專利名稱：一種大景深數碼顯微系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及光學技術領域，具體涉及一種大景深數碼顯微系統。
背景技術：
光學顯微鏡自16世紀末在歐洲發明后，將人類的視野拓展到一個全新的世界中。顯微鏡技術在生物、醫學、工業等諸多方面有著廣泛的應用。經過400余年的發展，顯微鏡的成像質量日益提高。尤其是上個世紀末，光電轉換器件的廣泛應用和數字處理技術的不斷更新，給這個古老的學科注入新的生命力。現有的數碼顯微系統包括顯微物鏡、帶光電轉換器件的電子目鏡、與光電轉換器件連接的數字解調器以及與數字解調器連接的圖像輸出設備，小景深一直是傳統數碼顯微 系統中的重要問題，在中高倍的數碼顯微系統中尤為嚴重。數碼顯微系統中顯微物鏡的景深d可以表示為波動光學景深和幾何光學景深之
2Wfftp
和rf = -77-T +,7^'，其中，\ 為波長；11表不物方折射率；Μ表不放大倍數；ΝΑ表不顯微物
NA' M · NA
鏡的數值孔徑；e表示顯微物鏡在像面上能分辨的最小距離。考慮到顯微物鏡的像面實際上就是電子目鏡的物面，因此，e實際是由電子目鏡決定。以普通的生物顯微物鏡為例，取λ ο為550nm。若采用的是放大倍率為1/3，像元尺寸為7um的光電轉換器件，則顯微物鏡在像面上能分辨的最小距離e為21um。以常用的數值孔徑(NA)O. 65，放大倍率(M)40倍的中倍顯微物鏡和數值孔徑(NA) I. 1，放大倍率(M) 100倍的高倍顯微物鏡為例，將相應的參數代入上式中，可得顯微物鏡的景深，中高倍顯微物鏡的主要參數見表I。表I
數值孔徑NA 放大倍率M物方折射率η 景深d (Uin)
中倍顯微物鏡 0Γ6540 Σ
高倍顯微物鏡 I. I100I. 5O. 78由表I可見，顯微物鏡的倍率越高，則景深就越小；顯微物鏡的數值孔徑越大，則景深就越小。數碼顯微系統是通過對整個鏡筒的調焦來看清被觀察物體的，因此對實現微調的機械結構的精密度要求很高。解決光學系統小景深的問題方法主要有三類。第一類是對光學系統的孔徑進行振幅調制，其中以減小相對孔徑為代表，但該方法以減小通光量和降低分辨率為代價。第二類是通過共焦成像的方式對每個成像面進行掃描，最后通過數字圖像重建的方式來實現，這種方法需要專門的精密電機完成掃描，成本高且耗時長。第三類是通過波前編碼技術來拓展景深，它通過在光闌處加上一個Φ = a (x3+y3)的相位片，然后對光電轉換器件C⑶或光電轉換器件CMOS上得到的圖像進行數字濾波，以此來達到拓展景深的要求，它需要對整個顯微系統進行重新設計、加工和制作，成本較高。

發明內容
本發明的目的是針對現有技術的不足，提供了一種大景深數碼顯微系統，在不破壞傳統數碼顯微系統的主要部件結構(包括照明部件、載物部件、顯微物鏡和電子目鏡)的前提下，通過外加景深延拓器來實現大景深的功能，具有成本低廉、兼容性強的特點。 一種大景深數碼顯微系統,包括顯微物鏡、帶光電轉換器件的電子目鏡、與光電轉換器件連接的數字解調器以及與數字解調器連接的圖像輸出設備，所述顯微物鏡與電子目鏡之間設有景深延拓器，所述景深延拓器具有相位掩膜片，該相位掩膜片的一面滿足式①方程z (x, y) =ax3+by3+cx4+dy4+ex2y2+fxy3+gx3y ①，·式①中，a, b, C，d, e, f, g分別為系數，x, y, z (x, y)分別為相位掩膜片滿足式①方程的面上任一點在三維笛卡兒坐標系中X、Y、Z軸坐標，所述三維笛卡兒坐標系以相位掩膜片中心為坐標原點，以光軸為Z軸。作為優選，x，y為落在通光孔徑中的笛卡兒坐標，x，y取值范圍均為[_r，r]，其中r為通光孔徑的半徑，只需將通光孔徑范圍內相位掩膜片的一面滿足式①方程即可，就能夠實現景深的延拓。