一種多光譜顯微鏡多重光照明方法和裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種多光譜顯微鏡多重光照明方法，包括以下步驟：1）白光光束經(jīng)擴束勻光處理后得到寬視場照明光，對寬視場照明光進行分光，并通過空間頻譜轉(zhuǎn)換和整形后得到均勻復(fù)色光；2）將均勻復(fù)色光中不同波長的光進行光譜選擇和譜寬調(diào)節(jié)，得到均勻單色光；3）把所述的均勻單色光轉(zhuǎn)換為環(huán)形照明光，并調(diào)節(jié)環(huán)形照明光的環(huán)徑后，對樣品進行離軸照明。本發(fā)明還公開了一種多光譜顯微鏡多重光照明裝置。本發(fā)明采用了多光譜照明和離軸照明技術(shù)，且共用一個系統(tǒng)，緊湊；應(yīng)用范圍廣泛，可根據(jù)需要任選擇照明光譜以及入射光照角度；裝置結(jié)構(gòu)簡潔，方便快速高精度調(diào)整，且不會產(chǎn)生相互干擾。
【專利說明】—種多光譜顯微鏡多重光照明方法和裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于顯微鏡照明【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種多光譜顯微鏡多重光照明方法和裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們不斷追求越來越小的尺寸結(jié)構(gòu)和越來越高的分辨能力。在顯微成像領(lǐng)域，這一點顯得尤為重要，一種好的照明方法對顯微鏡成像的效果影響甚遠。
[0003]由瑞利判據(jù)可知，系統(tǒng)的分辨率R=Ic1 λ/NA，其中Ic1為工藝因子，A為曝光波長，NA為數(shù)值孔徑。要想提高系統(tǒng)的分辨率，可降低匕和λ，增大NA。但是λ和NA的改變存在諸多的限制，因此在其一定的情況下必須通過采用降低h因子的分辨率增強技術(shù)，才能進一步延展系統(tǒng)的分辨率極限。目前主要有離軸照明、像移掩模、光學(xué)鄰近效應(yīng)校正等技術(shù)。
[0004]早期的技術(shù)是通過引入不同形狀孔徑光闌來實現(xiàn)離軸照明，雖然提高了分辨率，但是光闌的使用帶來了一部分能量損失，這對實現(xiàn)高效、均勻的照明非常不利。
[0005]衍射光學(xué)元件(DOE)作為一種常用的光束整形元件，特點是能夠在保持較高衍射效率的同時對光強分布進行精確控制，因此DOE成為實現(xiàn)離軸照明的理想元件，但是DOE設(shè)計數(shù)據(jù)量巨大，單元尺寸達到微米甚至亞微米，對加工工藝要求過高。
[0006]近年來，德國的LIMO公司將不對稱的非球面微鏡陣列(ROE)應(yīng)用于離軸照明實現(xiàn)過結(jié)構(gòu)光照，效率可接近100%，但是由于加工技術(shù)為UMO所獨有價格昂貴，使得不能得到廣泛應(yīng)用。
[0007]普通的激光光源和單色光照明中，光源的譜寬較小，應(yīng)用范圍較為狹窄，不能在廣泛領(lǐng)域得到應(yīng)用。
[0008]綜上所述，需要提出一種新的照明方法，來實現(xiàn)能提供多種光譜照明，并且應(yīng)用離軸照明技術(shù)來提高分辨率的多重光照明方式。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明提供了一種多光譜顯微鏡多重光照明方法和裝置，通過對照明光的光譜選擇和照明方式的改進，有效提高了系統(tǒng)的應(yīng)用范圍，分辨率和照明效率等。
