多通道近距成像设备的制作方法

1.本发明涉及一种旨在用于近摄成像，也就是说，对相对于设备尺寸设置在近距离处的物体进行成像的多通道成像设备。


背景技术：

2.用于具有大视场的近摄成像的紧凑型成像系统越来越多地用于工业视觉、质量检查和文件成像领域，例如在诸如检查临床样本之类的实验室操作中。
3.用于近摄成像的成像设备与经典光学器件相比通常包括大直径物镜，例如包括10mm和40mm的直径，以便对与大约一平方厘米或更大的表面相对应的视场进行成像。但是，该系统需要复杂、昂贵的透镜。
4.us 4,982,222公开了一种系统，该系统包括成排设置的梯度折射率光纤阵列。但是强制阵列对物体进行机械横向扫描以记录二维图像。因此，该系统的显著缺点是需要稳定的机械结构来移动阵列。而且，梯度折射率光纤对uv照射不是透明的，从而限制了其在诸如观察uv荧光染料或uv光刻之类的应用中的实用性。
5.usre28162公开了一种成像系统，该成像系统包括用于对物体进行成像的第一二维透镜阵列和第二二维透镜阵列。第一阵列的每个透镜与第二阵列的相应透镜对齐以形成光通道阵列。然后，可以由第二透镜阵列重建由第一透镜阵列产生的图像。每个透镜阵列(称为“透镜马赛克”)是通过模制塑料透明材料制成的。物体的一部分可以通过每个光通道进行成像。因此，通过添加由不同通道产生的单个图像，可以获得完整的大视场。
6.等人(r.、herzig,hp、nussbaum,p.、daendliker,r.、以及hugle,，wb)发表的“microlens array imaging system for photolithography.(用于光刻的微透镜阵列成像系统，1996年，optical engineering，35(11)，第3323页至3331页)”公开了一种也包括叠加的透镜阵列，但是与usre28162的透镜阵列相比具有微型化的透镜和更小间距的系统。阵列的每个透镜通过在玻璃基板上熔化抗蚀剂来制造。使用该系统可以以5μm的分辨率对例如与20x20mm2表面相对应的大视场进行成像。
7.但是，usre28162和等人发表的文章中公开的系统受阵列中相邻光通道间的光串扰影响，从而导致图像发生变化。
8.参考图1，与一个光通道4相对应的现有技术的光学系统具有光轴6和第一透镜8。该系统的数值孔径na同时由系统壁(平行于光轴6设置)和孔径隔膜d
ap
限定。在考虑位于物平面п
obj
中的物点p1的情况下，通过孔径隔膜d
ap
防止来自p1的入射光线(该入射光线的传播方向与光轴6形成的角度大于数值孔径)朝着像平面пi传播。在考虑同样位于物平面п
obj
中的物体p2的情况下，来自p2的入射光线(该入射光线的传播方向与光轴6形成的角度大于来自p1的入射光线的角度)不再受隔膜的阻挡，而是受光学系统壁的阻挡。因此，孔径隔膜d
ap
充当带通角度滤波器，而孔径隔膜和壁的组合形成真正的低通滤波器。
9.此外，通常还用视场隔膜d
f1
来限制视场，针对由物点p1发射的光线可以看出这一点。
10.参考图2，包括透镜阵列的现有技术的微系统受不同光通道4间的串扰影响。透镜阵列16通常包括透镜(例如第一透镜8)和一般由透明材料制成的基板13。可以将透镜构建在透明基板13上。与图1所示的光学系统相反，图2所示的光学系统的光通道4之间没有吸收壁。在考虑位于物平面п
obj
中的物点p3的情况下，当由p3发射的光线以小于预定角度的相对于光轴6的角度朝着光学系统传播时，该光线传播通过光学系统中的同一光通道4。例如，在预定角度下，来自p3的光线传播通过光通道ch0和ch1，并且在像平面пi上形成p3的图像p'3。如光线(a)所示，在预定角度范围内，当光线传播通过光学系统时，发生串扰，因此无法获得p3的图像，从而导致整个图像发生变化。
