一種寬視場高分辨率顯微成像系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于顯微鏡成像技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種寬視場高分辨率顯微成像系統(tǒng)和 方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們在醫(yī)用生理和病理觀測上不斷追求越來大的觀測范圍 和越來越高的分辨能力。在顯微成像領(lǐng)域，這一點顯得尤為重要。一種好的成像方法對最終 觀測效果影響甚遠(yuǎn)。足夠?qū)挷⑶仪逦挠^測視場能夠觀察到整個生理過程和物質(zhì)的轉(zhuǎn)移， 能夠促進醫(yī)學(xué)發(fā)展。然而寬大的觀測視場和超高的分辨率始終是一對矛盾。在現(xiàn)有的光電 成像系統(tǒng)，特別是顯微成像中，物面和像面均為平面，物點和像點一一映射，在視場邊緣像 差嚴(yán)重難以矯正，當(dāng)視場較大時，難以獲得清晰的高分辨率圖像。因此，找到一種成像方法， 在具有較大視場的同時，又能獲得高分辨率圖像，顯得十分迫切。
[0003] 斯坦福大學(xué)于2007年發(fā)明了利用密集攝像頭陣列設(shè)計的動態(tài)光場成像系統(tǒng)，可 實現(xiàn)圖像分辨率3600萬像素，并提供全景深成像，但是滿足不了顯微成像領(lǐng)域的分辨率要 求。
[0004] 加州理工學(xué)院在2012年研制了線陣CCD掃描成像儀，用于觀測肝癌細(xì)胞成像，獲 得0. 75cmxlcm視場，光學(xué)分辨率0. 77um，像素分辨率54億像素，但是無法獲得動態(tài)樣本成 像，景深單一，成像質(zhì)量較差。
[0005] 美國科學(xué)院院士JoshuaSanes教授提到："神經(jīng)科學(xué)的一個中心目標(biāo)是揭示神經(jīng) 環(huán)路圖譜"。然而，目前所有針對神經(jīng)環(huán)路成像的手段都有其致命的局限性，現(xiàn)有儀器精確 描述環(huán)路圖譜極端困難；麻省理工學(xué)院的RobertWeinberg教授斷言，新型的成像系統(tǒng)能 夠提供過去難以想象的腫瘤轉(zhuǎn)移過程實時動態(tài)的可視化信息，將徹底改變腫瘤轉(zhuǎn)移的研宄 面貌。
[0006] 綜上所述，需要提出一種新的顯微成像方法，來實現(xiàn)寬觀測視場，高圖像分辨的顯 微觀測指標(biāo)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明提供了一種寬視場高分辨率顯微成像系統(tǒng)及方法，通過對物鏡的設(shè)計和成 像方法的改進，有效地增大了觀測視場，提高了分辨率。
[0008] -種寬視場高分辨率顯微成像方法，包括：
[0009] 1)樣品被光源照射后，光經(jīng)過成像物鏡一次成像，形成一個曲形像面；物鏡由三 個鏡組構(gòu)成，用于校正像差并增大視場。
[0010] 2)用小透鏡對中間彎曲像面進行分視場采集，在中間像面位置安放場鏡使得物鏡 和小透鏡主光線匹配。
[0011] 3)在每個小透鏡后面放一塊成像CCD采集光線，二次成像。
[0012] 4)利用小透鏡部分成像重疊視場進行視場拼接，最終得到寬視場高分辨顯微圖 像。
[0013] 所述成像物鏡有多個鏡組，20多片球面鏡片構(gòu)成，用于獲得厘米計寬視場，具有結(jié) 構(gòu)復(fù)雜排布精巧，相比于非球面鏡易于加工實現(xiàn)等特點。
[0014] 所述物鏡曲面成像，獲得彎曲的中間像不同于平面成像，有利于減小像面彎曲，易 于減小場曲，校正像差。
[0015] 所述用于匹配成像物鏡和小透鏡主光線的場鏡為雙膠合透鏡，每個小透鏡對應(yīng)一 塊場鏡，形狀為六邊形，用于拼接成與中間曲行像面相對應(yīng)的一個整體。
[0016] 所述每個小透鏡負(fù)責(zé)各自的一部分視場，進行分視場校正相差，具有了更大的靈 活度。
[0017] 本發(fā)明還提供了一種寬視場高分辨率顯微成像系統(tǒng)，包括：
[0018] 按照顯微成像光路依次布置的樣品；
[0019] 用于獲得寬視場的成像物鏡；
[0020] 用于主光線匹配的場鏡陣列，用于獲得校像差，獲得高分辨率圖像的小透鏡陣 列；
[0021] 用于采集光線成像的C⑶成像面。