[0010]一種多光譜顯微鏡多重光照明方法，分為以下步驟:
[0011]I)白光光束經(jīng)擴束勻光處理后得到寬視場照明光，對寬視場照明光進行分光，并通過空間頻譜轉(zhuǎn)換和整形后得到均勻復(fù)色光；
[0012]2)將均勻復(fù)色光中不同波長的光進行光譜選擇和譜寬調(diào)節(jié)，得到均勻單色光；
[0013]3)把所述的均勻單色光轉(zhuǎn)換為環(huán)形照明光，并調(diào)節(jié)環(huán)形照明光的環(huán)徑后，對樣品進行離軸照明。
[0014]所述的白光光束依次通過擴束透鏡組和雙排復(fù)眼透鏡進行擴束勻光處理。
[0015]在步驟I)中，利用光柵對所述的寬視場照明光進行分光，并采用傅里葉透鏡進行空間頻譜轉(zhuǎn)換和整形。
[0016]在步驟2)中，利用一級空間光調(diào)制器進行光譜選擇和譜寬調(diào)節(jié)。
[0017]在步驟3)中，通過錐鏡組將均勻單色光轉(zhuǎn)換為環(huán)形照明光，并利用二級空間光調(diào)制器改變所述環(huán)形照明光的環(huán)徑。
[0018]所述白光光束的光源為汞燈，具有高輻射，多光譜，壽命長等特點。
[0019]所述白光光束通過擴束準(zhǔn)直及雙排復(fù)眼透鏡實現(xiàn)寬視場(3cmX3cm)均勻照明。
[0020]所述一級空間光調(diào)制器控制選擇不同波長的光透過，并實現(xiàn)IOnm譜寬的光譜選擇。
[0021]所述錐鏡組獲得可調(diào)節(jié)的環(huán)形照明光，透過成像透鏡經(jīng)過反射鏡映射在二級空間光調(diào)制器，電控通透范圍，實現(xiàn)環(huán)形光入射角的時變選擇。
[0022]本發(fā)明還提供了一種多光譜顯微鏡多重光照明裝置，包括:包括沿光路依次布置的白光光源、擴束勻光模塊、光譜選擇模塊和照明調(diào)節(jié)模塊；
[0023]所述的擴束勻光模塊，用于對白光光源發(fā)出的光束進行擴束勻光處理并得到寬視場照明光；
[0024]所述的光譜選擇模塊，用于將寬視場照明光轉(zhuǎn)化為均勻復(fù)色光，并對均勻復(fù)色光進行光譜選擇得到均勻單色光；
[0025]所述的照明調(diào)節(jié)模塊，用于將均勻單色光轉(zhuǎn)換為環(huán)形照明光，并對環(huán)形照明光進行環(huán)徑調(diào)節(jié)，所述照明調(diào)節(jié)模塊出射的光束對樣品進行離軸照明。
[0026]所述的擴束勻光模塊包括沿光路依次布置的擴束透鏡組和雙排復(fù)眼透鏡。
[0027]所述的光譜選擇模塊包括沿光路依次布置的光柵、傅里葉透鏡和一級空間光調(diào)制器。
[0028]所述的照明調(diào)節(jié)模塊包括沿光路依次布置的錐鏡組、第一成像透鏡、二級空間光調(diào)制器和第二成像透鏡。
[0029]在本發(fā)明中，沿所述白光光束光路依次布置有擴束透鏡組、雙排復(fù)眼透鏡、光柵，傅里葉透鏡；用于波長選擇的一級空間光調(diào)制器；用于獲得環(huán)形照明角度變化的錐鏡組、反射鏡，用于實現(xiàn)環(huán)形光入射角時變選擇的二級空間光調(diào)制器，用于準(zhǔn)直的成像透鏡。
[0030]所述光柵用來實現(xiàn)分光，應(yīng)該置于傅里葉透鏡的物方焦平面上，這樣可得到多種光譜，投射在一級空間光調(diào)制器不同位置上。
[0031]所述錐鏡組空氣間隙可調(diào)，安置于所述成像透鏡的物方焦平面上，可獲得不同半徑大小的環(huán)形光。光經(jīng)過反射鏡再投射到二級空間光調(diào)制器，使得系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)緊湊，布置合理。