11.因此，现有技术的光学系统通常包括准直系统，以便在光学系统的入口处进行预滤波(即，不发射具有高角频率的光)。该解决方案具有几个缺点：它不会导致具有高数值孔径的系统，并且不适合于对发射各向同性光的对象(例如，通常在生物显微镜中使用的荧光对象)进行成像。
12.参考图3，还可以通过在不同的透镜阵列16之内和/或之上添加几个隔膜15以部分地重构低通滤波器，从而部分地限制相邻光通道4间的串扰。该解决方案仅足以使小孔径成像系统消除串扰，不适用于对发射各向同性光的对象(例如荧光对象)进行成像；无法完全滤除角频率超过预定限制的光线。


技术实现要素：

13.已经开发出一种用于近摄成像的设备以至少部分地对现有技术中的上述缺点做出响应。所述设备包括光通道的二维阵列，所述阵列具有主平面，
14.每个光通道具有光轴，并且被设置为使得所述光轴垂直于所述主平面，
15.每个光通道包括：
16.第一透镜系统，其至少包括第一透镜，
17.第二透镜系统，其至少包括第二透镜，
18.每个透镜具有与所述光通道的所述光轴对齐的光轴，
19.所述第一透镜系统和所述第二透镜系统被设置为使得所述第一透镜的第一表面是所述光通道的光入射面，所述第二透镜的第二表面是所述光通道的光出射面，以使光在所述光通道内从所述光入射面传播到所述光出射面，
20.其中每个光通道至少具有光学低通角度滤波器，所述低通角度滤波器被配置为阻挡沿着相对于所述光轴的角度大于预定角度θ
l
的传播方向传播通过所述光通道的任何光，所述低通角度滤波器包括将具有第一折射率n1的第一材料和具有第二折射率n2的第二材料隔开的至少一个平面界面，所述至少一个平面界面被设置为使得从所述光入射面传播到所述光出射面的光连续地传播通过所述第一材料和所述第二材料，所述第二折射率与所述第一折射率之比小于1，优选地小于0.66，
21.所述平面界面被配置为通过全内反射阻挡沿着相对于所述光轴的角度大于或等于临界角θc的传播方向传播通过所述光通道的光，θc大于或等于θ
l
，
22.所述临界角θc、沿着所述光轴的所述第一透镜和所述物镜系统的节点平面之间距离zn，以及所述主平面中的第一透镜的中心和相邻光通道的边界之间的距离x
1l
具有以下关系：
23.zn＝x
1l
/tan(θc)所述第一透镜和所述第一平面界面之间的距离小于zn。
24.在本发明的其他可选方面：
[0025]-所述第一折射率等于所述透镜之一的材料的折射率，
[0026]-所述第二材料是气体，优选地是空气，
[0027]-所述光通道的阵列包括叠加的透镜阵列，所述透镜阵列中的至少一个包括透明基板以及与所述透明基板接触的多个透镜，
[0028]-所述基板具有限定所述平面界面的平面，
[0029]-所述至少一个平面界面包括设置在所述第一透镜系统和所述物镜系统之间的第一平面界面，
[0030]-所述至少一个平面界面包括设置在所述物镜系统和所述第二透镜系统之间的第二平面界面，
[0031]-每个光通道6具有半径，并且其中所述第一透镜系统7具有第一物体焦平面和数值孔径，使得所述第一透镜系统在所述第一像平面中产生的任何图像小于所述光通道6的半径，
[0032]-所述光学低通角度滤波器包括与所述第一表面接触的至少一个隔膜，
[0033]-所述光学低通角度滤波器包括至少一个隔膜，所述至少一个隔膜设置在所述第一透镜系统和所述物镜系统之间和/或所述物镜系统中和/或所述物镜系统和所述第二透镜系统之间，和/或所述第一透镜系统和所述第二透镜系统之间。
[0034]
