CN110855866B - 一种无ccd位移装置的高分辨错位叠层成像装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无CCD位移装置的高分辨错位叠层成像装置，包括相干光源、扩束准直***、尺寸可调光阑、X‑Y二维位移台、待测样品、二元光栅、平行平板、聚焦透镜、挡板和CCD，相干光源发出的光束经扩束准直***和尺寸可调光阑后，照射到放置在X‑Y二维移动平台上的待测样品上，二元光栅将经待测样品调制后的光束分为0级衍射光和±1级功能错位光，调节平行平板的角度可改变错位光束位置，再结合聚焦透镜，可在CCD上形成具有不同错位量的光斑，等分CCD，提取各错位光斑数据，代入到相位复原方法中，复原出高分辨的样品相位。本发明将叠层成像与错位成像方法结合，简化***结构，无CCD位移装置，实现了高速、高效、大视场、高分辨成像。
Description
技术领域
本发明涉及高分辨成像装置，尤其涉及一种无CCD位移装置的高分辨错位叠层成像装置。
背景技术
2013年，Guoan Zheng等人在Nature photonics的Wide-field,high-resolutionFourier ptychographicmicroscopy文章中，基于合成孔径思想提出了傅里叶域叠层成像方法，即将原有横向平移的扫描方式改为通过发光二极管(LED)阵列实现多角度斜入射照明，采集多幅不同区域的傅里叶域低分辨率图像，使用特定的相位恢复方法将这些频谱合成，从而获得大视场、高分辨率图像。2014年，Siyuan Dong等人在Optics express的High-resolution fluorescence imaging via patternilluminated Fourier ptychography文章中，将结构光照明与傅里叶叠层成像方法结合，扩大了荧光显微技术的视场范围。2018年，An Pan等人在Optics express的Subwavelength resolution Fourier ptychographywith hemispherical digital condensers文章中，用可调节亮度的半球形数字电容器替代LED阵列，实现了亚波长量级分辨率。但以上方法增加提高分辨率的同时增加了***的复杂度，需增加额外的照明***，而照明***的稳定性、位置误差等等因素会影响成像质量。
2011年，Andrew M.Maiden等人在JOSAA的Superresolution imaging viaptychography文章中，将解析延拓方法应用到叠层成像方法中，使衍射图案可外推到测量范围的4倍，提高了成像分辨率。该方法虽然无需增加***复杂程度，但是分辨率提高能力有限
中国专利号CN101299099A公开了一种高分辨率亚像元成像技术实现的方法及***，包括：普通面阵CMOS探测器；面阵CMOS探测器驱动与数据采集板，光学镜头和二维平移精密光学精密调节架。通过普通面阵CMOS探测器进行一定方式的二维平移可以实现成像***的亚像元探测。该方法需要增加二维平移装置，而且不能复原待测样品的相位，不能获取待测样品的三维轮廓信息。
发明内容
发明目的：本发明目的是提供一种能够缩短数据采集时间，同时具有大视场、成像范围可扩展等优势的无CCD位移装置的高分辨错位叠层成像装置。
技术方案：本发明包括叠层成像阵列扫描***和无CCD位移装置的错位成像***，所述的叠层成像阵列扫描***包括依次设置的光源、扩束准直***、光阑和移动平台；所述的无CCD位移装置的错位成像***包括依次设置的光栅、挡板和CCD，经光栅分光后的衍射光的衍射角区域设有平行平板和聚焦透镜，所述的平行平板位于聚焦透镜前方。
