CN105372803A - 一种增大景深的显微光学*** - Google Patents

Abstract

本发明公开一种增大景深的显微光学***，其包括：用于放置样本的样本台；位于样本台下方的照明***和光源；位于样本台上方的显微物镜；位于显微物镜上方的管镜；位于显微物镜与管镜之间或者位于管镜上方的分光棱镜；至少2个位于分光棱镜成像面的成像元件，各成像元件具有不同的后截距。本发明在传统的显微光学***基础上，增加了分光棱镜，通过改变光学***后截距的方式改变所拍摄的物面位置，这样不同成像元件所拍摄的物面位置不同。本发明实现了在不影响成像质量的情况下实现增大景深并实时拍摄活体样本或流体样本的高分辨率图像的功能。

Description

一种增大景深的显微光学***

技术领域

本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种增大景深的显微光学***。

背景技术

在光学显微镜的不断发展过程中，其功能越来越强大，但是由于在显微光学***中，显微物镜的放大倍率越高，数值孔径越大，其景深越小，微小的离焦就会造成目标丢失，所以在显微镜的实际应用中，在保持成像***的成像质量的同时扩大成像***的景深范围具有十分重要的意义。在现今的显微成像领域中，更多的是在通过扫描成像来进行提高显微***景深的研究。然而扫描成像法需要***在扫描计算上消耗大量时间，且只能应用在静态样品的观察中，无法对活体样本或流体样本进行观察。在流体细胞显微成像的实际应用中，需要在满足一定景深要求的同时对细胞进行实时拍摄。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种增大景深的显微光学***，旨在解决现有的显微光学***无法同时保证成像质量以及扩大景深范围的问题。

本发明的技术方案如下：

一种增大景深的显微光学***，其中，包括：

用于放置样本的样本台；

位于样本台下方的照明***和光源；

位于样本台上方的显微物镜；

位于显微物镜上方的管镜；

位于显微物镜与管镜之间或者位于管镜上方的分光棱镜；

至少2个位于分光棱镜成像面的成像元件，各成像元件具有不同的后截距。

所述的增大景深的显微光学***，其中，所述分光棱镜和管镜均设置为1个，分光棱镜位于管镜上方，所述成像元件为2个，其中一个成像元件位于标准像面，另一个成像元件所拍摄物面与标准物面的距离为一个景深。

所述的增大景深的显微光学***，其中，所述分光棱镜设置为1个，所述分光棱镜位于显微物镜上方；所述管镜设置为2个，其中一个管镜位于分光棱镜上方，另一个管镜位于分光棱镜的分光方向的侧边；所述成像元件为2个，其中一个成像元件位于标准像面，另一个成像元件所拍摄物面与标准物面的距离为一个景深。

所述的增大景深的显微光学***，其中，所述分光棱镜设置为2个，并且沿着照明***出光方向并排设置且均设置在显微物镜上方；所述成像元件设置为3个，其中一个位于标准像面，一个所拍摄物面与标准物面的距离为一个景深，另一个所拍摄物面与标准物面的距离为二个景深。

所述的增大景深的显微光学***，其中，所述分光棱镜的分光比为50％：50％。

所述的增大景深的显微光学***，其中，所述管镜包括1个双胶合透镜和1个弯月透镜。

所述的增大景深的显微光学***，其中，所述显微光学***的放大倍率为20倍。

所述的增大景深的显微光学***，其中，所述显微光学***还连接一图像处理模块，用于将不同成像元件所拍摄的图像进行合成处理，提取各图像中的特征信息进行重构。

所述的增大景深的显微光学***，其中，所述照明***包括集光镜组和聚光镜组。

所述的增大景深的显微光学***，其中，所述成像元件为CCD或CMOS感光元件。

有益效果：本发明在传统的显微光学***基础上，增加了分光棱镜，通过改变光学***后截距的方式改变所拍摄的物面位置，这样不同成像元件所拍摄的物面位置不同。本发明实现了在不影响成像质量的情况下实现增大景深并实时拍摄活体样本或流体样本的高分辨率图像的功能。