以X軸、Y軸、Z軸建立一個三維笛卡兒坐標系，X, y分別為X軸、Y軸對應的坐標，z(x, y)為不同x，y取值下在Z軸方向上的坐標，Z軸即為光軸，將三維笛卡兒坐標系的坐標原點作為相位掩膜片的中心，x，y均在[-r，r]范圍內取值，得到不同的z(x，y)，不同的點[X，1，z(x, y)]連續組合在一起，形成滿足式①方程的相位掩膜片的一面，相對于該面的另一面可以根據需要設置成曲面或平面。相位掩膜片可以采用一面為平面、另一面滿足上述方程的透明板，也可以直接將透鏡作為相位掩膜片，在透鏡上設置滿足上述方程的一個面，另一面為曲面，從而實現大景深的目的。即所述相位掩膜片相對于滿足式①方程一面的另一面為平面或者曲面。作為優選，所述景深延拓器包括依次布置在顯微物鏡和電子目鏡之間的前透鏡、相位掩膜片和后透鏡，相位掩膜片朝向前透鏡的一面滿足式①方程，朝向后透鏡的一面為平面。前透鏡和后透鏡沿光路方向前后設置，即所述前透鏡靠近顯微物鏡，所述后透鏡靠近電子目鏡。作為優選，所述景深延拓器包括依次布置在顯微物鏡和電子目鏡之間的前透鏡和相位掩膜片，所述相位掩膜片朝向前透鏡一面滿足式①方程，另一面為曲面。前透鏡和相位掩膜片沿光路方向前后設置，即所述前透鏡靠近顯微物鏡，所述相位掩膜片靠近電子目鏡。上述的兩種具體形式可以根據需要進行設置，均能夠實現大景深的目的。本發明大景深數碼顯微系統的原理如下大景深數碼顯微系統中的顯微物鏡和電子目鏡是相對獨立的，兩者能配合成像的關鍵在于顯微物鏡的像面和電子目鏡的物面是完全重合的。因此，在本發明中，增加景深延拓器后，本發明大景深數碼顯微系統要順利成像，需要滿足以下幾點要求第一，顯微物鏡的像面和景深延拓器的物面重合；第二，景深延拓器的像面與電子目鏡的物面相重合；第三，景深延拓器前后的光束結構應保持不變；第四，為了保證原顯微系統的放大倍率，景深延拓器的放大率為I。在此要求的基礎上設計景深延拓器。本發明大景深數碼顯微系統中的景深延拓器通過相位掩膜對光瞳函數的調制，使得調制傳遞函數和點擴散函數對物距不敏感。非相干光源產生的光線通過顯微物鏡后，經景深延拓器進行調制，由電子目鏡中的光電轉換器件將物方圖像轉換成數據流，將經數字解調器解調后的高分辨率的圖像輸出至顯示終端或打印終端。作為優選，式①方程中，a= (4 6)X1(T3，b= (4 6) X 1(T3，c=_(O. 9 I. 3) X 1(Γ6，d=- (O. 9 I. 3) X 1(T6，e=(2. 5 3· 5) X 1(T7，f=-(0. 8 I. 2) X 1(T7，g=- (O. 8 I. 2) X 1(Γ7，進一步優選，式①方程中，a=5 X ICT3, b=5 X ICT3, c=-l. I X ICT6, d=-l. I X ICT6, e=3 X ICT7,f=-ixio_7，g=-ixio_7，該相位掩膜片的一面滿足該具體方程，可以明顯提高本發明大景深數碼顯微系統的景深。作為優選，所述的光電轉換器件為CCD光電傳感器、CMOS光電傳感器、光電倍增 管。與現有技術相比，本發明具有如下有益效果一、本發明大景深數碼顯微系統通過在傳統數碼顯微系統中加入一個景深延拓器，就可方便地升級成大景深數碼顯微系統，不會破壞原有數碼顯微系統的主要結構及放大率等主要光學參數，具有兼容性好的優點。二、本發明大景深數碼顯微系統由于景深延拓器使用之后，對多種像差不敏感，因而除了景深延拓器本身，其余的光學部件包括顯微物鏡和電子目鏡，它們的加工容差也很大，成本也能降低，從而可在低端傳統數碼顯微系統基礎上增加景深延拓器實現高質量成像。三、本發明大景深數碼顯微鏡系統通過對光瞳函數的調制來實現景深延拓，因此對光通量沒有影響。四、本發明大景深數碼顯微鏡系統對調焦精度要求較低，調焦系統的加工容差大，成本降低。五、本發明大景深數碼顯微鏡系統中景深延拓器適用于不同倍率的顯微物鏡和不同倍率的電子目鏡，適用范圍廣。


