[发明专利]基于LCD液晶面板的可编程孔径显微镜系统及其多模式成像方法

说明书

技术领域

本发明属于光学显微成像技术，特别是一种基于LCD液晶面板的可编程孔径显微镜系统及其多模式成像方法。

背景技术

明场成像和暗场成像是最常用的两种显微成像方法，两者的区别在于：照明方式不同。如果只允许透射光束通过物镜光阑成像，称其为明场像；如果只允许衍射光束通过物镜光阑成像，则称为暗场像。所以明场是让照明孔径在物镜数值孔径以内，视场是明亮的；而暗场是则是让照明孔径在物镜数值孔径以外，而不让照明光束通过物镜光阑成像，但是标本中的结构能够衍射光线，这些衍射光有一部分通过物镜光阑成像，所以在黑暗的背景上能够看到表现标本中细微结构的亮点和亮线(于捷年.暗场显微镜成像原理初探[J].中国刑警学院学报,1999,(1):38-40.)。

还有一种常见的成像方式是相差显微成像。1935年荷兰科学家Zernike利用相差显微成像技术发明了相差显微镜，并将其用于观察未染色标本(盛富根.微分干涉相衬显微镜的原理分析(矢量法)[J].光学仪器,1986,(5).)。活细胞和未染色的生物标本，因细胞各部细微结构的折射率和厚度的不同，光波通过时，波长和振幅并不发生变化，仅相位发生变化，这种相位差人眼无法观察。而相差显微镜利用物体不同结构成分之间的折射率和厚度的差别，把通过物体不同部分的光程差转变为振幅(光强度)的差别，经过带有环状光阑的聚光镜和带有相位片的相差物镜实现观测。该显微镜主要用于观察活细胞或不染色的组织切片，有时也可用于观察缺少反差的染色样品。光线透过标本后发生折射，偏离了原来的光路，同时被延迟了1/4λ(波长)，如果再增加或减少1/4λ，则光程差变为1/2λ，两束光合轴后干涉加强，振幅增大或减下，提高反差。在构造上，相差显微镜有不同于普通光学显微镜3个特殊之处：1.环形光阑(annulardiaphragm)位于光源与聚光器之间，作用是使透过聚光器的光线形成空心光锥，焦聚到标本上；2.相位板(phaseplate)在物镜中加了涂有氟化镁的相位板，可将直射光或衍射光的相位推迟1/4λ；3.合轴调节望远镜：用于调节环状光阑的像与相板共轭面完全吻合。

类似于相差显微成像的成像效果，差分相衬成像也是一种常见的显微成像方法，使用该方法可使样品的细微结构呈现出正或负的投影形象，通常是一侧亮，而另一侧暗，类似大理石上的浮雕，这样便人为地造成了样品的三维立体感。

通常来说，现代显微镜系统往往伴随有多种显微成像模式，如明场成像、暗场成像和相衬成像等等，这些成像方式需要显微镜的光源提供更加灵活多变的控制。从而，现有的高端显微镜的聚光镜都做成了塔式结构，里面需增设很多的可调附件，如：暗场环遮光板、相衬环遮光板等等。特别是暗场环遮光板与相衬环遮光板，这些元件都需要与每个物镜单独匹配，如果系统中有4个不同倍率的物镜，则需要分别配备四种不同尺寸的遮光板与之相配。显然，这使得显微镜的结构变得日益复杂，元件数目越来越多，成本也随之越来越高。这种复杂的聚光镜结构一般需要熟练的显微镜工作者进行操作，并需要针对标本的差异和物镜的不同进行实践、校正(刘金,解玉兰.柯拉照明在显微镜调节中的应用[J].实验室科学,2006,(2):117-118.)。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于LCD液晶面板的可编程孔径显微镜系统及其多模式成像方法，利用LCD液晶面板实现空间光调制器的功能，从而实现显微镜系统孔径平面光强分布的灵活可控，并实现明场、暗场、差分相衬成像三种成像模式。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于LCD液晶面板的可编程孔径显微镜系统，包括显微成像系统和LCD液晶面板的4f系统，该LCD液晶面板的4f系统包括第一透镜L₁、第二透镜L₂、LCD液晶面板以及单色CCD相机，第一透镜L₁、第二透镜L₂的焦距f＝f₁＝f₂，第一透镜L₁和第二透镜L₂构成一个标准的4f成像系统，即第一透镜L₁到显微镜图像平面的端口的距离为f1，第二透镜L₂到CCD相机成像平面的端口的距离为f2，两透镜之间的距离是f1+f2；LCD液晶面板放置于4f系统的傅里叶平面，即第一透镜L₁和第二透镜L₂之间，距离第一透镜L₁的距离为f1，距离第二透镜L₂的距离为f2。