专利名称：一种位相板组件及可变景深的显微镜系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及光学技术领域，特别是涉及一种位相板组件及可变景深的显微镜系统。
背景技术：
显微镜是一种用于放大微小物体、使该物体能够被肉眼观察到的仪器。从17世纪中叶第一台实用的显微镜出现发展至今，显微镜的结构不断变化。传统的显微镜由光学部分、照明部分和机械部分组成，以人眼作为接收器。后来显微镜中加入了摄像装置，以感光胶片作为可以记录和存储目标图像的器件。80年代中期，随着数码产业以及电脑业的发展，显微镜的功能也通过它们得到提升，以光电传感器、电视摄像管和电荷耦合器件替代感光胶片，并与激光、计算机、信息技术等相结合，构成微观信号的采集、记录、处理和存储一体化的光信号系统。显微镜的应用领域十分广泛，不同的应用对显微镜的性能提出了不同的要求。除了对其成像分辨率的要求外，在某些应用场合中，如医疗、生物、物质结构、集成电路等领域，需要研究微小物体的三维结构，这不但需要高质量的断层成像，也要求更广的成像范围，此时要求显微镜不仅要具有高倍率，而且要具有大景深。传统光学显微镜的景深都很小，当观察有一定深度的物体时，便不能清晰成像，而且随着放大倍率的提高显微镜的景深会变得更小，这就限制了传统显微镜的应用范围。上世纪九十年代中期，Colorado大学成像系统实验室的Dowski教授提出了波前编码技术，即采用光学调制和图像复原技术进行解调来扩大光学系统景深的成像技术。将波前编码技术应用于显微镜系统中以后，对于三维物体的成像就变的简单了，只要进行适当的滤波，就可以在不破坏物体结构的情况下对更大景深内的观测物清晰成像。但是，目前尚未有可变景深的显微镜系统出现。
发明内容
本发明针对现有技术的上述缺陷，提供一种位相板组件及可变景深的显微镜系统，使显微镜的景深可变。本发明采用如下技术方案:一种位相板组件，所述位相板组件包括至少两个位相板和一个平板,所述位相板和平板之间的位置可切换。优选地，所述位相板组件还包括底板和旋转块，所述至少两个位相板和一个平板安装于旋转块上，所述旋转块和底板之间转动连接。优选地，所述位相板为三次位相板、余弦形式位相板或者对数函数位相板。优选地，所述位相板用于扩展显微镜景深。一种可变景深的显微镜系统，所述显微镜系统包括显微物镜，在所述显微物镜光阑处设有上述的位相板组件，通过切换所述位相板和平板之间的位置使其中一个位相板或者平板位于显微物镜光阑位置。
优选地，所述显微镜系统还包括载物台、筒镜、分光棱镜、反射镜、目镜、成像镜头、光电接收器件、计算机和显示器；所述反射镜和目镜安装在分光棱镜输出的一路光路上，所述成像镜头和光电接收器件安装在分光棱镜输出的另一路光路上，所述计算机和显示器与光电接收器件的输出端相连。本发明的有益效果是:通过设计包括至少两个位相板和一个平板的位相板组件，位相板和平板之间的位置可切换，当该位相板组件应用于显微镜系统中时，通过切换位相板和平板之间的位置使其中一个位相板或者平板位于显微物镜光阑位置，从而实现显微镜的景深可变。
图1为本发明实施例一种可变景深的显微镜系统的结构示意图；图2为本发明实施例一种可变景深的显微镜系统的局部结构设计示意图；图3为传统显微镜工作距离为0.63mm时的MTF曲线；图4为加入三次位相板后的显微镜工作距离为0.63mm时的MTF曲线；图5为传统显微镜工作距离为0.62mm时的MTF曲线；图6为加入三次位相板后的显微镜工作距离为0.62mm时的MTF曲线；图7为传统显微镜工作距离为0.61mm时的MTF曲线；图8为加入三次位相板后的显微镜工作距离为0.61mm时的MTF曲线。附图标记如下: 1-载物台，2-显微物镜，3-位相板组件，3 (I)-第一位相板，3 (2)-第二位相板，3 (3)-平板，3 (4)-底板，3 (5)-旋转块，4_筒镜，5_分光棱镜，6-反射镜，7-目镜，8-成像镜头，9-光电接收器件，10-计算机，11_显不器。
具体实施例方式为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。请参阅图1所示，本发明实施例提供了一种可变景深的显微镜系统，该显微镜系统包括载物台1、显微物镜2、筒镜4、分光棱镜5、反射镜6、目镜7、成像镜头8、光电接收器件9、计算机10和显示器11。载物台I上放置有样品，在显微物镜2光阑处设有一位相板组件3，该位相板组件3包括至少两个位相板和一个平板，位相板和平板之间的位置可切换，本实施例中，位相板组件3设有两个位相板和一个平板,分别是第一位相板3 (I)、第二位相板3 (2)和平板3 (3)，通过切换第一位相板3 (I)、第二位相板3 (2)和平板3 (3)三者之间的位置使其中一个位相板或者平板3 (3)位于显微物镜2光阑位置。具体地，在该位相板组件3上设有底板3 (4)和旋转块3 (5)，第一位相板3 (I)、第二位相板3 (2)和平板3 (3)均安装于旋转块3 (5)上，旋转块3 (5)和底板3 (4)之间转动连接，通过转动旋转块3 (5)即可切换第一位相板3 (I)、第二位相板3 (2)和平板3 (3)三者之间的位置，将所需的位相板或者平板旋转至显微物镜2光阑位置。位相板的形式和参数选择有很多种，可以选择三次位相板、余弦形式位相板或者对数函数位相板，本实施例中选择的是三次位相板。同时，第一位相板3 (I)和第二位相板3 (2)还可以根据需求更换，例如更换上第三位相板、第四位相板等等。