一種位相板組件及可變景深的顯微鏡系統的製作方法

2023-05-13 14:29:46

專利名稱：一種位相板組件及可變景深的顯微鏡系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及光學技術領域，特別是涉及一種位相板組件及可變景深的顯微鏡系統。
背景技術：
顯微鏡是一種用於放大微小物體、使該物體能夠被肉眼觀察到的儀器。從17世紀中葉第一臺實用的顯微鏡出現發展至今，顯微鏡的結構不斷變化。傳統的顯微鏡由光學部分、照明部分和機械部分組成，以人眼作為接收器。後來顯微鏡中加入了攝像裝置，以感光膠片作為可以記錄和存儲目標圖像的器件。80年代中期，隨著數碼產業以及電腦業的發展，顯微鏡的功能也通過它們得到提升，以光電傳感器、電視攝像管和電荷耦合器件替代感光膠片，並與雷射、計算機、信息技術等相結合，構成微觀信號的採集、記錄、處理和存儲一體化的光信號系統。顯微鏡的應用領域十分廣泛，不同的應用對顯微鏡的性能提出了不同的要求。除了對其成像解析度的要求外，在某些應用場合中，如醫療、生物、物質結構、集成電路等領域，需要研究微小物體的三維結構，這不但需要高質量的斷層成像，也要求更廣的成像範圍，此時要求顯微鏡不僅要具有高倍率，而且要具有大景深。傳統光學顯微鏡的景深都很小，當觀察有一定深度的物體時，便不能清晰成像，而且隨著放大倍率的提高顯微鏡的景深會變得更小，這就限制了傳統顯微鏡的應用範圍。上世紀九十年代中期，Colorado大學成像系統實驗室的Dowski教授提出了波前編碼技術，即採用光學調製和圖像復原技術進行解調來擴大光學系統景深的成像技術。將波前編碼技術應用於顯微鏡系統中以後，對於三維物體的成像就變的簡單了，只要進行適當的濾波，就可以在不破壞物體結構的情況下對更大景深內的觀測物清晰成像。但是，目前尚未有可變景深的顯微鏡系統出現。

發明內容
本發明針對現有技術的上述缺陷，提供一種位相板組件及可變景深的顯微鏡系統，使顯微鏡的景深可變。本發明採用如下技術方案:一種位相板組件，所述位相板組件包括至少兩個位相板和一個平板,所述位相板和平板之間的位置可切換。優選地，所述位相板組件還包括底板和旋轉塊，所述至少兩個位相板和一個平板安裝於旋轉塊上，所述旋轉塊和底板之間轉動連接。優選地，所述位相板為三次位相板、餘弦形式位相板或者對數函數位相板。優選地，所述位相板用於擴展顯微鏡景深。一種可變景深的顯微鏡系統，所述顯微鏡系統包括顯微物鏡，在所述顯微物鏡光闌處設有上述的位相板組件，通過切換所述位相板和平板之間的位置使其中一個位相板或者平板位於顯微物鏡光闌位置。
優選地，所述顯微鏡系統還包括載物臺、筒鏡、分光稜鏡、反射鏡、目鏡、成像鏡頭、光電接收器件、計算機和顯示器；所述反射鏡和目鏡安裝在分光稜鏡輸出的一路光路上，所述成像鏡頭和光電接收器件安裝在分光稜鏡輸出的另一路光路上，所述計算機和顯示器與光電接收器件的輸出端相連。本發明的有益效果是:通過設計包括至少兩個位相板和一個平板的位相板組件，位相板和平板之間的位置可切換，當該位相板組件應用於顯微鏡系統中時，通過切換位相板和平板之間的位置使其中一個位相板或者平板位於顯微物鏡光闌位置，從而實現顯微鏡的景深可變。


圖1為本發明實施例一種可變景深的顯微鏡系統的結構示意圖；圖2為本發明實施例一種可變景深的顯微鏡系統的局部結構設計示意圖；圖3為傳統顯微鏡工作距離為0.63mm時的MTF曲線；圖4為加入三次位相板後的顯微鏡工作距離為0.63mm時的MTF曲線；圖5為傳統顯微鏡工作距離為0.62mm時的MTF曲線；圖6為加入三次位相板後的顯微鏡工作距離為0.62mm時的MTF曲線；圖7為傳統顯微鏡工作距離為0.61mm時的MTF曲線；圖8為加入三次位相板後的顯微鏡工作距離為0.61mm時的MTF曲線。附圖標記如下: 1-載物臺，2-顯微物鏡，3-位相板組件，3 (I)-第一位相板，3 (2)-第二位相板，3 (3)-平板，3 (4)-底板，3 (5)-旋轉塊，4_筒鏡，5_分光稜鏡，6-反射鏡，7-目鏡，8-成像鏡頭，9-光電接收器件，10-計算機，11_顯不器。