圖I為本發明大景深數碼顯微系統的一種結構示意圖；圖2為本發明大景深數碼顯微系統的另一種結構示意圖；圖3為本發明景深延拓器中的相位掩膜片的結構示意圖；圖4為現有的數碼顯微系統的結構及光束示意圖；圖5為本發明大景深數碼顯微系統的結構及光束示意圖；圖6為實施例I大景深數碼顯微系統在顯微物鏡的數值孔徑為O. 65、放大倍數為40倍條件下點擴散函數示意圖；圖7為實施例I大景深數碼顯微系統在顯微物鏡的數值孔徑為I. I、放大倍數為100倍條件下點擴散函數示意圖；圖8為實施例I大景深數碼顯微系統在顯微物鏡的數值孔徑為O. 65、放大倍數為40倍條件下獲得的信息經數字解調后得到的清晰像；圖9為實施例I大景深數碼顯微系統在顯微物鏡的數值孔徑為I. I、放大倍數為100倍條件下獲得的信息經數字解調后得到的清晰像。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。 如圖I和圖2所示，為本發明大景深數碼顯微系統，包括顯微物鏡I、帶光電轉換器件5的電子目鏡4、與光電轉換器件5連接的數字解調器6以及與數字解調器6連接的圖像輸出設備7，顯微物鏡I與電子目鏡4之間設有景深延拓器2，景深延拓器2具有相位掩膜片3，該相位掩膜片3的一面滿足式①方程z (x, y) =ax3+by3+cx4+dy4+ex2y2+fxy3+gx3y ①，
式①中，a, b, C，d, e, f, g分別為系數，X，y, z (x, y)分別為相位掩膜片滿足式①方程的面上任一點在三維笛卡兒坐標系中X、Y、Z軸坐標，該三維笛卡兒坐標系以相位掩膜片中心為坐標原點，以光軸為Z軸。X，y為落在通光孔徑中的笛卡兒坐標，x，y取值范圍均為[-r, r]，其中r為通光孔徑的半徑。如圖3所示，本發明景深延拓器中的相位掩膜片3，首先以X軸、Y軸、Z軸建立一個三維笛卡兒坐標系，將三維笛卡兒坐標系的坐標原點O作為相位掩膜片3的中心，X，y分別為X軸、Y軸對應的坐標，z (X，y)為不同X，y取值下在Z軸方向上的坐標，Z軸即為光軸，x，y為落在通光孔徑中的笛卡兒坐標，x，y取值范圍均為[-r，r]，其中r為通光孔徑的半徑，在x，y取值范圍內取不同的x，y，代入式①方程，得到不同的Z軸方向上的對應坐標z (X，y)，若干個不同的點[X，Y, Z (x, y)]連續組合在一起,形成相位掩膜片3的一面,該面滿足式①方程，相對于該面的另一面可以根據需要設置成曲面或平面。如圖I所示，景深延拓器2包括依次布置在顯微物鏡I和電子目鏡4之間的前透鏡、相位掩膜片3和后透鏡，前透鏡和后透鏡沿光路方向前后設置，即前透鏡靠近顯微物鏡1，后透鏡靠近電子目鏡4，相位掩膜片3朝向前透鏡的一面滿足式①方程，相位掩膜片3朝向后透鏡的一面為平面。如圖2所示，景深延拓器2包括依次布置在顯微物鏡I和電子目鏡4之間的前透鏡和相位掩膜片3，前透鏡和相位掩膜片3沿光路方向前后設置，前透鏡靠近顯微物鏡1，相位掩膜片3靠近電子目鏡4，相位掩膜片3朝向前透鏡一面滿足式①方程，另一面為曲面，保證景深延拓器2前后的光束結構保持不變。景深延拓器2可以是一個或多個光學元件(例如，多個透鏡和/或多個反射鏡)，在光學兀件之間可以有折射和反射媒介(例如，固體、液體和/或氣體)。光電轉換器件5可米用一個或多個光電傳感器(例如CCD光電傳感器、CMOS光電傳感器、光電倍增管)。如圖4所示，為現有的數碼顯微系統，包括顯微物鏡I、帶光電轉換器件5的電子目鏡4、與光電轉換器件5連接的數字解調器(未畫出)以及與數字解調器連接的圖像輸出設備(未畫出)，12為待觀察的樣品，13為顯微物鏡I的像面，同時也為電子目鏡4的物面。實施例I如圖5所示，為本發明大景深數碼顯微系統圖I結構的基礎上的實施例。