反射镜6和目镜7安装在分光棱镜5输出的一路光路上，成像镜头8和光电接收器件9安装在分光棱镜5输出的另一路光路上，计算机10和显示器11与光电接收器件9的输出端相连。本实施例的工作原理是:显微镜载物台I上的样品发出的光线经过显微物镜2和筒镜4后，经分光棱镜5分为两路:一路经反射镜6、目镜7到达人眼；另一路经过成像镜头8到达光电接收器件9，并由计算机10处理后通过显示器11显示。在显微物镜2光阑位置加入位相板组件3后，改变了显微物镜2出瞳处的光瞳函数，使得显微镜系统的调制传递函数(Modulation Transfer Function,MTF)和点扩散函数(point spread function,PSFWf物距不敏感，这时光电接收器件9将接收到的中间图像数据传送至计算机10，进行复原滤波等处理后通过显示器11显示。通过切换位相板组件3中的不同位相板或者平板3 (3)，得到不同程度的显微镜景深范围，从而达到显微镜景深可变的目的。当位相板组件3切换至平板3(3)时，显微镜景深不变，作为传统显微镜使用；当位相板组件3切换至第一位相板3 (I)或者第二位相板3 (2)时，显微镜景深增大，第一位相板3 (I)和第二位相板3 (2)的形式和参数根据实际应用需求进行设计，具体实现方式可参考下述参数设计案例。位相板组件3切换时需要比较高的定位精度，保证切换后的位相板或者平板3 (3)位于显微物镜2的光阑位置。具体地参数设计案例:本案例设计了一个加入三次位相板组件的显微镜系统，利用光学设计软件ZEMAX对传统显微镜系统和本实施例的显微镜系统的成像特性进行了对比分析，给出了 10倍景深范围内的调制传递函数MTF曲线。模拟结果表明，与传统显微镜系统相比，所设计的本实施例的显微镜系统可以在保持光通量和像面分辨率的情况下将景深扩展10倍。设计的系统参数如下:N.A.=0.65,M=-40X，f ’ =4.649mm，W.D.=0.63mm，D0F=2.0um0其中，N.A.为数值孔径，M为放大倍数，f ’为焦距，I D.为工作距离，DOF为景深。采用的三次位相板的形式为z = a (x3+y3),其中α为0.005。第一位相板、第二位相板均采用光学塑料聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate, PMMA)制成，其厚度为2_。本案例的显微镜系统局部结构设计示意图如图2所示，位相板组件3位于显微物镜光阑位置。经过试验，分别考察了传统显微镜系统和本实施例提供的显微镜系统在不同景深位置的点扩散函数PSF和调制传递函数MTF情况，其中MTF曲线如图3-图8所示。从试验结果得出:传统显微镜系统随着景深增大，点扩散函数PSF迅速弥散，调制传递函数MTF急剧下降；而加入三次位相板组件后的显微镜系统点扩散函数PSF呈现固定形式，调制传递函数MTF在10倍的景深范围内都保持一定值，可以通过后续的数字处理来恢复最终图像。因此，本实施例通过在传统显微物镜光阑位置加入位相板组件达到了扩展显微镜景深的目的，且景深可调。本发明实施例通过在显微物镜光阑处设置位相板组件，位相板组件中包括至少两种不同形式的位相板和一个平板，其可自由地进行切换，从而达到显微镜景深可变的目的。本发明实施例结构简单、成本低，在不减小光通量、不调焦的前提下，解决了传统显微镜景深小的缺点，提高了显微镜应用于不同景深观察的适应性，且提供了多个位相板可选择，景深可调。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种位相板组件，其特征在于，所述位相板组件包括至少两个位相板和一个平板，所述位相板和平板之间的位置可切换。
2.根据权利要求1所述的位相板组件，其特征在于，所述位相板组件还包括底板和旋转块，所述至少两个位相板和一个平板安装于旋转块上，所述旋转块和底板之间转动连接。
3.根据权利要求1或2所述的位相板组件，其特征在于，所述位相板为三次位相板、余弦形式位相板或者对数函数位相板。
4.根据权利要求1 3任一项所述的位相板组件，其特征在于，所述位相板用于扩展显微镜景深。
5.一种可变景深的显微镜系统，其特征在于，所述显微镜系统包括显微物镜，在所述显微物镜光阑处设有权利要求1 4任一项所述的位相板组件，通过切换所述位相板和平板之间的位置使其中一个位相板或者平板位于显微物镜光阑位置。
6.根据权利要求5所述的显微镜系统，其特征在于，所述显微镜系统还包括载物台、筒镜、分光棱镜、反射镜、目镜、成像镜头、光电接收器件、计算机和显示器；所述反射镜和目镜安装在分光棱镜输出的一路光路上，所述成像镜头和光电接收器件安装在分光棱镜输出的另一路光路上，所述计算机和显示器与光电接收器件的输出端相连。
全文摘要
本发明涉及光学技术领域，提供了一种位相板组件及可变景深的显微镜系统。本发明的位相板组件包括至少两个位相板和一个平板，位相板和平板之间的位置可切换。本发明的可变景深的显微镜系统包括显微物镜，在显微物镜光阑处设有位相板组件，通过切换位相板和平板之间的位置使其中一个位相板或者平板位于显微物镜光阑位置。本发明提供的显微镜系统景深可变。
文档编号G02B21/24GK103197411SQ20131008962
公开日2013年7月10日 申请日期2013年3月20日 优先权日2013年3月20日
发明者张欣, 张运海, 昌剑, 黄维, 薛晓君, 张新 申请人:中国科学院苏州生物医学工程技术研究所