[0022] 所述的寬視場成像物鏡由多個鏡片組構(gòu)成。前組采用正片結(jié)構(gòu)，用于將主面前移， 獲得長焦距，短工作距離；中間組采用基本對稱結(jié)構(gòu)，用于校正大孔徑離軸像差；后組選用 高阿貝系數(shù)玻璃來矯正色差最終獲得寬視場（3cmX3cm)。
[0023] 中間像面形成一個曲面，作為二次成像的中間像面，打破現(xiàn)有光電成像系統(tǒng)物理 邊界約束，有效減少寬視場邊緣的場曲像差。
[0024] 場鏡安放在中間曲形像面成像位置，解決了主光線匹配問題，減小了漸暈。小透 鏡陣列位于場鏡之后，按照排布位置負(fù)責(zé)不同的成像區(qū)域，校正各自像差，最后CCD拼接成 像。
[0025] 本發(fā)明的原理：樣品經(jīng)過照明光照射之后，帶有樣品信息的光通過成像物鏡方法 之后曲行像面，看成是一次成像后的中間像面。物鏡是由20多塊球面經(jīng)劃分成前后兩個鏡 組組成的。前組采用正片結(jié)構(gòu)用于將主面前移，獲得長焦距，短工作距離；中間組采用基本 對稱結(jié)構(gòu)，用于校正大孔徑離軸像差；后組選用高阿貝系數(shù)玻璃來矯正色差最終獲得寬視 場。由物鏡獲得的曲形像面不同傳統(tǒng)儀器的像平面，由于每一個像面上的點都是軸上點，所 以像差得到很到的遏制，減少了后面小透鏡校正像差的壓力。物鏡獲得的整個樣品的視場 有后面的小透鏡分視場采集，各自負(fù)責(zé)一部分成像以及校正像差。
[0026] 小透鏡和物鏡設(shè)計到光瞳匹配和主光線匹配的問題，在中間像面上放置使軸外光 束轉(zhuǎn)向小透鏡可以解決這個問題。場鏡的光焦度對整個成像系統(tǒng)的光焦度并無貢獻，不影 響軸上點光束和系統(tǒng)的放大率。在相鄰小透鏡之間會有一部分光同時透過2個或3個小透 鏡，在各自的CCD上成像。這樣相鄰小透鏡直接就會形成一部分的疊加視場，用于后續(xù)相鄰 視場拼接處理成一副完整的圖像。整一副圖像的像素為所有CCD像素之和，大大地提高了 圖像分辨率。
[0027] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果：
[0028] (1)采用曲面成像，有效減少像差，提高成像質(zhì)量；
[0029] (2)成像物鏡設(shè)計精巧，可獲得厘米計級寬視場；
[0030] (3)利用二次成像和視場拼接技術(shù)，分辨率高，視場大；
[0031] (4)成像物鏡，場鏡和小透鏡鏡片全部采用球面鏡，易于加工，成本較低。
【附圖說明】
[0032] 圖1為本發(fā)明中寬視場高分辨率顯微成像裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0033] 圖2為本發(fā)明中寬視場物鏡的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0034]圖3為本發(fā)明的場鏡陣列排布圖；
[0035] 圖4為本發(fā)明中安放在場鏡后面的小透鏡結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0036] 如圖1所示，一種基于寬視場高分辨率顯微成像裝置的顯微鏡成像模塊結(jié)構(gòu)，包 括樣品1，寬視場成像物鏡2,場鏡陣列3,微型相機陣列4。
[0037] 其中，光源發(fā)出光束后，照射到樣品1上，寬視場成像物鏡2,場鏡陣列3,成像小透 鏡4. 1和采集光線的CCD4. 2依次設(shè)置在光束光路的光軸上。
[0038] 按照成像系統(tǒng)的工作原理，可將該系統(tǒng)分為2個部分，寬視場一次成像部分和高 分辨二次成像部分。光源發(fā)出的白光經(jīng)過照明系統(tǒng)透過樣品之后，光經(jīng)過寬視場成像物鏡 2。根據(jù)3cmX3cm大視場要求，該物鏡2設(shè)計時被分為3個部分：前組鏡片2. 1，中間組鏡片 2. 2,后組鏡片2. 3。按照
【發(fā)明內(nèi)容】
中提到的設(shè)計思想為依據(jù)，將鏡片結(jié)構(gòu)設(shè)計復(fù)雜化，巧妙 化。如圖2所示，前組鏡片2.1采用總體正片結(jié)構(gòu)?？紤]到較大的后工作距，前部分3片為 正-負(fù)-正結(jié)構(gòu)，后兩片為負(fù)片結(jié)構(gòu)，用于將主面前移，增大工作距，擴大反遠(yuǎn)距比；中間組 鏡片2. 2以基本對稱結(jié)構(gòu)為設(shè)計思想，分為前后兩個部分，前部分有4片組成，為正-負(fù)-負(fù) 正的總體負(fù)片結(jié)構(gòu)，后部分關(guān)于光闌基本對稱（比如光闌兩邊位置相同的面都是凹面或者 凸面，半徑，厚度差不多），用于校正大孔徑離軸像差，提高圖像清晰度；后組鏡片2. 3采用 高色散系數(shù)玻璃來校正色差。最后放置一塊棱鏡是為了與照明系統(tǒng)銜接，引進照明光到樣 品上。整體排布見表一。
