CN112415736A - 光场光学显微镜及光场光学显微系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光场光学显微镜及光场光学显微系统，所述光场光学显微镜包括图像采集单元、第一光源组件以及微透镜组件；所述第一光源组件设于待测样品远离所述图像采集单元的一侧，所述微透镜组件包括多个微透镜以及至少一个振动单元；所述振动单元与至少一个所述微透镜连接，用于控制所述微透镜移动或摆动；在通过所述光场光学显微镜进行观察时，当所述待测样品移动或更改观察范围时，可以通过所述微透镜组件中的振动单元，调整所述微透镜的排布方式，从而使所述微透镜组件中的所述微透镜切换摆放角度，改变所述光场光学显微镜的观察位置，从而提高所述光场光学显微镜的观察范围，提供观察精度。

Description

光场光学显微镜及光场光学显微系统

技术领域

本发明涉及显微技术领域，尤其涉及一种光场光学显微镜及光场光学显微系统。

背景技术

光场光学显微镜是一种只需要进行一次的相机曝光采集数据，就能够获取物体三维信息的成像技术。光场光学显微镜将一个微透镜阵列放置于显微镜的像平面，相机放置于微透镜的焦平面。在通过光场光学显微镜对样品进行观察时，可以从不同微透镜获得观察样品在不同方向上的投影图像，再根据图像算法获得样品的三维信息。

现有技术中，由于光场光学显微镜的视场范围较小，在通过光场光学显微镜对可能活动的样品进行观察时，需要时刻调整承载样品的样品台的位置，但是在对光场光学显微镜进行调整过程中，可能会导致样品脱离光场光学显微镜的视场区域，从而提高了用户对样品的观察难度。

发明内容

本申请实施例提供一种光场光学显微镜及光场光学显微系统。

第一方面，本申请提供一种光场光学显微镜，所述光场光学显微镜包括图像采集单元、第一光源组件以及微透镜组件；

所述第一光源组件设于待测样品远离所述图像采集单元的一侧；

所述微透镜组件包括多个微透镜以及至少一个振动单元，所述多个微透镜按六边形阵列排布或矩阵阵列或圆形阵列排布；所述振动单元与至少一个所述微透镜连接，用于控制所述微透镜移动或摆动；

所述多个微透镜彼此紧密排列或彼此间隔设置；

所述待测样品的出光面与所述图像采集单元的入光面共轭；

所述第一光源组件发出的光线依次透射经过待测样品、所述微透镜组件后，被所述图像采集单元接收。

第二方面，本申请提供一种光场光学显微系统，所述光场光学限位系统包括如上述任一项实施方式所述的光场光学显微镜、控制单元以及图像处理单元；

所述控制单元与所述振动单元通信连接，用于控制所述振动单元带动所述微透镜进行移动或摆动；

所述图像处理单元与所述图像采集单元通信连接，用于获取所述图像采集单元采集的图像信息，并根据所述图像信息生成三维立体图或重聚焦图像。

可以看出，在本申请实施例中，在所述光场光学显微镜工作过程中，所述第一光源组件发出的光线在照射到所述待测样品后，光线透射经过所述待测样品或在所述待测样品的表面反射，光线经过所述待测样品透射或反射后传输至所述微透镜组件，并透射经过所述微透镜逐渐后传输至所述图像采集单元。在通过所述光场光学显微镜进行观察时，当所述待测样品移动或更改观察范围时，可以通过所述微透镜组件中的振动单元，调整所述微透镜的排布方式，从而使所述微透镜组件中的所述微透镜切换摆放角度，改变所述光场光学显微镜的观察位置，从而提高所述光场光学显微镜的观察范围，提供观察精度。

附图说明

图1是本申请实施例提供的一种光场光学显微镜的结构示意图；

图2是本申请实施例提供的另一种光场光学显微镜的结构示意图；

图3是本申请实施例提供的另一种光场光学显微镜的结构示意图；

图4是本申请实施例提供的另一种光场光学显微镜的结构示意图；

图5是本申请实施例提供的一种微透镜组件的俯视图；

图6是本申请实施例提供的另一种微透镜组件的俯视图；

图7是本申请实施例提供的一种微透镜组件的侧视图；

图8是本申请实施例提供的另一种微透镜组件的侧视图；

图9是本申请实施例提供的另一种微透镜组件的侧视图；

图10是本申请实施例提供的另一种微透镜组件的侧视图；

图11是本申请实施例提供的另一种微透镜组件的侧视图。

附图标号说明：

标号	名称	标号	名称
				10	图像采集单元	51	第一液体
20	第一光源组件	60	第二光源组件
				30	微透镜组件	61	第二光源
31	微透镜	70	分光镜
				32	振动单元	80	校正镜组
40	待测样品	90	目镜
				50	腔体	100	载物台

