基于微透鏡陣列的高分辨并行顯微成像儀的制作方法

本發明涉及顯微檢測儀器設計及制造領域，尤其是涉及一種基于微透鏡陣列的高分辨并行顯微成像儀。

背景技術：

點掃描共聚焦顯微鏡已經廣泛應用于生物醫學等研究領域，是必不可少的科研工具。目前商業點掃描共聚焦顯微鏡大都采用振鏡進行單點掃描成像，但是其單點掃描的成像速度限制了點掃描共聚焦顯微鏡在活細胞等領域中進一步地推廣應用。

近年來，有很多技術被提出，用于提高點掃描共聚焦顯微鏡的成像速度。但是，這些技術常常以犧牲分辨率等其他性能來改善成像速度，仍不能在保證分辨率前提下很好地解決點掃描共聚焦顯微鏡的成像速度慢這一問題。

技術實現要素：

本發明的目的是：

提供一種分辨率高且呈現速度快的基于微透鏡陣列的高分辨并行顯微成像儀。

為實現上述目的，本發明采用下述技術方案：

一種基于微透鏡陣列的高分辨并行顯微成像儀，包括照明模塊、掃描模塊、探測模塊、控制模塊及圖像重建模塊，其中：

所述照明模塊包括激光器、第一透鏡、第二透鏡、微透鏡陣列及第三透鏡，所述微透鏡陣列由若干微透鏡組成，所述激光器出射的激光光束經所述第一透鏡和第二透鏡準直擴束后形成擴束光束，所述擴束光束再入射到所述微透鏡陣列后形成多個陣列聚焦光斑，所述多個陣列聚焦光斑發出的光束再經所述第三透鏡準直后形成多束平行光束；

所述掃描模塊包括二色鏡、物鏡及納米位移臺，所述納米位移臺可在XYZ三維方向移動，所述納米位移臺上承載有待檢測樣品，所述多束平行光束經所述二色鏡后入射進入所述物鏡，并在所述物鏡的前焦面處發生干涉，形成具有光斑的干涉陣列光場，所述具有光斑的干涉陣列光場對所述樣品進行并行照明，使得所述樣品產生并行光信號；

所述探測模塊包括帶通濾色片、探測透鏡以及面陣探測器，所述并行光信號經所述物鏡及所述二色鏡后再依次進入所述帶通濾色片、探測透鏡以及面陣探測器，并在所述面陣探測器的感光面形成陣列光斑，所述面陣探測器探測所述陣列光斑，并對所述陣列光斑進行空間濾波及對所述陣列光斑的像素進行再分配處理，以形成較小的陣列光斑，并將所述較小的陣列光斑轉化為電信號；

所述控制模塊電性連接于所述面陣探測器和所述納米位移臺，所述控制模塊用于采集所述電信號；

所述圖像重建模塊電性連接于所述控制模塊，所述圖像重建模塊根據所述控制模塊采集所述探測器與所述納米位移臺的所述電信號實現基于干涉陣列光場的高分辨率并行掃描成像圖像重建。

在其中一些實施例中，所述擴束光束中的一束入射光束經所述微透鏡陣列后形成陣列聚焦光斑，所述陣列聚焦光斑的數量與所述微透鏡陣列中微透鏡的數量相同。

在其中一些實施例中，所述面陣探測器為CCD或CMOS相機中的一種。

本發明采用上述技術方案的優點是：

本發明提供的基于微透鏡陣列的高分辨并行顯微成像儀，對照明模塊進行設計以利用微透鏡陣列生成包含大量光斑的陣列光場，從而實現了樣品的并行照明，提高掃描成像速度；同時，本發明提供的基于微透鏡陣列的高分辨并行顯微成像儀，采用面陣探測器接收陣列光斑，并對陣列光斑中的每個光斑進行像素再分配處理，實現高分辨、高信噪比的并行顯微成像。

本發明提供的基于微透鏡陣列的高分辨并行顯微成像儀，利用微透鏡陣列形成的陣列光場和像素再分配技術，可以提高點掃描顯微技術的成像速度和分辨率，同時還能保證圖像具有較高的信噪比，提高了圖像質量，有利于點掃描顯微技術在亞細胞結構觀察、細胞動態過程觀察等研究方面的應用，有益于生物醫學領域的發展。

