CN108345098A - 一种光场显微转换模块 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光学显微镜技术领域，具体为光学显微镜的光场显微转换模块。其由硬件和软件两部分组成，硬件包括伸缩镜筒、微透镜阵列以及两端的与显微镜和感光元件的接口；可伸缩镜筒设置有成像光路，用于对显微镜成像的放大；微透镜阵列由一系列规则排布的小尺寸透镜组成，其尺度为到毫米和亚毫米级别，显微镜光路经过伸缩镜筒中的成像光路放大后，再次成像，形成一系列子图像，由于微透镜阵列中每个子透镜空间位置的不同，实现对光线的重新编码；感光元件和计算机信息传输，将采集到的光场信息传输到计算机中，通过软件部分实现高精度的三维模型重构。本发明可以显著提高显微镜的观测景深，对于观测一些大厚度的活体细胞或者组织有着明显的优势。
Description
技术领域
本发明属于光学显微镜技术领域，具体涉及光学显微镜的光场显微转换模块。
背景技术
传统的光学显微镜可以实现对一些微细结构的高分辨率观测，但是受制于光学***的限制，存在着一些原理层面上的矛盾。例如，随着物镜放大倍数的提高，数值孔径会越来越大，同时工作距离则越来越短，这样就会导致显微镜景深的进一步缩小。在观测一些复杂，或者是一些比较厚并且不便做切片样品的时候，例如小鼠的大脑样品和一些活体样品，传统的光学显微镜由于景深的限制，不能同时清楚观测不同厚度位置的样品信息。光场显微镜可以通过对光线的重新编码，实现景深的呈倍数的增长，同时还能保持一定的空间分辨率，是现在显微技术发展的趋势，通过在成像感光元件和物镜之间添加一个可以实现对光线重新编码的元器件，这种元器件可以是小孔，微透镜阵列或者是光学掩膜，实现对进入感光元件光线的重新编码，经过后期的计算机处理，即可得到观测样品的三维精确重建模型。
例如，2006年Levoy提出了基于光场技术的光场显微概念，通过在传统的显微镜中添加一块微透镜阵列，根据光场渲染概念，在一段空间中，任何光线的强度还有方向可以通过两个平面来确定，如图1所示，也就是所谓的四维光场函数。通过计算机后期处理，可以根据光场理论还原出该空间范围内任何平面的图像信息。
目前市场中存在着大量传统光学显微镜，如何能够在不更改显微镜本身结构的情况下对设备进行升级是目前亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种光场显微转换模块，用于将传统的光学显微镜转化为光场显微镜。光场显微镜可以显著提高显微镜的观测景深，对于观测一些大厚度的活体细胞或者组织有着明显的优势。
本发明提供的光场显微转换模块，由硬件和软件两部分组成，硬件部分如图2所示，包括依次连接组合的五个部分：与显微镜的接口部分1，镜筒伸缩部分2，微透镜阵列的夹持部分3，微透镜阵列4与感光元件的接口部分5。其中，所述与显微镜的接口部分1用于与现有显微物镜连接；所述镜筒伸缩部分2为一可伸缩镜筒，其中设置有一个成像光路，用于对显微镜成像的放大；所述微透镜阵列的夹持部分3用于夹持微透镜阵列；所述微透镜阵列由一系列规则排布的小尺寸透镜组成；一般情况，其尺度为到毫米和亚毫米级别，显微镜光路经过伸缩镜筒2中的成像光路放大后，可以再次成像，形成一系列子图像，由于微透镜阵列中每个子透镜空间位置的不同，可以实现对光线的重新编码；所述与感光元件的接口部分5用于与感光元件6连接；所述感光元件可以用于和计算机信息传输，将采集到的光场信息传输到计算机中，通过软件部分实现高精度的三维模型重构。
所述软件部分，集成在计算机中，软件主要功能是对重新编码光线的进行重新排布，实现对三维模型的精确重建。其具体流程：子图像分割、图像重叠部分计算和图像还原。如图3所示，感光元件采集到的信息如图3中（1）中所示，为一系列规则排布的图像构成，图中每个黑点代表一个像素点，每4×4的代表一个子透镜形成的子图像（图像中像素点数量依实际情况而定，这里以4×4为例），如图3中（2)所示软件部分可以识别出每个子图像以及子图像中处于同样相对空间位置的像素点，其中不同位置的像素点意味着不同视角观察的图像，如图（3）中（3）所示，计算机通过去除重叠部分的图像，然后将图像进行拼接，就可以还原得到某一个视角的图像，将多个视角图像合成就可得到被观测样品的三维模型。
