基于扭曲达曼光栅的消色差实时3D成像显微装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开一种基于扭曲达曼光栅的消色差实时3D成像显微装置，该成像装置主要包括：光源系统、成像系统、接收探测系统。所述的成像系统可以通过凸透镜、反射镜、聚光镜、物镜、半透半反镜、带通滤光片、光孔、扭曲达曼光栅(Distorted Dammann grating,DDG)、色散补偿光栅组(Chromatic correction grating,CCG)及棱镜组，实现不需要对物体进行轴向或横向扫描，直接对物体不同深度信息同时进行多平面成像。本发明专利技术在生物领域中对细胞进行三维实时观察具有重要的应用价值，在三维物体信息领域中有广泛的应用。

Achromatic real time 3D imaging microdevice based on twisted Dammam grating

The invention discloses an achromatic real-time 3D imaging microscope device based on twisted Damman grating. The imaging device mainly comprises a light source system, an imaging system and a receiving and detecting system. The imaging system can realize no axial or transverse scanning of the object through convex lenses, mirrors, concentrators, objective lenses, semi-transparent and semi-reflective mirrors, band-pass filters, apertures, Distorted Dammann grating (DDG), chromatic correction grating (CCG) and prism groups. Tracing, directly multiplanar imaging of objects with different depth information. The invention has important application value in the biological field for three-dimensional real-time observation of cells, and has wide application in the field of three-dimensional object information.