本发明的另一方面是先前描述的用于对物体的至少一部分进行光学成像的设备的用途，其中所述物体发射波长为λ的光，并且其中所述低通角度滤波器包括将具有第一折射率的第一材料和具有第二折射率的第二材料隔开的至少一个平面界面，所述第二材料具有沿着所述光轴测量的厚度，所述厚度在3λ和30λ之间，优选地在4λ和15λ之间。
[0035]
本发明的另一方面是一种制造先前描述的设备的方法，至少包括以下步骤：堆叠包括所述第一透镜的第一透镜阵列、包括所述第二透镜的第二透镜阵列，其中所述透镜阵列中的至少两个由隔板隔开，从而在所述两个透镜阵列之间留有间隙。
附图说明
[0036]
将参考附图通过示例的方式描述本发明，其中：
[0037]-图1示出了现有技术的单个光通道，
[0038]-图2示出了现有技术的多通道近摄光学设备，其中每个透镜阵列包括透明基板，
[0039]-图3示出了现有技术的包括隔膜的多通道近摄成像设备，
[0040]-图4示出了根据本发明的可能实施例的包括平面界面的多通道近摄成像设备，
[0041]-图5示出了根据本发明的可能实施例的包括平面界面和隔膜的多通道近摄成像设备，
[0042]-图6示出了根据本发明的可能实施例的包括平面界面和隔膜的多通道近摄成像设备。
具体实施方式
[0043]
设备的一般架构
[0044]
参考图4，设备1包括光通道4的二维阵列3。图4是沿着主平面5的阵列3的截面图，示出了三个连续的光通道4，分别是ch-1
、ch0和ch1。
[0045]
每个光通道4具有光轴6。每个光通道4被设置为使得光轴6垂直于主平面5。阵列3的光通道4可被设置为格子状，特别是周期性的方格子、线性格子和/或优选地为六边形格子，光通道4的边界在图4、5和6中以垂直的虚线示出。例如当设备包括隔膜和/或透镜的一部分被遮盖时，两个相邻光通道4的边界可以配对，也可以分开。
[0046]
两个相邻光通道4可以彼此接触，也可以彼此隔开距离δ+2ε。
[0047]
每个光通道4包括第一透镜系统7，该第一透镜系统至少包括第一透镜8。第一透镜的第一表面是光通道的光入射面。第一透镜系统7旨在在设备1中(在像平面пi上)形成物体的中间图像。第一透镜系统7还可以包括多个第一透镜8。包括多个第一透镜8的第一透镜系统7的优点可以包括：减小第一透镜系统7的总焦距和/或改善第一透镜系统7的数值孔径以便于去除串扰，和/或改变设备1的工作距离以减小设备1的尺寸，和/或通过补偿光学像差来改善图像质量。
[0048]
每个光通道4包括第二透镜系统9，该第二透镜系统至少包括第二透镜10。第二透镜的第二表面是光通道的光出射面。光在光通道内从光入射面传播到光出射面。第二透镜系统9旨在从设备1中形成物体的最终图像。第二透镜系统9也可以包括多个第二透镜10。包括多个第一透镜10的第二透镜系统9的优点可以包括：减小第一透镜系统9的总焦距和/或改善第一透镜系统9的数值孔径以便于去除串扰，和/或改变设备1的工作距离以减小设备1的尺寸，和/或通过补偿光学像差来改善图像质量。优选地，第二透镜系统9可以旨在重建最终图像。优选地，每个光通道4还包括物镜系统11，该物镜系统至少包括物镜。物镜系统9可以旨在操纵设备1内的光以调节最终图像的不同参数。物镜系统11还可以旨在操纵设备1内的光以避免光学效应(例如，晕映)干扰最终图像。物镜系统11可以至少部分地由主平面h和h'以及节点平面n和n'限定(主平面h和节点平面n在图4中由相同的虚线方向x2示出，主平面h'和节点平面n'由平行于x2的另一虚线方向表示)。
[0049]
设备1具有至少一个低通角度滤波器，并且优选地具有至少两个低通角度滤波器。角度滤波器被配置为阻挡沿着相对于光轴6的角度大于预定角度θ
