CN111537765B - 一种改进的光场显微成像装置及构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种改进的光场显微成像装置及构建方法，其中光场显微成像装置包括显微镜物镜、显微镜筒镜、微透镜阵列以及相机传感器，所述相机传感器采集显微镜物镜成像于显微镜筒镜上的图像；其特征在于：所述微透镜阵列位于显微镜像平面与相机传感器之间，显微镜筒镜成像于显微镜像平面上，再经过微透镜阵列的作用后，再次成像于相机传感器上。本发明根据离焦距离定义求得微透镜阵列和显微镜像平面的距离；根据F数匹配原则求得相机传感器与微透镜阵列距离。本发明所提供的改进的光场显微成像装置可在物镜焦平面附近获得高重建分辨率，可作为光场显微粒子图像测速系统的成像装置。

Description

一种改进的光场显微成像装置及构建方法

技术领域

本发明涉及一种改进的光场显微成像装置，可应用于光场显微粒子图像测速(Light-field Micro-PIV)系统，属于微尺度流体测量技术领域。

背景技术

光场显微成像装置可实现一次曝光完成示踪粒子的三维光场信息的记录，基于光场显微成像装置的光场显微粒子图像测速(Light-field Micro-PIV)系统能有效提升时间分辨率，有益于微尺度流动的瞬时测量与特性研究。光场显微成像装置由激光光源、倒置荧光显微镜和笼式光场相机组成。在倒置荧光显微镜中，激光形成的体光源是经过物镜折射后才照亮待测芯片的，导致体光源呈漏斗形且在物镜焦平面处具有最大光强，因此最佳成像区域位于物镜焦平面附近。

传统光场显微成像装置要求微透镜阵列位于显微镜像平面且相机传感器位于微透镜阵列后焦面。在传统光场显微成像装置中，当示踪粒子位于物镜焦平面附近时，其发出的光被限制在一个微透镜内，形成冗余采样，导致重建分辨率急剧下降。将含有示踪粒子的待测微通道放置于远离物镜焦平面的区域能够提升传统光场显微成像装置的重建分辨率，但此区域激光强度减弱，进而降低示踪粒子受激产生的荧光的强度，最终导致光场图像的亮度和对比度的下降。因此，传统光场显微成像装置需要通过牺牲光场图像的亮度和对比度以获取高重建分辨率。

为同时满足高图像质量和高重建分辨率的需求，需要对光场显微成像装置加以改进，构建一套能够在物镜焦平面附近获得最佳重建分辨率的光场显微成像装置。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对传统光场显微成像装置无法同时满足高图像质量和高重建分辨率的需求，而提供一种改进的光场显微成像装置及构建方法，以在物镜焦平面附近获得最佳重建分辨率。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种改进的光场显微成像装置，包括显微镜物镜、显微镜筒镜、微透镜阵列以及相机传感器，所述相机传感器采集显微镜物镜成像于显微镜筒镜上的图像；其特征在于：所述微透镜阵列位于显微镜像平面与相机传感器之间，显微镜筒镜成像于显微镜像平面上，再经过微透镜阵列的作用后，再次成像于相机传感器上。

所述微透镜阵列和显微镜像平面的距离a：

式中，z_max为测量深度的最大值；M为物镜放大倍数；NA为物镜数值孔径；d为微透镜孔径；

相机传感器与微透镜阵列的距离b：

式中，D_t为显微镜筒镜孔径，f_t为显微镜筒镜焦距。

在所述显微镜物镜和显微镜筒镜之间设置有用于将显微镜物镜和显微镜筒镜形成一反射光路的反射镜。

光场显微成像装置还包括一光源及一用于将所述光源反射后再通过显微镜物镜的二向色镜。

一种改进的光场显微成像装置的构建方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：通过数值模拟计算传统光场显微成像装置与聚焦型光场显微成像装置中，不同离焦距离下的微透镜阵列面的衍射斑直径，拟合出衍射斑直径与离焦距离的函数关系：