具體實施例方式為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。請參閱圖1所示，本發明實施例提供了一種可變景深的顯微鏡系統，該顯微鏡系統包括載物臺1、顯微物鏡2、筒鏡4、分光稜鏡5、反射鏡6、目鏡7、成像鏡頭8、光電接收器件9、計算機10和顯示器11。載物臺I上放置有樣品，在顯微物鏡2光闌處設有一位相板組件3，該位相板組件3包括至少兩個位相板和一個平板，位相板和平板之間的位置可切換，本實施例中，位相板組件3設有兩個位相板和一個平板,分別是第一位相板3 (I)、第二位相板3 (2)和平板3 (3)，通過切換第一位相板3 (I)、第二位相板3 (2)和平板3 (3)三者之間的位置使其中一個位相板或者平板3 (3)位於顯微物鏡2光闌位置。具體地，在該位相板組件3上設有底板3 (4)和旋轉塊3 (5)，第一位相板3 (I)、第二位相板3 (2)和平板3 (3)均安裝於旋轉塊3 (5)上，旋轉塊3 (5)和底板3 (4)之間轉動連接，通過轉動旋轉塊3 (5)即可切換第一位相板3 (I)、第二位相板3 (2)和平板3 (3)三者之間的位置，將所需的位相板或者平板旋轉至顯微物鏡2光闌位置。位相板的形式和參數選擇有很多種，可以選擇三次位相板、餘弦形式位相板或者對數函數位相板，本實施例中選擇的是三次位相板。同時，第一位相板3 (I)和第二位相板3 (2)還可以根據需求更換，例如更換上第三位相板、第四位相板等等。反射鏡6和目鏡7安裝在分光稜鏡5輸出的一路光路上，成像鏡頭8和光電接收器件9安裝在分光稜鏡5輸出的另一路光路上，計算機10和顯示器11與光電接收器件9的輸出端相連。本實施例的工作原理是:顯微鏡載物臺I上的樣品發出的光線經過顯微物鏡2和筒鏡4後，經分光稜鏡5分為兩路:一路經反射鏡6、目鏡7到達人眼；另一路經過成像鏡頭8到達光電接收器件9，並由計算機10處理後通過顯示器11顯示。在顯微物鏡2光闌位置加入位相板組件3後，改變了顯微物鏡2出瞳處的光瞳函數，使得顯微鏡系統的調製傳遞函數(Modulation Transfer Function,MTF)和點擴散函數(point spread function,PSFWf物距不敏感，這時光電接收器件9將接收到的中間圖像數據傳送至計算機10，進行復原濾波等處理後通過顯示器11顯示。通過切換位相板組件3中的不同位相板或者平板3 (3)，得到不同程度的顯微鏡景深範圍，從而達到顯微鏡景深可變的目的。當位相板組件3切換至平板3(3)時，顯微鏡景深不變，作為傳統顯微鏡使用；當位相板組件3切換至第一位相板3 (I)或者第二位相板3 (2)時，顯微鏡景深增大，第一位相板3 (I)和第二位相板3 (2)的形式和參數根據實際應用需求進行設計，具體實現方式可參考下述參數設計案例。位相板組件3切換時需要比較高的定位精度，保證切換後的位相板或者平板3 (3)位於顯微物鏡2的光闌位置。具體地參數設計案例:本案例設計了一個加入三次位相板組件的顯微鏡系統，利用光學設計軟體ZEMAX對傳統顯微鏡系統和本實施例的顯微鏡系統的成像特性進行了對比分析，給出了 10倍景深範圍內的調製傳遞函數MTF曲線。模擬結果表明，與傳統顯微鏡系統相比，所設計的本實施例的顯微鏡系統可以在保持光通量和像面解析度的情況下將景深擴展10倍。