附圖說明

圖1為本發明實施例提供的基于微透鏡陣列的高分辨并行顯微成像儀結構示意圖。

圖2(a)為樣品處的照明陣列光斑的結構示意圖；

圖2(b)為面陣探測器上的探測陣列光斑的結構示意圖；

圖2(c)為單個陣列光斑及1AU虛擬針孔區域的結構示意圖；

圖2(d)為1AU虛擬針孔對應的像素區域的結構示意圖；

圖2(e)為經過像素再分配后的新光斑及新虛擬針孔的結構示意圖；

圖2(f)為經過像素再分配后的新虛擬針孔對應的像素區域的結構示意圖；

圖2(g)為經過像素再分配后的新陣列光斑的結構示意圖；

圖3為樣品沿Y方向移動前(實心)和移動后(虛線)樣本上陣列光斑的相對位置，光斑間距為d，移動步距d_s的結構示意圖。

其中：照明模塊110、掃描模塊120、探測模塊130、控制模塊140、圖像重建模塊150、激光器111、二維光柵112、光闌113、波片114及透鏡115、二色鏡121、物鏡122、納米位移臺123。

具體實施方式

請參考圖1，為本發明實施例提供的一種基于微透鏡陣列的高分辨并行顯微成像儀100，包括照明模塊110、掃描模塊120、探測模塊130、控制模塊140及圖像重建模塊150。其中：

所述照明模塊110包括激光器111、第一透鏡112、第二透鏡113、微透鏡陣列114及第三透鏡115，所述微透鏡陣列114由若干微透鏡組成。

具體地，所述激光器111出射的激光光束經所述第一透鏡112和第二透鏡113準直擴束后形成擴束光束，所述擴束光束再入射到所述微透鏡陣列114后形成多個陣列聚焦光斑，所述多個陣列聚焦光斑發出的光束再經所述第三透鏡115準直后形成多束平行光束，所述多束平行光束再入射進入掃描模塊210。

可以理解，所述擴束光束中的一束入射光束經所述微透鏡陣列114后形成陣列聚焦光斑，所述陣列聚焦光斑的數量與所述微透鏡陣列114中微透鏡的數量相同。

所述掃描模塊120包括二色鏡121、物鏡122及納米位移臺123，所述納米位移臺123可在XYZ三維方向移動，所述納米位移臺123上承載有待檢測樣品。

具體地，所述多束平行光束經所述二色鏡121后入射進入所述物鏡122，并在所述物鏡122的前焦面處發生干涉，形成具有光斑的干涉陣列光場，所述具有光斑的干涉陣列光場對所述樣品進行并行照明，使得所述樣品產生并行光信號。

可以理解，由于納米位移臺123可通過XY方向移動樣品，實現高精度的并行掃描成像，提高掃描成像速度。

所述探測模塊130包括帶通濾色片131、探測透鏡132以及面陣探測器133。

具體地，所述并行光信號經所述物鏡122及所述二色鏡121后再依次進入所述帶通濾色片131、探測透鏡132以及面陣探測器133，并在所述面陣探測器133的感光面形成陣列光斑，所述面陣探測器133探測所述陣列光斑，并對所述陣列光斑進行空間濾波及對所述陣列光斑的像素進行再分配處理，以形成較小的陣列光斑，并將所述較小的陣列光斑轉化為電信號。

優選地，面陣探測器133為CCD或CMOS相機中的一種。可以理解，本申請采用的面陣探測器133為CCD或CMOS相機，具有很多像素，可以接收陣列光場中大量光斑同時激發熒光樣品發出的熒光信號，并將其轉化為電信號。

所述控制模塊140電性連接于所述面陣探測器133，進一步地，所述控制模塊140還電性連接于所述納米位移臺123，所述控制模塊140用于控制所述納米位移臺140的移動。

可以理解，所述控制模塊140可實現對掃描模塊中的所述納米位移臺123掃描控制，同時可以采集面陣探測器133的電信號。

所述圖像重建模塊150電性連接于所述控制模塊140，所述圖像重建模塊150可根據所述控制模塊140采集所述面陣探測器133與所述納米位移臺123的所述電信號實現基于干涉陣列光場的高分辨并行掃描成像圖像重建。

以下詳細說明圖像重建模塊150的工作過程：

第一，采用包含陣列光斑的陣列光場對樣品進行并行照明，如圖2(a)所示，被陣列光斑照明的樣品經物鏡和探測透鏡成像后將在面陣探測器感光面形成陣列光斑(M個聚集光斑)圖像，如圖2(b)所示，實現并行光信號的探測收集。

