一种层析光栅色散校正系统及方法

技术领域

本发明涉及衍射光学领域，具体涉及一种层析光栅色散校正系统及方法。

背景技术

采用层析光栅进行显微层析成像能实时得到样本多层的图像信息，但这种方式基于光栅方程，不同波长的入射光经过光栅后会有不同的衍射角，导致色差的产生。目前在层析光栅色差校正方面有两种色差校正方法：

一种是采用带通滤光片进行波段选择，这种方法的优点是消色差效果明显，操作简单，且对成像光路几乎无影响，在系统中的安放位置较灵活。缺点则是通过带通滤光片的光实际上是一个波段相对较窄的光束，并不是单波长的光束，本身还是有色差残留；另一个缺点是这种方法得到的输出光能量非常低，大倍率显微观察下系统的能量本身就很低，加上滤光片会对光源提出更高的要求。

另一种方法是采用棱栅进行色差校正，棱栅是由棱镜和光栅组成。在进行层析光栅色差校正时需要两个棱栅组成棱栅对，并将棱栅对置于平行光路中。棱栅对的作用是将平行光进行预色散，人为制造了一些色差，再将预色散的光经过层析光栅，通过匹配层析光栅和预色散的参数，实现利用层析光栅的色散补偿棱栅对的预色散。这种方法的优点是保留了各个波长的光，出射光能量没有较大的损失；缺点则是这种方法光路要求非常精密，层析光栅的参数、棱栅对的参数、棱栅对和层析光栅在光路中的相对位置都有非常严格的要求，轻微的误差会严重影响色差校正效果，实际装调过程中一定会有残余色差存在。

发明内容

针对上述情况，本专利发明了一种减小层析光栅色散系统及方法，该方法相比于滤光片、棱栅等色差校正方法具有光通量大、装调便捷的优点。

一种层析光栅色散校正系统，所述系统包括显微物镜、层析光栅、平面直条纹闪耀光栅、筒镜和CCD相机；层析光栅置于显微物镜的孔径光阑处，在层析光栅后方放置平面直条纹闪耀光栅，在平面直条纹闪耀光栅后方放置筒镜，在筒镜后方放置CCD相机；保证入射到平面直条纹闪耀光栅上的光束无交叠，保证筒镜、闪耀光栅和CCD相机组成的是像方远心光路。

进一步，所述保证入射到平面直条纹闪耀光栅上的光束无交叠为：在层析光栅后方距离为L处放置平面直条纹闪耀光栅，L的取值需要满足使层析光栅0级衍射光的边缘正视场和-1级衍射光的边缘负视场在平面直条纹闪耀光栅上没有交叠。

进一步，L的计算公式为：

进一步，保证筒镜、闪耀光栅和CCD相机组成的是像方远心光路的方法为：平面直条纹闪耀光栅与筒镜之间的距离和筒镜与CCD相机之间的距离相等，均为筒镜的焦距。

进一步，选择焦距为显微物镜十倍的筒镜。

进一步，使用周期大于层析光栅10％-30％的平面直条纹闪耀光栅，并且根据实际需要确定平面直条纹闪耀光栅周期具体数值。

一种层析光栅色散校正方法，所述色散校正方法使用如权利要求1-6任一项所述的色散矫正系统，所述方法具体为：不同波长的入射光由显微物镜进入层析光栅，在层析光栅上发生衍射，-1和+1级衍射光入射到平面直条纹闪耀光栅的+1和-1极上，0级衍射光直接透过平面直条纹闪耀光栅，平面直条纹闪耀光栅将不同衍射角度的平行光校正为相同衍射角的平行光，经过筒镜的放大后投射到CCD相机上。

本发明的有益效果为：该系统及方法成功减小了层析系统的色差，相比于用滤光片消除色差的方法，这种用平面直条纹闪耀光栅校正光栅色差的方法输出光通量要高。筒镜、平面直条纹闪耀光栅、CCD相机组成的是像方远心光路，景深较大，轻微的调焦误差不会影响像面上图像的清晰度。