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

请参见图1至图4，本申请提出一种光场光学显微镜，所述光场光学显微镜包括图像采集单元10、第一光源组件20，微透镜组件30；

其中，所述图像采集单元10用于对经过所述微透镜组件30的光线进行采集，在一实施例中，所述图像采集单元10为电荷耦合器件(Charge-coupled Device，CCD)或由互补金属氧化物半导体(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，CMOS)组成的成像芯片，在其他实施例中，所以图像采集单元10还可以为其他能够获取图像的装置。

所述第一光源组件20设于待测样品40远离所述相机的一侧，

其中，所述第一光源组件20用于对所述待测样品40进行照明，优选实施方式中，所述第一光源组件20为具有高功率LED光源，所述第一光源组件20设于所述待测样品40远离所述相机的一侧，在所述光场光学显微镜工作时，所述第一光源组件20发出的光线能够透射经过所述待测样品40，从而方便后续的光学系统中的所述图像采集单元10接收光线，方便形成所述待测样品40的图像。

在一实施例中，所述第一光源组件20还可以与所述图像采集单元10设于所述待测样品40的同一侧，具体的，所述第一光源组件20发出的光线在照射至所述待测样品40后，经过所述待测样品40表面的反射后，反射的光线在射向所述微透镜组件30后传输至所述图像采集单元10。

所述微透镜组件30包括多个微透镜31以及至少一个振动单元32，所述多个微透镜31按六边形阵列排布或矩阵阵列或圆形阵列排布；所述振动单元32与至少一个所述微透镜31连接，用于控制所述微透镜31移动或摆动；

其中，多个所述微透镜31的直径均相等，并且每个所述微透镜31均具有入光面与出光面，所述微透镜31的入光面靠近所述第一光源组件20设置，所述微透镜31的出光面靠近所述图像采集单元10设置。在一具体实施例中，所述微透镜31的出光面与入光面可以为球面结构或非球面结构或菲涅尔结构或其他结构。当所述微透镜31为非球面结构时，能够有效的减小镜片的边缘像差，提高所述投影镜头的性能，有效地实现多个球面透镜校正像差的效果，有利于实现镜头的小型化；当所述微透镜31为菲涅尔结构时，在所述微透镜31具有相同的光焦度时，菲涅尔结构相比普通球面结构的透镜具有更小的体积，从而有效的减小所述微透镜31阵列的体积。

其中，所述多个微透镜31的排列方式包括但不限于按六边形阵列排布或矩阵阵列或圆形阵列排布。在一实施例中，所述多个微透镜31的排布方式与所述微透镜31的形状进行确定，当所述微透镜31为圆形透镜时，所述微透镜组件30按六边形阵列排布或矩阵阵列或圆形阵列排布，当所述微透镜31为矩形时，所述微透镜组件30按或矩阵阵列排布，当所述微透镜31为六边形时，所述微透镜组件30按或六边形阵列排布。

在一实施例中，所述振动单元32为压电陶瓷驱动器。

所述微透镜31组的N个所述微透镜31彼此紧密排列或彼此间隔设置；

在一实施例中，如图5与图6，所述微透镜组件30的N个所述微透镜31彼此紧密排列，可以理解的是，所述微透镜31彼此紧密排列是指相邻的所述微透镜31相互抵接或彼此间存在缝隙，所述缝隙距离小于所述微透镜31直径的五分之一；在另一实施例中，所述微透镜组件30的N个所述微透镜31彼此间隔设置，所述微透镜31除了能够沿着光轴方向进行移动，还能够沿着第一方向或第二方向向邻近的所述微透镜31靠近或远离，还能够沿着自身进行旋转，可以理解的是，由于相邻的所述微透镜31彼此间隔设置，因此每个所述微透镜31均具有较大的活动范围。