l
的传播方向传播通过光通道4的任何光。低通角度滤波器包括将具有第一折射率n1的第一材料和具有第二折射率n2的第二材料隔开的至少一个平面界面14，第二折射率与第一折射率之比小于1，优选地小于0.66，使得例如从另一光通道4到达所述光通道4中的平面界面14的光被平面界面14反射。第一材料和第二材料被设置为使得从光入射面传播到光出射面的光连续地传播通过第一材料和第二材料。优选地，第二材料是气体并且优选地是空气。因此，由于气体的折射率低，因此可以使第一材料和第二材料之间的折射率的对比度最大化，并且可以使临界角最小。
[0050]
因此，沿着相对于光轴的角度大于临界角θc的传播方向到达平面界面14的光被平面界面14通过全内反射来反射。临界角θc、第一折射率n1和具有第二折射率n2的第二材料之间的关系根据斯涅尔-笛卡尔关系，通过θc≥θ
l
＝arcsin(n1/n2)给出。
[0051]
可以根据每个光通道4的几何形状选择临界角θc，使得以相对于光轴6的角度传播通过设备1的光(包含串扰)被平面界面14反射。
[0052]
图4示出了包括低通角度滤波器的设备1，低通角度滤波器包括两个平面界面14。设备1可以包括两个平面界面14。第一平面界面14可被设置在第一透镜系统7和物镜系统11
之间。第二平面界面14可被设置在物镜系统11和第二透镜系统9之间，这两个平面界面14将具有第一折射率n1的第一材料和具有第二折射率n2的第二材料隔开。
[0053]
示出了两种不同的常见串扰光线。以虚线(c)和(f)示出的光线分别具有相对于位于第一透镜系统7和物镜系统11之间的第一平面界面上的光轴6的临界角θc，以及相对于位于物镜系统11和第二透镜系统9之间的第二平面界面14上的光轴6的临界角θc。
[0054]
光线(b)的角度小于第一平面界面14的临界角：该光线未被阻挡，而是通过设备1朝着第二平面界面14传播。在传播通过物镜系统11之后，光线(b)变为光线(e)，并且相对于光轴6的角度大于第二界面14的临界角。设备1的其余部分中的串扰通过光线(e)在第二平面界面14上的全内反射避免。
[0055]
光线(d)的角度大于第一平面界面14的临界角。光线(d)的串扰通过光线(d)在第一平面界面14上的全内反射避免。
[0056]
如果在物镜系统11之前未被滤除，则光线(g)将变为传播的光线(d)。
[0057]
第一平面界面14可被设置在平行于主平面5的平面中，主平面5的距离小于zn，其中zn被选择为物镜系统的参数，以便：
[0058]zn
＝x
1l
/tan(θc)
ꢀꢀ
(1)
[0059]
x
1l
是沿着轴x2的给定光通道4的光轴6和相邻光通道4的边界之间的距离，即主平面5中的第一透镜8的中心和相邻光通道4的边界之间的距离。
[0060]
实际上，在图4所示的实施例中，可以区分两组光线：
[0061]-对于给定光通道4(例如光通道ch0，其中x2被定义为在光通道ch0的光轴6和节点平面n的交点处等于零)，第一组光线包括来自相邻光通道4(例如光通道ch1)的光线，所述光线实际上在x2上到达节点平面n，x2小于0。在物镜系统11之后变为(g)的光线(d)例如是该组光线的一部分。在传播通过物镜系统11之后，光线(g)的角度变得小于光线(d)的角度，但也小于临界角，
[0062]-对于同一光通道4(例如通道ch0)，第二组光线对应于来自相邻光通道4(例如光通道ch1)的光线，所述光线在x2上到达节点平面n，x2大于0。在物镜系统11之后变为(e)的光线(b)例如在该组光线中。在传播通过物镜系统11之后，光线(e)的角度不仅大于光线(b)的角度，而且还大于临界角θc。
