CN111258046A - 基于前置微透镜阵列的光场显微系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于前置微透镜阵列的光场显微系统及方法，其中，该系统包括：微透镜阵列模块，显微光学放大模块和探测模块，其中，微透镜阵列模块，用于将输入的空间三维光场分布编码为显微物镜前焦面的二维光场分布；显微光学放大模块与微透镜阵列模块连接，用于将二维光场分布实行空间变换，得到光学信号；探测模块与显微光学放大模块连接，用于接收显微光学放大模块输出的光学信号，生成信息处理结果。该系统提升传统光学显微镜的性能，使得传统光学显微镜能够实现对任意表面形状的三维样本的高速观测。

Description

基于前置微透镜阵列的光场显微系统及方法
技术领域
本发明涉及光学显微成像领域，特别涉及一种基于前置微透镜阵列的光场显微系统及方法。
背景技术
光学显微成像技术是人类认识微观世界的重要工具之一。通过光学显微成像技术，人类认识理解了细胞、细菌、病毒等微生物结构，极大促进了生命科学和医学的发展。然而，常规的光学显微方法存在一个重要缺陷，即一次拍摄只能对显微镜焦面上的目标实现清晰呈现，焦面外的物体会产生模糊。为了实现对任意表面物体的三维显微成像，需要移动样本和物镜之间的相对位置，这就限制了显微镜的成像速度。目前，有一种光场显微成像方法，在光学放大系统之后加入微透镜阵列，以此实现对三维光场的获取和重建。
上述光场显微方法将微透镜阵列插入到传统成像系统内部，要求操作者具备较高光学专业技能，因此不适用于大部分商业显微仪器的使用者；另一方面，传统光场显微方法景深受限，只适用于系统焦平面附近范围的观测，对一般样本中任意形状的观测范围难以观测和重建。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的一个目的在于提出一种基于前置微透镜阵列的光场显微系统。
本发明的另一个目的在于提出一种基于前置微透镜阵列的光场显微方法。
为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了基于前置微透镜阵列的光场显微系统，包括：包括：微透镜阵列模块，显微光学放大模块和探测模块，其中，所述微透镜阵列模块，用于将输入的空间三维光场分布编码为显微物镜前焦面的二维光场分布；所述显微光学放大模块与所述微透镜阵列模块连接，用于将所述二维光场分布实行空间变换，得到光学信号；所述探测模块与所述显微光学放大模块连接，用于接收所述显微光学放大模块输出的光学信号。
本发明实施例的基于前置微透镜阵列的光场显微系统，通过在物镜前方加入微透镜阵列，在物镜前焦面上对三维样本的光场信息进行二维编码，创建了一种有效、快速的三维显微成像方式；能够经济高效地扩展现有显微镜的功能，具有实现对样本内任意形状范围三维成像的能力。
另外，根据本发明上述实施例的基于前置微透镜阵列的光场显微系统还可以具有以下附加的技术特征：
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述微透镜阵列模块中包含多个微透镜阵列元素，其中，不同位置的微透镜阵列元素的口径和焦距无需相同。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述多个微透镜阵列元素的形状为平面和/或曲面，以适应不同样本观测面的形状。
为达到上述目的，本发明另一方面实施例提出了基于前置微透镜阵列的光学显微方法，包括以下步骤：建立基于前置微透镜阵列的光场显微模型，计算确定物方三维样本下的探测光场分布概率，利用统计学算法优化物方三维样本分布参数；在物镜前焦面上对空间三维光场分布编码为显微物镜前焦面的二维光场分布；将所述的二维光场分布实行空间变换，得到光学信号；根据所述探测光场分布概率接收所述光学信号，生成信息处理结果。
本发明实施例的基于前置微透镜阵列的光场显微方法，通过在物镜前方加入微透镜阵列，在物镜前焦面上对三维样本光场信息进行二维编码，创建了一种有效、快速的三维显微成像方式；能够经济高效地扩展现有商用显微镜的功能，具有实现任意形状样本三维成像的能力。
