每一行元件在扫描方向的垂直方向上被抵消了。这就允许每个成像元件有一个视野来合成其他位置的光系统的部分，包含了整个被扫描的物体。本实用新型特别适合阵列显微镜；然而，本实用新型也采用了其他型号的显微镜阵列和有大量空间成像元件的多维成像系统。

图3是图1和图2显微镜阵列的成像元件的一个光线追踪图。每个成像元件决定一个物平面47和一个像平面49。一个被成像的物体46被放置在物平面47上，探测器20放置在像平面49上。一个照明系统透射物体46。第一镜头14收集来自物体46部分的光，这些光通过透镜16和18，在探测器20上形成一个像48。成像元件被支撑架22支撑，因此，显微镜阵列10上的成像元件12的物平面和像平面集合起来可以形成一个独立的共平面的物平面47和一个独立的共平面的像平面49。

每个成像元件12，不管它的复杂程度，建立关于光轴的一个可以接受的角度。照射到物平面的光角度大于这个可接受的角θp，就不会形成像48，除非光被物体46分散。相反地，如果所有照射到物体上的光角度小于这个角θp，物体就会被过分照射。理想的情况是，照明光照射在物体表面的角度应该小于或者等于这个最合适的角度θp的角度θ-。那就是说，照明系统的数值孔径应该与成像元件的数值孔径吻合。剩下的介绍是针对于各种照射物体46的单轴透射系统和方法。

2. 科勒照明

如图4a所示，是本实用新型的一个科勒照明镜系统100。这个照明镜系统由许多光学元件组成，例如元件114、116、118和119，一个光源120。在这个例子中，114、116、118和119是透射镜，光源120是强度充足的任何光源，最好是大大扩展的光源。例如，图4b呈现了可选择的照明镜系统101，包含三个镜头元件113、1115、117。照明镜系统的光学元件安装在一个支架上，如图2，因此可以被分散在与成像系统光轴等同的独立照射光轴OA100上。光源的中心是，照明镜系统前焦平面50的照射光轴OA100，照射镜系统依据成像系统放置，照射系统的物平面放在成像元件的入射瞳孔处，或者放在一个符合平面上。

为了阐明科勒照射的原理，图4a中三个点光源P1kP2kP3k。P1k是在光轴上，点P2kP3k对称分布在光轴的末端。有一些光从点P1k进入镜114，通过镜116、118和119传播，使物镜119为光束B1。线偏振光束等同于光轴OA100。相同地，有些光从点P2k进入镜114，通过透镜116、118、119传播，使物镜119为光束B2。一些光从点P3k进入镜114，通过透镜116、118、119传播，使物镜119为光束B3。线偏振光束B2和B3以符合照射光轴OA100的角度照射在成像元件物平面51上。由于P2kP3k代表两者之间的光源中心，镜系统100会产生相同的在P2kP3k之间的光束，角度在+/-θ之间。角度大于θ的任何光束照射在物平面51上与光源120产生的光相同。

回到图3上，正如前面提到的，每个成像元件12建立起一个可接受的光角度θp，根据光学元件的光轴OA12。光r+以大于θp的角度照射在物平面上会被光元件12排斥，光r-以小于等于θp的角度照射物平面照射到物平面47上通过成像元件来产生一个像。当照明镜系统100连接到一个独立的成像元件12，照明镜系统的照明角度与图3中成像镜系统12的合适角度θp一致。特别地，匹配这些角度可以避免发射不必要的光线到物体上。照明角度大于θp的时候会产生不必要的光线，角度小于θp就不会产生不必要的光线。

