【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)屬于光電器件及顯微成像，具體涉及一種大景深的快照式光場顯微鏡及其制備方法。
技術(shù)介紹
1、光學(xué)顯微鏡是放大圖像的基礎(chǔ)研究工具，在解開微觀世界的奧秘、增進(jìn)科學(xué)認(rèn)知方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用。然而，傳統(tǒng)顯微鏡作為一種正交投影設(shè)備，只能從一個(gè)方向觀察標(biāo)本，導(dǎo)致疊加特征的模糊性。相比之下，光場顯微鏡能夠同時(shí)捕獲空間和角度的信息，從而能夠通過計(jì)算機(jī)算法生成高分辨率和精確深度的3d圖像。該技術(shù)提供全面、準(zhǔn)確的信息，有利于微觀結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)和動(dòng)態(tài)過程的觀察和研究，在生命科學(xué)、材料科學(xué)和納米科學(xué)中具有重要意義。
2、當(dāng)前光場顯微鏡分為掃描光場顯微鏡和快照式光場顯微鏡兩種不同的類型。掃描光場顯微鏡通過焦點(diǎn)或焦平面的3d空間掃描進(jìn)行光場信息探測，具有大視場、高空間分辨率的獨(dú)特優(yōu)勢。但是物理掃描過程帶來的耗時(shí)問題難以解決，僅適用于靜態(tài)場景，且長時(shí)間曝光帶來的光毒性對(duì)生物探測并不友好。為了實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)目標(biāo)探測，levoy等人率先提出了快照式光場顯微鏡的概念，通過微透鏡陣列捕獲光場的空間和角度信息，通過單次拍照就可以重建出樣品的三維信息，使得微觀動(dòng)態(tài)目標(biāo)的實(shí)時(shí)三維成像成為可能。
3、在快照式光場顯微鏡中，微透鏡陣列是實(shí)現(xiàn)多孔徑成像進(jìn)行光場信息編碼的核心部件，決定著光場顯微鏡的性能表現(xiàn)。但是受限于微透鏡陣列基線尺寸以及平面布局的固有限制，在快照式光場顯微鏡中成像分辨率、成像景深以及深度感知性能通常無法兼容。由于這種固有的平衡關(guān)系難以打破，為了提升快照式光場顯微鏡的工作性能，研究人員在平面微透鏡配置的基礎(chǔ)上做出了巨大努力，包括但不限于，提出了
4、綜上，上述研究工作對(duì)提升快照式光場顯微鏡的成像性能，拓展其應(yīng)用市場具有巨大的推動(dòng)作用。但截止到目前為止，尚未從根源上解決微透鏡陣列的基線尺寸與大景深視差的制約關(guān)系，如何實(shí)現(xiàn)大景深下的快照式光場顯微成像仍然是一個(gè)急需解決且具有挑戰(zhàn)性的問題。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問題，本專利技術(shù)提供了一種大景深的快照式光場顯微鏡及其制備方法，本專利技術(shù)利用曲面微透鏡陣列替代平面配置以增強(qiáng)視差、特殊設(shè)計(jì)透鏡面型替代傳統(tǒng)球面透鏡以擴(kuò)展焦深，從根源上解決了傳統(tǒng)平面微透鏡陣列的基線限制問題，極大的提升了光學(xué)顯微鏡的成像景深和深度感知能力，并保留了衍射極限級(jí)別的成像分辨率。本專利技術(shù)提出的特殊函數(shù)面型曲面微透鏡陣列的高精度制備可以利用“飛秒激光增材制造”技術(shù)實(shí)現(xiàn)，并通過定制的機(jī)械轉(zhuǎn)接件與商用物鏡集成，最終實(shí)現(xiàn)大景深快照式光場顯微鏡的制備。
2、本專利技術(shù)通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：
3、一種大景深的快照式光場顯微鏡的制備方法，具體包括如下步驟：
4、步驟一：大景深曲面微透鏡陣列的設(shè)計(jì)；
5、具體步驟：首先，根據(jù)待集成商用顯微鏡物鏡的光學(xué)參數(shù)確定匹配的曲面微透鏡陣列的子透鏡尺寸半徑、聚焦范圍、子透鏡數(shù)量及相鄰?fù)哥R彎曲角度；其中，子透鏡的函數(shù)曲面設(shè)計(jì)為對(duì)數(shù)曲面，其函數(shù)曲面方程如下：
6、a＝(d2-d1)/r2???(1)
7、
