CN106908942A - 基于微透镜阵列的高分辨并行显微成像仪 - Google Patents

基于微透镜阵列的高分辨并行显微成像仪 Download PDF

Info

Publication number
CN106908942A
CN106908942A CN201710266273.4A CN201710266273A CN106908942A CN 106908942 A CN106908942 A CN 106908942A CN 201710266273 A CN201710266273 A CN 201710266273A CN 106908942 A CN106908942 A CN 106908942A
Authority
CN
China
Prior art keywords
array
hot spot
parallel
lens
microlens array
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201710266273.4A
Other languages
English (en)
Inventor
唐玉国
肖昀
张运海
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Suzhou Institute of Biomedical Engineering and Technology of CAS
Original Assignee
Suzhou Institute of Biomedical Engineering and Technology of CAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Suzhou Institute of Biomedical Engineering and Technology of CAS filed Critical Suzhou Institute of Biomedical Engineering and Technology of CAS
Priority to CN201710266273.4A priority Critical patent/CN106908942A/zh
Publication of CN106908942A publication Critical patent/CN106908942A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B21/00—Microscopes
    • G02B21/0004—Microscopes specially adapted for specific applications
    • G02B21/002—Scanning microscopes
    • G02B21/0024—Confocal scanning microscopes (CSOMs) or confocal "macroscopes"; Accessories which are not restricted to use with CSOMs, e.g. sample holders
    • G02B21/0032—Optical details of illumination, e.g. light-sources, pinholes, beam splitters, slits, fibers
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B21/00—Microscopes
    • G02B21/36—Microscopes arranged for photographic purposes or projection purposes or digital imaging or video purposes including associated control and data processing arrangements
    • G02B21/365—Control or image processing arrangements for digital or video microscopes

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Multimedia (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Computer Vision & Pattern Recognition (AREA)
  • Microscoopes, Condenser (AREA)

Abstract

本发明提供的基于微透镜阵列的高分辨并行显微成像仪，对照明模块进行设计以利用微透镜阵列生成包含大量光斑的阵列光场，从而实现了样品的并行照明，提高扫描成像速度；同时，本发明提供的基于微透镜阵列的高分辨并行显微成像仪，采用面阵探测器接收阵列光斑，并对阵列光斑中的每个光斑进行像素再分配处理，实现高分辨、高信噪比的并行显微成像。