正如上面提到的，本实用新型已经认识到没有必要为每个显微镜阵列中的成像元件12提供独立的照明镜系统100，特别是在阵列显微镜中。除了要有充足的照明，实施也是困难的一件事。因此本实用新型的实用新型人只是描述了为成像元件12提供独立的照明镜系统100。成像镜元件的光轴应该保持一致。如图5所示阵列显微镜149，只要阵列显微镜中成像元件12的光轴相等，一个独立的最大照明角就可以符合成像元件可接受的角度。为了确保所有的成像元件都被照明，照明系统的出射瞳孔至少要跟成像元件的符合视野一样大。也就是说，出射瞳孔的直径应该等于入射瞳孔的直径。光源的大小不一，为了要充满科勒照明的出射瞳孔，照明镜系统的这个视野需要被扩展，这样就可以使成像系统的物平面上的光强最大化。

3. 临界照明

如图6所示的一个阵列显微镜249，采用例如显微镜阵列10或32，具有一个临界照明镜系统230。这个照明镜系统230由许多光学元件214、216，光源220组成。元件214和216是透镜，光源220是LED光；然而，光源也可能是任何需要的光源，只要提供需要的空间分布的光强。通过发光二级管的不同波长的阵列光来提供空间依赖的波长和颜色。

照明镜系统的光学元件通常是被安放在一个与成像光轴等同的照射光轴OA200的支架上。光源被放在照明系统物平面250的照明光轴上。相应的像平面251也就是成像系统249的物平面。因此，光源220是用来成像成像系统的物平面的。为了说明临界照明的原理，光源220上的两点P1c和P2c被标出。点P1c位于光源220的末端，点位于照明系统光轴的中心。如图6所示，从点P1c发出的光被镜214收集经点P1obj照射到物平面251上。类似地，从点P2c发出的光被镜214收集经点P2obj照射到物平面251上。镜系统230将光映射到物平面上，调整光源的大小和位置，从而准确将光源照射到物平面上的物体上。从点P2c发出的光线r1决定了照明光的最大角度，根据通过物平面251的照射光轴OA200。考虑到另一个点在对称的在光源对立的末端，最大的照明角应该在+/-θ之间。任何照射在物平面251上大于θ的照明光角度等同于直线光或者非光源220发出的光。对于科勒照明，照明镜系统的角度θ需要与成像镜系统各个元件可接受的角θp（如图3）匹配。只要成像元件的光轴相同，最大的照明角可以与θ符合。

对于科勒照明，具有许多成像元件、采用临界照明的阵列显微镜会配有一个相应的照明镜系统阵列；然而，本实用新型需要采用的临界照明镜系统，要具备一个独立光轴的阵列显微镜，拥有许多光轴的成像阵列。在科勒照明的案例中，照明系统出射瞳孔的大小至少要与阵列显微镜入射瞳孔的大小相等。此外，在临界照明中，光源必须足够大，成像系统物平面上的像的光至少与阵列显微镜入射瞳孔一样大，以确保所有的成像元件都被照射到。被照明区域的大小和尺寸都可以调整，不论是科勒照明还是临界照明的阵列显微镜。如图7所示的一个科勒照明镜系统130，由镜元件132、134，光源136，振幅掩膜138组成。振幅掩膜138安放在镜元件134的物平面140上。这个停止充当照明系统130的振幅停止，和成像系统149的场地停止。在这个例子中，振幅掩膜阻挡了点P1m上的光，和点P2m下面的光来限制物平面151照明区域和点P1obj和点P2obj之间区域的大小。振幅掩膜138可以放在成像系统149的物平面上，也可以物平面140上，以镜元件132的形式复合到物平面上。

4. 暗区域的照明

在暗区域照明中，照明光的角度超过成像镜系统可以接受的角度。因此，被物体分散的照明光可以进入成像镜系统。一些被分散的光以小于等于合适角的角度照射到成像镜系统里，有助于照明物体。如图8a和8b，图5的阵列显微镜149中有一个振幅掩膜410，放在光源120的后面来给暗区域提供透射光照。掩膜410根据一个预先确定的模式分出不同光强的光。振幅掩膜大都是不透明的，直径小于D2的，可以通过直径传送光的，就像在直径D1和D2之间，阻止所有的光以小于等于θ的角度投影到物平面151上，传递来自光源的光线以大于θ的角度照射到物平面上。通过振幅掩膜的光将以大于入射到成像镜系统光的角度照射到成像镜系统里，除非光线与物体相互影响以至于光的方向角被改变到小于θ，也就是说，除非光线被物体分散。

