CN105629451A - 一种高分辨率便携式显微镜系统及其测量方法 - Google Patents

Abstract

一种高分辨率手机显微镜系统，属于生物医学诊断和海洋环境监测领域。其技术要点在于设计一种高分辨率、便携式、微型化的手机显微镜系统，通过操作简单的螺旋式套筒结构方便快捷实现粗、细调焦，获得的图像可以在服务器端做进一步的分析和处理。系统可以被广泛应用于生物医学中人体致病菌诊断和海洋环境微生物及海洋溢油、漏油的监测。本发明克服了传统光学显微镜平台过于庞大，操作复杂，分辨率低等缺陷，具有分辨率高、操作简单以及视场范围大等优点，具有较好的应用前景。

Description

一种高分辨率便携式显微镜系统及其测量方法

技术领域

本发明属于生物医学诊断和海洋环境监测领域，涉及一种应用于微生物、致病菌及海洋环境相关参量的测量系统及测量方法，具体地说是一种便携式的高分辨率显微镜系统和测量方法。

背景技术

显微镜是生物医学诊断和海洋环境监测中最常用、最高效的检测仪器。然而由于其较为庞大的尺寸以及高昂的造价，显微镜的应用领域和使用环境一直受局限。在生物医学领域，尤其在偏远山区和不发达地区，常见的疾病检测，如导致人腹泻的水生寄生虫、大肠杆菌，导致血液疾病的血丝虫，以及蚊虫叮咬所造成的疟疾等，由于医疗条件所限，这些疾病的检测成为一个令人困扰的问题，导致这些疾病的发病率逐年攀升，且病死率也居高不下；在海洋环境监测领域，存在着海洋环境微生物，溢油及检测效率较低，成本高昂的问题，需远程采集样本后再带回实验室才能检测的弊端，远洋科考有着实际的检测需求等。这些实际问题促使医学界寻找更适用于这些监测环境的低成本、便携式且高分辨率的检测仪器。目前为止还没有比较权威的产品出现，国外对这类便携式显微镜的研究仍处于实验室研究阶段，而在国内，对本领域的研究还处于初始阶段，各方面都还有很大的提升空间。

根据这类检测需求，国外目前采用的检测方式主要分无透镜式显微镜和有透镜式显微镜两类。国外研究团队研制的基于普通光学显微镜平台手机显微镜结构大多实现了便携、图像远程无线传输等功能，然而在提高分辨率、大视场等方面仍然存在一定缺陷。

发明内容

本发明针对上述显微镜存在的不足，提供一种结构简单，分辨率高，观测视场大，可实现观测图像无线传输的高分辨率便携式显微镜系统，包括调焦螺旋式套筒、透镜组和锥形光纤探头模块，CMOS成像模块以及个人电脑；对样本进行前期处理准备后，放置于锥形光纤阵列入射面，上下旋转螺旋式套筒进行调焦，观察电脑端图像显示界面，待图像清晰后停止调节调焦套筒。

本发明包括两个部分：1、一种适用于安装在手机摄像头端的成像装置，该装置包括可拆卸的光学模块与手机两部分，其中可拆卸的光学模块由外壳和光学组件组成，外壳由调焦螺旋式套筒，纽扣电池盒，光锥调焦螺栓组成，光学组件由辅助LED光源，进行光学耦合的第一级图像放大光传输器件和用于二次图像放大的光传输器件，锥形光纤阵列(简称光锥)组成；

2、一种基于手机设备的图像增强与处理系统。其包括除用于图像获取的手机显微镜系统中的所述部件外，还包括在手机设备上执行的编程以用于对所述部件获得的图像进行增强操作。

有益效果：

1、本发明的系统及方法可以操作简单的方式用于生物医学领域人体致病菌诊断、海洋环境微生物及溢油检测，对于普通粉末类样本及海水样本可以直接放置于锥形光纤阵列入射面进行测试，不需要特殊处理，操作简单，不需要专业化操作，可以输出高分辨率图像。从实验测试结果上看，分辨率可以达到亚微米级，便携化，简单的操作使用体验，决定了其广阔的使用前景和价值。

2、本发明体积较小，可以基本达到普通光学显微镜平台的放大作用及功能，然而体积只有其四分之一，根据光锥放大倍数的不同，可以通过调节光学透镜组放大倍数与光锥的参数，实现几百倍左右的放大倍数。可以与智能手机组成手机显微镜系统，也可直接结合普通光学显微镜目镜进行实验检测，。

