CN110596878A - 一种超短焦距的双透镜显微系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超短焦距的双透镜显微系统。该显微系统包括显微装置和手机，显微装置包括透镜组和光源，透镜组由两片凸面相对的平凸透镜组成；光源位于透镜组的下方，手机的镜头放置在透镜组的上方。本发明的显微装置具有放大倍数高、分辨率高、边缘畸变较小、成本低廉、小巧便携的优点，配合手机使用可以达到高质量的放大成像，在复杂情景下尤其是家居化诊疗方面，应用前景十分广阔。

Description

一种超短焦距的双透镜显微系统
技术领域
本发明涉及显微镜成像应用技术领域，尤其涉及一种超短焦距的双透镜显微系统。
背景技术
随着手机技术的快速发展，现有的智能手机与人们日常工作、生活的结合日益紧密。考虑到手机高度普及、相对低廉的价格，兼之其本身高清晰图像记录与存储能力，以及配套软件端完整的图片处理、电子放大等功能，围绕手机制备显微系统，用以取代传统笨重、价格昂贵的显微装置拥有极为广阔的市场前景，成为了时下研究热点。而搭建手机显微系统，镜头的选择无疑是重中之重。
经过较长时间的发展迭代，现有的透镜方案在“由实验室走向家居”方向上取得了扎实的进步，但都仍存在着不可忽略的缺陷，极大制约了其在现实生活场景下的广泛使用：1)使用球透镜——边缘畸变过于明显、有效放大区域太小的性能硬伤，使其无法满足大多数实验对成像质量的要求；2)物镜加上增倍镜——整体成本高昂，笨重庞大不便携；3)倒置手机镜头——价格较高，放大倍数固定，焦距固定无法调节。
为了扩展应用场景、降低成本，在保证较高分辨率的基础上，使用自制低成本透镜取代传统显微物镜作为成像设备已经越来越成为潮流。在自制透镜的众多选项中，PDMS(polydimethylsiloxane聚二甲基硅氧烷)透镜无疑是十分具有吸引力的一项，具有制备工艺简单、成本低廉、小巧便携、易于存储等优点。不过，现有技术通常是使用单片PDMS平凸透镜作为附加透镜，不可避免地存在边缘畸变明显、放大倍数小、工作距离需精细调节等缺点，不利于手机显微装置的整体使用。
发明内容
鉴于以上现有技术的情况，本发明的目的在于提供一种基于两片PDMS平凸透镜的新型显微系统，用以解决现有镜头方案存在的诸多缺点。运用该新型超小焦距、小畸变、低成本的显微系统，可以在家居条件下，便捷地对样品进行显微成像。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种超短焦距的双透镜显微系统，包括显微装置和手机，显微装置包括透镜组和光源，透镜组由两片凸面相对的平凸透镜组成；光源位于透镜组的下方，手机的镜头放置在透镜组的上方。
进一步地，透镜组的两片平凸透镜的凸面之间距离可调。
进一步地，所述显微装置上还设有夹持装置。所述夹持装置与显微装置的固定方式采用机械连接、粘贴、卡接或者榫接。
进一步地，所述显微装置还设有样品盒，光源设置在样品盒的底部，样品放置在透镜组和光源之间。
进一步地，所述样品盒的外壳上设有卡槽。
进一步地，所述光源包括LED灯以及电源。所述电源为纽扣电池、干电池、锂离子电池、镍氢电池或者铬镍电池。
与现有的显微系统相比，本发明具有以下有益效果：
(1)双片PDMS平凸透镜的成像放大倍数是单片PDMS透镜的2倍，同时减小了边缘畸变，视场更大、成像更均匀。
(2)本发明的显微系统具有超短焦距(焦距在1～2.5mm范围内)，同时通过设计两片平凸透镜的间距及其凸面曲率，可以对装置焦距进行微调，能够满足复杂现实条件下的成像要求。
(3)显微装置中集成有照明装置、夹持装置和样品卡槽口，使用方便，配合手机使用可得到高质量的放大成像。
(4)本发明显微装置体积小，重量只有二百克左右；价格低廉，硬件成本在10元人民币以内。
(5)本发明的显微装置可以与任何种类品牌、结构的手机组合，使用时不受环境与时间影响，可以在光学变焦基础上继续实施电子放大，可以照相、录像，显微放大倍数可以达到50倍以上，尤其适合野外使用，用于微生物的活体检测记录、野外便携式标本显微记录，可以应用在生物、地质、微电子、医疗、工业检测等领域。
附图说明
图1是本发明显微系统的整体结构示意图，其中1-手机夹持装置，2-透镜组，3-卡槽口、4-光源、5-手机、6-手机镜头，7-样品盒。
图2是本发明显微系统的实物图及其成像结果，其中(a)显微系统整体实物图，(b)双片PDMS透镜的显微系统对标准分辨率板400lines/mm部分成像结果，(c)单片PDMS透镜的显微系统对图(b)中相同区域的成像结果。