【技术实现步骤摘要】
基于扭曲达曼光栅的消色差实时3D成像显微装置
本专利技术涉及生物光学成像领域，具体为一种基于扭曲达曼光栅的消色差实时3D成像显微装置。技术背景20世纪被认为是自然科学发展史上最辉煌的时期，生命科学在此时期中的发展最为迅速。其中，由生命科学与物理、化学、数学、计算机工程等学科交叉，而产生的令人瞩目的新兴学科----生物医学工程，近年来受到了国际生物医学界与光学界的广泛关注。然而，生物医学成像技术是此学科中的重要组成部分之一，生物光学成像学的发展对推动人类生命科学的进步有着非常重要的意义。由于生物光学成像技术具有无创、非接触、高分辨,高对比度及快速等特点,可实现微米或亚微米量级高分辨的生物组织的微结构及功能成像,在疾病检测及临床应用研究中呈现出广阔的应用前景。随着实时3D成像技术的发展，使得在临床医学应用中可以更加快速、方便、精确的获得所需3D图像；在生物学应用中，可以实时的观看到活体细胞或流体的变化等。相比之前的全息三维成像和集成成像技术，本专利技术所提到的基于扭曲达曼光栅的消色差实时3D成像显微装置具有无需后续数值重构，操作更加简便，观察动态三维过程更加方便，使用范围更加广泛。1999年，Blanchard等人【Appl.Opt.38.6692(1999)】提出了一种基于扭曲光栅的多个轴向物平面同时成像技术，该技术可实现纳米量级的轴向分辨率。然而，轴向成像范围很小，需利用传统的轴向扫描技术得到更大的成像范围。2012年，周常河、余俊杰等人提出了“扭曲达曼光栅及多物面同时成像系统”(专利号【CN102628970A】)，该系统由扭曲达曼光栅结合聚焦透镜构成多物面同时成像系统，可在聚焦透镜的后场形成沿轴向和横向同时偏移的多个等强度的聚焦光斑的多点阵列。
技术实现思路
为克服上述现有技术的缺点，本专利技术提出一种基于扭曲达曼光栅的消色差实时3D成像显微装置，包括：光源系统、成像系统、接收探测系统。所述的成像系统可以通过凸透镜、反射镜、聚光镜、物镜、半透半反镜、带通滤光片、光孔、扭曲达曼光栅(DistortedDammanngrating,DDG)、色散补偿光栅组(Chromaticcorrectiongrating,CCG)及棱镜组，实现不需要对物体进行轴向或横向扫描，直接对物体不同深度信息同时进行多平面成像。这种基于扭曲达曼光栅的消色差实时3D成像显微装置在生物领域中对细胞进行三维实时观察具有重要的应用价值，在三维物体信息领域中有广泛的应用。本专利技术的技术解决方案如下：一种基于扭曲达曼光栅的消色差实时3D成像显微装置，其特点在于，包括：光源系统、成像系统、接收探测系统；所述的光源系统为LED白光光源；所述的接收探测系统包括：探测器、和与该探测器相连的计算机；所述的成像系统包括：沿所述的LED白光光源输出的光线传播方向依次放置的凸透镜L1、反射镜M1、聚光镜、供样品放置的样品台、物镜O1、带通滤光片、反射镜M2、半反半透镜、经半反半透镜反射后的光束经凸透镜L5透射后进入目镜E1、经半反半透镜透射后的光束依次经凸透镜L2、可调光阑、凸透镜L3、扭曲达曼光栅DDG、色散补偿光栅组CCD、棱镜组和凸透镜L4后，被所述的探测器接收；所述的LED白光光源放置于凸透镜L1的前焦点处。所述的样品放置于聚光镜的后焦点，物镜O1的前焦点处，所述的可调光阑放置于凸透镜L2的后焦点和凸透镜L3的前焦点处，所述的探测器CCD位于凸透镜L4的后焦面上。所述的光束经样品透射后，在物镜O1前后成一对物像共轭关系。所述的物镜O1数值孔径NA大小由实际需要样品放大倍率决定。所述的带通滤光片Filter放置于物镜O1后，反射镜M2前。所述的可调光阑的大小由成像视场及成像面数量决定。所述的扭曲达曼光栅DDG孔径中心处周期ΛDDG由探测器CCD像面相邻像的横向间隔决定，扭曲因子W20由探测器CCD像面相邻像的轴向间隔决定。所述的高亮度LED灯中心、凸透镜L1中心经准直后，沿x轴中心在同一水平线上；聚光镜中心、物镜O1中心经准直后，沿z轴中心在同一水平线上；凸透镜L2中心、可调光阑中心、凸透镜L3中心、扭曲达曼光栅DDG中心、色散补偿光栅组CCG中心、棱镜组中心、凸透镜L4中心、探测器CCD中心经准直后，沿x轴中心在同一水平线上；所述的凸透镜L5、目镜E1中心经准直后，沿z轴中心在同一水平线上。所述的半反半透镜BS与凸透镜L2的间距，凸透镜L2与可调光阑的间距，可调光阑与凸透镜L3的间距，以及凸透镜L3与扭曲达曼光栅DDG的间距构成4F系统。所述的色散补偿光栅组CCG同时补偿扭曲达曼光栅GGD和棱镜组的色散；所述的色散补偿光栅组CCG与扭曲达曼光栅DDG衍射级次相反，即存在级次反转，而达到色散补偿作用。所述的扭曲达曼光栅DDG与色散补偿光栅组CCG之间的距离:其中h为扭曲达曼光栅DDG面，即傅里叶变换面的上下边缘光线间距离，θ1为下边缘光束经扭曲达曼光栅DDG后出射的+1级光线与0级光线的夹角，使得经扭曲达曼光栅DDG后出射的光束线自以独立的光线到达色散补偿光栅组CCG，而通过色散补偿光栅组CCG获得相应的色散补偿。所述的色散补偿光栅组为5×5的，以色散补偿光栅组中心为(0,0)点，其中(0,1)、(0，-1)、(1，0)、(-1,0)处周期大小为Λ，(2,0)、(-2,0)、(0,2)、(0，-2)处周期大小为(1,1)、(1，-1)、(-1,1)、(-1，-1)处周期大小为(1,2)、(2,1)、(1，-2)、(2，-1)、(-1,2)、(-2，1)、(-1，-2)、(-2，-1)处周期大小为(2,2)、(2，-2)、(-2,2)、(-2，-2)处周期大小为其中周期取向方向如图3所示。所述的棱镜组的顶角分布为：以棱镜组中心点为(0,0)点，(1,0)处顶角为(θ,0)，(2,0)处顶角为(2θ,0)，(-1,0)处顶角为(-θ,0)，(-2,0)处顶角为(-2θ,0)，(0,1)处顶角为(0,θ)，(0,2)处顶角为(0,2θ)，(0,-1)处顶角为(0,-θ)，(0,-2)处顶角为(0,-2θ)，(1,1)处顶角为(θ,θ)，(1,2)处顶角为(θ,2θ)，(2,1)处顶角为(2θ,θ)，(2,2)处顶角为(2θ,2θ)，(-1,1)处顶角为(-θ,θ)，(-1,2)处顶角为(-θ,2θ)，(-2,1)处顶角为(-2θ,θ)，(-2,2)处顶角为(-2θ,2θ)，(1,-1)处顶角为(θ,-θ)，(1,-2)处顶角为(θ,-2θ)，(2,-1)处顶角为(2θ,-θ)，(2,-2)处顶角为(2θ,-2θ)，(-1,-1)处顶角为(-θ,-θ)，(-1,-2)处顶角为(-θ,-2θ)，(-2,-1)处顶角为(-2θ,-θ)，(-2,-2)处顶角为(-2θ,-2θ)，依次确定棱镜组各顶角角度取向分布(θx,θy)。本专利技术的技术效果：1)不需要对物体进行轴向或横向扫描，直接对物体不同深度信息同时进行多平面成像。2)可以经过色散补偿光栅与棱镜组的结合，得到无色差的像。3)在生物领域中对细胞进行三维实时观察具有重要的应用价值，在三维物体信息领域中有广泛的应用。附图说明图1是基于扭曲达曼光栅的消色差实时3D成像显微装置示意图：001—高亮度LED灯；002本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于扭曲达曼光栅的消色差实时3D成像显微装置，其特征在于，包括：光源系统、成像系统、接收探测系统；所述的光源系统为LED白光光源(001)；所述的接收探测系统包括：探测器(020)、和与该探测器(020)相连的计算机(021)；所述的成像系统包括：沿所述的LED白光光源(001)输出的光线传播方向依次放置的凸透镜L1(002)、反射镜M1(003)、聚光镜(004)、供样品(006)放置的样品台(005)、物镜O1(007)、带通滤光片(008)、反射镜M2(009)、半反半透镜(010)、经半反半透镜(010)反射后的光束经凸透镜L5(011)透射后进入目镜E1(012)、经半反半透镜(010)透射后的光束依次经凸透镜L2(013)、可调光阑(014)、凸透镜L3(015)、扭曲达曼光栅DDG(016)、色散补偿光栅组CCD(017)、棱镜组(018)和凸透镜L4(019)后，被所述的探测器(020)接收；所述的LED白光光源(001)放置于凸透镜L1(002)的前焦点处。所述的样品(006)放置于聚光镜(004)的后焦点，物镜O1(007)的前焦点处，所述的可调光阑(014)放置于凸透镜L2(013)的后焦点和凸透镜L3(015)的前焦点处，所述的探测器CCD(020)位于凸透镜L4(019)的后焦面上。...