附图说明

图1示出了本发明的系统结构图。

图2示出了图像增强步骤的流程图。

图示：

图1中

A、手机成像端B、可拆卸的成像装置

M、第一级光传输器件N、第二级光传输器件0、第三级光传输器件

1.智能手机、2.上级调焦套筒、3.微调螺栓、4.物镜套筒、5.光锥、6.样本、7.聚光透镜、8.聚光透镜、9.LED、10.纽扣电池、11.滤光片、12.下级调焦套筒、13.手机摄像头、14.光锥调节螺栓

图2中

A、手机客户端界面B、服务器端执行的操作

具体实施方式

图1示出了用于本发明的一种便携式的高分辨率手机显微镜系统透视图，其中，手机设备为诺基亚Lumia1020，而用于成像装置的手机设备可以是任意类型的自带摄像头模块智能手机设备。图B部分为手机固定模块，使用可伸缩支架，用于固定具有摄像头模块的智能手机，图A部分为可拆卸的成像装置，用于对检测样本进行初级放大及图像校正。

图1中M模块示出了用于图像增强成像的第一级传输器件，该级光传输器件中外置LED光源9、聚光透镜8、滤光片11、聚光透镜7串联且同轴堆叠于第一级调焦套筒12内壁，提供系统光源，并获得可覆盖至视场范围的均匀光照，以及将光线更好的聚焦在样本表面，其中LED光源可以根据不同需要选定不同波段进行使用，此处由四枚常规、廉价的白色LED灯泡组成，发光二极管两两之间与中心点呈90度均匀分布在物镜镜头周围。LED光源采用2节1.5V纽扣电池串联供电，纽扣电池盒位于套筒外壁。

图1中N模块示出了用于光线耦合和放大作用的第二级光传输器件，其中，由聚光透镜7与光锥入射面的样本放置位置附接，在使用前会调节聚光透镜7与样本距离，直至光线被更好的聚焦于样本中心。样本被放置于光锥入射面6的位置，通过调整光锥调节螺栓14以对样本进行全面的观察。

光锥模块，可以利用其具有的较高能量耦合效率的优势将可见光图像高效的传输到光学显微镜透镜组内，且本身光锥具有10倍以内的放大作用。直接将制备好的样本(生物医学或者海洋环境微生物样本)放置于入射端，在出射端可得到放大的图像。

图1中O模块示出了用于图像放大作用的第三级光传输器件，其中采用的物镜为消色差物镜(X20)，上级调焦套筒可以调节手机摄像头与物镜之间的距离，此处也可以选择手机摄像头--目镜--物镜的成像模式，在选用合适的目镜会进一步增大放大倍率。而此处考虑到控制显微镜套筒的长度并未使用目镜作为成像的部件。

本发明中的螺旋式调焦套筒采用铝合金结构，分为两部分，可以用于调节：1、物镜与手机摄像头之间的距离，其中手机(可将光学目镜加装在上级套筒中间)位于套筒最上端，通过上级螺旋式调节套筒对此焦距进行调节，在第一次使用确定此焦距位置后不需要再次调节，拧紧固定螺栓，即可将手机摄像头放置位置与物镜之间的距离完全固定。2、显微镜透镜组和光锥入射面样本之间的距离，即调焦过程，可以通过下级螺旋式调节套筒调节直到在目镜视野里看见清晰的物像。

智能手机1所包含的显示屏用于进行人机交互，使用者可以进行手机端与服务器端的图像传输，与调节各性能参数及保存照片，并显示服务器回传的增强图像，另外使用者还可以录入个人信息，地理参数与时间和日期等信息。

所述的高分辨率便携式显微镜系统中，显微镜测量系统的放大倍数M由光锥的放大倍数M₁和透镜组放大倍数M₂共同决定，具体公式为：

M＝M₁×M₂

其中透镜组放大倍数M₂又由CMOS透镜焦距f_in和外置透镜组焦距f_out决定,具体公式如下：

$M_2=\frac{f_{in}}{f_{out}}$

本发明中的样本夹持模块安装在调焦套筒下端，可拆卸，配合光锥模块使用。

可以使用日期/时间/GPS定位信息/个人病历信息来标记图像25，以在服务器端建立统一数据库，方便于病患信息的存储、医疗工作者的诊断、政府的政策引导等。

图2示出了图像增强步骤的流程图。选择使用手机移动网络或WIFI网络等进行图像传输，将图像上传至服务器端可以利用计算机强大性能快速执行图像增强算法，并可进一步在云端对分布在不同地域的使用者进行信息记录，以及建立数据库，方便共享诊断数据与分享诊断经验等。