附图说明

图1为本发明显微光学***的原理示意图。

图2为本发明显微光学***实施例一的结构示意图。

图3a至图3c为实施例一所拍摄的细胞图像。

图4为本发明显微光学***实施例二的结构示意图。

图5为本发明显微光学***实施例三的结构示意图。

具体实施方式

本发明提供一种增大景深的显微光学***，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。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。

本发明所提供的一种增大景深的显微光学***，其包括：

用于放置样本的样本台；

位于样本台下方的照明***和光源；所述照明***可以是科勒照明，包括集光镜组和聚光镜组。光源位于照明***下方。

位于样本台上方的显微物镜；

位于显微物镜上方的管镜；所述管镜包括1个双胶合透镜和1个弯月透镜。所述显微光学***的放大倍率为20倍。例如，显微物镜的焦距为4.5mm，管镜的焦距为90mm，放大倍率为管镜焦距与显微物镜焦距之比。

位于显微物镜与管镜之间或者位于管镜上方的分光棱镜；所述分光棱镜的分光比优选为50％：50％。

至少2个位于分光棱镜成像面的成像元件，各成像元件具有不同的后截距。成像元件可以是CCD或CMOS感光元件。

本发明所采用的显微物镜为通用的显微物镜，其出射光线为类平行光，在增加分光棱镜后，通过分光棱镜的分光，获得至少2个成像面，分别用成像元件接收。而不同成像元件在显微光学***具有不同的后截距，后截距是指光学显微***最后一面与成像面的距离。

在光学显微***中，不同的像面位置对应不同的物面位置，像面位置的偏移会使***实际拍摄的物面与理论物面有一微小偏移量。再经过图像处理对所拍摄的图像进行融合，可以得到所有成像元件分别对应的每个实际物面景深范围内所有物体清晰成像的显微图像，并提高图像的清晰度，从而在不影响成像质量的情况下增大显微***的景深。

图1为本发明显微光学***的原理示意图。图中O为标准物面，I为标准像面，dl为位于I’面的成像元件的实际像面与标准像面的偏移量，O’为这一成像元件所拍摄的实际物面位置，ds为所拍摄的实际物面位置与标准物面的偏移量。L为具有最大后截距差的两成像元件的后截距差值，S为其对应的最大物面偏移量。

本发明的显微光学***的垂轴放大倍率β为：

公式中，f'_管镜：管镜焦距，f'_物镜：显微物镜焦距。

显微光学***轴向放大倍率α和垂轴放大倍率β之间的对应关系为：

α＝β²

根据上述公式可知，实际像面与标准像面的偏移量dl和实际物面与标准物面的偏移量ds之间的对应关系为：

dl＝ds·α

故***所拍摄的最大物面间距S为：

S＝L/α

其中，L：具有最大后截距差的两成像元件的后截距之差。

已知分光前显微光学***的景深DF为：

$DF=\left(\frac{ne}{NA\×M}\right)+\left(\frac{\mathrm{\λ}n}{{\mathrm{NA}}^2}\right)$

公式中n：显微光学***所在空间折射率；

e：成像元件的象元尺寸；

NA：数值孔径；

M：总放大率；

λ：光波波长。

本发明的显微光学***加入多个成像元件，对多个像面进行接收，每个像面所对应的物面在景深范围内都能清晰成像，故本发明的显微光学***的景深为具有最小后截距的成像元件所对应的物面的后景深到具有最大后截距的成像元件所对应的物面的前景深的距离，即***所拍摄的最大物面间距与一个前景深和一个后景深之和。又光学***的景深为前景深与后景深之和，故本发明的显微光学***的实际景深DF’可表示为：

