CN112639572B - 全光目镜装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种全光目镜装置(1)，其旨在被耦合在光学仪器的目镜端口中，光学仪器被配置成用于在位于靠近所述目镜端口的区域中的焦平面上生成样本的真实图像，所述全光目镜装置配置成用于捕获所述真实图像，生成一组基本图像并将基本图像发送到具有空间离散的记录设备(8)，具有空间离散的记录设备(8)又包括被配置成将一组基本图像发送到外部图像处理设备的通信设备。全光目镜装置(1)包括管状元件(2)、耦接设备(3)、光阑(4)、第一透镜布置(5)、第二透镜布置(6)、透镜阵列(7)以及具有空间离散的记录设备(8)。

Description

全光目镜装置
技术领域
本发明涉及光学装置和仪器的领域，具体地涉及可以被插入到所述光学仪器的目镜端口中的附属装置，该附属装置被提供用于改进物体或样本的观察质量。
背景技术
已经在光学领域中开发了仪器来研究元件、材料或天体，以改进这些物体的所获得的图像并因此确定它们的特征特性。
特别地，光学显微镜学在生命和材料科学的发展中发挥着关键作用。由于该领域的进步，例如，有可能研究细胞水平的疾病，这为开发已经救了数百万生命的药物和治疗铺平了道路。
常规地，光学显微镜学已经聚焦于获得所观察的样本的2D图像；然而，近来，显微镜已经被实施为结合了允许获得微观样本的3D图像的某种技术。
用于提供所述微观样本的3D图像的选项中为共焦显微镜学、数字全息显微镜学、结构化显微镜学和集成显微镜学等。集成显微镜学(也称为全光显微镜学或光场显微镜学)具有记录来自所研究的样本的不同垂直和水平视角的捕获的厚样本的3D信息的能力作为主要特征。这些视角是通过显微镜的视场的空间或时间多路复用获得的；从这样的视角，可以使用为此目的开发的常规算法来计算样本的3D信息。在集成显微镜学的更复杂版本中，借助于位于数字传感器(其可以是CCD或CMOS相机)前面的显微镜头阵列来获取样本的垂直和水平视角系列。
用以捕获光场的另一技术是基于阵列或相机布置的使用。相机被理解为由摄影物镜和数字传感器形成的单元。该技术用于宏观成像的应用中，其中分辨能力不受衍射的限制。然而，在显微镜学中不推荐使用这种技术，因为在此衍射是分辨能力的主要限制因素，因为物镜的孔径光阑的尺寸比实际物镜的尺寸小得多。这意味着比采用透镜阵列时获得的分辨能力差得多的分辨能力。
尽管在集成显微镜学领域中已经做出了开发，迄今已知的用于获得3D图像的系统本质上是大量实验室组件，其实际应用受制约于样本对这种类型组件所施加的条件的适应。
因此，尚未探索使2D显微镜能够容易地被适配以获得全光3D图像的选项。
在现有技术中，存在可耦接在光学显微镜中的装置，其目的是改进显微镜的一些功能。例如，中国实用新型CN20134499公开了一种光学显微镜放大倍数为30的电子目镜，其包括有序连接的目镜管(1)和延伸颈部(2)，其中，所述目镜管(1)的前端安装有目镜透镜I(3)；所述目镜筒的后端安装有目镜透镜II(4)；在所述延伸颈部(2)的内部安装有图像传感器芯片(5)。优选地，图像传感器(5)是CCD或CMOS类型的传感器。
本实用新型所公开的目镜装置的优点是：实现高达30倍的放大倍数，高达10倍的放大倍数仅改变电子目镜，以及16倍放大倍数使目镜管(1)在光学显微镜的目镜管内平滑过渡耦合；然而，此装置尽管是高放大倍数电子目镜，但就其不提供3D图像的意义而言对应于常规目镜。
