CN112162398A - 一种便携式智能互联的光学显微系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种便携式智能互联的光学显微系统。该系统包括光学显微装置和网络单元,其中,光学显微装置包括镜筒、图像传感器、成像系统、电机、样品台和光源,图像传感器与成像系统设置在镜筒内,样品台放置在成像系统下方;成像系统包括目镜和物镜;图像传感器与目镜的一端连接;电机与物镜相连,用于控制物镜的位移;网络单元包括数据传输模块、数据处理模块、无线传输模块、存储模块、电源模块和输入输出模块,图像传感器、电机和光源分别与输入输出模块连接。本发明的显微系统具有重量轻、体积小和便于携带等特点,可实现自动聚焦、无线图像/视频传输、在网页端即时显示和控制等功能。
Description
技术领域
本发明涉及显微镜的技术领域,尤其涉及一种便携式智能互联的光学显微系统。
背景技术
便携、自动、智能、互联、低成本的高性能光学显微镜在众多行业中均有重要的应用,例如在家庭健康监护、工业产品检测、艺术品鉴定和田野调查等方面。人们梦想利用手机或简单的手持设备即可实现身体分泌物、产品或其他样品的高分辨成像与智能筛查与诊断。但传统的显微镜非常的笨重且价格昂贵,而且调节焦距方式原始,使得观察显微图像非常不方便,并不适用于普遍情景。而近年来市场上出现了一些可以用来显微的手持式显微镜,结构小巧,各种功能也在逐渐完善,但都存在着不可忽略的缺陷:1)使用手动旋转物镜的方法来聚焦——不方便且不精准;2)手持的方式——终端上成像不稳定;3)安装指定app方式查看显微图像——步骤繁琐且功能单一;4)缺少智能辅助识别功能;5)缺少专家系统连接功能。这些都极大制约了显微镜在现实生活场景下的广泛应用。
自动对焦与稳定性的问题源于显微镜光学系统的设计。当前已知便携显微镜的光学系统有如下四种:i,利用显微物镜配和镜筒透镜(例如“咖啡象”数码显微镜);ii,球镜(例如列文虎克式显微镜);iii.利用商用的手机镜头,将其倒置;iv,由球面镜片组构成的放大光路(例如市场上常见的用于验钞的显微镜)。它们均有显著缺点:方案i中,显微物镜昂贵且体积大,实现自动对焦需要昂贵的精密促动部件,无法实现低成本的自动对焦;方案ii中,球镜有严重的色差和相差,只能在狭小的视场内获得较好的成像结果;方案iii中利用和手机显微镜镜头直接接入手机可在可见光范围内获得平场,消色差的显微图像,但其放大倍数受限在1:1,同时其存在口径小,通光量小的弱点;而方案iv则由于其数值孔径小,不能获得微米级的高分辨光学像。
而操作的便捷性、系统的智能性与联网能力则由显微镜系统的控制器所决定。今天,随着物联网技术的快速发展,现有的物联网设备与人们日常工作、生活的结合日益紧密。如今,由于计算机、手机等消费电子产品价格迅速下跌,性能不断增强,再结合4G、5G通信网络的建立,使得“万物互联”逐渐成为现实。物联网设备高度普及、价格相对低廉价格,兼之其本身拥有强大的运算能力与存储能力,以及快速的无线的数据传输能力。另外,伴随AI算法和图像处理技术的飞速进步,一些高性能成像的自动应用也迅速普及,例如细胞计数、细胞分类、图像自动拼接和计算成像(利用对照明的控制,结合不同照明的参数,获得需要的样品信息)等。工业控制技术也急速进步,如今已经可以结合微流控做细胞分拣这种非常精细的操作。随着计算机技术、通信技术、和控制技术的发展,传统的控制领域正经历着一场前所未有的变革,开始向网络化方向快速发展。与此同时,微型的光学、机电与图像传感技术迅猛发展,使得人们有大量高性能且廉价的部件可以使用。为此,围绕物联网设备设计显微系统,结合光学设计与精密机电系统构建便携、智能的显微系统,用以取代传统笨重、价格昂贵的显微装置拥有广阔的市场前景。
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物联网的便携式智能互联的光学显微系统,以解决现有便携式显微系统存在的问题。
为实现上述目的,本发明采用的技术方案为:
一种便携式智能互联的光学显微系统,包括光学显微装置和网络单元,所述光学显微装置包括镜筒、图像传感器、成像系统、电机、样品台和光源,图像传感器与成像系统设置在镜筒内,样品台放置在成像系统下方;所述成像系统包括目镜和物镜;所述图像传感器与目镜的一端连接;所述电机与物镜相连,用于控制物镜的位移;所述网络单元包括数据传输模块、数据处理模块、无线传输模块、存储模块、电源模块和输入输出模块,所述图像传感器、电机和光源分别与输入输出模块连接。
进一步地,所述物镜采用高数值孔径微型镜头,所述目镜采用固定消色差光学透镜组。
进一步地,所述电机采用基于线圈马达或微机电的高精度微型电机。
进一步地,所述样品台上设有样品槽。