[0039] 表一：寬視場物鏡鏡片明細(xì)表
[0040]
【主權(quán)項】
1. 一種寬視場高分辨率顯微成像系統(tǒng)，其特征在于，包括沿光路依次布置的： 用于發(fā)出照射樣品的光束的光源； 寬視場一次成像部分，用于對帶有樣品信息的光進行一次成像，形成一個曲形像面； 高分辨二次成像部分，用于對所述的曲形像面進行分視場采集，完成二次成像。
2. 如權(quán)利要求1所述的寬視場高分辨率顯微成像系統(tǒng)，其特征在于，所述的寬視場一 次成像部分采用寬視場成像物鏡，具有沿光路依次布置的： 前組鏡片，用于將主面前移并獲得長焦距； 中間組鏡片，用于校正大孔徑離軸像差； 后組鏡片，用于獲得寬視場的曲形像面。
3. 如權(quán)利要求2所述的寬視場高分辨率顯微成像系統(tǒng)，其特征在于， 所述的前組鏡片由依次排布的五個鏡片組成，前3片為正-負(fù)-正結(jié)構(gòu)，后兩片為負(fù)片 結(jié)構(gòu)； 所述的中間組鏡片呈基本對稱結(jié)構(gòu)，前部分由4片組成，為正-負(fù)-負(fù)正的總體負(fù)片結(jié) 構(gòu)，后部分關(guān)于光闌基本對稱； 所述的后組鏡片為采用高色散系數(shù)玻璃的鏡片。
4. 如權(quán)利要求1所述的寬視場高分辨率顯微成像系統(tǒng)，其特征在于，所述的寬視場一 次成像部分和高分辨二次成像部分之間設(shè)有沿曲形像面放置的場鏡陣列。
5. 如權(quán)利要求4所述的寬視場高分辨率顯微成像系統(tǒng)，其特征在于，所述的場鏡陣列 為緊湊排布的六邊形場鏡。
6. 如權(quán)利要求1所述的寬視場高分辨率顯微成像系統(tǒng)，其特征在于，所述的高分辨二 次成像部分由成像小透鏡和CCD組成。
7. 如權(quán)利要求6所述的寬視場高分辨率顯微成像系統(tǒng)，其特征在于，所述的成像小透 鏡為雙高斯結(jié)構(gòu)，用于曲形像面進行分視場采集。
8. -種寬視場高分辨率顯微成像方法，其特征在于，包括步驟： 1) 樣品被光源照射后，光經(jīng)過成像物鏡一次成像，形成曲形像面； 2) 對中間彎曲的曲形像面進行分視場采集，并采用成像CCD對分視場采集后的光線進 行二次成像； 3) 將成像重疊視場進行視場拼接，最終得到寬視場高分辨顯微圖像。
9. 如權(quán)利要求8所述的寬視場高分辨率顯微成像方法，其特征在于，所述的成像物鏡， 具有沿光路依次布置的： 前組鏡片，用于將主面前移并獲得長焦距； 中間組鏡片，用于校正大孔徑離軸像差； 后組鏡片，用于獲得寬視場的曲形像面。
10. 如權(quán)利要求9所述的寬視場高分辨率顯微成像方法，其特征在于， 所述的前組鏡片由依次排布的五個鏡片組成，前3片為正-負(fù)-正結(jié)構(gòu)，后兩片為負(fù)片 結(jié)構(gòu)； 所述的中間組鏡片呈基本對稱結(jié)構(gòu)，前部分由4片組成，為正-負(fù)-負(fù)正的總體負(fù)片結(jié) 構(gòu)，后部分關(guān)于光闌基本對稱； 所述的后組鏡片為采用高色散系數(shù)玻璃的鏡片。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種寬視場高分辨率顯微成像系統(tǒng)，包括沿光路依次布置的：用于發(fā)出照射樣品的光束的光源；寬視場一次成像部分，用于對帶有樣品信息的光進行一次成像，形成一個曲形像面；高分辨二次成像部分，用于對所述的曲形像面進行分視場采集，完成二次成像。本發(fā)明還公開了一種寬視場高分辨率顯微成像方法。本發(fā)明利用二次成像和視場拼接技術(shù)，分辨率高，視場大；采用曲面成像，有效減少像差，提高成像質(zhì)量。
【IPC分類】G02B21-02, G02B21-36
【公開號】CN104614847
【申請?zhí)枴緾N201510018618
【發(fā)明人】鄭臻榮, 吳懿思, 李安, 陳馳, 申俊飛, 王會會, 李海峰, 劉旭
【申請人】浙江大學(xué)
【公開日】2015年5月13日
【申請日】2015年1月14日