与以上指出的装置类似的装置的另一个装置的公开是日本专利申请JP2017219590，该申请公开了连接适配器(1)，该连接适配器(1)可以将图像传感器连接至具有光学机构的检查装置。连接适配器(1)包括主适配器本体(4)、图像传感器可以耦接到其上的支撑件(5)以及在轴向方向上的在组件适配器本体(4)内的支撑件(5)以及组件移动机构，组件移动机构使得可移动构件能够移动，轴向方向穿过检查装置的光学机构的中心和图像传感器的中心。组装运动机构包括外筒部分(6)、引导凹槽(14)、扩大孔(15)和螺栓(16)。在该日本申请中公开的连接适配器(1)使得能够将图像传感器接合到设置有光学装置的检查装置，这提高了使用的便利性；然而，它不提供多于2D图像，在任何情况下它都不提供在配备有所述装置的显微镜中观察到的样本的一组3D场景。
西班牙专利ES 2 622 458描述了一种集成显微镜，该集成显微镜排他地由显微镜物镜、位于显微镜物镜的光圈孔径中的显微镜头阵列以及CCD传感器组成，该光圈孔径与瞳平面(也被称为傅里叶平面)重合。通过显微镜头，从不同的视角捕获样本的图像。从本公开中可以看出，显微镜是“集成的”，也就是说，所提及的技术被集成在显微镜中，因此所述光学仪器已经准备好同时从不同视角获取样本的图像并且基于这些图像生成所述样本的3D图像。因此，引用的西班牙专利的用于形成图像的装置不能适配于常规显微镜以将其转换成全光类型显微镜。
如可以从现有技术的公开中观察到的，已经提供了可以耦接在光学仪器的目镜端口中的装置，诸如在光学显微镜的目镜端口中等，但这些装置都没有被设计成从捕获样本的2D图像的光学仪器来获得3D全光图像。
因此，有证据表明需要提供可以耦接和/或集成在用于主观观察的光学仪器的目镜端口中的装置，诸如像光学显微镜等，其中所述装置使得能够以单次拍摄或从不同视角拍照获得3D样本的多个全光图像。
发明内容
为了克服现有技术中的需要或缺口，本发明提供了一种全光目镜装置，全光目镜装置旨在被耦接在光学仪器的目镜端口中，光学仪器被配置成在位于靠近所述目镜端口的区域中的焦平面上生成样本的真实图像。全光目镜装置包括管状元件、耦接设备、光阑、第二透镜布置以及透镜阵列，管状元件具有第一端部和与第一端部相对的第二端部，耦接设备可以耦接在被布置在第一端部处的光学仪器的目镜端口中，光阑位于距第一透镜布置一段距离SF处，所述光阑和/或所述第一透镜布置相对于目镜端口的焦平面定位，该目镜端口的焦平面是由光学仪器提供的真实图像形成的平面，以及第一透镜布置限定焦距fF，第二透镜布置位于距第一透镜布置的距离e处并且限定焦距fE，透镜阵列位于距第二透镜布置一段距离S′F处、被配置成用于捕捉来自光学仪器的真实图像、生成一组基本图像并且将其发送到具有空间离散的记录设备，其中，所述具有空间离散的记录设备位于距透镜阵列一段距离fL处并且包括通信设备，该通信设备被配置成用于将来自透镜阵列的一组基本图像传输至外部图像处理设备。
在替代实施例中，透镜阵列的位置是使得其与由第一透镜布置与第二透镜布置的组合聚焦产生的聚焦图像重合的位置，使得：
Figure BDA0002920360350000031
以及
Figure BDA0002920360350000032
在优选实施例中，透镜阵列的位置是使得其与由第一透镜布置与第二透镜布置的组合聚焦产生的图像平面重合的位置，使得
Figure BDA0002920360350000033
以及
Figure BDA0002920360350000041
其中z是光学仪器的出射光瞳与全光目镜的光阑之间的距离。
在其他优选实施例中，透镜阵列包括显微镜头阵列，显微镜头阵列以周期p限定，显微镜头阵列限定焦距fL，使得具有空间离散的记录设备位于由所述焦距fL限定的透镜阵列的焦平面上。
在全光目镜装置的其他甚至更多替代实施例中，第一透镜布置和第二透镜布置一起限定焦距foc，并且其中光阑在其被配置为场阑时包括具有直径φ的圆形孔径，使得
Figure BDA0002920360350000042
并且
Figure BDA0002920360350000043