所述待测样品40的出光面与所述图像采集单元10的入光面共轭；

其中，所述待测样品40的出光面与所述图像采集单元10的入光面共轭，光学共轭是指所述光学系统的物面与像面具有相互映射的关系，当所述待测样品40的出光面与所述图像采集单元10的入光面共轭时，表示所述待测样品40的出光面处于所述光学系统的物面，所述图像采集单元10的入光面处于所述光学系统的像面。当所述待测样品40的出光面与所述图像采集单元10的入光面共轭时，表示所述图像采集单元10能够清晰的获得所述待测样品40的图像，从而方便对所述待测样品40进行观察。

所述光源组件发出的光线依次透射经过待测样品40、所述微透镜组件30后，被所述图像采集单元10接收。

其中，所述光场光学显微镜还包括校正镜组80，所述校正镜组80设于所述待测样品40与所述微透镜组件30之间，用于对从所述待测样品40至所述微透镜组件30之间的光线进行校正，从而消除光线产生的像差。

在所述光场光学显微镜工作过程中，所述第一光源组件20发出的光线在照射到所述待测样品40后，光线透射经过所述待测样品40或在所述待测样品40的表面反射，光线经过所述待测样品40透射或反射后传输至所述微透镜组件30，并透射经过所述微透镜31逐渐后传输至所述图像采集单元10。在通过所述光场光学显微镜进行观察时，当所述待测样品40移动或更改观察范围时，可以通过所述微透镜组件30中的振动单元32，调整所述微透镜31的排布方式，从而使所述微透镜组件30中的所述微透镜31切换摆放角度，改变所述光场光学显微镜的观察位置，从而提高所述光场光学显微镜的观察范围，提供观察精度。

在本申请的一实现方式中，如图6，当所述微透镜组件30的多个所述微透镜31彼此间隔设置时，所述微透镜31之间的间距大于或等于所述微透镜31的直径。从而方便所述微透镜31能够沿着不同方向进行移动或摆动，优选实施方式中，所述微透镜31之间的间距等于所述微透镜31的直径。

在本申请的一实现方式中，所述振动单元32的数量与所述微透镜组件30的数量相同，每个所述微透镜31与一个所述振动单元连接，每一所述振动单元32用于控制与一个所述振动单元32对应的所述微透镜31移动或摆动。具体的，一个所述振动单元32与对应一个所述微透镜31连接，用于控制所述微透镜31沿不同方向进行移动或摆动，因此可以改变所述微透镜31的排列方式，使所述微透镜31阵列呈现不同的表面形状，并使所述微透镜31阵列具有不同的光焦度。

在一实施例中，如图7至图11，所述多个微透镜31成斜面方式排布，从而能够改变进入所述微透镜31阵列的光线传输方向，在另一实施例中，如图4，所述多个微透镜31呈曲面方式排布，因此能够改变对光线进行聚焦，从而方便所述图像采集单元10对光线进行采集。

在本申请的一实现方式中，如图2，所述微透镜组件30包括N个所述微透镜31，M个所述振动单元32，N与M均为大于1的整数，且M小于N，一个所述振动单元32至少两个所述微透镜31连接，一个所述振动单元32用于带动与其连接的所述微透镜31沿相同方向进行移动或摆动。在一实施例中，所述振动单元32的数量小于所述微透镜31的数量，每个所述振动单元32控制多个所述微透镜31进行移动或摆动。其中，所述振动单元32用于控制单排所述微透镜31或单列所述微透镜31进行移动或摆动。在一具体实施例中，所述微透镜组件30包括50*60个所述微透镜31，所述微透镜组件30还包括50个所述振动单元32，每个所述振动单元32控制同一排的60个所述微透镜31共同移动，因此可以通过所述振动单元32改变时所述微透镜31阵列的排列方式，使所述微透镜31阵列变为阶梯状或其他排列形状。

在本申请的一实现方式中，所述振动单元32用于带动所述微透镜31沿第一方向或第二方向或第三方向移动和/或控制所述微透镜31沿第三方向倾斜转动，其中，所述第三方向与所述图像采集单元10的入光面垂直，所述第一方向与所述第二方向相互垂直，并均与所述图像采集单元10的入光面平行。具体的，所述第一方向与所述第二方向组成的平面平行于所述图像采集单元10的入光面，所述第三方向与所述光场光学显微镜的光轴平行。