8、其中，r，θ，r，nl，n0，λ分別表示半徑坐標(biāo)、方位坐標(biāo)、子透鏡半徑、透鏡折射率、環(huán)境折射率和透鏡工作中心波長；d1和d2分別表示透鏡聚焦的起點(diǎn)和終點(diǎn)；由于光在不同折射率介質(zhì)中傳播速度不同，當(dāng)透鏡在非空氣介質(zhì)中工作時(shí)，使用光學(xué)仿真軟件進(jìn)一步優(yōu)化透鏡的理論焦點(diǎn)位置；φlo.lens表示對(duì)數(shù)透鏡的相位截面輪廓分布，根據(jù)光程差和相位差的關(guān)系將其轉(zhuǎn)換為子透鏡的高度截面輪廓hlo.lens，公式如下：
9、
10、最后，根據(jù)子透鏡數(shù)目n和相鄰?fù)哥R的彎曲角度即可確定整個(gè)曲面微透鏡陣列的表面輪廓高度信息；
11、步驟二：曲面微透鏡陣列的飛秒激光直寫制備；
12、具體步驟：首先，通過轉(zhuǎn)換程序?qū)⒉襟E一計(jì)算得到的曲面微透鏡陣列的表面輪廓高度信息轉(zhuǎn)換成加工系統(tǒng)可識(shí)別加工的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)；然后，清洗襯底基片并旋涂光學(xué)樹脂，形成厚度為w的光學(xué)樹脂薄層；準(zhǔn)備好的樣品片裝載到飛秒激光直寫加工系統(tǒng)中，進(jìn)行樣品對(duì)焦和調(diào)平；最后，將曲面微透鏡陣列轉(zhuǎn)換的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入到加工系統(tǒng)的上位機(jī)軟件中，開始逐點(diǎn)掃描加工，掃描完畢的樣品進(jìn)行顯影、干燥，制備得到曲面微透鏡陣列；
13、步驟三、曲面微透鏡陣列的裝配集成；
14、具體步驟：首先，將步驟二中制備得到的帶有曲面微透鏡陣列的基片切割成長寬相等的正方形，并保持曲面微透鏡陣列在切割后基片上的中心不變；然后，定制一個(gè)頂部帶通孔、側(cè)壁帶內(nèi)螺紋的機(jī)械轉(zhuǎn)接件，用于裝載曲面微透鏡陣列；定制一個(gè)帶外螺紋的機(jī)械轉(zhuǎn)接環(huán)固定在商用物鏡上，用于前述機(jī)械轉(zhuǎn)接件與商用物鏡的裝配；機(jī)械轉(zhuǎn)接件與機(jī)械轉(zhuǎn)接環(huán)配合，實(shí)現(xiàn)曲面微透鏡陣列和商用物鏡的安裝和對(duì)準(zhǔn)；其中，曲面微透鏡陣列和商用物鏡光軸的對(duì)準(zhǔn)在顯微鏡系統(tǒng)下完成，并使用光學(xué)樹脂進(jìn)行固定；曲面微透鏡陣列與商用顯微鏡物鏡出瞳的距離d通過裝配件的螺紋進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)；最終得到曲面微透鏡陣列與商用顯微鏡物鏡裝配集成的復(fù)合物鏡；
15、步驟四：快照式光場顯微鏡的制備與圖像標(biāo)定；
16、具體步驟：首先，步驟三中得到的復(fù)合物鏡安裝到商業(yè)顯微鏡上；然后，對(duì)顯微鏡成像系統(tǒng)進(jìn)行空間標(biāo)定，建立像空間到真實(shí)空間的映射關(guān)系，進(jìn)行圖像標(biāo)定后的顯微鏡可進(jìn)行大景深下的3d成像，最終得到大景深快照式光場顯微鏡。
17、進(jìn)一步地，步驟一中，所述的待集成商用物鏡的品牌包括olympus、zeiss、leica、nikon、bruker或motic，放大倍數(shù)范圍為4-100倍，視場直徑范圍為100μm-5mm，數(shù)值孔徑范圍為0.1-1.5，工作距離范圍為100μm-20mm；
18、步驟一中，所述的子透鏡半徑r范圍為5μm-1cm；所述的子透鏡焦點(diǎn)位置d1和d2的取值范圍為20μm-10mm；所述的透鏡材料折射率nl的取值范圍為1.3-3.0、工作環(huán)境折射率n0的取值范圍為1.0-2.3；所述的子透鏡工作中心波長λ范圍為350-1600nm；所述的曲面微透鏡陣列的子透鏡數(shù)目r范圍為7-2000個(gè)，相鄰?fù)哥R的彎曲角度范圍為0-45°。
19、進(jìn)一步地，步驟二中，所述的襯底基片的材質(zhì)為玻璃、石英、藍(lán)寶石或者其它各種可見或者近紅外波段的透明襯底材料；所述的襯底基片的長寬尺寸范圍為：5mm-10cm，厚度范圍為：50μm-2mm；
20、步驟二中，所述的光學(xué)樹脂可以是各種可以利用飛秒激光雙光子聚合加工的紫本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
1.一種大景深的快照式光場顯微鏡的制備方法，其特征在于，具體包括如下步驟：