进一步地,所述光源有三种照明方式:(1)透射式照明:光源放置于样品的下方;(2)反射式照明:目镜和物镜之间放置一个角度为45°的半透半反透镜,光源置于半透半反透镜的侧面使得光源发出光线经半透半反透镜反射后垂直入射到物镜上;(3)散射式照明:光源置于物镜和样品之间,围绕物镜轴线均匀分布。
进一步地,所述无线传输模块为WIFI和蓝牙。
进一步地,所述网络单元通过无线传输模块与数据库或专家系统连接。
进一步地,所述图像传感器采用CMOS或CCD图像传感器。
进一步地,所述镜筒和样品台之间通过机械连接、粘贴、卡接或者榫接的方式连接在一起,两者之间的距离可调。
本发明利用电控制的微型高数值孔径镜头-消色差透镜的组合成像系统,结合物联网模块,实现一种低成本、拥有高分辨本领、可快速实时自动对焦、智能、互联的手持显微镜系统。与现有的便携式显微镜相比,本发明具有以下有益效果:
(1)本发明采用微型电机控制的微型高数值孔径镜头-消色差透镜组合的成像系统,可以实现精确、快速、稳定的高分辨(1微米或更优)的光学成像。由于微型镜头数值孔径高,同时体积小可直接由商用微型电机快速精确控制,使得整个系统在保证成像性能的基础上,在成本与体积方面相比于传统方式有非常大的提高。
(2)本发明的光学显微系统利用低成本、高性能、技术成熟稳定的元件构成,在成本低廉、性能可靠的基础上,具有体积小、重量轻和便于携带的特点。
(3)可实现光学自动聚对焦、无线图像/视频传输、在网页端即时显示和控制、自定义显示图像分辨率、并能够接入远程服务器端和专家系统,能够通过网络实现远程操作,同时可作为模块协同与控制其他传感与促动器模块完成复杂功能。
附图说明
图1是本发明微型电机控制的高数值孔径微型镜头-消色差透镜的组合成像系统的装置示意图,其中(a)为透射式照明方式,(b)反射式照明方式,(c)散射式照明方式。
图2是本发明实施例中高数值孔径微型镜头(物镜组件)示意图。
图3是本发明实施例的光学显微系统整体结构示意图。
图4是本发明实施例的镜筒结构示意图。
图5是本发明实施例的样品台结构示意图。
图中,1-图像传感器,2-目镜,3-物镜,4-样品,5-光源,6-半透半反透镜,7-电机,8-镜筒,9-安装孔,10-通孔,11-样品台,12-样品槽,13-网络单元。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式来作进一步详细说明。
如图1和3所示,本实施例的一种便携式智能互联的光学显微系统,包括光学显微装置和网络单元13,该显微装置包括镜筒8、样品台11、CMOS图像传感器1、成像系统、电机7和光源5,成像系统放置在镜筒8内,由一个目镜2和物镜3组成,电机7和物镜3连接。目镜2上端连接CMOS图像传感器1,本实施例中,两者通过螺纹连接固定在一起。样品台11设有样品槽12,用于放置样品4。CMOS图像传感器1、目镜2、物镜3和样品4的轴线在一条直线上。
本实施例中,成像系统的目镜2为固定消色差光学透镜组,物镜3为高数值孔径微型镜头(NA>0.25),电机7采用基于线圈马达或微机电的高精度的微型电机,并与高数值孔径微型镜头连接,用于控制镜头的移动。如图2所示,本实施例的高数值孔径微型镜头采用一个透镜,该透镜直接嵌在微型电机7的中间。
结合如图1三种不同的照明方式,可以观察到不同种类的样品。光源5的三种照明方式分别为:(1)透射式照明:光源5放置于样品槽12下方;(2)反射式照明:目镜2和物镜3之间放置一个角度为45°的半透半反透镜6,光源置于半透半反透镜6的侧面使得光源5发出光线经半透半反透镜6反射后垂直入射到物镜3上;(3)散射式照明:光源5置于物镜3和样品4之间,围绕物镜3轴线均匀分布。
本实施例的网络单元13包括数据传输模块、数据处理模块、无线传输模块、存储模块、电源模块和输入输出模块,其中,数据处理模块与无线传输模块、存储模块和输入输出模块通过数据传输模块并列连接,由数据处理模块发送指令控制其他模块运行,电源模块采用USB接口为网络单元供电。CMOS图像传感器1、电机7和光源5均与网络单元13的输入输出模块相连。通过网络单元13的输入输出模块对电机7施加不同的电信号,以控制物镜3的移动。电机可以在1毫米以上的范围内实现镜头的水平移动,从而获得大面积高分辨的光学成像。网络单元13可以采用现有比较成熟的单板机等产品,例如树莓派,上面集成有CPU、GPU、RAM、网络接口、无线设备、图像传感器接口、GPIO排针和电源等模块和接口。
如图4和图5,显微系统的镜筒8和样品台11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。镜筒8和样品台11之间可以通过机械连接、粘贴、卡接或者榫接等方式连接,且两者之间的距离可调。本实施例中,在镜筒8的底部设有四个凸块,每个凸块上设有通孔10,对应地,在样品台11的顶部也设置四个孔,通过螺母和螺丝将镜筒8和样品台11连接在一起,并且可通过旋紧或者旋松螺丝来调节镜筒8和样品台11两者之间的距离,同时也调整了物镜3和样品槽12之间的距离。样品槽12的开口深度与样品4厚度保持一致。电机通过安装孔9安装在镜筒8内。