DD＝2M*NA*Δz

式中，DD为微透镜阵列面的衍射斑直径；M为物镜放大倍数；NA为物镜数值孔径；Δz为离焦距离。

步骤二：将步骤一所得函数代入DD≤d(d为微透镜孔径)，得到抽样点发出的光被限制在一个微透镜内(即光场显微成像装置的重建分辨率出现急剧下降)的离焦距离范围：

式中，d为微透镜孔径。

步骤三：确定发生重建分辨率急剧下降的离焦距离范围后，根据离焦距离的定义得出在测量深度范围内获得最佳重建分辨率时，微透镜阵列和显微镜像平面的距离a：

式中，z_max为测量深度的最大值。

步骤四：根据光学参数和微透镜阵列和显微镜像平面的距离a，通过F数匹配原则计算出相机传感器与微透镜阵列的距离b：

式中，D_t为显微镜筒镜孔径；f_t为显微镜筒镜焦距。

根据步骤一至四所得参数，可构建改进的光场显微成像装置。

所述步骤一中，离焦距离Δz定义为抽样点与光场显微成像装置的焦平面的距离，装置焦平面与微透镜阵列所在平面共轭。在传统光场显微成像装置中，Δz＝|z|，在聚焦型光场显微成像装置中，Δz＝|z-a_f/M²|，其中，z为抽样点所在深度(物镜焦平面深度为0)，a_f为聚焦型光场显微成像装置中微透镜阵列与显微镜像平面的距离。

所述步骤二中，通过比较微透镜阵列面的衍射斑直径与微透镜孔径的大小判断重建分辨率是否发生急剧下降。

所述步骤三中，测量深度范围设定为z＝-50～50μm，可在获取高质量光场图片的前提下满足微通道测量深度需求，且z_max＝50μm。

与现有光场显微成像装置相比，本发明具有以下优点：通过改变微透镜阵列和相机传感器的位置，改进的光场显微成像装置可以在z＝-50～50μm的测量深度范围内获得较高的重建分辨率，从而同时满足高重建分辨率和高光场图像质量的需求。且在z＝-50～50μm的测量深度范围内，改进的光场显微成像装置的重建分辨率优于聚焦型装置。基于改进的光场显微成像装置组装的光场显微粒子图像测速系统可以完成微通道内三维速度场的测量。

附图说明

图1光场显微成像装置结构图；

图2微透镜阵列面衍射斑直径随离焦距离变化图；

图3F数匹配原理图；

图4重建分辨率比较图；

图5微通道三维速度场图。

其中：1—激光光源、2—物镜焦平面、3—显微镜物镜、4—二向色镜、5—反射镜、6—显微镜筒镜、7—显微镜像平面、8—微透镜阵列、9—相机传感器。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细说明。

如图1所示，激光光源1经二向色镜4反射后再通过显微镜物镜3形成体光源。由于显微镜物镜3的作用，体光源呈漏斗形，且最大光强位于物镜焦平面2处。示踪粒子经体光源激发后发出的荧光先通过显微镜(包括显微镜物镜3，二向色镜4，反射镜5以及显微镜筒镜6)作用后成像于显微镜像平面7上，再经过微透镜阵列8的作用后，再次成像于相机传感器9上。

图1中，a为微透镜阵列8与显微镜像平面7的距离，b为相机传感器9与微透镜阵列8的距离，下标表示装置类型，其中，c表示传统型，f表示聚焦型，n表示改进的光场显微成像装置。

通过调整微透镜阵列8和相机传感器9的位置可以组成不同类型的光场显微成像装置。传统光场显微成像装置中，微透镜阵列8所在平面与显微镜像平面7重合，即a_c＝0，相机传感器9与微透镜阵列8的距离b_c和微透镜的焦距f_ml相等；聚焦型光场显微成像装置中，a_f，b_f，f_ml需满足高斯成像关系1/a_f+1/b_f＝1/f_ml。