[0063]
因此，通过设计具有关系(1)的条件的设备1，第二光线组中的光线被第二平面界面14反射。
[0064]
参考图5，设备1可以至少包括透镜阵列16，该透镜阵列是二维阵列，其包括透明基板13以及与透明基板13接触的透镜。优选地，透明基板13的折射率等于透镜阵列16中的透镜的折射率。因此，入射光线不会因为传播通过透镜和基板13之间的界面而发生偏转。这种结构简化了透镜阵列16的制造。例如，这样避免了针对不同透镜使用单独的机械锚固。然而，该透镜阵列16结构不允许制造可防止光通道4之间的光线串扰(如在图1所示的光通道中)的垂直吸收壁。基板13可以具有至少两个相对的表面：一个表面可以与透镜阵列16中的透镜接触，而另一表面限定平面界面14。因此，可通过角度大于临界角θc(由基板13的第一材料和与基板13接触的第二材料定义)的光线在平面界面14处的全内反射来避免串扰。
[0065]
设备1可以包括多个透镜阵列16。光通道4的阵列3因此可以包括叠加的透镜阵列16。每个光通道4因此包括每个透镜阵列16中的对准的透镜。
[0066]
隔膜15
[0067]
另外，设备1的低通滤波器还可以包括至少一个隔膜15。
[0068]
隔膜15可被设置在第一透镜系统7和物镜系统11之间，和/或物镜系统11中，和/或物镜系统11和第二透镜系统9之间，和/或第一透镜系统7和第二透镜系统9之间。参考图5，直径孔径为d
ap
的隔膜15被设置在第一透镜系统7的后焦平面中。隔膜15例如可以限定第一透镜系统7的数值孔径(等于0.33)。另一隔膜15与第一表面接触，将相邻的第一透镜8隔开距离δ。该隔膜例如可以沉积在第一透镜阵列16的表面上。
[0069]
参考图6，角度低通滤波器可以优选地包括设置在第一透镜系统7和物镜系统11之间的隔膜15，特别是与限定第一平面界面14的基板的表面接触。隔膜15直径为d
cut
。因此，具有小于临界角的角度但在大于0的x上穿过节点平面的光线被吸收并因此被滤除。因此，隔膜15可以限定设备1的低通角度滤波器的角度极限θc。
[0070]
数值孔径
[0071]
第一透镜系统7的数值孔径na可以大于0.35，特别是在0.4和0.7之间，并且更优选地在0.45和0.6之间。第一透镜系统7的数值孔径na可以与整个设备1的数值孔径na
sys
相适应，小于数值na。
[0072]
光通道4的直径和透镜8的直径
[0073]
第一透镜8的直径可以在10μm至5mm之间，特别是在100μm至500μm之间，并且优选地在150μm至250μm之间。第一透镜8的直径可以优选地设定光通道4的直径，其中所有透镜可以具有相同的直径。图5和6分别示出了等于200μm和220μm的第一透镜的直径。
[0074]
取决于沉积在第一透镜阵列16上的隔膜15，每个第一透镜8的有效半径r
eff
在第一透镜8的范围的一半内。有效半径r
eff
例如可以等于70μm。
[0075]
透镜阵列16中的透镜的设置
[0076]
两个相邻的第一透镜8之间的距离δ可以在0至300μm之间，特别是在0至150μm之间，并且优选地在0至50μm之间。因此，通过在该范围内减小距离δ，可以避免最终图像中的不均匀性并增强最终图像的对比度。
[0077]
第一材料和第二材料
[0078]
降低设备1的滤波器的截止角频率可以通过降低第一折射率和第二折射率之间的比率来完成，优选地降到0.66以下。
[0079]
优选地，第一材料具有大于1.3，特别是大于1.4的第一折射率。第一材料例如可以选自玻璃、透明聚合物或塑料或适合于透镜阵列制造的任何材料。
[0080]