第二，為了實現高分辨成像，需要對探測到的光斑進行空間濾波和像素再分配處理，以每個陣列光斑中心為原點，選擇1個艾里斑大小(可以理解，艾力斑大小可根據實際需求調整)對應的像素區域(N個像素)作為每個陣列光斑的虛擬針孔，如圖2(c)和(d)所示；將虛擬針孔中每個像素探測到的光強I_i進行s_i/2(其中，s_i為每個像素到光斑中心的距離)移位，形成較小的新光斑，如圖2(e)所示；

再根據新光斑的大小，重新選擇一定尺寸的虛擬針孔(虛擬針孔的區域以新光斑大小為例，如圖2(e)中較小的虛線方框和圖2(f)所示，對應面陣探測器中Q個像素)，將該虛擬針孔內每個像素探測到的光強I_k疊加，可以得到樣品中一點對應的高分辨顯微圖像像素值這個過程即為像素再處理過程。

第三、將面陣探測器上的每個陣列光斑都進行像素再分配處理，形成較小的陣列光斑(如圖2(g)所示，黑色虛線為原陣列光斑，實心光斑為小的新陣列光斑)，得到樣品中多個點對應的高分辨顯微圖像像素值，所有光斑處理計算完后，將得到一幅像素值間隔分布的高分辨顯微圖像。

第四、當對樣品進行掃描時，如圖3所示，樣品上陣列光斑發生移動(虛線為移動后的陣列光斑)，陣探測器上陣列光斑位置不變，照射樣品的陣列光場中光斑間距為d，若沿Y方向移動位移臺，移動間距為d_s，每移動一次會得到一幅像素值間隔分布的高分辨顯微圖像，移動d/d_s-1次，可以得到d/d_s幅像素值間隔分布的高分辨顯微圖像，若沿X方向移動移動d/d_s-1次位移臺，也可以得到d/d_s幅高分辨顯微圖像，將這d/d_s幅像素值間隔分布的高分辨顯微圖像疊加，可以得到一幅完整的高分辨顯微圖像。

本發明提供的基于微透鏡陣列的高分辨并行顯微成像儀100，其工作過程如下：

所述激光器111出射的激光光束經所述第一透鏡112和第二透鏡113準直擴束后形成擴束光束，所述擴束光束再入射到所述微透鏡陣列114后形成多個陣列聚焦光斑，所述多個陣列聚焦光斑發出的光束再經所述第三透鏡115準直后形成多束平行光束，所述多束平行光束經所述二色鏡121后入射進入所述物鏡122，并在所述物鏡122的前焦面處發生干涉，形成具有光斑的干涉陣列光場，所述具有光斑的干涉陣列光場對所述樣品進行并行照明，使得所述樣品產生并行光信號，所述并行光信號經所述物鏡122及所述二色鏡121后再依次進入所述帶通濾色片131、探測透鏡132以及面陣探測器133，并在所述面陣探測器133的感光面形成陣列光斑，所述面陣探測器133探測所述陣列光斑，并對所述陣列光斑進行空間濾波及對所述陣列光斑的像素進行再分配處理，以形成較小的陣列光斑，同時并將所述陣列光斑轉化為電信號，所述控制模塊140采集所述電信號，所述圖像重建模塊150根據所述控制模塊140采集所述電信號實現基于干涉陣列光場的高分辨并行掃描成像圖像重建。

本發明提供的基于微透鏡陣列的高分辨并行顯微成像儀，對照明模塊110進行設計以利用微透鏡陣列114生成包含大量光斑的陣列光場，從而實現了樣品的并行照明，提高掃描成像速度；同時，本發明提供的基于微透鏡陣列的高分辨并行顯微成像儀，采用面陣探測器133接收陣列光斑，并對陣列光斑中的每個光斑進行像素再分配處理，實現高分辨、高信噪比的并行顯微成像。

本發明提供的基于微透鏡陣列的高分辨并行顯微成像儀，利用微透鏡陣列形成的陣列光場和像素再分配技術，可以提高點掃描顯微技術的成像速度和分辨率，同時還能保證圖像具有較高的信噪比，提高了圖像質量，有利于點掃描顯微技術在亞細胞結構觀察、細胞動態過程觀察等研究方面的應用，有益于生物醫學領域的發展。

當然本發明的基于微透鏡陣列的高分辨并行顯微成像儀還可具有多種變換及改型，并不局限于上述實施方式的具體結構。總之，本發明的保護范圍應包括那些對于本領域普通技術人員來說顯而易見的變換或替代以及改型。