图3是本发明显微装置中透镜组的结构示意图，其中8-第一透镜，9-第二透镜，10-压圈，11-隔圈，12-镜筒。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细说明：
如图1所示，本实施例的基于两片PDMS平凸透镜的新型手机显微系统包括显微装置和手机5，显微装置包括手机夹持装置1、透镜组2、光源4和样品盒7。光源4位于透镜组2的下方，并设置在样品盒7内。手机5放置在夹持装置1上，手机5的镜头位于在透镜组2的上方。样品放置在样品盒7内，并位于透镜组2和光源4之间。
其中透镜组2包括：第一透镜8、第二透镜9和固定模具，具体结构见图3。第一透镜8为平凸镜，平面向上，凸面向下；第二透镜9为平凸镜，凸面向上，平面向下；两片透镜安装在打好同心圆孔的模具上加以固定，凸面之间距离可调。固定模具可以采用PMMA、树脂、3D打印线材(PLA、ABS、hips等)等具有支撑能力的材料。此外，在固定模具11内嵌入咬合的螺丝12和螺母10，通过旋紧或者旋松螺母10，调节透镜8、透镜9之间的距离。
显微装置的光源4包括单颗或者多颗LED灯以及电源，LED发光波段在可见光范围内，电源可以是纽扣电池、干电池、锂离子电池、镍氢电池、铬镍电池。
手机夹持装置1与显微装置之间的固定方式，可以是机械夹持、粘贴、卡接、榫接等。在样品盒7的外壳上设有卡槽口3，卡槽口3的开口深度与样片厚度保持一致。
本发明的显微系统实现手机显微成像的技术原理为：使用两片凸面相对的PDMS平凸透镜，透镜对样品图像进行光学放大，放大后的光学信息由手机ccd接受，即可在手机上显示样品的显微成像结果。具体实现过程如下：
(1)以10：1比例混合PDMS溶液与固化剂，使用真空泵抽真空30分钟，使溶液内气泡完全消失，用毛细吸管蘸取一定10微升混合溶液，滴在放置于加热至200摄氏度的热台的玻璃上，固化3秒后取下，得到无色透明、粘附性较好的PDMS平凸透镜。
(2)取两片透镜分别作为第一透镜8和第二透镜9，底面直径均是3.5mm，凸面最大厚度均是1.4mm，第一透镜8凸面的曲率半径为-1.12，第二透镜9凸面的曲率半径为1.12。使用Solidworks设计并3D打印具有匹配尺度同心圆孔的透镜组模具，将两透镜凸面相对固定在模具内，凸面之间距离为2mm。
(3)在步骤(2)模具的基础上设计并打印留有深度0.17mm的卡槽口3以及光源放置孔位的模具，在光源4位置插入一颗白光LED，使用3V纽扣电池为LED供电。
(4)在手机5上安装并打开成像软件，实现获取PNG格式相片、自定义曝光时间和白平衡、分析像素点RGB信道值、自定义连拍数量功能。
(5)透镜组2对准手机5的镜头，由手机夹持装置1将手机5固定。
(6)安上纽扣电池接通光源电路，LED发白光，将厚度0.17mm金纳米棒阵列样片插入卡槽口3。
(7)在手机端打开安卓成像软件，在手机屏幕上得到阵列样品放大50倍的正立成像结果。更换样片，拍摄标准分辨板，可以得到手机显微系统的分辨率达到5微米。
采用双片PDMS透镜和单片PDMS透镜的显微系统的成像结果对比如图2所示，可以明显看出，使用本发明的显微系统的成像结果具有放大倍数大、边缘畸变小、视场均匀的特点。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种超短焦距的双透镜显微系统，包括显微装置和手机，其特征在于，显微装置包括透镜组和光源，透镜组由两片凸面相对的平凸透镜组成；光源位于透镜组的下方，手机的镜头放置在透镜组的上方。
2.根据权利要求1所述的一种超短焦距的双透镜显微系统，其特征在于，透镜组的两片平凸透镜的凸面之间距离可调。
3.根据权利要求1所述的一种超短焦距的双透镜显微系统，其特征在于，所述显微装置上还设有夹持装置。
4.根据权利要求1所述的一种超短焦距的双透镜显微系统，其特征在于，所述夹持装置与显微装置的固定方式采用机械连接、粘贴、卡接或者榫接。
5.根据权利要求1所述的一种超短焦距的双透镜显微系统，其特征在于，所述显微装置还设有样品盒，光源设置在样品盒的底部，样品放置在透镜组和光源之间。
6.根据权利要求5所述的一种超短焦距的双透镜显微系统，其特征在于，所述样品盒的外壳上设有卡槽。
7.根据权利要求1所述的一种超短焦距的双透镜显微系统，其特征在于，所述光源包括LED灯以及电源。
8.根据权利要求7所述的一种超短焦距的双透镜显微系统，其特征在于，所述电源为纽扣电池、干电池、锂离子电池、镍氢电池或者铬镍电池。
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