另外，根据本发明上述实施例的基于前置微透镜阵列的光场显微方法还可以具有以下附加的技术特征：
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述基于前置微透镜阵列的光场显微模型中包含多个微透镜阵列元素，其中，不同位置的微透镜阵列元素的口径和焦距无需相同。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述多个微透镜阵列元素的形状为平面和/或曲面，以适应不同样本观测面的形状。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本发明一个实施例的基于前置微透镜阵列的光场显微系统结构示意图；
图2为根据本发明一个实施例的基于前置微透镜阵列的光场显微系统工作原理图；
图3为根据本发明一个实施例的基于前置微透镜阵列的光场显微方法流程图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参照附图描述根据本发明实施例提出的基于前置微透镜阵列的光场显微系统及方法，首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的基于前置微透镜阵列的光场显微系统。
图1是本发明一个实施例的基于前置微透镜阵列的光场显微系统结构示意图。
如图1所示，该基于前置微透镜阵列的光场显微系统10包括：微透镜阵列模块100，显微光学放大模块200和探测模块300。
其中，微透镜阵列模块100，用于将输入的空间三维光场分布编码为显微物镜前焦面的二维光场分布。
具体而言，微透镜阵列模块100包括微透镜阵列101，作用是把输入的空间三维光场分布编码为显微物镜前焦面的二维光场分布。如图2所示，三维待观测物体的观测面、微透镜阵列与显微镜物镜焦面之间应满足下列近似成像关系以保证任意曲面的样本表面能在相机上清晰成像：
Figure BDA0002392934550000031
其中，u为三维待观测物体的观测面到微透镜阵列元素的距离，v为显微镜物镜焦面到当前微透镜阵列元素的距离，f为微透镜阵列元素的焦距。
进一步地，微透镜阵列模块中包含多个微透镜阵列元素，其中，不同位置的微透镜阵列元素的口径和焦距可以不相同，多个微透镜阵列元素的形状也可为平面和/或曲面，以适应不同样本观测面的形状。
显微光学放大模块200与微透镜阵列模块100连接，用于将二维光场分布实行空间变换，得到光学信号。
具体而言，显微光学放大模块200包括物镜201、滤波片组202和管径203；物镜201利用光在介质中的折射实现物镜前焦面信息的尺寸放大，滤波片组202用于荧光成像，包括零组或多组二向色镜和滤波片，在非荧光成像中可省略；管镜203用于将收集到的光信号耦合到探测器上。
探测模块300与显微光学放大模块200连接，用于接收显微光学放大模块200输出的光学信号，生成信息处理结果。
可以理解的是，探测模块300是面阵光强探测器(例如CMOS，CCD)，作用为将二维光信号转化为电信号。
具体地，输入的空间三维光场分布通过微透镜阵列101产生在物镜103前焦面上的光强分布，光信号经过物镜201放大，波长被滤波片组202选择后通过管镜203在探测器301上进行成像。探测器301采集到的二维光信号输入电子计算机，进行三维数据重建。
根据本发明实施例提出的基于前置微透镜阵列的光学显微系统，通过在物镜前方加入微透镜阵列，在物镜前焦面上对三维样本的光场信息进行二维编码，创建了一种有效、快速的三维显微成像方式；能够经济高效地扩展现有显微镜的功能，具有实现对样本内任意形状范围三维成像的能力。
其次参照附图描述根据本发明实施例提出的基于前置微透镜阵列的光学显微方法。
图3是本发明一个实施例的基于前置微透镜阵列的光学显微方法流程图。
如图3所示，该基于前置微透镜阵列的光学显微方法，包括以下步骤：
在步骤S301中，建立基于前置微透镜阵列的光场显微模型，计算确定物方三维样本下的探测光场分布概率，利用统计学算法优化物方三维样本分布参数。
具体而言，首先建立基于前置微透镜阵列的光场显微模型。
