一种宽视场多尺度高分辨率显微成像系统和方法技术方案

本发明专利技术公开一种宽视场多尺度高分辨率显微成像系统，包括光源、样本、显微成像物镜、采集系统和工作站；所述的显微成像物镜，用于对光源发出的光束照射样品后成像得到宽视场曲形像面；所述的采集系统，包括用于分视场采集曲形像面的采集镜阵列和用于二次成像的相机阵列；所述的工作站，对采集得到的成像重叠视场分析并通过视场拼接得到最终的多尺度下宽视场高分辨率图像。本发明专利技术还公开一种宽视场高分辨率显微成像方法。本发明专利技术通过对物镜的设计和成像方法的改进，在保证宽视场范围的同时实现了从细胞、组织到器官的多尺度高分辨率观测。

A wide field of view, multi scale and high resolution microscopic imaging system and method

The invention discloses a wide field multiscale high resolution microscopic imaging system, which comprises a light source, sample, imaging lens, acquisition system and workstation; the microscopic imaging lens, beam for irradiating the sample to the light emitted from the image after obtain wide field image acquisition system of curved surface; wherein, including for field acquisition the image acquisition curved mirror array and two for imaging camera array; the workstation for imaging the collected FOV to get multi-scale analysis and finally through field stitching under wide field high resolution image. The invention also discloses a wide field of view high resolution microscopic imaging method. By improving the design of the objective lens and the imaging method, the invention achieves multi-scale and high-resolution observation of cells, tissues and organs while ensuring wide field of view.