附图说明

图1为入射到平面直条纹闪耀光栅上的光束无交叠时示意图；

图2为三个衍射级次的像彼此重合时示意图；

图3为三个衍射级次的像彼此分开时示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

1.本实施例提供一种层析光栅色散校正系统，所述系统包括显微物镜、层析光栅、平面直条纹闪耀光栅、筒镜和CCD相机；层析光栅置于显微物镜的孔径光阑处，在层析光栅后方放置平面直条纹闪耀光栅，在平面直条纹闪耀光栅后方放置筒镜，在筒镜后方放置CCD相机；保证入射到平面直条纹闪耀光栅上的光束无交叠，保证筒镜、闪耀光栅和CCD相机组成的是像方远心光路。

保证入射到平面直条纹闪耀光栅上的光束如图1所示无交叠需要在层析光栅后方距离为L处放置平面直条纹闪耀光栅，L的取值需要满足使层析光栅0级衍射光的边缘正视场和-1级衍射光的边缘负视场在平面直条纹闪耀光栅上没有交叠。

L的计算公式为：

所述d、l、f、Φ和λ均为已知量。本实施例中，选择中心周期和中心波长分别为33μm和0.58μm的层析光栅，线视场、物镜焦距和入射光束直径分别为0.5mm、18mm和7.3mm的显微镜，显微镜的放大倍率为10倍。

通过上述公式可以计算出层析光栅边缘视场一级色散角θ取10.02°，距离L取80mm。

进一步，保证筒镜、闪耀光栅和CCD相机组成的是像方远心光路的方法为：平面直条纹闪耀光栅与筒镜之间的距离和筒镜与CCD相机之间的距离相等，均为筒镜的焦距。

平面直条纹闪耀光栅分为上、中、下三部分，上下两部分为相同中心周期的闪耀光栅，但闪耀的级次分别为+1和-1，分别对应层析光栅的-1和+1衍射级，中间部分无光栅条纹，光线直接透过，采用这样一一对应的方式可以将不同衍射角度的平行光校正为相同衍射角的平行光。

色差的起因是不同波长衍射角有差异，本实施例提供的方法将具有色差的平行光校正为相同衍射角的平行光，消除了因光栅衍射带来的色差问题。后方镜组采用像方远心结构，在距离平面直条纹闪耀光栅后方f′的位置放置焦距为f′的筒镜，并在筒镜后方f′的位置放置CCD相机，因为显微镜取放大倍率为10倍，所以最后取焦距为180mm的筒镜。采用像方远心结构能很好的和前方物镜组成变倍率的双远心结构，实现显微放大的同时实现消色差的功能。

本实施例的系统虽然能消色差，但是会将三个衍射级次的像彼此重合，在CCD相机上汇聚为一个点，如图2所示，会湮没系统的层析功能，鉴于此可以微微变化平面直条纹闪耀光栅的光栅周期，使其略大于层析光栅的中心周期33μm的10％-30％，这里调整为40μm，让三个衍射级次的像彼此分开，如图3所示，最后像面不同颜色的光束无重合部分减小层析光栅色差的同时还原系统的层析功能。

对本实施例进行验证可知，系统色差减小了一半(未校正色差前三个波长光斑距离为5629mm，校正色差后三个波长光斑距离为2221mm，减小了60％)。相比于用滤光片消除色差的方法，这种用平面直条纹闪耀光栅校正光栅色差的方法输出光通量要高。筒镜、平面直条纹闪耀光栅、CCD相机组成的是像方远心光路，景深较大，轻微的调焦误差(平面直条纹闪耀光栅闪耀光栅和筒镜的距离)不会影响像面上图像的清晰度。

本实施例还提供一种层析光栅色散校正方法，所述色散校正方法使用本实施例提供的色散矫正系统，所述方法具体为：不同波长的入射光由显微物镜进入层析光栅，在层析光栅上发生衍射，-1和+1级衍射光入射到平面直条纹闪耀光栅的+1和-1极上，0级衍射光直接透过平面直条纹闪耀光栅，平面直条纹闪耀光栅将不同衍射角度的平行光校正为相同衍射角的平行光，经过筒镜的放大后投射到CCD相机上。