对于一般的科勒照明和临界照明，具有许多成像元件和采用暗区域照明的阵列显微镜需要一个相应的照明镜系统阵列；然而，需要采用的照明镜系统提供暗区域照明，在阵列显微镜里有一个独立的照明光轴，同时显微镜具有许多光轴的成像阵列。

5. 对比照明

对比照明能对比光在通过成像物体不同部位时的区别，特别是光强的改变。比如，图9a所示采用对比照明的显微镜系统500的原理图。这个系统有一个安放在物体被照射处的物平面501。这个显微镜包括一个由第一平面镜504和第二平面镜506组成的成像系统502，照明系统512由一个聚光镜514和光源515组成。放在物平面501上的物体505在物平面503上被透镜504和506成像。为了提供相差显微镜的特点，照明系统由相差掩膜508和扇形振幅掩膜516组成。相差掩膜508放在成像镜系统的后焦平面511上的第一平面镜504上，或者成像系统物平面501和像平面503之间的共轭平面上。可选择的是，相差掩膜和振幅掩膜的位置可以调换。

更好的是，相差掩膜有一个扇形的图案508(a)可以延迟光线r1，通过1/4的波长传播，根据光线r2被物体505反射然后通过中心位置508(b)。通过物体的光线会经过相差对比。在通过掩膜中心的光和通过扇形的光之间会发生干涉，把相差异转化成振幅对比。振幅掩膜516放在照明镜系统的光源515和成像系统聚光镜514的前焦平面517上的物平面501之间，或者，在一个多镜的系统里，一个共轭平面根据预先确定的空间位置分离出光源发出的不同光强的光。这个共轭平面由一个透明环519(a)，和不透明的中央和外部部分519(b)&519(c)，匹配在成像系统里物平面501和像平面503之间的相位掩膜508。

对于本实用新型的阵列显微镜，相差掩膜的阵列518与显微镜中成像元件的阵列一致，具有独立的环形物块5201、5202…520N，如图9b。这些掩膜也已被用来提供独立的光学部件，例如图1中的显微镜阵列10。如图2的阵列显微镜32，最好提供掩膜作为一个独立材料层。块状的相差掩膜可以使用印刷或摄影技术。这提供了一个重要的为每个成像元件准备分开的掩膜的制造业优势。

6. 霍夫曼调制对比度照明

霍夫曼对比照明能够对比物体的光学倾斜度，将光学倾斜度转换成光强的差异。如图10a所示具有物平面601的霍夫曼调制显微镜元件600的对称图像。最基本的显微镜元件包括了成像系统602，由一个物镜604组成，照明系统612由聚光镜614和光源615组成。为了提供霍夫曼调制对比度显微镜的特点，成像系统由一个振幅掩膜606组成，照明系统由一个狭缝膜组成。其他的光学元件可能会被采用在一个或两个镜系统中。振幅掩膜606安装在放置物体604的后焦平面608上，根据预定好的模式分开不同光强的光。图11a和图11b显示了用在标准显微镜中可选择膜的构造，图12a和图12b显示了相应的狭缝。掩膜会三个分开的区域“D”“G”“B”，提供给不同强度的光。在上述例子中，区域“D”传播1%的光在其上，区域“B”传播100%的光在其上。跟相位平面采用的相位对比显微镜不同，这个掩膜被调整来适应光相位通过任何一个区域。狭缝掩膜618具有一个环形偏振块618a和一个狭缝618b，经由那里的狭缝620是由偏振材料制成的。有了这些构造，狭缝620的有效宽度被狭缝膜上的旋转偏振块618a和狭缝块618b调整，与图11a和图11b中振幅掩膜606一致。霍夫曼调制对比度光谱就是光从源头经过狭缝后穿过有相位倾斜度的物体，这些倾斜度使偏振光倾斜，射入一个清晰的灰色的暗区域中的振幅掩膜。这个倾斜度因此转变成一个原先设定好的对比模式。对比中的不同是由于不同的光学梯度有一个阴影面。狭缝元件放置在光源615处。科勒照明优先由霍夫曼调制对比光谱照明形成。振幅掩膜606的相关大小和区域都不同，比较图11a和图11b可以看出来。它们的对称也不同。图11a所示对称振幅掩膜606，图12a所示相应的对称偏振狭缝618，掩膜606和狭缝的灰色区域都以显微镜元件的光轴为中心。另一方面，图11b所示非对称振幅掩膜，图12b所示相应的补偿偏振狭缝。补偿系统由堆成系统来改善。