在本发明的全光目镜装置的替代实施例中，具有空间离散的记录媒质的通信设备被配置成通过有线或无线连接传输图像组。
在其他实施例中，本发明的全光目镜装置可以耦接到其上的光学仪器选自光学显微镜、经纬仪、双目镜、耳镜、皮肤镜以及提供有至少一个目镜端口的任何其他光学仪器。
本发明还设想一种提供有至少两个目镜端口的光学仪器，其中在本文所描述的全光目镜装置被耦接和/或集成在所述目镜端口的第一目镜端口中，并且CCD相机或用于捕获2D图像的类似装置被耦接和/或集成在第二目镜端口中，其中光学仪器被配置成同时或独立地用本发明的全光目镜装置记录全光3D图像并且用CCD相机或类似装置记录2D图像。
利用所描述的发明实现的优点之一是，该装置是光学仪器的独立元件，因此，只要仪器具有目镜端口，该装置就可以被插入到不同的仪器中。
本发明的另一个优点是其旨在自由地耦接在光学仪器的目镜端口中。目镜端口是外部的并且容易接近，使得移除或插入装置的过程与任何目镜相同，这不需要使用工具并且花费不超过几秒钟的时间来耦接或移除。此外，由于全光目镜装置布置在目镜端口中，全光目镜装置能够与光学仪器的传统部分同时工作，能够利用主仪器的所有效用，诸如在显微镜中等，在其中处理样本的便利性、滤光片的使用、机动聚焦系统的使用或任何其他光学机械附件可以被利用。
另外的优点是，用常规算法进行基本图像的处理以产生样本的所需3D信息的处理容易结合在已知的外部处理装置(诸如计算机、平板电脑、智能电话等)中；因此，该光学仪器不需要干预，并且本发明的装置的应用是直接的和立即的。
附图说明
从以下参照附图对示例性实施例的详细描述中将完全理解上述和其他的优点和特征，这些应被认为是说明性的而非限制性的，其中：
图1是全光目镜装置的总体剖视图。
图2示出显微镜和本发明的全光目镜装置之间的示例性耦接，其中示意性地示出光线从样本穿过显微镜到达全光目镜装置所遵循的轨迹。
具体实施方式
在下面的详细描述中，以示例的形式概述了许多具体细节，以提供对相关教导的全面理解。然而，对于本领域技术人员明显的是，本教导可以在实践中无需这样的细节来实施。
根据优选实施例，本发明公开了一种全光目镜装置(1)，该全光目镜装置(1)被设置成耦接在光学仪器的目镜端口中，其中装配有目镜端口的这种光学仪器可以选自光学显微镜、经纬仪、双目镜、耳镜、皮肤镜以及提供有目镜端口的任何其他光学仪器。
如可在图1中观察到的，全光目镜装置(1)包括呈管状元件(2)形式的本体，管状元件(2)被定形状为类似支撑结构，管状元件(2)被配置成用于固定装置的所有部件。管状元件(2)包括第一端部(2A)和第二端部(2B)，第一端部(2A)对应于光学仪器的近端部或优选地朝向光学仪器的目镜端口定向，第二端部(2B)对应于远端部或进一步远离目镜端口，因此与第一端部(2A)相对。在优选实施例中，管状元件(2)是由塑料或金属和/或这些的组合成形的中空圆柱体，所述管状元件(2)包括凹槽、空腔、光圈和/或被配置成固定全光目镜装置(1)的部件的类似物。
到目镜端口的耦接设备(3)在第一端部(2A)处并且设置在管状元件(2)中，到目镜端口的耦接设备(3)如其名称所暗示的，被布置、配置成将全光目镜装置(1)耦接到光学仪器的目镜端口。在图1所示的实施例中，耦接设备(3)被配置成管状元件(2)的窄部分(3A)，窄部分(3A)具有适合的尺寸使得它能够将所述窄部分(3A)插入到目镜端口中，使得管状元件(2)的这种变窄产生了肩台(3B)，肩台(3B)充当目镜端口中的耦接设备(3)的插入限制器。
如在图1中观察到的，全光目镜装置(1)包括光阑，光阑(4)的功能是调节到达第一透镜布置(5)的光量，第一透镜布置(5)与所述光阑(4)隔开一段距离。光阑(4)的位置使其能够被配置成场光阑。在优选实施例中，光阑(4)是虹膜型光阑，该优选配置不限制在本发明的范围内。