Description

基于微透镜阵列的高分辨并行显微成像仪
技术领域
本发明涉及显微检测仪器设计及制造领域，尤其是涉及一种基于微透镜阵列的高分辨并行显微成像仪。
背景技术
点扫描共聚焦显微镜已经广泛应用于生物医学等研究领域，是必不可少的科研工具。目前商业点扫描共聚焦显微镜大都采用振镜进行单点扫描成像，但是其单点扫描的成像速度限制了点扫描共聚焦显微镜在活细胞等领域中进一步地推广应用。
近年来，有很多技术被提出，用于提高点扫描共聚焦显微镜的成像速度。但是，这些技术常常以牺牲分辨率等其他性能来改善成像速度，仍不能在保证分辨率前提下很好地解决点扫描共聚焦显微镜的成像速度慢这一问题。
发明内容
本发明的目的是：
提供一种分辨率高且呈现速度快的基于微透镜阵列的高分辨并行显微成像仪。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种基于微透镜阵列的高分辨并行显微成像仪，包括照明模块、扫描模块、探测模块、控制模块及图像重建模块，其中：
所述照明模块包括激光器、第一透镜、第二透镜、微透镜阵列及第三透镜，所述微透镜阵列由若干微透镜组成，所述激光器出射的激光光束经所述第一透镜和第二透镜准直扩束后形成扩束光束，所述扩束光束再入射到所述微透镜阵列后形成多个阵列聚焦光斑，所述多个阵列聚焦光斑发出的光束再经所述第三透镜准直后形成多束平行光束；
所述扫描模块包括二色镜、物镜及纳米位移台，所述纳米位移台可在XYZ三维方向移动，所述纳米位移台上承载有待检测样品，所述多束平行光束经所述二色镜后入射进入所述物镜，并在所述物镜的前焦面处发生干涉，形成具有光斑的干涉阵列光场，所述具有光斑的干涉阵列光场对所述样品进行并行照明，使得所述样品产生并行光信号；
所述探测模块包括带通滤色片、探测透镜以及面阵探测器，所述并行光信号经所述物镜及所述二色镜后再依次进入所述带通滤色片、探测透镜以及面阵探测器，并在所述面阵探测器的感光面形成阵列光斑，所述面阵探测器探测所述阵列光斑，并对所述阵列光斑进行空间滤波及对所述阵列光斑的像素进行再分配处理，以形成较小的阵列光斑，并将所述较小的阵列光斑转化为电信号；
所述控制模块电性连接于所述面阵探测器和所述纳米位移台，所述控制模块用于采集所述电信号；
所述图像重建模块电性连接于所述控制模块，所述图像重建模块根据所述控制模块采集所述探测器与所述纳米位移台的所述电信号实现基于干涉阵列光场的高分辨率并行扫描成像图像重建。
在其中一些实施例中，所述扩束光束中的一束入射光束经所述微透镜阵列后形成阵列聚焦光斑，所述阵列聚焦光斑的数量与所述微透镜阵列中微透镜的数量相同。
在其中一些实施例中，所述面阵探测器为CCD或CMOS相机中的一种。
本发明采用上述技术方案的优点是：
本发明提供的基于微透镜阵列的高分辨并行显微成像仪，对照明模块进行设计以利用微透镜阵列生成包含大量光斑的阵列光场，从而实现了样品的并行照明，提高扫描成像速度；同时，本发明提供的基于微透镜阵列的高分辨并行显微成像仪，采用面阵探测器接收阵列光斑，并对阵列光斑中的每个光斑进行像素再分配处理，实现高分辨、高信噪比的并行显微成像。
本发明提供的基于微透镜阵列的高分辨并行显微成像仪，利用微透镜阵列形成的阵列光场和像素再分配技术，可以提高点扫描显微技术的成像速度和分辨率，同时还能保证图像具有较高的信噪比，提高了图像质量，有利于点扫描显微技术在亚细胞结构观察、细胞动态过程观察等研究方面的应用，有益于生物医学领域的发展。
附图说明
图1为本发明实施例提供的基于微透镜阵列的高分辨并行显微成像仪结构示意图。
图2(a)为样品处的照明阵列光斑的结构示意图；
图2(b)为面阵探测器上的探测阵列光斑的结构示意图；
图2(c)为单个阵列光斑及1AU虚拟针孔区域的结构示意图；
图2(d)为1AU虚拟针孔对应的像素区域的结构示意图；
图2(e)为经过像素再分配后的新光斑及新虚拟针孔的结构示意图；
图2(f)为经过像素再分配后的新虚拟针孔对应的像素区域的结构示意图；
图2(g)为经过像素再分配后的新阵列光斑的结构示意图；
图3为样品沿Y方向移动前(实心)和移动后(虚线)样本上阵列光斑的相对位置，光斑间距为d，移动步距ds的结构示意图。
其中：照明模块110、扫描模块120、探测模块130、控制模块140、图像重建模块150、激光器111、二维光栅112、光阑113、波片114及透镜115、二色镜121、物镜122、纳米位移台123。
具体实施方式
请参考图1，为本发明实施例提供的一种基于微透镜阵列的高分辨并行显微成像仪100，包括照明模块110、扫描模块120、探测模块130、控制模块140及图像重建模块150。其中：
所述照明模块110包括激光器111、第一透镜112、第二透镜113、微透镜阵列114及第三透镜115，所述微透镜阵列114由若干微透镜组成。
具体地，所述激光器111出射的激光光束经所述第一透镜112和第二透镜113准直扩束后形成扩束光束，所述扩束光束再入射到所述微透镜阵列114后形成多个阵列聚焦光斑，所述多个阵列聚焦光斑发出的光束再经所述第三透镜115准直后形成多束平行光束，所述多束平行光束再入射进入扫描模块210。
可以理解，所述扩束光束中的一束入射光束经所述微透镜阵列114后形成阵列聚焦光斑，所述阵列聚焦光斑的数量与所述微透镜阵列114中微透镜的数量相同。
所述扫描模块120包括二色镜121、物镜122及纳米位移台123，所述纳米位移台123可在XYZ三维方向移动，所述纳米位移台123上承载有待检测样品。