对于一般的科勒照明和临界照明，一个具有成像元件和采用霍夫曼调制对比度照明的阵列显微镜，被提供一个相应的照明镜系统阵列；然而，需要采用的照明镜系统提供霍夫曼调制对比度照明，在阵列显微镜里有一个独立的照明光轴，同时显微镜具有许多光轴的成像阵列。

对于一个阵列显微镜，有必要提供振幅掩膜606的一个阵列与相位对比显微镜的相位掩膜阵列一致，类似图9b中显示的相差对比显微镜的相差掩膜阵列。这些振幅掩膜被用来在所有成像元件的后焦平面上操作。这可以通过提供掩膜作为分开的元件来实现；然而，对于之前讨论的对比照明中使用的掩膜，最好提供一个单独的材料掩膜。这片材料可能会重复掩膜成像，使用摄像流程提供给振幅掩膜606。

此外，更多复杂的光学元件会通过摄像技术被组合起来。一个或者多个掩膜会被用来曝光一个照片材料处理过的基片。光这阻材料决定了材料的后续沉淀物，阶层的形成需要材料特征。这个结构的形成提供了一个重要的制造业优势，相比于各个成像元件分开掩膜的准备。然而，本实用新型的一个显著的优势就是，相应的技术需要用来减少阵列显微镜照明镜系统的花费，因为照明光轴的阵列是不需要的。

7. 结构化的照明和干涉

在许多案例中，用一个特定的光强照射一个物体是必要的。这可以通过使用临界照明，提供一个特定的光强来实现，这也可以通过上文提到的与暗区域照明和对比显微镜有关的振幅和相差掩膜来实现。另一个提供特定光强的方法，就是用一个照明元件光路的折射照明元件，提供折射照明元件的照明表面产生需要的波前相差。另一种方法是使用一个相干光源和一个全息图在照明元件光路中，来产生一个需要的物体的干涉图样。

8. 二次光源照明

为了确定光源的位置，要确保照明系统是远心的，或者修改照明光的空间张角，这可能会要采用一个二次光源，如图13。正如上图提到的，阵列显微镜700由独立的成像元件组成， 有一个或多个的平面镜702和704成像物平面708上的物体706的一部分到像平面710上。对于二次光源，照明系统712的一个独立光轴由一个光源714和一个聚光镜716组成，通常地，也会由一个控制空间角度的二次光源光轴元件718组成。这些元件，例如扩散器、全息图，振幅和相差掩膜，一个衍射光栅或其他元件都是用来产生需要的性能的。通常的，光源714被一个平面镜720成像到一个二次光源元件，这个二次光源放在聚光前焦平面上，如图13的科勒照明系统。然而，二次光源也应该被成像到临界照明的成像系统的物平面上。