本發明大景深數碼顯微系統包括顯微物鏡I、帶光電轉換器件5的電子目鏡4、與光電轉換器件5連接的數字解調器(圖5中未畫出)以及與數字解調器連接的圖像輸出設備(圖5中未畫出)，均采用現有技術，12為待觀察的樣品，顯微物鏡I與電子目鏡4之間設有景深延拓器2，景深延拓器2包括前透鏡8、后透鏡9以及設置在前透鏡8和后透鏡9之間的相位掩膜片3，該景深延拓器2由一個光學4f系統和相位掩膜片3所構成，其中，光學4f系統由兩塊焦距為f的前透鏡8和后透鏡9所構成，前透鏡8位于顯微物鏡I的像面10后距離為f處，后透鏡9位于前透鏡8后距離為2f處，電子目鏡4的物面位于后透鏡9后距離為f處，實施例I中焦距f取100mm。顯微物鏡I的像面10與景深延拓器2的物面重合，景深延拓器2的像面11與電子目鏡4的物面重合。相位掩膜片3朝向前透鏡8的一面滿足式②方程，相位掩膜片3朝向后透鏡9的一面為平面。式②方程為z(x, y)=5X10-3x3+5X10-3y3-l. 1X1(T6X4-L I X I O-V+3 X 10_7x2y2-1 X 10_7xy3_l X 10_7x3y,相位掩膜片 3 距前透鏡 8 的距離 L 由遠心光瞳的位置所確定，如圖5所示，假定顯微物鏡I的物距為Λ，顯微物鏡I的物像共軛距為D，顯微物鏡I的像高為h，主光線在前透鏡8上的最大高度為H，遠心光闌的孔徑角為
Θ，由幾何光學易知士 = +。考慮到實際系統中Δ , Λ <〈f，則上式的近似解為
U + j — Q J
d f+f2/D。我國規定生物顯微鏡的物像共軛距D為195mm，因此，相位掩膜片3距前透鏡8的距離L為151mm。圖6為本實施例大景深數碼顯微系統在顯微物鏡I的數值孔徑為O. 65、放大倍數為40倍條件下點擴散函數示意圖，如圖6所示，圖6中a部分，b部分，c部分分別對應于物距O. 141mm,物距O. 167mm和物距O. 193mm。可見加了景深延拓器2后本發明大景深數碼顯微系統的點擴散函數在不同物距的情況下，雖然存在一定的彌散，但大小、形狀及模糊分布基本一致，完全可以通過反卷積的方法進行數值濾波，最終得到清晰圖像。圖7為本實施例大景深數碼顯微系統在顯微物鏡I的數值孔徑為I. I、放大倍數為100倍條件下點擴散函數示意圖，如圖7所示，圖7中a部分，b部分，c部分分別對應于物距O. 193mm,物距O. 198mm和物距O. 203mm。同樣,加了景深延拓器2后本發明大景深數碼顯微系統的點擴散函數在不同物距的情況下，雖然存在一定的彌散，但大小、形狀及模糊分布基本一致，完全可以通過反卷積的方法進行數值濾波，最終得到清晰圖像。在空間頻率域，數字解調器6將調制傳遞函數乘以一函數(衍射受限的調制傳遞函數和大景深數碼顯微系統的調制傳遞函數之比)，使解調后的調制傳遞函數接近于受衍射限制的調制傳遞函數，以實現高分辨率。本領域的技術人員應該意識到，光學傳遞函數和點擴散函數分別表示鏡頭在空間頻率域和空間域的傳遞信息的能力。它們可以通過傅里葉變換和反傅里葉變換互相轉化，因此，數字解調器6實現包括空間頻率域解調和/或空間域解調等解調方法。現用分辨率為512*512的圖像輸出設備7來待觀察的樣品。本實施例大景深數碼顯微系統在顯微物鏡I的數值孔徑為O. 65、放大倍數為40倍條件下獲得的信息經數字解調后得到的清晰像如圖8所示，圖8中a部分，b部分，c部分分別對應于物距O. 141_，物距O. 167mm和物距O. 193mm。可見在物距O. 141mm至物距O. 193mm之間的52um的景深范圍內，系統均能清晰成像。本實施例大景深數碼顯微系統在顯微物鏡I的數值孔徑為I. I、放大倍數為100倍條件下獲得的信息經數字解調后得到的清晰像如圖9所示，圖9中a部分，b部分，c部分分別對應于物距O. 193臟，物距O. 198mm和物距O. 203臟。可見在物距O. 193mm至物距O. 203臟之間的IOum的景深范圍內，系統均能清晰成像。綜上，本實施例大景深數碼顯微系統在顯微物鏡I的數值孔徑為O. 65、放大倍數為40倍條件下顯微物鏡I的景深為52um，在顯微物鏡I的數值孔徑為I. I、放大倍數為100 倍條件下顯微物鏡I的景深為lOum，分別是原來的24倍和13倍。由于本發明大景深數碼顯微系統對物距都不敏感，即對離焦相關像差和不敏感，故系統加工的容差比傳統數碼顯微鏡系統會大很多。上述實施例用來解釋說明本發明，而不是對本發明進行限制，在本發明的精神和權利要求的保護范圍內，對本發明作出的任何修改和改變，都落入本發明的保護范圍。