【技术实现步骤摘要】
一种宽视场多尺度高分辨率显微成像系统和方法
本专利技术属于光学显微
，特别涉及一种宽视场多尺度高分辨的显微成像系统的设计及其方法。
技术介绍
随着科学技术的发展，人们在神经病理、遗传基因以及神经科学研究方面的研究上不断追求越来大的观测范围和越来越高的分辨能力。在常规的成像仪器设计中，主要集中分析物面和像面是平面的情形，通常是采用从像点到物点的顺序独立模式，仅仅考虑的是像点对物点的映射设计。在计算光场设计中，综合光学系统、光电系统和信号处理系统之间的成像关系，通过系统的一体化设计和参数调整联合优化系统性能。基于计算摄像学理论，一个好的光电成像仪器的设计并不仅仅是将高质量的透镜和大面阵探测器组合起来，还需要把照明系统、透镜系统、光电探测器和信号处理算法等综合优化，这种非常规的光学成像仪器具有优异的性能指标，光电成像仪器中用于图像捕获的物理系统和图像处理的计算系统之间的关系应该被重新定义。现在生命研究的趋势是在活细胞中实现小尺度的细节的观察，机体应从亚细胞、细胞、组织、器官到系统，构成多尺度的特征。基于计算光学原理获得的光学成像仪器不仅需要其能够对单个细胞自身的生物学特性进行精确观测，而且在机体完整的微环境状态下具备对病理生理过程和相互影响的评估能力，可望揭示生理和病理状态下的重要生命现象的规律，这给观测光学仪器的研制提出了苛刻的要求和挑战。因此，需要找到一种成像方法，能够处理用于图像捕获的物理系统和图像处理的计算系统之间的关系。将常规成像和计算成像有机结合，利用计算摄像技术来补偿光学系统中的多种缺陷，最终突破成像仪器突破常规成像中的物理极限，获得常规成像方法无法达到的性能和功能。综上，现在急需一种新的显微成像方法来在保证宽视场范围同时实现从细胞、组织到器官的宏微观结合的多尺度高分辨率观测。
技术实现思路
本专利技术提供了一种宽视场多尺度高分辨率显微成像系统及方法，通过对物镜的设计和成像方法的改进，突破现有生物显微系统无法在大视场下进行高分辨率观测的困境，实现兼备大尺度宏观与高分辨微观的跨尺度观测。一种宽视场多尺度高分辨率显微成像系统，包括光源、样本、显微成像物镜、采集系统和工作站；所述的显微成像物镜，用于对光源发出的光束照射样品后成像得到宽视场曲形像面；所述的采集系统，包括用于分视场采集曲形像面的采集镜阵列和用于二次成像的相机阵列；所述的工作站，对采集得到的成像重叠视场分析并通过视场拼接得到最终的宽视场高分辨率图像。所述的显微成像物镜和采集系统之间设有分光镜组和反射镜组，所述分光镜组由半反半透的分光镜和二向色镜组成，所述的反射镜组为平面反射镜。所述的半反半透的分光镜和二向色镜与光轴的夹角均为45°，二者可通过机械导轨装置进行移动。所述的采集镜阵列和相机阵列为与曲形像面一致的曲面型阵列。所述的采集镜阵列包括中继透镜阵列和像感器透镜组阵列，所述的中继透镜阵列沿着显微成像物镜所成的曲形像面放置，所述的像感器透镜组阵列对显微成像物镜所称的曲形像面进行分视场采集。所述的相机阵列用于对分视场采集后的光线进行二次成像。本专利技术还提供一种宽视场高分辨率显微成像方法，包括以下步骤：1)光源为在样本移动台上的样本提供照明；2)光经过显微成像物镜一次成像，形成曲形像面；3)通过采集系统对中间的曲形像面进行分视场采集，完成二次成像；4)将相机获取的样本图像信息传给工作站进行图像存储和拼接处理，最终得到宽视场高分辨显微图像，提供从亚细胞、组织到器官的多尺度观测数据。优选的，所述的二次成像，是指显微成像物镜形成的曲形像面进行分视场采集后利用相机再次成像。优选的，所述的采集系统包括用于分视场采集曲形像面的采集镜阵列和用于二次成像的相机阵列。优选的，所述的采集镜阵列和相机阵列为与曲形像面一致的曲面型阵列。所述高分辨宽视场显微物镜采用十组十三片球面透镜，十个透镜组分别为第一透镜组为负、第二透镜组、第三透镜组、第四透镜组、第五透镜组、第六透镜组、第七透镜组、第八透镜组、第九透镜组和第十透镜组。所述的第一透镜组至第五透镜组采用正透镜和双胶合透镜组合的结构形式，使系统主面前移获得长焦距和短工作距离。所述的第一透镜组光焦度为负，第二透镜组为双胶合透镜，第一片透镜光焦度为正，第二片光焦度为负。第三透镜组光焦度为正。第四、五透镜组为双胶合透镜，每一组的第一片透镜光焦度为负，第二片透镜光焦度为正。所述的第六透镜组至第十透镜组采用双胶合组及高阿贝系数玻璃矫正宽波段色差，延长了系统的后工作距离。所述的第六透镜组光焦度为正，第七透镜组光焦度为负，第八透镜组光焦度为负，第九透镜组光焦度为正，第十透镜组光焦度为正。所述第一透镜组采用的材料是H-ZF52A，前表面的半径为-17.039mm，后表面的半径为-21.8mm，厚度为6.3mm。第二透镜组有两片透镜胶合而成，采用的材料分别是H-ZF52A和H-LAK3，第一片透镜的前表面半径为-114.485mm，后表面半径为-26.89mm，厚度为10.5mm；第二片透镜的后表面半径为-52.986mm，厚度为3.1mm。第三透镜组采用的材料是H-ZF52A，前表面的半径为55.534mm，后表面的半径为-122mm，厚度为29.9mm。第四透镜组和第五透镜组都是双胶合透镜组，所采用的材料都是H-ZF7LA和H-ZBAF3，第四透镜组的第一片透镜前表面半径为-89.2mm，后表面半径为24.21mm，厚度为25mm；第二片透镜后表面半径为-36.85mm，厚度为10.4mm。第五透镜组第一片透镜前表面半径为-32.214mm，后表面半径为30.2mm，厚度为2.5mm；第二片透镜后表面半径为-89.77mm，厚度为7.3mm。第六透镜组采用的材料是H-ZBAF5，前表面半径为44.253mm，后表面半径为-50.35mm，透镜的厚度为19.8mm。第七透镜组采用的材料是H-F2，前表面半径为-38.68mm，后表面半径为336.84mm，厚度为25mm。第八透镜组采用的材料是H-LAK3，前表面半径为-26.42mm，后表面半径为-222.59mm，厚度为4mm。第九透镜组采用的材料是ZF5，前表面半径为-150.714mm，后表面半径为-69.98mm，厚度为15.6mm。第十透镜组采用的材料是H-ZBAF5，前表面半径为3200mm，后表面半径为-174.5mm，厚度为13.25mm。所述的显微物镜还包括位于孔径光阑，其位置在第六组透镜前0.5mm处。本专利技术中，两步成像方法中都存在与之相关的透镜组。第一步显微成像方法包括样品被光源照射后，光经过成像物镜一次成像，形成一个弯曲像面。显微成像物镜由10组13片球面透镜来校正像差和实现宽视场范围。第二步显微成像方法包括用采集镜阵列和相机阵列采集显微成像物镜形成的中间弯曲像面。采集镜由5组7片球面透镜组成来对显微物镜形成的中间弯曲像面进行对应地分视场采集。中间弯曲像面对应于采集镜中场镜的位置，这里的场镜解决了显微成像物镜系统和采集镜系统中主光线匹配问题。相机将采集图像信息传送到工作站内进行相邻重叠视场区域的拼接。结合上述两步成像方法就可以得到多尺度下宽视场和高分辨率的显微图像。现有的CCD成像技术虽然能够观察到宽视场范围内的样本但是在体现细胞显微结构细节上面的能力还很本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种宽视场多尺度高分辨率显微成像系统，其特征在于，包括光源、样本、显微成像物镜、采集系统和工作站；所述的显微成像物镜，用于对光源发出的光束照射样品后成像得到宽视场曲形像面；所述的采集系统，包括用于分视场采集曲形像面的采集镜阵列和用于二次成像的相机阵列；所述的工作站，对采集得到的成像重叠视场分析并通过视场拼接得到最终的多尺度下宽视场高分辨率图像。