具体地，所述多束平行光束经所述二色镜121后入射进入所述物镜122，并在所述物镜122的前焦面处发生干涉，形成具有光斑的干涉阵列光场，所述具有光斑的干涉阵列光场对所述样品进行并行照明，使得所述样品产生并行光信号。
可以理解，由于纳米位移台123可通过XY方向移动样品，实现高精度的并行扫描成像，提高扫描成像速度。
所述探测模块130包括带通滤色片131、探测透镜132以及面阵探测器133。
具体地，所述并行光信号经所述物镜122及所述二色镜121后再依次进入所述带通滤色片131、探测透镜132以及面阵探测器133，并在所述面阵探测器133的感光面形成阵列光斑，所述面阵探测器133探测所述阵列光斑，并对所述阵列光斑进行空间滤波及对所述阵列光斑的像素进行再分配处理，以形成较小的阵列光斑，并将所述较小的阵列光斑转化为电信号。
优选地，面阵探测器133为CCD或CMOS相机中的一种。可以理解，本申请采用的面阵探测器133为CCD或CMOS相机，具有很多像素，可以接收阵列光场中大量光斑同时激发荧光样品发出的荧光信号，并将其转化为电信号。
所述控制模块140电性连接于所述面阵探测器133，进一步地，所述控制模块140还电性连接于所述纳米位移台123，所述控制模块140用于控制所述纳米位移台140的移动。
可以理解，所述控制模块140可实现对扫描模块中的所述纳米位移台123扫描控制，同时可以采集面阵探测器133的电信号。
所述图像重建模块150电性连接于所述控制模块140，所述图像重建模块150可根据所述控制模块140采集所述面阵探测器133与所述纳米位移台123的所述电信号实现基于干涉阵列光场的高分辨并行扫描成像图像重建。
以下详细说明图像重建模块150的工作过程：
第一，采用包含阵列光斑的阵列光场对样品进行并行照明，如图2(a)所示，被阵列光斑照明的样品经物镜和探测透镜成像后将在面阵探测器感光面形成阵列光斑(M个聚集光斑)图像，如图2(b)所示，实现并行光信号的探测收集。
第二，为了实现高分辨成像，需要对探测到的光斑进行空间滤波和像素再分配处理，以每个阵列光斑中心为原点，选择1个艾里斑大小(可以理解，艾力斑大小可根据实际需求调整)对应的像素区域(N个像素)作为每个阵列光斑的虚拟针孔，如图2(c)和(d)所示；将虚拟针孔中每个像素探测到的光强Ii进行si/2(其中，si为每个像素到光斑中心的距离)移位，形成较小的新光斑，如图2(e)所示；
再根据新光斑的大小，重新选择一定尺寸的虚拟针孔(虚拟针孔的区域以新光斑大小为例，如图2(e)中较小的虚线方框和图2(f)所示，对应面阵探测器中Q个像素)，将该虚拟针孔内每个像素探测到的光强Ik叠加，可以得到样品中一点对应的高分辨显微图像像素值这个过程即为像素再处理过程。
第三、将面阵探测器上的每个阵列光斑都进行像素再分配处理，形成较小的阵列光斑(如图2(g)所示，黑色虚线为原阵列光斑，实心光斑为小的新阵列光斑)，得到样品中多个点对应的高分辨显微图像像素值，所有光斑处理计算完后，将得到一幅像素值间隔分布的高分辨显微图像。
第四、当对样品进行扫描时，如图3所示，样品上阵列光斑发生移动(虚线为移动后的阵列光斑)，阵探测器上阵列光斑位置不变，照射样品的阵列光场中光斑间距为d，若沿Y方向移动位移台，移动间距为ds，每移动一次会得到一幅像素值间隔分布的高分辨显微图像，移动d/ds-1次，可以得到d/ds幅像素值间隔分布的高分辨显微图像，若沿X方向移动移动d/ds-1次位移台，也可以得到d/ds幅高分辨显微图像，将这d/ds幅像素值间隔分布的高分辨显微图像叠加，可以得到一幅完整的高分辨显微图像。
本发明提供的基于微透镜阵列的高分辨并行显微成像仪100，其工作过程如下：
所述激光器111出射的激光光束经所述第一透镜112和第二透镜113准直扩束后形成扩束光束，所述扩束光束再入射到所述微透镜阵列114后形成多个阵列聚焦光斑，所述多个阵列聚焦光斑发出的光束再经所述第三透镜115准直后形成多束平行光束，所述多束平行光束经所述二色镜121后入射进入所述物镜122，并在所述物镜122的前焦面处发生干涉，形成具有光斑的干涉阵列光场，所述具有光斑的干涉阵列光场对所述样品进行并行照明，使得所述样品产生并行光信号，所述并行光信号经所述物镜122及所述二色镜121后再依次进入所述带通滤色片131、探测透镜132以及面阵探测器133，并在所述面阵探测器133的感光面形成阵列光斑，所述面阵探测器133探测所述阵列光斑，并对所述阵列光斑进行空间滤波及对所述阵列光斑的像素进行再分配处理，以形成较小的阵列光斑，同时并将所述阵列光斑转化为电信号，所述控制模块140采集所述电信号，所述图像重建模块150根据所述控制模块140采集所述电信号实现基于干涉阵列光场的高分辨并行扫描成像图像重建。
本发明提供的基于微透镜阵列的高分辨并行显微成像仪，对照明模块110进行设计以利用微透镜阵列114生成包含大量光斑的阵列光场，从而实现了样品的并行照明，提高扫描成像速度；同时，本发明提供的基于微透镜阵列的高分辨并行显微成像仪，采用面阵探测器133接收阵列光斑，并对阵列光斑中的每个光斑进行像素再分配处理，实现高分辨、高信噪比的并行显微成像。
本发明提供的基于微透镜阵列的高分辨并行显微成像仪，利用微透镜阵列形成的阵列光场和像素再分配技术，可以提高点扫描显微技术的成像速度和分辨率，同时还能保证图像具有较高的信噪比，提高了图像质量，有利于点扫描显微技术在亚细胞结构观察、细胞动态过程观察等研究方面的应用，有益于生物医学领域的发展。
当然本发明的基于微透镜阵列的高分辨并行显微成像仪还可具有多种变换及改型，并不局限于上述实施方式的具体结构。总之，本发明的保护范围应包括那些对于本领域普通技术人员来说显而易见的变换或替代以及改型。