在本申请的一实现方式中，如图4，所述光场光学显微镜还包括腔体50，所述微透镜组件30设于所述腔体50内，所述腔体50内填充有第一液体51。具体的，所述微透镜组件30收容于所述腔体50内，所述振动单元32的一端贯穿设于所述腔体50外侧，另一端伸入所述腔体50内侧与对应的所述微透镜31连接，所述振动单元32伸入所述腔体50的一端与所述腔体50密封连接，以避免所述腔体50内的第一液体51泄露。通过在所述腔体50内填充所述第一液体51，能够改变光线进入所述微透镜组件30时的传输方向，当所述第一液体51的折射率与所述微透镜31的折射率相近时，能够通过所述第一液体51抵消所述空气引起的散光现象，提高进入所述微透镜组件30的光通量，进而提高所述光场光学显微镜的成像清晰度。优选实施方式中，所述第一液体51为甘油或香柏油或水。

在本申请的一实现方式中，如图1至图4，为了提高所述光场光学显微镜的显示亮度，所述光场光学显微镜还包括第二光源组件60，所述第二光源组件60包括多个第二光源61，所述多个第二光源61均匀环绕所述待测样品40设置，并且所述第二光源61的出光面指向所述待测样品40。在一实施例中，所述光场光学显微镜包括载物台100，所述载物台100用于承载所述待测样品40，所述第二光源组件60设于所述载物台100上，并与所述待测样品40设于所述载物台100的同一侧，所述第二光源61为LED灯，多个LED灯环绕所述待测样品40设置，当所述光场光学显微镜工作时，多个LED灯从所述待测样品40的周侧发出照明光线，从而避免所述待测样品40的透明度较低时，通过所述图像采集单元10无法清晰的观察到所述待测样品40的问题。

优选实施方式中，所述第二光源组件60包括8个LED灯，8个LED灯均匀环绕所述待测样品40设置，8个LED灯彼此之间在光线温度和光线比率方面具有一致性，从而保证光线的均匀和光通量的控制效果。每个LED都有一个单独的开关，用于控制光通量。周围照明系统中的LED灯用于照亮不透明的样品。当所有周围照明LED灯亮起时，将具有足够的光通量来观察样品表面。通过开关一一对应地独立控制每一个LED灯的开关，可以控制光通量和光线的方向。控制光线的方向可以提高三维深度的对比度，而在特定方向增强光线可以在浅层提供光线补偿，从而克服在传统的光学显微镜中，浅景深限制了小焦点区域的样本观察的技术问题。

在本申请的一实现方式中，为了方便通过所述光场光学显微镜进行观察，除了可以通过所述图像采集单元10采集图像进行显示外，还可以通过用户人眼直接对所述待测样品40进行观察，具体的，所述光场光学显微镜还包括分光镜70，所述分光镜70设于所述待测样品40与所述微透镜组件30之间，所述分光镜70用于对经过所述待测样品40的光线进行分光，被所述待测样品40透射或反射出的光线传输至所述分光镜70，透射经过所述分光镜70的光线传输至所述图像采集单元10，经过所述分光镜70反射的光线传输出所述光场光学显微镜，方便用户直接进行观察。

优选实施方式中，所述光场光学显微镜还包括目镜90，所述目镜90设于所述分光镜70的反射光路上，被所述分光镜70反射的光线经过所述目镜90时，通过所述目镜90校正光线的像差，从而提高人眼对所述待测样品40的观察效果，避免出现图像模糊或图像扭曲的问题。

本申请还提出一种光场光学显微系统，其特征在于，所述光场光学限位系统包括如上述任一项实施方式所述的光场光学显微镜、控制单元以及图像处理单元；

所述控制单元与所述振动单元32通信连接，用于控制所述振动单元32带动所述微透镜31进行移动或摆动；

所述图像处理单元与所述图像采集单元10通信连接，用于获取所述图像采集单元10采集的图像信息，并根据所述图像信息生成三维立体图或重聚焦图像。

本申请实施例所描述的方法或者算法的步骤可以以硬件的方式来实现，也可以是由处理器执行软件指令的方式来实现。软件指令可以由相应的软件模块组成，软件模块可以被存放于随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、闪存、只读存储器(Read OnlyMemory，ROM)、可擦除可编程只读存储器(Erasable Programmable ROM，EPROM)、电可擦可编程只读存储器(Electrically EPROM，EEPROM)、寄存器、硬盘、移动硬盘、只读光盘(CD-ROM)或者本领域熟知的任何其它形式的存储介质中。一种示例性的存储介质耦合至处理器，从而使处理器能够从该存储介质读取信息，且可向该存储介质写入信息。当然，存储介质也可以是处理器的组成部分。处理器和存储介质可以位于ASIC中。另外，该ASIC可以位于接入网设备、目标网络设备或核心网设备中。当然，处理器和存储介质也可以作为分立组件存在于接入网设备、目标网络设备或核心网设备中。

