单曝光多层微纳结构成像装置及方法

本发明涉及显微成像,特别涉及一种单曝光多层微纳结构成像装置及方法。

背景技术：

1、多层微纳结构在光学领域中可用于各种光学调制，在微电子领域中可应用于芯片、半导体器件、储存器件中。在多层微纳结构成像技术中，需要同时实现高速、高分辨(横向与纵向分辨率小于1μm)、低成本、多层成像和无损成像。现有的成像技术一般只能兼顾其中几项，无法同时满足多层微纳结构的所有成像要求，因此多层微纳结构的高速、高分辨、低成本、多层和无损成像意义重大。

2、当前多层微纳结构的三维成像技术主要是通过镜片上下运动扫描的方式对生物样品在高度方向上的各个结构层进行逐层成像，该方式成像速度慢，无法实时的观测生物样品的三维结构。

技术实现思路

1、本发明的目的是解决当前多层微纳结构的三维成像技术主要是通过镜片上下运动扫描的方式对生物样品在高度方向上的各个结构层进行逐个成像，该方式成像速度慢，无法实时观测生物样品三维结构的问题，提供一种单曝光多层微纳结构成像装置及方法，能够有效解决上述问题。

2、本发明的目的是通过如下技术方案实现的：单曝光多层微纳结构成像装置，包括单曝光光谱成像模块、照明系统、彩色面阵相机、控制器、运动台、压电陶瓷促动器、大色差物镜，样品放置于运动台上；彩色面阵相机、单曝光光谱成像模块和压电陶瓷促动器均连接控制器；

3、大色差物镜位于运动台的上方，通过压电陶瓷促动器驱动大色差物镜在竖直方向上进行调整；

4、照明系统发出的照明光线以透射或反射的方式照到样品上，照明光线经过样品和大色差物镜后被单曝光光谱成像模块和彩色面阵相机接收；

5、照明系统发出照明光线具有特定的光谱波段，照射光线的光谱曲线平滑且各波长的光照强度的波动范围小于光谱曲线光照强度最大值的20％；

6、大色差物镜的色差大于70μm，使照明光线中不同波长的光成像在样品中的不同高度层面上。

7、作为优选，所述照射光线的光谱波段范围为400nm-800nm，大色差物镜的色差为76μm，大色差物镜的数值孔径na＞0.5。

8、作为优选，还包括第一分光棱镜、反射镜，第一分光棱镜位于大色差物镜的上方，反射镜位于第一分光棱镜的上方；光线在进入第一分光棱镜时，部分光线经过第一分光棱镜的反射后进入彩色面阵相机，其余的光线透过第一分光棱镜后到达反射镜，并经过反射镜的反射后进入单曝光光谱成像模块。

9、作为优选，所述照明系统包括反射式照明光源、第二分光棱镜和透射式照明光源，透射式照明光源设置在运动台的下方，第二分光棱镜设置在大色差物镜和第一分光棱镜之间；

10、反射式光源发出的照明光线经过第二分光棱镜的反射后照射到样品上；透射式照明光源发出的照明光线从下往上透过样品。

11、作为优选，所述样品分为两层，上层为冷存储片，下层为衍射光学元件，两层之间的间距为30μm。

12、一种单曝光多层微纳结构成像方法，包括如下具体步骤：

13、s1、将样品放置于运动台上，并开启照明系统；

14、s2、开启彩色面阵相机，通过压电陶瓷促动器调节大色差物镜与样品之间的高度，直至彩色阵面相机的r通道、b通道和g通道成像清晰；记录此时压电陶瓷促动器的行程位置，将该行程位置作为压电陶瓷促动器的起始运动位置；

15、s3、启动运动台，通过运动台带动样品移动，单曝光光谱成像模块在样品上的不同成像区域采集多张单曝光图像，每张单曝光图像均包含成像区域中多个不同层面的光谱图像信息；运动台在移动时，控制器计算彩色面阵相机中g通道的图像的清晰度评价函数值，根据图像的清晰度评价函数值调节压电陶瓷促动器的行程，使彩色面阵相机g通道的图像始终保持清晰成像；

16、s4、根据采集到单曝光图像重建该成像区域不同层面的光谱图像，通过不同层面的光谱图像合成该成像区域的三维结构。

17、作为优选，步骤s3中，图像的清晰度评价函数值为该图像的方差值；压电陶瓷促动器在调节过程中，当图像的方差值达到最大时，此时彩色面阵相机g通道的图像达到最清晰的状态。