Claims (3)

1.一种基于微透镜阵列的高分辨并行显微成像仪，其特征在于，包括照明模块、扫描模块、探测模块、控制模块及图像重建模块，其中：
所述照明模块包括激光器、第一透镜、第二透镜、微透镜阵列及第三透镜，所述微透镜阵列由若干微透镜组成，所述激光器出射的激光光束经所述第一透镜和第二透镜准直扩束后形成扩束光束，所述扩束光束再入射到所述微透镜阵列后形成多个阵列聚焦光斑，所述多个阵列聚焦光斑发出的光束再经所述第三透镜准直后形成多束平行光束；
所述扫描模块包括二色镜、物镜及纳米位移台，所述纳米位移台可在XYZ三维方向移动，所述纳米位移台上承载有待检测样品，所述多束平行光束经所述二色镜后入射进入所述物镜，并在所述物镜的焦面处发生干涉，形成具有光斑的干涉阵列光场，所述具有光斑的干涉阵列光场对所述样品进行并行照明，使得所述样品产生并行光信号；
所述探测模块包括带通滤色片、探测透镜以及面阵探测器，所述并行光信号经所述物镜及所述二色镜后再依次进入所述带通滤色片、探测透镜以及面阵探测器，并在所述面阵探测器的感光面形成阵列光斑，所述面阵探测器探测所述阵列光斑，并对所述阵列光斑进行空间滤波及对所述阵列光斑的像素进行再分配处理，以形成较小的阵列光斑，并将所述较小的阵列光斑转化为电信号；
所述控制模块电性连接于所述面阵探测器和所述纳米位移台，所述控制模块用于采集所述电信号；
所述图像重建模块电性连接于所述控制模块，所述图像重建模块根据所述控制模块采集所述探测器与所述纳米位移台的所述电信号实现基于干涉阵列光场的高分辨率并行扫描成像图像重建。
2.根据权利要求1所述的基于微透镜阵列的高分辨并行显微成像仪，其特征在于，所述扩束光束中的一束入射光束经所述微透镜阵列后形成阵列聚焦光斑，所述阵列聚焦光斑的数量与所述微透镜阵列中微透镜的数量相同。
3.根据权利要求1所述的基于微透镜阵列的高分辨并行显微成像仪，其特征在于，所述面阵探测器为CCD或CMOS相机中的一种。
CN201710266273.4A 2017-04-21 2017-04-21 基于微透镜阵列的高分辨并行显微成像仪 Pending CN106908942A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710266273.4A CN106908942A (zh) 2017-04-21 2017-04-21 基于微透镜阵列的高分辨并行显微成像仪

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710266273.4A CN106908942A (zh) 2017-04-21 2017-04-21 基于微透镜阵列的高分辨并行显微成像仪

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN106908942A true CN106908942A (zh) 2017-06-30

Family

ID=59210569

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201710266273.4A Pending CN106908942A (zh) 2017-04-21 2017-04-21 基于微透镜阵列的高分辨并行显微成像仪