【技术特征摘要】
1.一种宽视场多尺度高分辨率显微成像系统，其特征在于，包括光源、样本、显微成像物镜、采集系统和工作站；所述的显微成像物镜，用于对光源发出的光束照射样品后成像得到宽视场曲形像面；所述的采集系统，包括用于分视场采集曲形像面的采集镜阵列和用于二次成像的相机阵列；所述的工作站，对采集得到的成像重叠视场分析并通过视场拼接得到最终的多尺度下宽视场高分辨率图像。2.如权利要求1所述的宽视场多尺度高分辨率显微成像系统，其特征在于，所述的显微成像物镜和采集系统之间设有分光镜组和反射镜组，所述分光镜组由半反半透的分光镜和二向色镜组成，所述的反射镜组为平面反射镜。3.如权利要求2所述的宽视场多尺度高分辨率显微成像系统，其特征在于，所述的半反半透的分光镜和二向色镜与光轴的夹角均为45°，二者可通过机械导轨装置进行移动。4.如权利要求1所述的宽视场多尺度高分辨率显微成像系统，其特征在于，所述的采集镜阵列和相机阵列为与曲形像面一致的曲面型阵列。5.如权利要求4所述的宽视场多尺度高分辨率显微成像系统，其特征在于，所述的采集镜阵列包括中继透镜阵列和像感器透镜组阵列，所述的中继透镜...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑臻荣，陶骁，申俊飞，常胜倩，刘思奇，孙鹏，谢婷，张思曼，李华烨，张文涛，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33