重要的是阐明在本发明的上下文中，术语“透镜布置”可以指代单个透镜或者指代在相同光学轴线上对准的两个或更多个透镜的耦合或接合，其中每个透镜布置具有其特定的光学特性，例如焦点或聚焦、焦距长度等。
此外，第一透镜布置(5)位于距光阑(4)一段距离SF处，限定了焦距fF，该第一透镜布置(5)被配置成场透镜布置，使得视野在所述第一透镜布置(5)中被放大。在简化的实施例中，第一透镜布置(5)包括具有平凸形状的单个透镜，其中该透镜的凸面部分的定向将取决于所述透镜相对于光阑(4)的位置。在其他实施例中，第一透镜布置(5)是叠加或连接在一起的两个或更多个凸透镜的组合。如在传统目镜中已知的，该第一透镜布置(5)可位于光阑(4)之后的位置中，也就是说，在光阑(4)首先相对于端部(2A)被定位然后再将第一透镜布置(5)定位的位置中，或者它可以位于在光阑(4)首先相对于端部(2A)被定位之前的位置中。在这些情况的第一种情况下，如图1所示，全光目镜装置(1)被配置成“正的”类型，其中，凸面部分朝向端部(2B)定向，而在第二种情况下(未示出)，目镜装置被配置成负的类型，其中透镜布置的凸面部分朝向端部(2A)定向。
此外，并且如在图1中还可见，全光目镜装置(1)包括第二透镜布置(6)，第二透镜布置位于距第一透镜布置(5)一段距离e处并且限定焦距fE。在其最简单的实施例中，该第二透镜布置(6)包括平凸形状的单个透镜，其中，透镜的凸面部分朝向目镜端口定向。在其他实施例中，第二透镜布置(6)是叠加或连接在一起的两个或更多个凸透镜的组合。
迄今为止已经描述的元件形成常规目镜装置的一部分或将如通常已知的那样使常规目镜装置成形。以这种方式，第一透镜布置(5)将被称为场透镜，而第二透镜布置(6)将被称为目透镜。
必须指出的是，本发明的全光目镜装置(1)，像常规目镜一样，被提供用于捕获样本的真实(中间)图像，光学仪器在位于靠近所述目镜端口的区域中的焦平面上产生该真实图像。这个“靠近的区域”或邻近产生焦平面的目镜端口的位置与光学仪器的类型相关联，因为例如在望远镜的情况下，焦平面处于望远镜的物镜的图像焦点中，并且在具有管状透镜的显微镜的情况下，焦平面处于管状透镜的图像焦点中。出于这个原因，目镜装置应当位于接近焦平面的区域中，真实(中间)图像在该焦平面上形成，以捕获所述真实图像并用下文描述的元件来处理该真实图像。
如图1所示，本发明包括透镜阵列(7)，透镜阵列(7)耦接到管状元件(2)，位于距所述第二透镜布置(6)一段距离S′F处，其中，所述透镜阵列(7)定位成使得其与由第一透镜布置(5)与第二透镜布置(6)的组合聚焦所产生的图像焦点重合。透镜阵列(7)限定焦距fL并且被配置成用于捕捉来自光学仪器的真实(放大的)图像(具体地，由第一透镜布置(5)和第二透镜布置(6)的组合提供的图像)，进而生成一组基本图像并且将其发送至具有空间离散的记录设备(8)。
在优选实施例中，透镜阵列(7)包括被布置在相同平面上的透镜阵列，使得透镜中的每一个的光学轴线都彼此平行并且垂直于透镜的平面。阵列中的透镜被限定成具有尺寸或周期p和焦距fL。重要的是指出，当透镜阵列(7)是显微镜头阵列时，显微镜头中的每一个具有焦距fL，使得所有焦距形成处于也被称为焦距fL的公共焦平面。具有空间离散的记录设备(8)优选地被定位在该焦平面中。
记录和空间离散设备(8)优选地位于本体(2)的第二端部(2B)，使得其与透镜阵列(7)的焦平面重合，如前面已经提到的，并且记录和空间离散设备(8)被配置成记录一组透视图像，在前面的段落中，该透视图像称为基本图像，其来自透镜阵列(7)并通过包括所述记录和空间离散设备(8)的通信设备将所述一组图像朝向外部图像处理设备传输。
在优选实施例中，记录和空间离散设备(8)选自CMOS传感器或CCD传感器和/或能够记录来自透镜阵列(7)的一组透视图像的具有空间离散的任何其他记录设备。光阑(4)进而以这种方式定位并且具有使其作为场阑工作的尺寸，这保证了记录和空间离散设备(8)的感测区域的最佳使用。