显微装置的光源5包括一颗或多颗LED灯,LED灯发光波段在可见光范围内,供电由网络单元13的输入输出模块输出电压和电流。
本发明的显微系统实现无线自动聚焦显微成像的技术原理为:使用组合成像系统对样品4进行光学放大,由CMOS图像传感器1接收,即可将拍到的图片信息传输并存储在网络单元13中,网络单元13利用无线传输模块与终端设备进行双向数据通信。
具体实现过程如下:
(1)选取焦距较大的相机镜头或者工业镜头等作为目镜2,将目镜2与CMOS图像传感器1通过螺纹接口固定在一起。
(2)采用微型马达线圈控制的高数值孔径微型镜头作为物镜3。
(3)使用Solidworks软件设计并3D打印具有匹配尺度同心孔洞的镜筒8和样品台11,目镜2和物镜3之间的距离3mm。
(4)在步骤(3)模具的基础上设计并打印留有深度1.8mm的样品槽12以及光源放置孔位的模具,在样品槽12下方位置插入白光LED阵列,使用网络单元13的输入输出模块为其供电和控制。
(5)自动聚焦功能实现过程如下:通过网络单元13的输入输出模块对控制物镜3的电机7施加不同大小的电信号并使用Laplace算子对不同电信号时的图像进行清晰度评估,同时结合迭代算法快速得到图像清晰度最高时电信号的值。
(6)无线即时图片/视频传输功能实现过程如下:在网络单元13上使用Flask框架开发Web服务器端,通过网络单元13上的无线传输模块传到网页前端。
(7)网页端显示实现过程如下:在网络单元13上利用Flask框架、HTML、CSS和Javascript等技术开发网页,在连接局域网内设备的浏览器地址栏中输入网络单元的IP地址即可打开网页查看显微图像和控制显微系统。
(8)接入远程服务器端和专家系统的功能实现过程如下:可以在网络单元13上部署服务器,同时可以通过网络接入专家系统,利用人工智能技术对所拍的图像进行分析。
(9)自定义图片分辨率功能实现过程如下:在浏览器地址栏中输入完IP地址后,默认分辨率为640*480;如果IP地址加“/720p”,则设置分辨率为1280*720;如果IP地址加“/1080p”,则设置分辨率为1920*1080;如果加IP地址“/2k”,则设置分辨率为2560*1440;如果IP地址加“/4k”,则设置分辨率为4096*2190。
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。
Claims (9)
1.一种便携式智能互联的光学显微系统,包括光学显微装置和网络单元,其特征在于,所述光学显微装置包括镜筒、图像传感器、成像系统、电机、样品台和光源,图像传感器与成像系统设置在镜筒内,样品台放置在成像系统下方;所述成像系统包括目镜和物镜;所述图像传感器与目镜的一端连接;所述电机与物镜相连,用于控制物镜的位移;所述网络单元包括数据传输模块、数据处理模块、无线传输模块、存储模块、电源模块和输入输出模块,所述图像传感器、电机和光源分别与输入输出模块连接。
2.根据权利要求1所述的一种便携式智能互联的光学显微系统,其特征在于,所述物镜采用高数值孔径微型镜头,所述目镜采用固定消色差光学透镜组。
3.根据权利要求1所述的一种便携式智能互联的光学显微系统,其特征在于,所述电机采用基于线圈马达或微机电的高精度微型电机。
4.根据权利要求1所述的一种便携式智能互联的光学显微系统,其特征在于,所述样品台上设有样品槽。
5.根据权利要求1所述的一种便携式智能互联的光学显微系统,其特征在于,所述光源有三种照明方式:(1)透射式照明:光源放置于样品的下方;(2)反射式照明:目镜和物镜之间放置一个角度为45°的半透半反透镜,光源置于半透半反透镜的侧面使得光源发出光线经半透半反透镜反射后垂直入射到物镜上;(3)散射式照明:光源置于物镜和样品之间,围绕物镜轴线均匀分布。
6.根据权利要求1所述的一种便携式智能互联的光学显微系统,其特征在于,所述无线传输模块为WIFI和蓝牙。
7.根据权利要求1所述的一种便携式智能互联的光学显微系统,其特征在于,所述网络单元通过无线传输模块与数据库或专家系统连接。
8.根据权利要求1所述的一种便携式智能互联的光学显微系统,其特征在于,所述图像传感器采用CMOS或CCD图像传感器。
9.根据权利要求1所述的一种便携式智能互联的光学显微系统,其特征在于,所述镜筒和样品台之间通过机械连接、粘贴、卡接或者榫接的方式连接在一起,两者之间的距离可调。
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