[0032]為了保證投射在樣品上的光均勻照射，所述二級空間光調(diào)制器應(yīng)置于所述成像透鏡的物方焦平面上。
[0033]本發(fā)明的工作原理如下:
[0034]白光光束經(jīng)過擴束透鏡組放大后得到平整的光束，經(jīng)過雙排復(fù)眼透鏡后獲得均勻的寬視場照明光。然后經(jīng)過光柵，基于多縫夫瑯禾費衍射原理，光柵具有分光能力，將組成白光的不同波長的光譜被分開。由于光柵位于傅里葉透鏡的物方焦平面，經(jīng)過傅里葉透鏡空間頻譜轉(zhuǎn)換和整形后出射的均勻復(fù)色光平行投射到一級空間光調(diào)制器上。不同波長的光投射到一級空間光調(diào)制器的不同位置，通過人為控制，就可以選擇其中一種透過，達到了光譜選擇和調(diào)節(jié)譜寬的效果，因此可以根據(jù)需要選取不同波長的照明光。
[0035]選定一種波長的光譜之后，出射均勻單色光，一級空間光調(diào)制器位于傅里葉透鏡物方焦平面，經(jīng)過傅里葉透鏡出射平行光打在錐鏡組上。由于錐鏡組鏡片之間存在一定的空氣間隙，因此出射光是具有一定大小的環(huán)形照明光，調(diào)節(jié)空氣間隙，可得到不同半徑大小的環(huán)形照明光。經(jīng)過成像透鏡和反射鏡后，光束投射到二級空間光調(diào)制器上，形成一個環(huán)形光斑，通過控制二級空間光調(diào)制器，可在錐鏡組控制的環(huán)形照明光范圍內(nèi)隨意調(diào)節(jié)透過的光的范圍，然后經(jīng)過成像透鏡，達到了環(huán)形入射角的時變選擇，而且實現(xiàn)了均勻照明。由于環(huán)形照明光與主光軸有一定的夾角，形成了離軸照明，輻射光經(jīng)過樣品發(fā)生衍射，O級和±1級甚至±2級光都參與成像，反映出更多的信息，提高系統(tǒng)的分辨率，增加焦深并提高成像對比度。
[0036]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果:
[0037](I)采用了多光譜照明和離軸照明技術(shù)，且共用一個系統(tǒng)，緊湊；
[0038](2)應(yīng)用范圍廣泛，可根據(jù)需要任選擇照明光譜以及入射光照角度；
[0039](3)裝置結(jié)構(gòu)簡潔，方便快速高精度調(diào)整，且不會產(chǎn)生相互干擾。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0040]圖1為本發(fā)明一種多光譜顯微鏡多重光照明裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0041]圖2為本發(fā)明的光源擴束勻光系統(tǒng)。
[0042]圖3為本發(fā)明的多光譜選擇系統(tǒng)。
[0043]圖4為本發(fā)明的多重光選擇系統(tǒng)。
[0044]圖5為本發(fā)明的環(huán)形照明光獲取原理圖。
[0045]圖6為本發(fā)明環(huán)形光離軸照明示意圖。
【具體實施方式】
[0046]如圖1所示，一種基于多種光譜多重光照明方式的顯微鏡照明裝置，包括光源1，擴束透鏡組2，雙排復(fù)眼透鏡3，光柵4，傅里葉透鏡5，一級空間光調(diào)制器6，錐鏡組7，成像透鏡8，反射鏡9，二級空間光調(diào)制器10，成像透鏡11和樣品12。
[0047]其中，光源I發(fā)出光束，擴束透鏡組2，雙排復(fù)眼透鏡3，光柵4，傅里葉透鏡5，一級空間調(diào)制器6，錐鏡組7，成像透鏡8，反射鏡9，二級空間光調(diào)制器10，成像透鏡11，依次設(shè)置在光束光路的光軸上。