本实施案例中，光学参数如表1所示。

表1光学参数表

符号	物理意义	值
			M	物镜放大倍数	10
NA	物镜数值孔径	0.3
			D<sub>tl</sub>	筒镜孔径	12mm
f<sub>tl</sub>	筒镜焦距	200mm
			d	微透镜孔径	136μm
f<sub>ml</sub>	微透镜焦距	2060μm
			a<sub>f</sub>	聚焦型装置中微透镜阵列与显微镜像平面距离	22mm
b<sub>f</sub>	聚焦型装置中相机传感器与微透镜阵列距离	2276μm

本发明通过选取合适的微透镜阵列8和相机传感器9的位置，构建能够在物镜焦平面附近获得最佳重建分辨率的改进的光场显微成像装置，其具体步骤如下：

步骤一：获取衍射斑直径与离焦距离函数关系。

基于标量衍射理论，根据表1所列参数，通过数值模拟计算传统光场显微成像装置与聚焦光场显微成像装置中，不同离焦距离下的微透镜阵列面的衍射斑直径，其结果如图2所示。可以发现，无论是传统光场显微成像装置还是聚焦型光场显微成像装置，微透镜阵列8面的衍射斑直径都近似与离焦距离成正比，斜率为6，与2M*NA的值相等。因此，衍射斑直径DD与离焦距离的函数关系如下：

DD＝2M*NA*Δz

式中，DD为微透镜阵列面的衍射斑直径；M为物镜放大倍数；NA为物镜数值孔径；Δz为离焦距离。

离焦距离Δz定义为抽样点与光场显微成像装置的焦平面的距离，装置焦平面与微透镜阵列所在平面共轭。在传统光场显微成像装置中，Δz＝|z|，在聚焦型光场显微成像装置中，Δz＝|z-a_f/M²|，其中，z为抽样点所在深度(物镜焦平面深度为0)，a_f为聚焦光场显微成像装置中微透镜阵列与显微镜像平面的距离。

步骤二：计算重建分辨率出现急剧下降的离焦距离范围。

当抽样点发出的光被限制在一个微透镜内时，光场显微成像装置的重建分辨率会急剧下降，而通过比较微透镜阵列面的衍射斑直径与微透镜孔径的大小可以判断抽样点发出的光是否被限制在一个微透镜内。因此，将步骤一所得函数代入DD≤d可计算得出重建分辨率出现急剧下降的离焦距离范围，即：

式中，d为微透镜孔径。

本实施案例中，d/(2M*NA)的值为23μm。因此，根据离焦距离的定义，在传统光场显微成像装置中，重建分辨率出现急剧下降的深度范围为z＝-23～23μm；在聚焦型光场显微成像装置中，这一深度范围为z＝197～243μm。

步骤三：确定微透镜阵列与显微镜像平面的距离a_n。

微流控芯片的微通道深度多为50～100μm，且为了获取高质量、高对比度的光场图像，微流控芯片应沿着物镜焦平面2对称布置。因此，设定深度范围为z＝-50～50μm。此时，为使在所设深度范围内不产生重建分辨率的急剧下降，改进的光场显微成像装置中，微透镜阵列8与显微镜像平面7的距离a_n应满足：

由于重建分辨率随离焦距离增加而下降，为了获取最佳的重建分辨率，a_n应取最小值，因此，微透镜阵列8与显微镜像平面7的距离a_n为：

式中，z_max为测量深度的最大值。

由于实验时深度测量存在误差，为了降低这一误差的影响，将d/(2M*NA)的值扩大为30μm。经计算，本实施案例中，a_n＝8mm。

步骤四：确定相机传感器与为微透镜阵列的距离b_n。

F数匹配要求单个微透镜形成的子孔径图像在相机传感器9上相切，其原理如图3所示。根据相似三角形原理，各参数存在如下关系：

式中，Li表示单个微透镜对应的显微镜像平面边长；D_t为显微镜筒镜孔径；f_t为显微镜筒镜焦距。

对上述两式联立求解，可得改进的光场显微成像装置中，相机传感器9与为微透镜阵列8的距离b_n为：

经计算，本实施案例中，b_n＝1837μm。

至此，可根据a_n与b_n，构建改进的光场显微成像装置。

图4为三种类型的光场显微成像装置在深度z＝-50～50μm的重建分辨率比较图。其中，重建分辨率用半峰全宽(Full-width at half-maximum，简称FWHM)表示，且FWHM与重建分辨率成反比。图4中，下标x表示横向重建分辨率，下标z表示轴向重建分辨率，括号内容表示光场显微成像装置类型，分别为传统型，聚焦型和本发明提出的改进型。可以发现，传统型出现了重建分辨率的急剧下降，而本发明改进的光场显微成像装置和聚焦型均没有此现象产生，且本发明改进的光场显微成像装置的重建分辨率优于聚焦型。