18、作为优选，步骤s3中，单曝光光谱成像模块在采集样品的单曝光图像时，方法如下：

19、n1：运动台沿着第一方向移动，每次移动的距离与单曝光光谱成像模块的视场长边相同，每完成一次移动均产生一次触发信号，触发信号触发单曝光光谱成像模块对该成像区域进行图像采集；

20、n2：当运动台沿着第一方向的移动距离达到设定长度时，运动台沿着第二方向移动，第二方向与第一方向垂直，沿第二方向的移动距离与单曝光光谱成像模块的视场宽边相同，然后运动台沿着第一方向的反向移动，每次移动的距离与单曝光光谱成像模块的视场长边相同，每完成一次移动均产生一次触发信号，触发信号触发单曝光光谱成像模块对该成像区域进行图像采集；

21、n3：当运动台沿着第一方向的反向移动距离达到设定长度时，运动台沿着第二方向移动，沿第二方向的移动距离与单曝光光谱成像模块的视场宽边相同；

22、n4：循环步骤n1至步骤n3，直至完成整个对样品的图像采集。

23、本发明的有益效果是：

24、1、本发明同时实现了高速、高分辨、低成本、多层和无损成像的要求。

25、2、本发明中，大色差物镜使照明光线中不同波长的光成像在样品中的不同高度层面上，使单曝光光谱成像模块在单次采集的单曝光图像中包含成像区域中多个不同高度层面的光谱图像信息，通过采集到的单张单曝光图像重建成像区域不同高度层面的光谱图像，相比传统的通过镜片上下运动扫描的方式，本发明的成像效率大大提高。

技术特征：

1.单曝光多层微纳结构成像装置，其特征在于，包括单曝光光谱成像模块、照明系统、彩色面阵相机、控制器、运动台、压电陶瓷促动器、大色差物镜，样品放置于运动台上；彩色面阵相机、单曝光光谱成像模块和压电陶瓷促动器均连接控制器；

2.根据权利要求1所述的单曝光多层微纳结构成像装置，其特征在于，所述照射光线的光谱波段范围为400nm-800nm，大色差物镜的色差为76μm，大色差物镜的数值孔径na＞0.5。

3.根据权利要求1所述的单曝光多层微纳结构成像装置，其特征在于，还包括第一分光棱镜、反射镜，第一分光棱镜位于大色差物镜的上方，反射镜位于第一分光棱镜的上方；光线在进入第一分光棱镜时，部分光线经过第一分光棱镜的反射后进入彩色面阵相机，其余的光线透过第一分光棱镜后到达反射镜，并经过反射镜的反射后进入单曝光光谱成像模块。

4.根据权利要求3所述的单曝光多层微纳结构成像装置，其特征在于，所述照明系统包括反射式照明光源、第二分光棱镜和透射式照明光源，透射式照明光源设置在运动台的下方，第二分光棱镜设置在大色差物镜和第一分光棱镜之间；

5.根据权利要求1-4任意一项所述的单曝光多层微纳结构成像装置，其特征在于，所述样品分为两层，上层为冷存储片，下层为衍射光学元件，两层之间的间距为30μm。

6.一种单曝光多层微纳结构成像方法，基于权利要求4所述的单曝光多层微纳结构成像装置，其特征在于，包括如下具体步骤：

7.根据权利要求6所述的一种单曝光多层微纳结构成像方法，其特征在于，步骤s3中，图像的清晰度评价函数值为该图像的方差值；压电陶瓷促动器在调节过程中，当图像的方差值达到最大时，此时彩色面阵相机g通道的图像达到最清晰的状态。

8.根据权利要求6所述的一种单曝光多层微纳结构成像方法，其特征在于，步骤s3中，单曝光光谱成像模块在采集样品的单曝光图像时，方法如下：

技术总结
本发明提供一种单曝光多层微纳结构成像装置，包括单曝光光谱成像模块、照明系统、彩色面阵相机、控制器、运动台、压电陶瓷促动器、大色差物镜，样品放置于运动台上；彩色面阵相机、单曝光光谱成像模块和压电陶瓷促动器均连接控制器；照明光线经过样品和大色差物镜后被单曝光光谱成像模块和彩色面阵相机接收；照明系统发出照明光线具有特定的光谱波段，照射光线的光谱曲线平滑且各波长的光照强度的波动范围小于光谱曲线光照强度最大值的20％；大色差物镜的色差大于70μm，使照明光线中不同波长的光成像在样品中的不同高度层面上。本发明同时实现了高速、高分辨、低成本、多层和无损成像的要求。

技术研发人员：刘星,郑巳明,罗婷,袁鑫
受保护的技术使用者：西湖大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16