[0048]按照系統(tǒng)的工作原理，可將該系統(tǒng)分為3個部分，擴束勻光模塊，光譜選擇模塊，多重光照明調(diào)節(jié)模塊。光源發(fā)出的白光要經(jīng)過擴束和勻光再使用。如圖2所示，光經(jīng)過擴束透鏡組2，其由兩個透鏡組成，前一個的像方焦距與后一個的物方焦距重合，這樣使出射光為平行光束。光束經(jīng)過雙排復(fù)眼透鏡3后，光變的極為均勻且平行。
[0049]出射的平行均勻光打在光柵4上，接著光就進入了光譜選擇模塊。光柵4使光發(fā)生色散，由于不同單色光的波長差別，光從光柵4出射便分散開來。調(diào)節(jié)光柵4和傅里葉透鏡5之間的距離，使得光柵4位于傅里葉透鏡5的物方焦平面上，這樣從傅里葉透明5出射的光就為分散平行光。傅里葉透鏡5的作用是聚光和減小像差，接受光柵4發(fā)出的光使之平行出射。接著不同波長的光投射在一級空間光調(diào)制器6不同位置上，如圖3所示，此時不同波長的光譜已分開，因此可以選擇不同的光譜透過。均勻白光經(jīng)過光譜選擇系統(tǒng)后就可以根據(jù)需要來使用不同波長的照明光，調(diào)節(jié)一級空間光調(diào)制器6，在對光譜進行選擇的同時還可以調(diào)節(jié)譜寬，達到預(yù)期的要求。因此，可以根據(jù)需要來選照明光譜，這大大擴展了照明系統(tǒng)的使用范圍。這就是整個系統(tǒng)的多光譜選擇部分。
[0050]接著光進入多重光調(diào)節(jié)模塊。調(diào)節(jié)錐鏡組7的位置，使得其位于一級空間光調(diào)制器6出射的光路的光軸上。這樣出射的光源平行光到達錐鏡組7的中心位置。錐鏡組7對光具有發(fā)散作用，中間的光就會向外部發(fā)散，形成了暗環(huán)，得到一個環(huán)形光斑。調(diào)節(jié)錐鏡組7鏡片之間的空氣間隙，可以得到不同大小的環(huán)形光斑。
[0051]如圖5所示，光束經(jīng)過錐鏡組7形成的環(huán)形光斑可看成半徑分別rl和Rl的圓組成的圓環(huán)，當(dāng)把空氣間隙拉大時，錐鏡組對光的發(fā)散作用加強，環(huán)形光斑向外擴散，光環(huán)半徑變得更加大，半徑變?yōu)閞2和R2，相反，減小空氣間隙時光環(huán)半徑減小，因此，調(diào)節(jié)空氣間隙的厚度，可以得到不同半徑的環(huán)形照明光。
[0052]錐鏡組實現(xiàn)了環(huán)形照明光的變化，加上二級空間光調(diào)制器10就可以實現(xiàn)環(huán)形照明光入射角的時變選擇。如圖4所示，光路通過錐鏡組7后，平行投射到用于聚光的成像透鏡8上，為了使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，在光投射到二級空間光調(diào)制器10前加反射鏡9改變光路。光通過反射鏡9之后，光斑成像在二級空間光調(diào)制器10上，這相當(dāng)于錐鏡組7的物方光斑經(jīng)過成像透鏡8在二 級空間光調(diào)制器10上形成像方光斑。此時，環(huán)形光斑的環(huán)徑為(R-r)，通過調(diào)節(jié)二級空間光調(diào)制器10，可控制照明光的環(huán)徑為O~(R-r)。調(diào)節(jié)透鏡11的位置，使二級空間光調(diào)制器10位于其物方焦平面上。不同環(huán)徑的照明光透過透鏡后照射到樣品上的角度就會不同，這樣就實現(xiàn)了環(huán)形照明光入射角的時變選擇。如圖6所示，由于環(huán)形照明光與主光軸有一定的夾角，形成了離軸照明。與垂直照明不同，輻射光經(jīng)過樣品發(fā)生衍射，O級和±1級甚至±2級光都參與成像，反映出更多的信息，提高系統(tǒng)的分辨率，增加焦深并提1?成像對比度。
