基于lcd液晶面板的可編程顯微鏡聚光鏡裝置及其成像方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于光學(xué)顯微成像技術(shù)，特別是一種基于LCD液晶面板的可編程顯微鏡聚 光鏡裝置及其多模式顯微成像方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 聚光鏡是光學(xué)顯微鏡中的一個(gè)重要組成部件，其功能是將顯微鏡光源所發(fā)出的光 集中到一個(gè)錐形的區(qū)域，并為整個(gè)顯微鏡的視野中的樣品提供均勻光強(qiáng)的照明。如圖1所 示，傳統(tǒng)聚光鏡一般具有兩個(gè)關(guān)鍵部分構(gòu)成，聚光透鏡（或透鏡組）與一個(gè)物理孔徑光闌 (李彌高，古成昌，羅小英.明/暗場(chǎng)正置金相顯微鏡照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].光學(xué)儀器，2010)。 透過聚光鏡的光形成一個(gè)倒錐形照射顯微鏡的樣品，該光錐的發(fā)散角由物理孔徑光闌所控 制。物理孔徑光闌一般是一個(gè)可伸縮的光圈，其可以通過機(jī)械調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)開大和縮小。物理 孔徑光闌開得越大，照明光錐的發(fā)散角越大?？讖焦怅@的尺寸與照明的空間相干性成反比， 影響著顯微鏡成像的分辨率、景深和對(duì)比度。對(duì)于一般的顯微鏡成像系統(tǒng)而言，要保證孔徑 光闌的尺寸打開到正確的位置，以使其數(shù)值孔徑與觀察所用物鏡數(shù)值孔徑相匹配。過大的 孔徑光闌會(huì)使得樣品得不到良好的對(duì)比度，而過小的孔徑光闌則不足以提供最優(yōu)的成像分 辨率。
[0003] 因此，現(xiàn)有聚光鏡中唯一可調(diào)的部分就是其物理孔徑光闌的尺寸，即通過調(diào)節(jié)聚 光鏡孔徑光闌的尺寸，所以只能夠改變照明光錐的發(fā)散角，而無法控制光線的強(qiáng)弱、色彩、 色溫。這導(dǎo)致現(xiàn)有顯微鏡往往需要在光路中插入一系列光學(xué)濾色片，如減光片、彩色濾光 片、色溫校正濾光片等等。此外物理孔徑光闌僅僅能實(shí)現(xiàn)漲大或者縮小，無法產(chǎn)生更為復(fù)雜 的圖案控制。然而，現(xiàn)代顯微鏡系統(tǒng)往往伴隨有多種顯微成像模式，如明場(chǎng)成像、暗場(chǎng)成像 和相襯成像，偏光成像等等，這些成像方式需要顯微鏡的光源提供更加靈活多變的控制。所 以，現(xiàn)有的高端聚光鏡都做成了塔式結(jié)構(gòu)，里面需增設(shè)很多的可調(diào)附件，如暗場(chǎng)環(huán)遮光板、 相襯環(huán)遮光板、偏振片等等。特別是暗場(chǎng)環(huán)遮光板與相襯環(huán)遮光板，這些元件都需要與每 個(gè)物鏡單獨(dú)匹配，如果系統(tǒng)中有4個(gè)不同倍率的物鏡，則需要分別配備四種不同尺寸的遮 光板與之相配。顯然，這使得聚光鏡的結(jié)構(gòu)變得日益復(fù)雜，元件數(shù)目越來越多，成本也隨之 越來越高。這種復(fù)雜的聚光鏡結(jié)構(gòu)一般需要熟練的顯微鏡工作者進(jìn)行操作，并需要針對(duì)標(biāo) 本的差異和物鏡的不同進(jìn)行實(shí)踐、校正（劉金，解玉蘭.柯拉照明在顯微鏡調(diào)節(jié)中的應(yīng)用 [J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2006,（2) : 117-118.)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種基于LCD液晶面板的可編程顯微鏡聚光鏡裝置及其 多模式顯微成像方法，在一臺(tái)顯微鏡之中實(shí)現(xiàn)相襯、偏光、光場(chǎng)及光學(xué)染色顯微成像。