图5为基于改进的光场显微成像装置进行的微通道三维速度场测量结果，说明改进的光场显微成像装置可用于构建光场Micro-PIV系统，进行微通道三维速度场测量。

Claims (7)

1.一种改进的光场显微成像装置，包括显微镜物镜、显微镜筒镜、微透镜阵列以及相机传感器，所述相机传感器采集显微镜物镜成像于显微镜筒镜上的图像；其特征在于：所述微透镜阵列位于显微镜像平面与相机传感器之间，显微镜筒镜成像于显微镜像平面上，再经过微透镜阵列的作用后，再次成像于相机传感器上；

所述微透镜阵列和显微镜像平面的距离a：

式中，z_max为测量深度的最大值；M为物镜放大倍数；NA为物镜数值孔径；d为微透镜孔径；

相机传感器与微透镜阵列的距离b：

式中，D_t为显微镜筒镜孔径，f_t为显微镜筒镜焦距。

2.根据权利要求1所述的一种改进的光场显微成像装置，其特征在于：在所述显微镜物镜和显微镜筒镜之间设置有用于将显微镜物镜和显微镜筒镜形成一反射光路的反射镜。

3.根据权利要求1所述的一种改进的光场显微成像装置，其特征在于：光场显微成像装置还包括一光源及一用于将所述光源反射后再通过显微镜物镜的二向色镜。

4.一种如权利要求1-3任一所述的改进的光场显微成像装置的构建方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：通过数值模拟计算传统光场显微成像装置与聚焦型光场显微成像装置中，不同离焦距离下的微透镜阵列面的衍射斑直径，拟合出衍射斑直径与离焦距离的函数关系：

DD＝2M*NA*Δz

式中，DD为微透镜阵列面的衍射斑直径；M为物镜放大倍数；NA为物镜数值孔径；Δz为离焦距离；

步骤二：将步骤一所得函数代入DD≤d，得到抽样点发出的光被限制在一个微透镜内的离焦距离范围：

式中，d为微透镜孔径；

步骤三：确定发生重建分辨率急剧下降的离焦距离范围后，根据离焦距离的定义得出在测量深度范围内获得最佳重建分辨率时，微透镜阵列和显微镜像平面的距离a：

式中，z_max为测量深度的最大值；

步骤四：根据光学参数和微透镜阵列和显微镜像平面的距离a，计算出相机传感器与微透镜阵列的距离b：

式中，D_t为显微镜筒镜孔径，f_t为显微镜筒镜焦距；

步骤五：根据步骤一至四所得参数，构建改进的光场显微成像装置。

5.根据权利要求4所述的构建方法，其特征在于，所述步骤一中，离焦距离Δz定义为抽样点与光场显微成像装置的焦平面的距离，装置焦平面与微透镜阵列所在平面共轭；在传统光场显微成像装置中，Δz＝|z|，在聚焦型光场显微成像装置中，Δz＝|z-a_f/M²|，其中，z为抽样点所在深度，a_f为聚焦型光场显微成像装置中微透镜阵列与显微镜像平面的距离。

6.根据权利要求4所述的构建方法，其特征在于，所述步骤二中，通过比较微透镜阵列面的衍射斑直径与微透镜孔径的大小判断重建分辨率是否发生急剧下降。

7.根据权利要求4所述的构建方法，其特征在于，所述步骤三中，测量深度范围设定为z＝-50～50μm，可在获取高质量光场图片的前提下满足微通道测量深度需求，且z_max＝50μm。

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