考虑到第二级放大系统为远心显微系统，首先计算点光源通过微透镜阵列成像。只有一定孔径范围内的光线可以被相机探测。因此对于m,n∈Z且满足条件
Figure BDA0002392934550000041
和
Figure BDA0002392934550000042
的每一对整数m,n，首先计算平移坐标：
x0＝xin+mD
y0＝yin+nD
d0＝zin
该点经过这个微透镜在显微镜焦面上的光场分布如下
Figure BDA0002392934550000043
对应全局坐标，物镜前焦面的光场分布是各个微透镜贡献的叠加
U1(x1,y1,m,n；x0,y0,d0)＝U10(x1-mD,y1-nD；x0,y0,d0)
Figure BDA0002392934550000044
物镜从前焦面到后焦面的衍射可采用傅里叶变换
Figure BDA0002392934550000045
Figure BDA0002392934550000046
Figure BDA0002392934550000051
其次，计算确定物方三维样本下的探测光场分布概率。
Figure BDA0002392934550000052
最后，利用统计学算法优化物方三维样本分布参数。
假设相机探测到的光照强度符合一定的分布。本实施例以泊松分布为例，通过迭代算法更新下列参数使得概率最大化
maxf,bPr(Idet|f,b)。
进一步地，在本发明的一个实施例中，基于前置微透镜阵列的光场显微模型中包含多个微透镜阵列元素，其中，不同位置的微透镜阵列元素的口径和焦距无需相同。
进一步地，在本发明的一个实施例中，多个微透镜阵列元素的形状为平面和/或曲面，以适应不同样本观测面的形状。
在步骤S302中，在物镜前焦面上对空间三维光场分布编码为显微物镜前焦面的二维光场分布。
在步骤S303中，将的二维光场分布实行空间变换，得到光学信号。
在步骤S304中，根据探测光场分布概率接收光学信号，生成信息处理结果。
根据本发明实施例提出的基于前置微透镜阵列的光学显微方法，通过前置微透镜阵列和概率算法，实现三维样本的高速显微成像，创建了一种有效、快速的提升常规显微镜三维成像能力的方式，具有对样本内任意形状范围三维成像的能力。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (6)

1.一种基于前置微透镜阵列的光场显微系统，其特征在于，包括：微透镜阵列模块，显微光学放大模块和探测模块，其中，
所述微透镜阵列模块，用于将输入的空间三维光场分布编码为显微物镜前焦面的二维光场分布；
所述显微光学放大模块与所述微透镜阵列模块连接，用于将所述二维光场分布实行空间变换，得到光学信号；
所述探测模块与所述显微光学放大模块连接，用于接收所述显微光学放大模块输出的光学信号，生成信息处理结果。
2.根据权利要求1所述的基于前置微透镜阵列的光场显微系统，其特征在于，所述微透镜阵列模块中包含多个微透镜阵列元素，其中，不同位置的微透镜阵列元素的口径和焦距无需相同。
3.根据权利要求2所述的基于前置微透镜阵列的光场显微系统，其特征在于，所述多个微透镜阵列元素的形状为平面和/或曲面，以适应不同样本观测面的形状。
4.一种基于前置微透镜阵列的光学显微方法，其特征在于，包括以下步骤：
建立基于前置微透镜阵列的光场显微模型，计算确定物方三维样本下的探测光场分布概率，利用统计学算法优化物方三维样本分布参数；
在物镜前焦面上对空间三维光场分布编码为显微物镜前焦面的二维光场分布；
将所述的二维光场分布实行空间变换，得到光学信号；
根据所述探测光场分布概率接收所述光学信号，生成信息处理结果。
5.根据权利要求4所述的基于前置微透镜阵列的光场显微方法，其特征在于，所述基于前置微透镜阵列的光场显微模型中包含多个微透镜阵列元素，其中，不同位置的微透镜阵列元素的口径焦距无需相同。
6.根据权利要求5所述的基于前置微透镜阵列的光场显微方法，其特征在于，所述多个微透镜阵列元素的形状为平面和/或曲面，以适应不同样本观测面的形状。
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