[0005] 實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：一種基于LCD液晶面板的可編程顯微鏡聚光 鏡裝置，包括LCD液晶面板、聚光透鏡或透鏡組，其中LCD液晶面板放置于聚光透鏡或透鏡 組的前焦面上。
[0006] -種基于IXD液晶面板的可編程顯微成像方法，包括IXD液晶面板、聚光透鏡或透 鏡組，其中LCD液晶面板放置于聚光透鏡或透鏡組的前焦面上，該聚光透鏡或透鏡組放置 在顯微鏡成像系統(tǒng)的樣品載物臺(tái)下方或者上方，從而實(shí)現(xiàn)顯微成像、偏光顯微成像、光場(chǎng)顯 微成像以及光學(xué)染色多模式顯微成像。
[0007] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)：（1)可通過編程實(shí)現(xiàn)照明孔徑圖案、孔徑光 闌尺寸等的靈活可調(diào)。（2)若采用的LCD液晶面板為彩色液晶面板，其還可以實(shí)現(xiàn)照明光 色彩的靈活可調(diào)，無需任何機(jī)械移動(dòng)裝置與附加元件。（3)出射光束本身是線偏振光，采 用可編程LCD液晶面板實(shí)現(xiàn)對(duì)聚光鏡孔徑光闌的透射光強(qiáng)與波長(zhǎng)進(jìn)行調(diào)制，通過在LCD液 晶面板上顯示制定圖案，即可實(shí)現(xiàn)采用傳統(tǒng)物理孔徑光闌無法實(shí)現(xiàn)或者難以實(shí)現(xiàn)的顯微功 能，方便快捷地實(shí)現(xiàn)多模式顯微成像，如明場(chǎng)、暗場(chǎng)、相襯成像、偏光成像、光學(xué)染色成像等， 使這些功能集成于一臺(tái)顯微鏡之中，從而大大增加了顯微鏡的靈活性，實(shí)現(xiàn)了其功能的多 樣化。
[0008] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
【附圖說明】
[0009] 圖1是傳統(tǒng)聚光鏡原理圖。
[0010] 圖2是本發(fā)明基于IXD液晶面板的可編程顯微鏡聚光鏡裝置原理圖。
[0011] 圖3是基于TFT原理所實(shí)現(xiàn)的彩色I(xiàn)XD液晶面板的像素結(jié)構(gòu)圖。
[0012] 圖4是IXD液晶面板中每個(gè)像素點(diǎn)的坐標(biāo)系不意圖。
[0013] 圖5是相襯顯微成像方法中LCD液晶面板所需顯示的指定圖案，其中虛線部分代 表的是顯微物鏡的數(shù)值孔徑區(qū)域NA cib,。
[0014] 圖6是偏光顯微成像方法中LCD液晶面板或所需顯示的指定圖案，圓形區(qū)域的圓 心像素位置坐標(biāo)為（P x，Py)，半徑為R。其中虛線部分代表的是顯微物鏡的數(shù)值孔徑區(qū)域 NAob j 〇
[0015] 圖7是光場(chǎng)顯微成像方法中LCD液晶面板所需顯示的指定圖案與坐標(biāo)系示意圖， 其中虛線部分代表的是顯微物鏡的數(shù)值孔徑區(qū)域NA cib,。
[0016] 圖8是明場(chǎng)光學(xué)染色顯微成像方法中LCD液晶面板所需顯示的指定圖案，其中虛 線部分代表的是顯微物鏡的數(shù)值孔徑區(qū)域NA cib,。
[0017] 圖9 (a)是暗場(chǎng)光學(xué)染色顯微成像方法中LCD液晶面板所需顯示的指定圖案1 (單 色），其中虛線部分代表的是顯微物鏡的數(shù)值孔徑區(qū)域NAcib,。
[0018] 圖9 (b)是暗場(chǎng)光學(xué)染色顯微成像方法中LCD液晶面板所需顯示的指定圖案2 ( - 個(gè)包含赤橙黃綠青藍(lán)紫所有色彩的彩色圓環(huán)），其中虛線部分代表的是顯微物鏡的數(shù)值孔 徑區(qū)域NAcibjt3