本发明的基本思路是将光场显微镜的功能模块化，形成一个可将传统光学显微镜转化为光场显微镜的模块，模块包含了硬件和软件两个部分。硬件部分由上述的五个模块组成，主要功能是实现了对光场数据的采集，软件部分主要是实现对采集到的光场数据的处理，得到需要重构的三维模型。
对现有显微镜的改进方式是将传统的光学显微镜外接本模块，使得传统显微镜可以实现对光场信息的采集，通过计算机和软件部分实现对样品的三维模型的重建。本发明可以显著提高显微镜的观测景深，对于观测一些大厚度的活体细胞或者组织有着明显的优势。
附图说明
图1是光场渲染理论的四维光场图示。
图2是本发明光场显微镜转换模块硬件结构图示。
图3是本发明光场显微镜转换模块软件流程图。
图4是配合光场模块的传统显微镜***结构图示。
图中标号：1为本发明模块与显微镜的接口部分，2为镜筒伸缩部分，3为微透镜阵列的夹持部分，4为与感光元件的接口部分，5为感光元件；6为传统的显微物镜，7为光场转换模块，8为计算机处理***。
具体实施方式
图4中是使用了光场显微镜转换模块的的***示意图。***中包含一个传统的显微物镜6，一个光场转换模块7、一个微透镜阵列9、一个感光元件5以及一套计算机处理***8。
样品经过透射光或者是反射光后，经过显微物镜成像在一次像面处。添加的光场显微镜转换模块中主要包含两个部分，一个成像光路和一个微透镜阵列。其中成像物镜可以对显微镜成像进一步放大，微透镜阵列则可以对成像光线进行重新编码，从而使感光元件可以采集到样品的光场信息。经过计算机后期处理还原，可以得到观测样品的三维模型。
本发明具有以下优点：
1.对传统显微镜的原本光路并未进行更改；
2.便于实现改进，通过重新更改模块的与感光元件的接口和与显微镜的接口便可以适用于大多数的显微镜；
3.技术方案可拓展通用，除可以实现光场显微镜模块外，还可以对传统相机改进为光场相机等类似应用。
综上所述，本发明利用集成化的镜组模块，在不更改显微镜本身结构的情况下，将传统显微镜转换为光场显微镜，可以提升传统显微镜的景深和可视角度。
Claims (2)
1.一种光场显微转换模块，由硬件和软件两部分组成，其特征在于，硬件部分包括依次连接组合的五个部分：与显微镜的接口部分（1），镜筒伸缩部分（2），微透镜阵列的夹持部分（3），微透镜阵列（4）与感光元件的接口部分（5）；其中，所述与显微镜的接口部分（1）用于与现有显微物镜连接；所述镜筒伸缩部分（2）为一可伸缩镜筒，其中设置有一个成像光路，用于对显微镜成像的放大；所述微透镜阵列的夹持部分（3）用于夹持微透镜阵列；所述微透镜阵列由一系列规则排布的小尺寸透镜组成，其尺度为到毫米和亚毫米级别，显微镜光路经过伸缩镜筒（2）中的成像光路放大后，再次成像，形成一系列子图像，由于微透镜阵列中每个子透镜空间位置的不同，实现对光线的重新编码；所述与感光元件的接口部分（5）用于与感光元件（6）连接；所述感光元件用于和计算机信息传输，将采集到的光场信息传输到计算机中，通过软件部分实现高精度的三维模型重构。
2.根据权利要求1所述的光场显微转换模块，其特征在于，所述软件部分，集成在计算机中，软件主要功能是对重新编码光线的进行重新排布，实现对三维模型的精确重建；其具体流程为：子图像分割、图像重叠部分计算和图像还原；感光元件采集到的信息为一系列规则排布的图像；软件部分识别出每个子图像以及子图像中处于同样相对空间位置的像素点，其中不同位置的像素点意味着不同视角观察的图像；计算机通过去除重叠部分的图像，然后将图像进行拼接，还原得到某一个视角的图像；将多个视角图像合成，即得到被观测样品的三维模型。
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