【技术特征摘要】
1.一种基于扭曲达曼光栅的消色差实时3D成像显微装置，其特征在于，包括：光源系统、成像系统、接收探测系统；所述的光源系统为LED白光光源(001)；所述的接收探测系统包括：探测器(020)、和与该探测器(020)相连的计算机(021)；所述的成像系统包括：沿所述的LED白光光源(001)输出的光线传播方向依次放置的凸透镜L1(002)、反射镜M1(003)、聚光镜(004)、供样品(006)放置的样品台(005)、物镜O1(007)、带通滤光片(008)、反射镜M2(009)、半反半透镜(010)、经半反半透镜(010)反射后的光束经凸透镜L5(011)透射后进入目镜E1(012)、经半反半透镜(010)透射后的光束依次经凸透镜L2(013)、可调光阑(014)、凸透镜L3(015)、扭曲达曼光栅DDG(016)、色散补偿光栅组CCD(017)、棱镜组(018)和凸透镜L4(019)后，被所述的探测器(020)接收；所述的LED白光光源(001)放置于凸透镜L1(002)的前焦点处。所述的样品(006)放置于聚光镜(004)的后焦点，物镜O1(007)的前焦点处，所述的可调光阑(014)放置于凸透镜L2(013)的后焦点和凸透镜L3(015)的前焦点处，所述的探测器CCD(020)位于凸透镜L4(019)的后焦面上。2.根据权利要求1所述的基于扭曲达曼光栅的消色差实时3D成像显微装置，其特征在于，光束经样品(006)透射后，在物镜O1(007)前后成一对物像共轭关系。3.根据权利要求1所述的基于扭曲达曼光栅的消色差实时3D成像显微装置，其特征在于，所述的物镜O1(007)数值孔径NA大小由实际需要样品放大倍率决定。4.根据权利要求1所述的基于扭曲达曼光栅的消色差实时3D成像显微装置，其特征在于，所述的带通滤光片Filter(008)放置于物镜O1(007)后，反射镜M2(009)前。5.根据权利要求1所述的基于扭曲达曼光栅的消色差实时3D成像显微装置，其特征在于，所述的可调光阑(014)的大小由成像视场及成像面数量决定。6.根据权利要求1所述的基于扭曲达曼光栅的消色差实时3D成像显微装置，其特征在于，所述的扭曲达曼光栅DDG(016)孔径中心处周期ΛDDG由探测器CCD(020)像面相邻像的横向间隔决定，扭曲因子W20由探测器CCD(020)像面相邻像的轴向间隔决定。7.根据权利要求1所述的基于扭曲达曼光栅的消色差实时3D成像显微装置，其特征在于，所述的高亮度LED灯(001)中心、凸透镜L1(002)中心经准直后，沿x轴中心在同一水平线上；聚光镜(004)中心、物镜O1(007)中心经准直后，沿z轴中心在同一水平线上；凸透镜L2(013)中心、可调光阑(014)中心、凸透镜L3(015)中心、扭曲达曼光栅DDG(016)中心、色散补偿光栅组CCG(017)中心、棱镜组(018)中心、凸透镜L4(019)中心、探测器CCD(020)中心经准直后，沿x轴中心在同一水平线上；所述的凸透镜L5(011)、目镜E1(012)中心经准直后，沿z轴中心在同一水平线上。8.根据权利要求1所述的基于扭...

【专利技术属性】
技术研发人员：闫钰，周常河，余俊杰，
申请(专利权)人：中国科学院上海光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：上海,31