權利要求
1.一種大景深數碼顯微系統，包括顯微物鏡、帶光電轉換器件的電子目鏡、與光電轉換器件連接的數字解調器以及與數字解調器連接的圖像輸出設備，其特征在于，所述顯微物鏡與電子目鏡之間設有景深延拓器，所述景深延拓器具有相位掩膜片，該相位掩膜片的一面滿足式①方程z (X，y) =ax3+by3+cx4+dy4+ex2y2+fxy3+gx3y ①， 式①中，a，b，c, d, e, f，g分別為系數，X, y, z(x, y)分別為相位掩膜片滿足式①方程的面上任一點在三維笛卡兒坐標系中X、Y、Z軸坐標，所述三維笛卡兒坐標系以相位掩膜片中心為坐標原點，以光軸為Z軸。
2.根據權利要求I所述的大景深數碼顯微系統，其特征在于，X,y取值范圍均為[-r, r]，其中，r為通光孔徑的半徑。
3.根據權利要求I所述的大景深數碼顯微系統，其特征在于，所述相位掩膜片相對于滿足式①方程一面的另一面為平面或者曲面。
4.根據權利要求I所述的大景深數碼顯微系統，其特征在于，所述景深延拓器包括依次布置在顯微物鏡和電子目鏡之間的前透鏡、相位掩膜片和后透鏡，相位掩膜片朝向前透鏡的一面滿足式①方程，朝向后透鏡的一面為平面。
5.根據權利要求I所述的大景深數碼顯微系統，其特征在于，所述景深延拓器包括依次布置在顯微物鏡和電子目鏡之間的前透鏡和相位掩膜片，所述相位掩膜片朝向前透鏡一面滿足式①方程，另一面為曲面。
6.根據權利要求I所述的大景深數碼顯微系統，其特征在于，所述顯微物鏡的像面和景深延拓器的物面重合；所述景深延拓器的像面與電子目鏡的物面相重合。
7.根據權利要求I所述的大景深數碼顯微系統，其特征在于，式①方程中，a = (4 6) X 1(T3，b=(4 6) X 1(Γ3，c=-(0. 9 I. 3) X 1(Γ6，d=-(0. 9 I. 3) X 1(Γ6，e=(2. 5 3· 5) X 1(T7，f=- (O. 8 I. 2) X 1(Γ7，g=- (O. 8 I. 2) X 10'
8.根據權利要求7所述的大景深數碼顯微系統，其特征在于，式①方程中，a=5X10_3，b=5 X 10_3, C=-L I X 10_6, d=-l. I X 10_6, e=3 X 10_7, f=-l X 10_7, g=_l X 10_7。
全文摘要
本發明公開了一種大景深數碼顯微系統，涉及光學技術領域，其包括顯微物鏡、帶光電轉換器件的電子目鏡、與光電轉換器件連接的數字解調器以及與數字解調器連接的圖像輸出設備，其特征在于，所述顯微物鏡與電子目鏡之間設有景深延拓器，所述景深延拓器具有相位掩膜片，該相位掩膜片的一面滿足式①方程z(x,y)=ax3+by3+cx4+dy4+ex2y2+fxy3+gx3y①，式①中，a,b,c,d,e,f,g分別為系數，x，y，z(x,y)分別為相位掩膜片滿足式①方程的面上任一點在三維笛卡兒坐標系中X、Y、Z軸坐標，所述三維笛卡兒坐標系以相位掩膜片中心為坐標原點，以光軸為Z軸。本發明大景深數碼顯微系統在不破壞傳統數碼顯微系統的主要部件結構的前提下，通過外加景深延拓器來實現大景深的功能，具有成本低廉、兼容性強等優點。
文檔編號G02B21/36GK102879895SQ20121034173
公開日2013年1月16日 申請日期2012年9月14日 優先權日2012年9月14日
發明者趙廷玉, 劉愛萍, 劉欽曉, 余飛鴻 申請人:浙江理工大學