将应用程序作为机载软件，在手机设备中加载，执行图像获取的操作20，并将图像与其他机载信息上传至服务器操作21以便执行图2的B部分操作。

B部分流程图示出了服务器端所进行的操作，首先将所述上传图像进行存储22，并执行步骤23均值化操作，取步骤22中若干张数字负片DNG(DigitalNewsGathering)进行求平均运算，以大幅提高图像信噪比SNR(SIGNAL-NOISERATIO)。

然后对图像进行灰度转换步骤24操作，保留照片的绿色像素阵列，以大幅去除无用信号，减少数据处理量。后续执行步骤25滤波操作，以减少光学噪点，校正光学仪器非均匀光照影响。

使用边缘重建和细节重建相结合的超分辨率算法26，在保证图像边缘清晰的基础上，又可以恢复图像的细节。在执行存储增强处理后的存储步骤27，将处理结果回传至手机机载应用程序进行显示，并执行人机交互。

Claims (9)

1.一种适用于安装在手机摄像头端的成像装置，包括：

可拆卸的光学模块，其包括：

外壳：调焦螺旋式套筒，纽扣电池盒，光锥调节螺栓；

光学组件：辅助LED光源，进行光学耦合的第一级图像传输与聚焦器件、第二级图像放大、耦合器件和第三级用于图像放大的光传输器件。

2.根据权利要求1所述的一种适用于安装在手机摄像头端的成像装置，其特征在于：所述的光学组件中，第一级光传输器件包括两级聚光透镜与光学滤光片,两级滤光透镜在照明路径中串联堆叠。

3.根据权利要求1或2所述的一种适用于安装在手机摄像头端的成像装置，其特征在于：所述的光学组件中，第二级图像放大、耦合器件包括光锥模块与光锥调节螺栓，光锥位于第一级光传输器件和第三级光传输器件之间，作为中继、耦合元件，将样本图像放大，并将用于将样本的第一级光传输图像耦合至下一级光传输器件；光锥调节螺栓用于调节光锥水平各方向的移动，用于间接调节样本在视野中的位置。

4.根据权利要求3所述的一种适用于安装在手机摄像头端的成像装置，其特征在于：所述的光学组件中，

第三级用于图像放大的光传输器件包括光学物镜与上级螺旋调焦套筒，其中光学物镜与上级螺旋调焦套筒固定在一起。

5.用权利要求1-4任一所述成像装置制作的便携式高分辨率显微镜测量系统，其特征在于：

螺旋式套筒结构集粗、细调焦于一身，调焦能力与普通台式光学显微镜平台相当，在使用时，首先旋转显微镜套筒，同时眼睛观察手机成像界面，在视野中可以观察到样本时，停止旋转套筒，改拧动微调螺栓进行微调，直至视野中样本清晰成像。

6.根据权利要求3所述的便携式高分辨率显微镜测量系统，其特征在于：

光锥的放大倍率为锥形光纤大端尺寸与小端尺寸之比；所述的样本在制备完毕后需紧密贴合在锥光锥入射面。

7.一种手机图像处理系统，该图像从具有内置摄像头的手机获得，该系统包括：

可拆卸的光学组件，其包括

外壳：调焦螺旋式套筒，样本夹持部分，纽扣电池盒，光锥调节螺栓；

光学组件：辅助LED光源，进行光学耦合的第一级图像传输与聚焦器件、第二级图像放大、耦合器件和第三级用于图像放大的光传输器件；

在手机设备上执行的编程用于接收从成像装置输出的图像，光学畸变的校准、图像的传输以及对图像进行增强处理。

8.根据权利要求7所述的一种手机图像处理系统，其中增强处理包括：

图像均值化处理、图像转换、滤波、图像增强处理算法以及图像的显示和存储。

9.根据权利要求7或8所述的的一种手机图像处理系统，增强处理中图像均值化处理包括：使用如权利要求1所述获得的存储在手机里的数字负片DNG若干张进行均值化运算；图像增强处理算法包括：使用多帧所述处理图像进行超分辨率算法操作，以进一步执行图像增强操作。