設計的系統參數如下:N.A.=0.65,M=-40X，f 』 =4.649mm，W.D.=0.63mm，D0F=2.0um0其中，N.A.為數值孔徑，M為放大倍數，f 』為焦距，I D.為工作距離，DOF為景深。採用的三次位相板的形式為z = a (x3+y3),其中α為0.005。第一位相板、第二位相板均採用光學塑料聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate, PMMA)製成，其厚度為2_。本案例的顯微鏡系統局部結構設計示意圖如圖2所示，位相板組件3位於顯微物鏡光闌位置。經過試驗，分別考察了傳統顯微鏡系統和本實施例提供的顯微鏡系統在不同景深位置的點擴散函數PSF和調製傳遞函數MTF情況，其中MTF曲線如圖3-圖8所示。從試驗結果得出:傳統顯微鏡系統隨著景深增大，點擴散函數PSF迅速彌散，調製傳遞函數MTF急劇下降；而加入三次位相板組件後的顯微鏡系統點擴散函數PSF呈現固定形式，調製傳遞函數MTF在10倍的景深範圍內都保持一定值，可以通過後續的數字處理來恢復最終圖像。因此，本實施例通過在傳統顯微物鏡光闌位置加入位相板組件達到了擴展顯微鏡景深的目的，且景深可調。本發明實施例通過在顯微物鏡光闌處設置位相板組件，位相板組件中包括至少兩種不同形式的位相板和一個平板，其可自由地進行切換，從而達到顯微鏡景深可變的目的。本發明實施例結構簡單、成本低，在不減小光通量、不調焦的前提下，解決了傳統顯微鏡景深小的缺點，提高了顯微鏡應用於不同景深觀察的適應性，且提供了多個位相板可選擇，景深可調。以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.一種位相板組件，其特徵在於，所述位相板組件包括至少兩個位相板和一個平板，所述位相板和平板之間的位置可切換。
2.根據權利要求1所述的位相板組件，其特徵在於，所述位相板組件還包括底板和旋轉塊，所述至少兩個位相板和一個平板安裝於旋轉塊上，所述旋轉塊和底板之間轉動連接。
3.根據權利要求1或2所述的位相板組件，其特徵在於，所述位相板為三次位相板、餘弦形式位相板或者對數函數位相板。
4.根據權利要求1 3任一項所述的位相板組件，其特徵在於，所述位相板用於擴展顯微鏡景深。
5.一種可變景深的顯微鏡系統，其特徵在於，所述顯微鏡系統包括顯微物鏡，在所述顯微物鏡光闌處設有權利要求1 4任一項所述的位相板組件，通過切換所述位相板和平板之間的位置使其中一個位相板或者平板位於顯微物鏡光闌位置。
6.根據權利要求5所述的顯微鏡系統，其特徵在於，所述顯微鏡系統還包括載物臺、筒鏡、分光稜鏡、反射鏡、目鏡、成像鏡頭、光電接收器件、計算機和顯示器；所述反射鏡和目鏡安裝在分光稜鏡輸出的一路光路上，所述成像鏡頭和光電接收器件安裝在分光稜鏡輸出的另一路光路上，所述計算機和顯示器與光電接收器件的輸出端相連。
全文摘要
本發明涉及光學技術領域，提供了一種位相板組件及可變景深的顯微鏡系統。本發明的位相板組件包括至少兩個位相板和一個平板，位相板和平板之間的位置可切換。本發明的可變景深的顯微鏡系統包括顯微物鏡，在顯微物鏡光闌處設有位相板組件，通過切換位相板和平板之間的位置使其中一個位相板或者平板位於顯微物鏡光闌位置。本發明提供的顯微鏡系統景深可變。
文檔編號G02B21/24GK103197411SQ20131008962
公開日2013年7月10日 申請日期2013年3月20日 優先權日2013年3月20日
發明者張欣, 張運海, 昌劍, 黃維, 薛曉君, 張新 申請人:中國科學院蘇州生物醫學工程技術研究所