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN106908942A (zh)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108152941A (zh) * 2017-11-20 2018-06-12 北京航空航天大学 基于微纳米透镜阵列的高速光学超分辨率成像***和方法
CN110836892A (zh) * 2019-11-26 2020-02-25 清华大学 衍射超分辨显微成像方法及***
CN112219104A (zh) * 2018-05-28 2021-01-12 维也纳自然资源与生命科学大学 用于确定介质中的三维颗粒分布的方法
CN113251949A (zh) * 2021-06-18 2021-08-13 三代光学科技（天津）有限公司 一种微透镜阵列面形的单点光学测量路径生成方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1971333A (zh) * 2006-10-11 2007-05-30 南开大学 采用虚拟针孔的共焦显微成像***
JP2010164635A (ja) * 2009-01-13 2010-07-29 Nikon Corp 共焦点顕微鏡
CN101793829A (zh) * 2010-02-04 2010-08-04 深圳大学 一种荧光显微成像方法及***

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1971333A (zh) * 2006-10-11 2007-05-30 南开大学 采用虚拟针孔的共焦显微成像***
JP2010164635A (ja) * 2009-01-13 2010-07-29 Nikon Corp 共焦点顕微鏡
CN101793829A (zh) * 2010-02-04 2010-08-04 深圳大学 一种荧光显微成像方法及***

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
尹可: "基于微透镜阵列的多光束共焦成像***若干问题的研究", 《工程科技II辑》 *

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108152941A (zh) * 2017-11-20 2018-06-12 北京航空航天大学 基于微纳米透镜阵列的高速光学超分辨率成像***和方法
CN112219104A (zh) * 2018-05-28 2021-01-12 维也纳自然资源与生命科学大学 用于确定介质中的三维颗粒分布的方法
CN112219104B (zh) * 2018-05-28 2024-03-26 维也纳自然资源与生命科学大学 用于确定介质中的三维颗粒分布的方法
CN110836892A (zh) * 2019-11-26 2020-02-25 清华大学 衍射超分辨显微成像方法及***
CN110836892B (zh) * 2019-11-26 2021-06-11 清华大学 衍射超分辨显微成像方法及***
CN113251949A (zh) * 2021-06-18 2021-08-13 三代光学科技（天津）有限公司 一种微透镜阵列面形的单点光学测量路径生成方法
CN113251949B (zh) * 2021-06-18 2021-11-30 三代光学科技（天津）有限公司 一种微透镜阵列面形的单点光学测量路径生成方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN106872034B (zh) 快速三维多光谱显微成像***
EP2429176B1 (de) Bildverarbeitungsvorrichtung
CN106908942A (zh) 基于微透镜阵列的高分辨并行显微成像仪
CN103168272B (zh) 进深推定摄像装置以及摄像元件
CN109597195A (zh) 基于晶格光照的超分辨三维光场显微成像***及方法
CN103308452A (zh) 一种基于景深融合的光学投影断层成像图像获取方法
CN105158893B (zh) 基于lcd液晶面板的可编程孔径显微镜***的光场成像方法
CN107014795A (zh) 一种基于均匀结构光照明的共聚焦并行显微成像***
CN208044186U (zh) 基于白光线光源的照明装置、病理切片成像装置及扫描***
CN103744172A (zh) 一种具备空间光调制照明的共聚焦显微成像方法
CN104168430B (zh) 一种tdi ccd焦平面编码超分辨率成像装置及方法
CN108873321A (zh) 基于干涉的超薄高分辨率平板成像探测***
CN107271037A (zh) 光谱显微成像方法及***
CN107121065A (zh) 一种便携式相位定量检测装置
CN1702452B (zh) 数字微镜多目标成像光谱仪装置
CN104013417A (zh) 一种基于针孔阵列的x射线光场成像及标定方法
CN107678151A (zh) 基于干涉阵列光场的共聚焦并行显微成像仪
RU2580870C2 (ru) Система получения изображения высокого разрешения
CN107478628A (zh) 一种基于光子重组的双光子荧光显微方法及装置
CN107152970B (zh) 基于干涉阵列光场的高分辨并行显微成像仪
CN111103062B (zh) 一种基于单光子计数二维成像的装置及方法
CN105651699B (zh) 一种基于面阵相机的动态跟焦方法
CN106154379B (zh) 微反射镜阵列设计方法、***及微反射镜阵列
CN110794575A (zh) 一种基于光能信息的仿生复眼空间探测及定位***
CN106872559A (zh) 一种超分辨生物分子质谱成像装置及其工作方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20170630

RJ01 Rejection of invention patent application after publication