DF'＝DF+S

多个成像元件可同时进行图像的接收，实际操作中与电气元件配合，达到很好的同步性。所述显微光学***还连接一图像处理模块，用于将不同成像元件所拍摄的图像进行合成处理，提取各图像中的特征信息进行重构。即对所拍摄的多幅图像进行融合、去噪、特征提取和重构等处理，最大限度的提取各图片中的有利信息，重构形成一幅图片，达到增大景深的目的，关于此部分内容可参考现有技术中的图像处理技术，本文不再赘述。

在本发明中，显微物镜为通用显微物镜，可以更换。例如使用具有不同放大倍率、数值孔径、焦距、分辨率和覆盖差等参数的显微物镜可使本发明的显微光学***具有不同放大倍率、数值孔径、焦距、分辨率和覆盖差等特性。

下面通过具体实施例来对本发明进行详细的说明。

本发明的具体实施例一，如图2所示。显微光学***具体包括：光源1，照明***2，样本台3，显微物镜4，管镜5，分光棱镜6和成像元件7。所述分光棱镜6和管镜5均设置为1个，分光棱镜6位于管镜5上方，所述成像元件7为2个，其中一个成像元件位于标准像面，另一个成像元件所拍摄物面与标准物面的距离为一个景深。

其中的光源1位于照明***下方。照明***为科勒照明***，包括集光镜组8与位于集光镜组8与上方的聚光镜组9。样本台3位于照明***2上方，用来放置样本。

显微物镜4位于样本台3上方，显微物镜4的焦距为4.5mm。管镜5位于显微物镜4上方，管镜5包括一个双胶合透镜和一个弯月透镜，管镜5的焦距为90mm。整个显微光学***的放大倍率为20倍。分光棱镜6的分光比为50％：50％。

两成像元件同时进行拍摄，经过电气元件的配合，使两成像元件的实际拍摄间隔达到微秒量级。再对所拍摄的两幅图像进行融合、去噪、特征提取和重构处理，使得图像清晰度明显提高，两个成像元件所对应的实际拍摄物面的景深范围内样本均清晰成像，从而使***景深增大一倍。

图3a至图3c为实施例一的显微光学***所拍摄的细胞图像。其中图3a为两个成像元件所拍摄图像经图像融合重构后得到的图像，图3b为其中一成像元件所拍摄图像，图3c为另一成像元件所拍摄图像。其中，图3b中细节1，2能够清晰分辨，细节3无法分辨。图3c中，细节1,2成像模糊，细节3能够清晰分辨。由此可知，细节1,2和细节3处在不同平面，且不在一个景深范围内。在经过本发明***的自动图像处理后,得到的图3a中，细节1,2,3均能清晰分辨，从而可知本发明的***景深明显增大。

本发明的具体实施例二，如图4所示。显微光学***同样包括：光源1，照明***2，样本3，显微物镜4，分光棱镜5，管镜6和成像元件7。

所述分光棱镜5设置为1个，所述分光棱镜5位于显微物镜4上方；所述管镜6设置为2个，其中一个管镜6(第一管镜)位于分光棱镜5上方，另一个管镜6(第二管镜)位于分光棱镜5的分光方向的侧边；所述成像元件7为2个，一个位于第一管镜的上方，一个位于第二管镜的侧边。其中一个成像元件位于标准像面，另一个成像元件所拍摄物面与标准物面的距离为一个景深。

分光棱镜5将接收到的成像光束分为两束，分别经过两个管镜6，成像在两个成像元件7的接收面上。两成像元件7同时进行拍摄，经过电气元件的配合，使两成像元件7的实际拍摄间隔达到微秒量级。再对所拍摄的两幅图像进行融合、去噪、特征提取和重构处理，使得图像清晰度明显提高，两个成像元件7所对应的实际拍摄物面的景深范围内样本均清晰成像，从而使***景深增大一倍。