所述的光栅产生的±1级衍射光为形成错位光斑所需的错位光束。
所述的平行平板和聚焦透镜放置在±1级衍射光的衍射角区域，以达到只允许±1级衍射光通过的目的。
所述的光栅包括常规二元光栅和正交二元光栅，其中，常规二元光栅可在CCD上形成两个光斑，实现对角错位；正交二元光栅可在CCD形成四个光斑，实现四点错位。
所述的平行平板的厚度在0～10mm之间，平行平板与光轴的夹角在0～45°之间，以得到不同亚像素错位偏移量。
所述的CCD上能够得到具有不同错位量的光斑，等分CCD，分离并提取各具有不同错位量的光斑数据，利用错位成像方法将提取的光各斑数据合成高分辨图像，将高分辨图像代入到叠层成像复原方法中，即可复原出高分辨的样品相位。
有益效果：本发明取消了复杂CCD位移装置，缩短了数据采集时间，引入叠层成像***和相位复原方法，将错位成像与叠层成像方法相结合，同时具有大视场、成像范围可扩展等错位成像与叠层成像方法的优点，实现了高速、高效、高分辨成像。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的对角方式示意图；
图3为本发明的四点错位方式示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明包括叠层成像阵列扫描***和无CCD位移装置的错位成像***，叠层成像阵列扫描***包括依次设置的相干光源1、扩束准直***2、尺寸可调光阑3和X-Y二维移动平台4，X-Y二维移动平台4上放置有待测样品5；无CCD位移装置的错位成像***包括二元光栅6、平行平板7、聚焦透镜8、挡板9和CCD10，其中，二元光栅6、挡板9和CCD10依次设置，平行平板7和聚焦透镜8位于经二元光栅6分光后的±1级衍射光601的衍射角区域，且平行平板7位于聚焦透镜8前方。在叠层成像阵列扫描***中，相干光源1发出的光束经扩束准直***2后，照射到放置在X-Y二维移动平台4上的待测样品5，调节尺寸可调光阑3的大小，可限制扩束准直光束的尺寸。通过X-Y二维移动平台4，待测样品5可在垂直于光轴的平面上逐行逐列移动，且每次移动，相邻扫描位置有一定的重叠，同时记录每次扫描的衍射光强。
在无CCD位移装置错位成像***中，根据光栅方程dsinθ＝mλ(m＝0，±1，±2…)计算出经二元光栅6分光后的±1级衍射光601的衍射角，将聚焦透镜8放置在±1级衍射光601的衍射角区域以达到只允许±1级衍射光601通过的目的。经二元光栅6出射后的0级衍射光600被挡板9遮挡，±1级衍射光601为形成错位光斑所需的错位光束，调节平行平板7的厚度和与光轴的夹角，由聚焦透镜8聚焦后，可在CCD10上得到具有不同错位量的光斑。等分CCD10，分离并提取各具有不同错位量的光斑数据，利用错位成像方法将提取的光各斑数据合成高分辨图像，将高分辨图像代入到叠层成像复原方法中，即可复原出高分辨的样品相位。
二元光栅6产生的±1级衍射光601为形成错位光斑所需的错位光束，通过调节平行平板7的厚度和与光轴的夹角，并经聚焦透镜8聚焦在CCD10上，CCD10上可得到具有亚像素错位量的光斑。其中，平行平板7的厚度在0～10mm之间，平行平板7与光轴的夹角在0～45°之间，错位偏移量在0～1像素之间。
二元光栅6可实现±1级分光，二元光栅6采用常规二元光栅61和正交二元光栅62对经待测样品5调制后的光束分光，经二元光栅6出射后的0级衍射光600被挡板9遮挡，±1级衍射光601为形成错位光斑所需的错位光束。选用常规二元光栅61时，调节平行平板7的厚度和与光轴的夹角，由聚焦透镜8聚焦后，可在CCD10上得到具有不同错位量的对角光斑1001，如图2所示；选用正交二元光栅62时，在三组光路中放置平行平板7，调节平行平板7的厚度，经聚焦透镜8聚焦后，可在CCD10上得到具有不同错位量的四点光斑1002。