在记录和空间离散设备(8)中提供的通信设备可以通过USB、相机链路或其他类型的有线连接或通过诸如WiFi、ZigBee IEEE 802.15.4、蓝牙或任何其他类型的无线链路将所记录的图像发送至外部图像处理设备。这种图像处理设备可以是计算机、平板电脑或智能电话。
重要的是指出，为了实现本发明的全光目镜装置(1)在分辨率和视野方面的最大使用，已经建立了数学表达式，当所述光阑(4)被配置为场阑时，该数学表达式使得能够建立光阑(4)的孔径的直径φ，使得穿过随后的透镜布置的，也就是说，通过第一透镜布置(5)和第二透镜布置(6)的直径φ的共轭具有所述透镜阵列(7)的尺寸。
考虑到，如前面段落中所限定的，第一透镜布置(5)和第二透镜布置(6)之间的距离是e，第一透镜布置(5)的焦距是fF以及第二透镜布置(6)的焦距是fE，可以使用几何光学的经典等式来计算作为整体的目镜装置的焦距foc：
Figure BDA0002920360350000081
还可以计算物体焦平面的位置，也就是说，第一透镜布置(5)与光阑(4)之间的距离
Figure BDA0002920360350000082
以及图像焦平面S′F的位置，也就是说，第二透镜布置(6)与透镜阵列(7)之间的距离
Figure BDA0002920360350000083
其中z是从光学仪器的出射光瞳到目镜光阑的距离。
也就是说，当光阑(4)被配置成场阑并且其实现装置的最大性能时，光阑的孔径的直径φ由以下定义：
Figure BDA0002920360350000084
重要的是要注意，当提及直径φ时，这是指有效直径，因为光阑的孔径一般可以是圆形、正方形、矩形、六边形或多边形，只要可以被提供为具有有效直径φ。
根据以上内容，选择参数foc、fL和p，以便提供放大倍数，这样使得全光目镜装置(1)根据所希望的特征产生所要求的基本图像的数目：基本图像的数目越高，景深越大并且分辨率越低(并且反之亦然)。优化分辨率和景深的一种情况是当透镜阵列(7)提供在3与5个图像之间的最大值时。
在所示的实施例中，透镜阵列(7)是二维的，能够具有例如5x5的透镜。在这种情况下，将提供5x5的基本图像，或者换言之，沿着笛卡尔方向提供5个基本图像。
在图2中，示出了作用在物体O(x，y)上的显微镜的目镜端口中的全光目镜装置(1)的示例性耦接的简图，其中，图像由所述仪器的物镜(10)捕获，其中，所述物镜具有用于聚焦和产生所观察的物体O(x，y)的真实图像O′(x，y)的至少一组透镜以及用于调节光量的孔径光阑(11)。由光学仪器提供的真实图像O′(x，y)形成在全光目镜装置(1)的光阑平面(4)上。如在所引用的图中观察到的，第一透镜布置(5)和第二透镜布置(6)提供物体O(x，y)在无限远处的图像以及孔径光阑在距第二透镜布置(6)一段距离S′F处的图像。
本发明还提供配备有至少两个目镜端口的光学仪器，其中，现在为止在此描述的全光目镜装置(1)被耦接和/或集成在所述目镜端口的第一个目镜端口中，并且CCD相机或用于捕获2D图像的类似装置被耦接和/或集成在第二目镜端口中，其中光学仪器被配置成用于同时或独立地用全光目镜装置(1)记录全光3D图像以及用CCD相机或类似装置记录2D图像。以此方式，提供了能够同时或分开地提供样本的2D图像和3D全光图像的光学仪器。
必须考虑的是，本发明的部分，尤其是与到达记录和空间离散设备(8)的图像的处理相对应的那些部分可以用硬件、软件、固件或这些的组合来实施；并且可以在存储在存储器中并由适合于这种目的的指令执行系统执行的软件或固件中实施多个步骤或方法。

Claims (7)