2.如權(quán)利要求1所述的一種大景深的快照式光場顯微鏡的制備方法，其特征在于，步驟一中，所述的待集成商用物鏡的品牌包括Olympus、Zeiss、Leica、Nikon、Bruker或Motic，放大倍數(shù)范圍為4-100倍，視場直徑范圍為100μm-5mm，數(shù)值孔徑范圍為0.1-1.5，工作距離范圍為100μm-20mm；
3.如權(quán)利要求1所述的一種大景深的快照式光場顯微鏡的制備方法，其特征在于，步驟二中，所述的襯底基片的材質(zhì)為玻璃、石英、藍(lán)寶石或者其它各種可見或者近紅外波段的透明襯底材料；所述的襯底基片的長寬尺寸范圍為：5mm-10cm，厚度范圍為：50μm-2mm；
4.如權(quán)利要求1所述的一種大景深的快照式光場顯微鏡的制備方法，其特征在于，步驟二中，飛秒激光直寫加工系統(tǒng)中的飛秒激光中心波長為343-1030nm，脈沖寬度為50-300fs，重復(fù)頻率為1KHz-100MHz；加工物鏡的放大倍數(shù)4-100倍，數(shù)值孔徑0.1-1.5；激光加工功率為5-50mw，單點(diǎn)曝光時(shí)間為
5.如權(quán)利要求1所述的一種大景深的快照式光場顯微鏡的制備方法，其特征在于，步驟二中，旋涂光學(xué)樹脂后的樣品片根據(jù)樹脂的感光特性選擇是否前烘，前烘過程在熱臺(tái)上進(jìn)行，前烘后的樣品在空氣環(huán)境中自然冷卻備用；采用的前烘加熱儀器是恒溫加熱臺(tái)或恒溫加熱箱，前烘溫度范圍為50-150℃，前烘時(shí)間范圍為10min-3h。
6.如權(quán)利要求1所述的一種大景深的快照式光場顯微鏡的制備方法，其特征在于，步驟三中，切割后的正方形曲面微透鏡基板的長寬范圍為500μm-2cm；用于裝載曲面微透鏡陣列的機(jī)械轉(zhuǎn)接件的通孔直徑范圍為50μm-5mm，內(nèi)螺紋直徑范圍為20mm-60mm，長度范圍為1mm-50mm；機(jī)械轉(zhuǎn)接環(huán)的外螺紋直徑范圍為20mm-60mm，長度范圍為1mm-5mm；機(jī)械裝配件的材質(zhì)為鋁、鐵、銅、鋼。
7.如權(quán)利要求1所述的一種大景深的快照式光場顯微鏡的制備方法，其特征在于，步驟三中，所述的用于固定的光學(xué)樹脂包括：環(huán)氧樹脂SU-8、有機(jī)-無機(jī)雜化光刻膠IP-Dip、IP-S、IP-L、SZ2080或紫外光學(xué)固化膠NOA61、NOA63；
8.如權(quán)利要求1所述的一種大景深的快照式光場顯微鏡的制備方法，其特征在于，步驟四中，所述的商業(yè)顯微鏡包括Olympus、Zeiss、Leica、Nikon、Bruker、Motic的各個(gè)不同型號(hào)的透射式光學(xué)顯微鏡；
...【技術(shù)特征摘要】
1.一種大景深的快照式光場顯微鏡的制備方法，其特征在于，具體包括如下步驟：
2.如權(quán)利要求1所述的一種大景深的快照式光場顯微鏡的制備方法，其特征在于，步驟一中，所述的待集成商用物鏡的品牌包括olympus、zeiss、leica、nikon、bruker或motic，放大倍數(shù)范圍為4-100倍，視場直徑范圍為100μm-5mm，數(shù)值孔徑范圍為0.1-1.5，工作距離范圍為100μm-20mm；
3.如權(quán)利要求1所述的一種大景深的快照式光場顯微鏡的制備方法，其特征在于，步驟二中，所述的襯底基片的材質(zhì)為玻璃、石英、藍(lán)寶石或者其它各種可見或者近紅外波段的透明襯底材料；所述的襯底基片的長寬尺寸范圍為：5mm-10cm，厚度范圍為：50μm-2mm；
4.如權(quán)利要求1所述的一種大景深的快照式光場顯微鏡的制備方法，其特征在于，步驟二中，飛秒激光直寫加工系統(tǒng)中的飛秒激光中心波長為343-1030nm，脈沖寬度為50-300fs，重復(fù)頻率為1khz-100mhz；加工物鏡的放大倍數(shù)4-100倍，數(shù)值孔徑0.1-1.5；激光加工功率為5-50mw，單點(diǎn)曝光時(shí)間為20-5000μs；所述光刻膠顯影時(shí)間為10-150min。
5.如權(quán)利要求1所述的一種大景深的快照式光場顯微鏡的制備方...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：胡志勇，陳岐岱，田振男，孫洪波，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：吉林大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：
還沒有人留言評(píng)論。發(fā)表了對(duì)其他瀏覽者有用的留言會(huì)獲得科技券。