[0019] 圖10是明場(chǎng)暗場(chǎng)復(fù)合光學(xué)染色顯微成像方法中LCD液晶面板所需顯示的指定圖 案，其中虛線部分代表的是顯微物鏡的數(shù)值孔徑區(qū)域NA cib,。
[0020] 圖11 (a)是差分光學(xué)染色顯微成像方法中IXD液晶面板所需顯示的指定圖案1 (2 段編碼），其中虛線部分代表的是顯微物鏡的數(shù)值孔徑區(qū)域NAcib,。
[0021] 圖11(b)是差分光學(xué)染色顯微成像方法中IXD液晶面板所需顯示的指定圖案2(4 段編碼），其中虛線部分代表的是顯微物鏡的數(shù)值孔徑區(qū)域NAcib,。
[0022] 圖12(a)是相襯光學(xué)染色顯微成像方法中LCD液晶面板所需顯示的指定圖案 1 (單色），其中虛線部分代表的是顯微物鏡的數(shù)值孔徑區(qū)域NAcib,。
[0023] 圖12(b)是相襯光學(xué)染色顯微成像方法中IXD液晶面板所需顯示的指定圖案 2 ( -個(gè)包含赤橙黃綠青藍(lán)紫所有色彩的彩色圓環(huán)），其中虛線部分代表的是顯微物鏡的數(shù) 值孔徑區(qū)域NAcib,。
[0024] 圖13 (a)是傳統(tǒng)明場(chǎng)光學(xué)顯微鏡拍攝到的衍射光學(xué)元件樣品的圖像。
[0025] 圖13(b)是采用本發(fā)明明場(chǎng)暗場(chǎng)復(fù)合光學(xué)染色顯微成像方法拍攝到的衍射光學(xué) 元件樣品的圖像。
[0026] 圖13(c)是采用本發(fā)明差分光學(xué)染色顯微成像方法拍攝到的衍射光學(xué)元件樣品 的圖像。
[0027] 圖13(d)是采用本發(fā)明差分光學(xué)染色顯微成像方法拍攝到的衍射光學(xué)元件樣品 的另一組圖像。
【具體實(shí)施方式】
[0028] 結(jié)合圖2,本發(fā)明基于IXD液晶面板的可編程顯微鏡聚光鏡裝置1用于為顯微鏡成 像系統(tǒng)2提供均勻光強(qiáng)的照明，其中該基于LCD液晶面板的可編程顯微鏡聚光鏡裝置1包 括IXD液晶面板3、聚光透鏡或透鏡組4, IXD液晶面板3放置于聚光透鏡或透鏡組4的前焦 面上。顯微鏡成像系統(tǒng)2包括樣品載物臺(tái)5、顯微物鏡6、鏡筒透鏡7、以及相機(jī)8,其中透射 過樣品載物臺(tái)5的光被顯微物鏡6收集，并經(jīng)過鏡筒透鏡7放大后成像在相機(jī)8的圖像平 面?；贚CD液晶面板的可編程顯微鏡聚光鏡裝置1 一般放置在樣品載物臺(tái)5的下方（對(duì) 于倒置顯微鏡，則整個(gè)光路相反，即基于LCD液晶面板的可編程顯微鏡聚光鏡裝置1置于在 樣品載物臺(tái)5的上方）。
[0029] IXD液晶面板3是作為一種透射型空間光調(diào)制器來使用的。IXD液晶面板3尺寸 要能盡可能覆蓋聚光透鏡或透鏡組4前焦面的所有有效區(qū)域，像素分辨率越高越好，像素 尺寸越小越好。目前典型值為面板尺寸2-4. 3寸，像素分辨率IOX 10至480 X 272,像素尺 寸從20微米至10毫米不等。
[0030] 結(jié)合圖3, LCD液晶面板3是基于TFT結(jié)構(gòu)的，TFT(Thin Film Transistor)是指 薄膜晶體管，意即每個(gè)液晶像素點(diǎn)都是由集成在像素點(diǎn)后面的薄膜晶體管來驅(qū)動(dòng)，從而可 以做到高速度、高亮度、高對(duì)比度空間光調(diào)制。LCD液晶面板3中每個(gè)液晶像素點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖 3,其結(jié)構(gòu)自下而上包括偏振片（水平方向）、TFT陣列（采用薄膜晶體管所構(gòu)成的面陣列）、 濾色片（包括紅綠藍(lán)三色），偏振片（垂直方向）。其基本原理為：