[發明專利]一種基于消球差的超構透鏡的層析成像方法

有效

• 申請號: 201811431104.2
• 申請日: 2018-11-28
• 公開（公告）號: CN109752842B
• 公開（公告）日: 2021-04-27
• 發明（設計）人: 李濤;陳晨;祝世寧
• 申請（專利權）人: 南京大學
• 主分類號: G02B27/00
• 分類號: G02B27/00;G02B3/00;G01N21/17;G01N21/01
• 代理公司: 北京勁創知識產權代理事務所(普通合伙) 11589
• 代理人: 張鐵蘭

本發明公開了基于消球差的超構透鏡的層析成像方法，即基于超構消球差透鏡利用波長編碼的層析成像技術，基于(1)光源探頭，(2)消球差的超構透鏡；(3)線偏振片和(4)四分之一波片可作為輔助光學元件插入成像系統中用于直接提高信噪比，設有感光器(5)置于成像面上用于接受圖像；通過相對連續的不同波長的照射，獲取波長編碼的像面信息，再通過相應算法處理得到物體的層析圖像信息。本發明采用超構表面的設計原理，利用相位實現對色差的調控和球差的矯正。

技術領域

本發明屬于層析成像的技術領域，涉及到一種基于超薄體積的消球差的大色差超構透鏡的新方法。

背景技術

層析成像技術在生物醫學研究中有著不可或缺的作用。層析成像是一種獲取生物體的斷層信息，觀測其內部三維結構的技術手段。目前主流的層析成像技術包括X射線計算機層析成像、核磁共振成像、超聲層析成像、光學投影層析成像、激光掃描共聚焦顯微術、光學相干層析成像、單光子發射層析成像和正電子發射層析成像等。

其中，光學層析成像相較其它類型的層析成像而言，具有對組織的干擾度小，分辨水平高、可離體或活體實時成像等優點。光學投影層析成像是根據某一斷層在不同角度下投影的數據通過算法重建出此斷層的二維圖像，再將所有斷層匯總疊加得到整體的三維結構。分辨率達微米量級，成像深度達到毫米量級。激光掃描共聚焦顯微術是在傳統光學顯微鏡的基礎上，利用共軛聚焦原理，通過不同的調焦深度，獲取樣品不同深度的光學切片圖樣。光學相干層析成像是將低相干干涉儀和激光掃描共聚焦顯微術結合的一種層析技術。分辨率達微米量級，探測深度也遠超傳統共聚焦顯微鏡，對于透明組織，可達厘米量級。光學相干層析成像是一種前景廣闊的高分辨無損實時成像技術，但是其利用的是共聚焦技術逐點掃描成像，成像速度受到制約，機械移動的成像方法也不利于穩定的光學系統的集成。

超構表面是通過一薄層亞波長結構單元去局域地調控光場的光學設計。超構透鏡就是其中一種典型的超構表面器件應用。關于超構透鏡的研究各大科學自然雜志一直在持續不斷地報導，包括分辨率，數值孔徑，色差，像差等方面。2016年6月的Science封面文章(Science 352,1190(2016))就是報導的哈佛大學研究組做出的在可見光波段實現亞波長分辨成像的超構透鏡。而關于超構透鏡的色差部分，國際上各研究組都致力于消色差的研究，對于如何有效得利用色差還鮮有提及。而關于超構透鏡的顯微成像過程的球差問題在這兒之前也未曾得到解決。

發明內容

本發明目的是，提出一種基于消球差的超構透鏡利用波長編碼的層析成像方法，通過引入超構表面設計原理，利用不同波長透過消球差的超構透鏡產生的不同切面的像進行數據處理，為實現層析成像提供了新方法。

本發明的技術方案是，一種基于消球差的超構透鏡的層析成像方法，即基于超構消球差透鏡利用波長編碼的層析成像技術，基于(1)光源探頭，(2)消球差的超構透鏡；(3)線偏振片和(4)四分之一波片可作為輔助光學元件插入成像系統中用于直接提高信噪比，設有感光器(5)置于成像面上用于接受圖像；通過相對連續的不同波長的照射，獲取波長編碼的像面信息，再通過相應算法處理得到物體的層析圖像信息。本發明采用超構表面的設計原理，利用相位實現對色差的調控和球差的矯正。根據超構透鏡的極大的色差效應，我們進一步設計了消球差的超構色差透鏡的相位分布：

其中，f表示焦距，s表示物距，R代表到中心的徑向距離，λ為中心波長。

以4f的成像過程為例，即物距s選取為2f，則相位分布具體變為：

相對一般無消球差設計的超構透鏡來說，這類相位分布的引入極大得改善了像的質量，在設計的成像范圍內達到了球差的完全消除。

所述的消球差超構透鏡包含針對任意物距或像距的設計。

所述的消球差超構透鏡包含平面、曲面、多個面組合，陣列或交叉拼接的用于擴大視場的設計。