本领域技术人员应该可以意识到，在上述一个或多个示例中，本申请实施例所描述的功能可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本申请实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(DigitalSubscriber Line，DSL))或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输。所述计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，数字视频光盘(DigitalVideo Disc，DVD))、或者半导体介质(例如，固态硬盘(Solid State Disk，SSD))等。

以上所述的具体实施方式，对本申请实施例的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本申请实施例的具体实施方式而已，并不用于限定本申请实施例的保护范围，凡在本申请实施例的技术方案的基础之上，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本申请实施例的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光场光学显微镜，其特征在于，所述光场光学显微镜包括图像采集单元、第一光源组件以及微透镜组件；

所述第一光源组件设于待测样品远离所述图像采集单元的一侧；

所述微透镜组件包括多个微透镜以及至少一个振动单元，所述多个微透镜按六边形阵列排布或矩阵阵列或圆形阵列排布；所述振动单元与至少一个所述微透镜连接，用于控制所述微透镜移动或摆动；

所述多个微透镜彼此紧密排列或彼此间隔设置；

所述待测样品的出光面与所述图像采集单元的入光面共轭；

所述第一光源组件发出的光线依次透射经过待测样品、所述微透镜组件后，被所述图像采集单元接收。

2.根据权利要求1所述的光场光学显微镜，其特征在于，所述微透镜组件的多个所述微透镜彼此间隔设置，所述微透镜之间的间距大于或等于所述微透镜的直径。

3.根据权利要求1所述的光场光学显微镜，其特征在于，所述振动单元的数量与所述微透镜组件的数量相同，每个所述微透镜与一个所述振动单元连接，每一所述振动单元用于控制与一个所述振动单元对应的所述微透镜移动或摆动。

4.根据权利要求1所述的光场光学显微镜，其特征在于，所述微透镜组件包括N个所述微透镜，M个所述振动单元，N与M均为大于1的整数，且M小于N，一个所述振动单元至少两个所述微透镜连接，一个所述振动单元用于带动与其连接的所述微透镜沿相同方向进行移动或摆动。

5.根据权利要求1所述的光场光学显微镜，其特征在于，所述振动单元用于带动所述微透镜沿第一方向或第二方向或第三方向移动和/或控制所述微透镜沿第三方向倾斜转动，其中，所述第三方向与所述图像采集单元的入光面垂直，所述第一方向与所述第二方向相互垂直，并均与所述图像采集单元的入光面平行。

6.根据权利要求1所述的光场光学显微镜，其特征在于，所述光场光学显微镜还包括腔体，所述微透镜组件设于所述腔体内，所述腔体内填充有第一液体。

7.根据权利要求6所述的光场光学显微镜，其特征在于，所述第一液体为甘油或香柏油或水。

8.根据权利要求1所述的光场光学显微镜，其特征在于，所述光场光学显微镜还包括第二光源组件，所述第二光源组件包括多个第二光源，所述多个第二光源均匀环绕所述待测样品设置，并且所述第二光源的出光面指向所述待测样品。

9.根据权利要求1所述的光场光学显微镜，其特征在于，所述光场光学显微镜还包括分光镜，所述分光镜设于所述待测样品与所述微透镜组件之间，所述分光镜用于对经过所述待测样品的光线进行分光。

10.一种光场光学显微系统，其特征在于，所述光场光学限位系统包括如权利要求1-9任一项所述的光场光学显微镜、控制单元以及图像处理单元；

所述控制单元与所述振动单元通信连接，用于控制所述振动单元带动所述微透镜进行移动或摆动；

所述图像处理单元与所述图像采集单元通信连接，用于获取所述图像采集单元采集的图像信息，并根据所述图像信息生成三维立体图或重聚焦图像。

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