由于显微光学***中显微物镜的出射光束为类平行光，故将分光棱镜置于显微物镜4与管镜6之间对成像质量几乎没有影响。因此，可以在原显微光学***的基础上，无需重新设计管镜结构，只需增加1个分光棱镜5、1个管镜6和1个成像元件7便可达到将景深扩大一倍的效果。本实施例可以简化设计过程，实现任何已有显微光学***的景深扩展。

本发明的具体实施例三，其为含有三路分光的显微光学***。在本实施例中，所述分光棱镜设置为2个，并且沿着照明***出光方向并排设置且均设置在显微物镜上方；所述成像元件设置为3个，如图5所示，其中一个成像元件S1位于标准像面I1，一个成像元件S2所拍摄物面与标准物面的距离为一个景深(其实际像面与标准像面I2的距离对应一个景深)，另一个成像元件S3所拍摄物面与标准物面的距离为二个景深(其实际像面与标准像面I3的距离对应二个景深)。实际操作中使3个成像元件同时对样本成像，再对三幅图像进行融合、重构，得到一幅图像，此时***的景深为原光学***景深的3倍。

本发明的显微光学***在应用中可根据所需的景深扩大范围确定分光光路数，并依据公式确定各成像元件间的后截距之差。

本发明中通过分光棱镜分光后再进行图像融合的扩大景深方法不仅适用于显微光学***，同样适用于望远***、照明***、投影***等其他光学成像***。

本发明的优点在于：管镜镜组只需要三片镜片，结构简单，成本低；可替换通用物镜，一套***可满足不同放大倍率、不同分辨率、不同工作距离的显微成像需求；无需扫描，耗时短，可进行实时拍摄；明显增大光学***景深；不影响显微***成像质量；具有很高的成像清晰度。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种增大景深的显微光学***，其特征在于，包括：

用于放置样本的样本台；

位于样本台下方的照明***和光源；

位于样本台上方的显微物镜；

位于显微物镜上方的管镜；

位于显微物镜与管镜之间或者位于管镜上方的分光棱镜；

至少2个位于分光棱镜成像面的成像元件，各成像元件具有不同的后截距。

2.根据权利要求1所述的增大景深的显微光学***，其特征在于，所述分光棱镜和管镜均设置为1个，分光棱镜位于管镜上方，所述成像元件为2个，其中一个成像元件位于标准像面，另一个成像元件所拍摄物面与标准物面的距离为一个景深。

3.根据权利要求1所述的增大景深的显微光学***，其特征在于，所述分光棱镜设置为1个，所述分光棱镜位于显微物镜上方；所述管镜设置为2个，其中一个管镜位于分光棱镜上方，另一个管镜位于分光棱镜的分光方向的侧边；所述成像元件为2个，其中一个成像元件位于标准像面，另一个成像元件所拍摄物面与标准物面的距离为一个景深。

4.根据权利要求1所述的增大景深的显微光学***，其特征在于，所述分光棱镜设置为2个，并且沿着照明***出光方向并排设置且均设置在显微物镜上方；所述成像元件设置为3个，其中一个位于标准像面，一个所拍摄物面与标准物面的距离为一个景深，另一个所拍摄物面与标准物面的距离为二个景深。

5.根据权利要求1所述的增大景深的显微光学***，其特征在于，所述分光棱镜的分光比为50％：50％。

6.根据权利要求1所述的增大景深的显微光学***，其特征在于，所述管镜包括1个双胶合透镜和1个弯月透镜。

7.根据权利要求1所述的增大景深的显微光学***，其特征在于，所述显微光学***的放大倍率为20倍。

8.根据权利要求1所述的增大景深的显微光学***，其特征在于，所述显微光学***还连接一图像处理模块，用于将不同成像元件所拍摄的图像进行合成处理，提取各图像中的特征信息进行重构。

9.根据权利要求1所述的增大景深的显微光学***，其特征在于，所述照明***包括集光镜组和聚光镜组。

10.根据权利要求1所述的增大景深的显微光学***，其特征在于，所述成像元件为CCD或CMOS感光元件。