1.一种全光目镜装置(1)，所述全光目镜装置(1)设置成耦接在光学仪器的目镜端口中，所述光学仪器被配置成在位于靠近所述目镜端口的区域中的焦平面上生成样本的真实图像，所述全光目镜装置(1)的特征在于其包括：
-管状元件(2)，所述管状元件(2)具有第一端部(2A)和与所述第一端部(2A)相对的第二端部(2B)；
-耦接设备(3)，所述耦接设备(3)能够耦接到所述光学仪器的目镜端口上，所述光学仪器布置在所述第一端部(2A)处；
-光阑(4)，所述光阑(4)被配置成相对于所述目镜端口的焦平面定位，所述目镜端口的所述焦平面是所述光学仪器提供的真实图像形成位置处的平面；
-第一透镜布置(5)，所述第一透镜布置(5)限定焦距fF，第一透镜布置(5)距离所述光阑(4)一段距离SF处被定位；
-第二透镜布置(6)，所述第二透镜布置(6)定位在距所述第一透镜布置(5)一段距离e处并且限定焦距fE；以及
-透镜阵列(7)，所述透镜阵列(7)定位在距所述第二透镜布置(6)一段距离S′F处并且被配置成用于捕捉来自所述光学仪器的真实图像并生成一组基本图像，以及
-具有空间离散的记录设备(8)，其中，所述具有空间离散的记录设备(8)定位在距所述透镜阵列(7)一段距离fL处，以接收所述透镜阵列(7)产生的基本图像，所述透镜阵列(7)包括显微镜头阵列，所述显微镜头阵列以周期p限定并且所述显微镜头阵列限定焦距fL；
-具有空间离散的记录设备(8)包括通信设备，所述通信设备被配置成用于将来自所述透镜阵列(7)的所述一组基本图像传输至外部图像处理设备。
2.根据权利要求1所述的全光目镜装置(1)，其中，所述透镜阵列(7)的位置使得其与由所述第一透镜布置(5)和所述第二透镜布置(6)的组合聚焦产生的图像焦点重合，使得：
Figure FDA0003901116200000021
以及
Figure FDA0003901116200000022
3.根据权利要求1所述的全光目镜装置(1)，其中所述透镜阵列(7)的位置使得其与由所述第一透镜布置(5)和所述第二透镜布置(6)的组合聚焦产生的图像平面重合，使得：
Figure FDA0003901116200000023
以及
Figure FDA0003901116200000024
z是从所述光学仪器的出射光瞳到所述目镜的光阑的距离。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的全光目镜装置(1)，其中由所述第一透镜布置(5)和所述第二透镜布置(6)整体形成的所述目镜装置限定焦距foc，并且其中当被配置成场阑时，所述光阑(4)包括具有有效直径φ的圆形、正方形或六边形孔径，使得
Figure FDA0003901116200000025
并且
Figure FDA0003901116200000026
5.根据权利要求1-3中任一项所述的全光目镜装置(1)，其中
-所述具有空间离散的记录设备(8)的通信设备被配置成用于通过有线或无线连接传输所述一组基本图像。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的全光目镜装置(1)，其中所述光学仪器选自光学显微镜、经纬仪、双目镜、耳镜、皮肤镜以及提供有至少一个目镜端口的任何其他光学仪器。
7.一种包括至少两个目镜端口的光学仪器，其中，根据权利要求1至5中任一项所述的全光目镜装置(1)被耦接和/或集成在所述目镜端口中的第一目镜端口中，并且CCD相机或任何其他具有空间离散的记录设备被耦接和/或集成在第二目镜端口中，其中所述光学仪器被配置成用于同时或独立地用所述全光目镜装置(1)记录全光3D图像和用所述CCD相机或任何其他具有空间离散的记录设备记录2D图像。
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