实施例
本实施例包括叠层成像阵列扫描***和无CCD位移装置的错位成像***，叠层成像阵列扫描***包括相干光源1、扩束准直***2、尺寸可调光阑3、X-Y二维移动平台4、待测样品5；无CCD位移装置的错位成像***包括二元光栅6、平行平板7、聚焦透镜8、挡板9、CCD10。在叠层成像阵列扫描***中，相干光源1发出的光束经扩束准直***2后，照射到放置在X-Y二维移动平台4上的待测样品5，调节尺寸可调光阑3的大小，可限制扩束准直光束的尺寸。通过X-Y二维移动平台4，待测样品5可在垂直于光轴的平面上逐行逐列移动，且每次移动，相邻扫描位置有一定的重叠，同时记录每次扫描的衍射光强。在无CCD位移装置错位成像***中，根据光栅方程dsinθ＝mλ(m＝0，±1，±2…)计算出经二元光栅6分光后不同波长的±1级衍射光601的衍射角，将聚焦透镜8放置在±1级衍射光601的衍射角区域以达到只允许±1级衍射光601通过的目的。经二元光栅6出射后的0级衍射光600被挡板9遮挡，±1级衍射光601为形成错位光斑所需的错位光束。选用常规二元光栅61时，调节平行平板7的厚度和与光轴的夹角，由聚焦透镜8聚焦后，可在CCD 10上得到具有不同错位量的对角光斑1001；选用正交二元光栅62时，在三组光路中放置平行平板7，调节平行平板7的厚度，由聚焦透镜8聚焦后，可在CCD10上得到具有不同错位量的四点光斑1002。等分CCD10，提取各光斑数据，利用错位成像方法将提取的光各斑数据合成高分辨图像，将高分辨图像代入到叠层成像复原方法中，即可复原出高分辨的样品相位。
本实施例中，常规二元光栅61和正交二元光栅62产生的±1级衍射光601为形成错位光斑所需的错位光束，通过调节平行平板7的厚度和与光轴的夹角，并经聚焦透镜8聚焦在CCD10上。CCD10上可得到具有亚像素错位量的光斑；平行平板7的厚度在0～10mm之间，平行平板7与光轴的夹角在0～45°之间，错位偏移量在0～1像素之间。
Claims (4)
1.一种无CCD位移装置的高分辨错位叠层成像装置，其特征在于，包括叠层成像阵列扫描***和无CCD位移装置的错位成像***，所述的叠层成像阵列扫描***位于无CCD位移装置的错位成像***正前方，所述的叠层成像阵列扫描***包括依次设置的光源、扩束准直***、光阑和移动平台；所述的无CCD位移装置的错位成像***包括依次设置的光栅、挡板和CCD，根据光栅方程计算出经光栅分光后的±1级衍射光的衍射角，将平行平板和聚焦透镜放置在±1级衍射光的衍射角区域，其中，平行平板位于聚焦透镜前方，±1级衍射光为形成错位光斑所需的错位光束，经光栅出射后的0级衍射光被挡板遮挡，调节平行平板的厚度和与光轴的夹角，由聚焦透镜聚焦后，可在CCD上得到具有不同错位量的光斑，等分CCD，提取各光斑数据，利用错位成像方法将提取的光各斑数据合成高分辨图像。
2.根据权利要求1所述的一种无CCD位移装置的高分辨错位叠层成像装置，其特征在于，所述的光栅包括常规二元光栅和正交二元光栅，其中，常规二元光栅可在CCD上形成两个光斑，实现对角错位；正交二元光栅可在CCD形成四个光斑，实现四点错位。
3.根据权利要求1所述的一种无CCD位移装置的高分辨错位叠层成像装置，其特征在于，所述的平行平板的厚度在0～10mm之间，平行平板与光轴的夹角在0～45°之间。
4.根据权利要求1所述的一种无CCD位移装置的高分辨错位叠层成像装置，其特征在于，所述的高分辨图像代入到叠层成像复原方法中，即可复原出高分辨的样品相位。
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