【權(quán)利要求】
1.一種多光譜顯微鏡多重光照明方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)白光光束經(jīng)擴束勻光處理后得到寬視場照明光，對寬視場照明光進行分光，并通過空間頻譜轉(zhuǎn)換和整形后得到均勻復(fù)色光； 2)將均勻復(fù)色光中不同波長的光進行光譜選擇和譜寬調(diào)節(jié)，得到均勻單色光； 3)把所述的均勻單色光轉(zhuǎn)換為環(huán)形照明光，并調(diào)節(jié)環(huán)形照明光的環(huán)徑后，對樣品進行離軸照明。
2.如權(quán)利要求1所述的多光譜顯微鏡多重光照明方法，其特征在于，所述的白光光束依次通過擴束透鏡組和雙排復(fù)眼透鏡進行擴束勻光處理。
3.如權(quán)利要求1所述的多光譜顯微鏡多重光照明方法，其特征在于，在步驟I)中，利用光柵對所述的寬視場照明光進行分光，并采用傅里葉透鏡進行空間頻譜轉(zhuǎn)換和整形。
4.如權(quán)利要求1所述的多光譜顯微鏡多重光照明方法，其特征在于，在步驟2)中，利用一級空間光調(diào)制器進行光譜選擇和譜寬調(diào)節(jié)。
5.如權(quán)利要求1所述的多光譜顯微鏡多重光照明方法，其特征在于，在步驟3)中，通過錐鏡組將均勻單色光轉(zhuǎn)換為環(huán)形照明光，并利用二級空間光調(diào)制器改變所述環(huán)形照明光的環(huán)徑。
6.一種多光譜顯微鏡多重光照明裝置，其特征在于，包括沿光路依次布置的白光光源、擴束勻光模塊、光譜選擇模塊和照明調(diào)節(jié)模塊； 所述的擴束勻光模塊，用于對白光光源發(fā)出的光束進行擴束勻光處理并得到寬視場照明光； 所述的光譜選擇模塊，用于將寬視場照明光轉(zhuǎn)化為均勻復(fù)色光，并對均勻復(fù)色光進行光譜選擇得到均勻單色光； 所述的照明調(diào)節(jié)模塊，用于將均勻單色光轉(zhuǎn)換為環(huán)形照明光，并對環(huán)形照明光進行環(huán)徑調(diào)節(jié)，所述照明調(diào)節(jié)模塊出射的光束對樣品進行離軸照明。
7.如權(quán)利要求6所述的多光譜顯微鏡多重光照明裝置，其特征在于，所述的白光光源為萊燈或氣燈。
8.如權(quán)利要求6所述的多光譜顯微鏡多重光照明裝置，其特征在于，所述的擴束勻光模塊包括沿光路依次布置的擴束透鏡組和雙排復(fù)眼透鏡。
9.如權(quán)利要求6所述的多光譜顯微鏡多重光照明裝置，其特征在于，所述的光譜選擇模塊包括沿光路依次布置的光柵、傅里葉透鏡和一級空間光調(diào)制器。
10.如權(quán)利要求6所述的多光譜顯微鏡多重光照明裝置，其特征在于，所述的照明調(diào)節(jié)模塊包括沿光路依次布置的錐鏡組、第一成像透鏡、二級空間光調(diào)制器和第二成像透鏡。
【文檔編號】G02B21/08GK103728718SQ201310720045
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2013年12月24日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月24日
【發(fā)明者】鄭臻榮, 吳懿思, 李安, 陳馳, 申俊飛, 張雅琴, 陳貝石, 李海峰, 劉旭 申請人:浙江大學(xué)