一些阵列显微镜的透射照明系统的具体说明已经在上文描述了，其他本实用新型的原理体现会用到类似的优势。使用一个具有一个独立光轴，有应用到照明的大量光轴的单轴照明镜系统的必要性是本实用新型的一个重点。需要指出的是，任何需要的光线发射设备或者零件都要根据本实用新型来使用，除了上文提到的白炽灯泡，LED和相干光，还有光纤维，扩散器和光束均匀器。例如，图14是采用以光纤维为光源的单轴照明系统的显微镜阵列的光线追踪图。正如上文提到的，一个阵列显微镜800，由具有一个或多个平面镜802和804成像物平面808上物体806到像平面810上的独立成像元件组成。单轴照明系统812是由聚光镜814和作为光源的光纤维816组成的，光纤维通过一个简易方便的方法组成光线818。

本实用新型尚有多种实施方式，凡采用等同变换或者等效变换而形成的所有技术方案，均落在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于多维成像系统的单轴照明系统，其特征在于：包括一多轴成像体统，所述多轴成像体统具有一多轴成像体统物平面和复数个的横向分布的成像元件，所述成像元件在所述多轴成像体统物平面上产生物体各部分的图像，所述成像元件具有独立的镜头，光学成像轴和视野，所述光学成像轴彼此分散布置；还包括一光源和一照明子系统，所述照明子系统设置在所述光源和多轴成像体统物平面之间，所述照明子系统具有一单独的照明光轴。

2.根据权利要求1所述的用于多维成像系统的单轴照明系统，其特征在于：所述照明光轴与所述成像元件的光学成像轴平行。

3. 根据权利要求1所述的用于多维成像系统的单轴照明系统，其特征在于：所述照明子系统包括一照明子系统前焦平面，所述光源设置在所述照明子系统前焦平面上。

4.根据权利要求1所述的用于多维成像系统的单轴照明系统，其特征在于：所述照明子系统包括共轭的一照明子系统物平面和一照明子系统像平面，所述光源设置在所述照明子系统物平面上，所述照明子系统像平面设置在所述多维成像系统物平面上。

5.根据权利要求1所述的用于多维成像系统的单轴照明系统，其特征在于：所述照明子系统包括共轭的一照明子系统物平面和一照明子系统像平面，还包括一振幅掩膜，所述振幅掩膜设置在所述光源和所述多维成像系统物平面之间，并且所述振幅掩膜设置在所述照明子系统物平面上或者照明子系统像平面上。

6.根据权利要求1所述的用于多维成像系统的单轴照明系统，其特征在于：所述照明子系统包括一照明子系统前焦平面，所述光源设置在所述照明子系统前焦平面上，所述照明子系统包括一设置在所述光源和所述多维成像系统物平面之间的振幅掩膜，所述振幅掩膜具有一用于阻隔光束照射到多维成像系统物平面上的不透明部分。

7.根据权利要求1所述的用于多维成像系统的单轴照明系统，其特征在于：所述照明子系统包括一照明子系统前焦平面，所述光源为一环形光源，所述环形光源设置在所述照明子系统前焦平面上。

8.根据权利要求1所述的用于多维成像系统的单轴照明系统，其特征在于：还包括复数个设置在所述成像元件的后焦平面上的相差掩膜，所述相差掩膜包括一中心区域和一外部区域。

9.根据权利要求1所述的用于多维成像系统的单轴照明系统，其特征在于：还包括复数个设置在所述成像元件的后焦平面上的振幅掩膜，所述振幅掩膜具有不同的透射率，所述照明子系统包括一照明子系统前焦平面，所述光源设置在所述照明子系统前焦平面上，所述照明子系统包括一狭缝，所述狭缝设置在所述光源和多维成像系统物平面之间，所述光源和狭缝之间设有一偏振器，所述偏振器的是可旋转的。

10.根据权利要求1所述的用于多维成像系统的单轴照明系统，其特征在于：所述照明子系统包括一设置在所述光源和所述多维成像系统物平面之间的二次光源。

Images