优选地，第二材料具有小于1.2，特别是大于1.1的第二折射率。第二材料例如可以选自气体，优选地为空气。
[0081]
在考虑发射波长为λ的光的物体的情况下，第二材料可具有沿着光轴6测量的厚度，该厚度在3λ和30λ之间，优选地在4λ和15λ之间。因此，第二材料的厚度足够大以避免通过量子隧穿传输功率，并且足够低以保持设备紧凑性。
[0082]
中间图像
[0083]
第一透镜8具有第一物体焦平面和数值孔径。可以配置这些参数，以使第一透镜8在第一像平面上产生的物体的图像小于或等于光通道4的直径。更一般地，第一透镜系统7具有第一物体焦平面和数值孔径，以使第一透镜系统在第一像平面中产生的物体的图像小
于光通道6的半径。光通道6的物体例如可以是由设备1成像的整个物体的一部分，每个光通道6的每个物体包括由设备1成像的整体物体。换句话说，由第一透镜系统在第一像平面中产生的任何图像都小于光通道6的半径。因此，在中间像平面中不存在来自不同光通道的不同子图像的重叠。光通道6的半径可以由光通道6的第一透镜8的半径限定，或者当第一透镜8被隔膜覆盖时，由第一透镜8的未被隔膜覆盖的部分的半径限定。
[0084]
在第一透镜系统7包括单个透镜8的配置中，工作距离wd(即，物平面和第一透镜8之间的距离)可以写为：
[0085][0086]
其中f1是第一透镜系统7的焦距，mi是第一透镜系统7的中间放大倍率。
[0087]
当设备1不包括视场隔膜15时，一个光通道4的视场半径ym(即，从物平面在光轴6上的点到第一透镜系统7可从中收集用于形成中间图像的光线(如其数值孔径na
sys
所定义)的物平面中的最后一个点的半径)可以表示为：
[0088]
ym＝na
sys
*wd+r
eff
ꢀꢀ
(3)
[0089]
其中na
sys
为最大角度α
sys
的正弦，α
sys
是可进入或离开第一透镜系统7以在光通道内聚焦的光的最大角。
[0090]
因此，中间图像的半径y
m,i
定义为：
[0091]ym，i
＝m1·
ymꢀꢀ
(4)
[0092]
因此，设备1的设计解决了不等式(5)：
[0093]ym，i
≤r
eff
ꢀꢀ
(5)
[0094]
第一透镜系统7的第一透镜8的焦距f1可以表示为：
[0095][0096]
光通道(6)的中心轴和相邻光通道(4)的边界之间的距离定义为：
[0097]
x
1l
＝r+δ+ε
ꢀꢀ
(7)
[0098]
ε是由沉积在第一透镜8上的隔膜15限定的最终掩蔽环厚度。
[0099]
满足下式的情况下，可以阻挡第一组光线：
[0100][0101]
通过增加δ来增加间距可以帮助过滤光，但会降低图像的对比度。因此，可以通过添加与平面界面14接触并且优选地与第一平面界面14接触的隔膜15来帮助寻找折衷。在其中放置隔膜15以避免高ε和δ值的最佳情况下，可以放置宽度为w的隔膜，其中：
[0102]
w＝x
1-r-δ/2-∈
ꢀꢀ
(10)
[0103]
所述隔膜15沿着光轴6与第一透镜8的距离为zd：
[0104][0105]
可以优化r、ε、δ和zd，以便以适当的截止角频率滤除第一组光线。被物镜系统11折射之后的第二组光线中的光线的角度θ2为：
[0106][0107]
θ1是从相邻光通道4(例如ch1)进入给定光通道(例如ch0)的光线的角度，x2是该光线在物镜系统11的节点平面n中的入射点的坐标(对于第二组光线为正)。物镜系统11可以包括附加的第二透镜阵列16，该第二透镜阵列包括与第一透镜阵列7相同的两个透镜阵列16。然后，物镜系统的焦距f
fl
为：
[0108]
然后：
[0109][0110]
然后，当第一组光线被滤除时，这些光线将被自动滤除。