CN113341554A - 基于梯度折射率透镜的内窥镜式三维显微成像装置和方法 - Google Patents

基于梯度折射率透镜的内窥镜式三维显微成像装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于梯度折射率透镜的内窥镜式三维显微成像装置和方法，按照光线传播方向依次设置有：环形LED光源、被测样品、梯度折射率透镜阵列、长焦距中继透镜和CMOS相机；环形LED光源、梯度折射率透镜阵列相对于被测样品位于同一竖直方向上；且环形LED光源和梯度折射率透镜阵列位于被测样品的同一侧。本发明采用梯度折射率透镜阵列对样品进行成像，结合环形LED光源的集成结构，在保证结构集成度的同时，从更大角度对样品的深度信息进行采集，有效的提高了轴向分辨率。

Description

基于梯度折射率透镜的内窥镜式三维显微成像装置和方法
技术领域
本发明涉及内窥镜显微成像技术领域，具体涉及一种基于梯度折射率透镜的内窥镜式三维显微成像装置和方法。
背景技术
内窥镜主要由光学成像系统和照明系统组成：光学系统外观是一个细长的金属管子，里面包含了一个由许多透镜组成的完整的光学系统。光学成像系统一般由物镜、聚焦透镜和成像CCD相机组成。被测样品经物镜所成的倒像，需要通过转像系统将倒像转为正像，并进行远距离传输到CCD相机进行成像，为人眼所观察。照明传输系统由光导纤维或集成LED光源组成。不同用途的内窥镜根据使用要求制作成不同的外形、外径、长度，以达到使用所需的要求。
光场显微镜Light field microscope，LFM)是通过在传统光学显微镜的中继像面上插入一块能够捕获光场信息的微透镜阵列Microlens array，MLA)来实现的。区别于传统成像，微透镜阵列或相机阵列从多视角采集目标图像的三维信息，光场成像利用二维传感器记录四维光场信息，其中包含了场景二维位置和方向信息，通过4D光场数据的反演能重建多视角图像和多层焦平面图像，引入去卷积算法和断层重建能实现三维显微成像。光场显微镜是使用光场技术通过单次曝光得到多视角、不同焦深的图像，其独特优势一方面为实现非接触、实时、高质量的微纳器件三维检测提供了可能性，另一方面也能有效的避免活体三维成像时由于运动带来的时间空间不一致性。
目前内窥镜显微成像技术具有体积小，成像视场大，成像光路长的优点，光场成像具有可单帧采集快速三维成像的优点，然而，两种技术均无法同时满足内窥镜光学系统的小体积，大成像视场，高空间分辨率的整体要求，若要将二者进行功能结合仍存在很大的挑战。
因此，如何提供一种保证体积不变的前提下，不仅可以扩大成像视场，实现共光路三维成像功能的内窥镜式三维显微成像装置和方法是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于梯度折射率透镜的内窥镜式三维显微成像装置和方法，采用梯度折射率透镜阵列代替单物镜的方式，在保证体积不变的前提下，不仅可以扩大成像视场，实现共光路三维成像功能，而且提高了空间分辨率。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于梯度折射率透镜的内窥镜式三维显微成像装置，按照光线传播方向依次设置有：环形LED光源、被测样品、梯度折射率透镜阵列、长焦距中继透镜和CMOS相机；
所述环形LED光源、所述梯度折射率透镜阵列相对于所述被测样品位于同一竖直方向上；且所述环形LED光源和所述梯度折射率透镜阵列位于被测样品的同一侧。
优选的，所述环形LED光源与所述梯度折射率透镜阵列在竖直方向上的中轴线重合。
优选的，所述环形LED光源波长为白光光源，功率为50mw；包括若干个白光光源，间隔均布于所述梯度折射率透镜阵列之间，形成环形光源。
优选的，所述白色光源形成的环形光源外径不超过所述梯度折射率透镜阵列的外径大小。
优选的，所述的梯度折射率透镜阵列包括多个竖向平行排列的NA＝0.5，焦距为5mm的梯度折射率透镜，相邻两个梯度折射率透镜的间距为1.4mm；每个梯度折射率透镜分别从不同位置采集被测样品反射光束后，共用一个光路系统进行成像。
优选的，所述梯度折射率透镜阵列整体直径尺寸为4mm，适用于内窥镜纤细壳体内的安装使用。
优选的，所述长焦距中继透镜由两个相同参数的消色差双胶合透镜组成，直径尺寸为6.25mm，焦距为60mm。
优选的，所述环形LED光源、梯度折射率透镜阵列、中继透镜和CMOS相机集成在最大外形尺寸为直径尺寸为8mm，长度为130mm的细长外壳中。
优选的，所述中继透镜用于控制成像比例，中继透镜的前焦面与梯度折射率透镜阵列的后表面重合，中继透镜的后焦距与CMOS相机的传感器面重合。
本发明还提供了一种梯度折射率透镜的内窥镜式三维显微成像方法，包括如下步骤：
数据采集步骤a：
步骤a、环形LED光源发出的光对被测样品进行均匀照明，被测样品表面产生反射光，反射光经梯度折射率透镜阵列后成像至其后表面，通过中继透镜延长成像光路，将光束信号聚焦在CMOS相机上进行单帧采集；
数据处理步骤b：
步骤b1、图像位置校准：将CMOS相机采集到的单帧图像进行每个梯度折射率透镜的轴向位置校准；
步骤b2、球差校正：对梯度折射率透镜采集图像产生的图像凸出影像，进行校正，得到无球差图像；
步骤b3、将采集到的无球差图像经过反卷积三维点扩展函数得到被测样品的三维形貌。
优选的：所述步骤b1中，通过采集单帧高曝光图像进行轴向定位，相邻两个梯度折射率透镜的真实距离为校准后的距离。
优选的：所述步骤b3中，三维点扩展函数通过采集等间距轴向位置的25μm针孔后经高斯拟合获得。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明的有益效果包括：
本发明基于内窥镜成像技术具有成像光路长，视场大的优点，光场成像技术具有可单帧采集快速三维成像的优点。在此基础上，本发明创新性地利用梯度折射率透镜阵列代替单物镜对被测样品进行共光路扩展视场三维成像。在该方案中，每个梯度折射率透镜从不同角度直接对被测样品进行大角度的观测，从而采集到更全面的深度信息，不仅不会增加成像系统的横向体积，满足了内窥镜纤细体积的结构要求，而且满足了大成像视场，高空间分辨率的整体要求，允许从该系统对被测样品完整的三维体积进行高分辨率计算重建，有效提高了轴向分辨率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图；
图1为本发明实施例提供的一种基于梯度折射率透镜的内窥镜式三维显微成像装置的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的梯度折射率透镜后表面处剖视图。
图中：
1为环形LED光源、2为梯度折射率透镜阵列、3为中继透镜、4为CMOS相机、5为被测样品。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见图1，本实施例第一方面公开了一种基于梯度折射率透镜(GRIN lens)的内窥镜式三维显微成像装置，用于实现空间角度信息的采样。
本实施例按照光线传播方向依次设置有：环形LED光源1、被测样品5、梯度折射率透镜阵列2、长焦距中继透镜3和CMOS相机4；环形LED光源1、梯度折射率透镜阵列2相对于被测样品5位于同一竖直方向上；且环形LED光源1和梯度折射率透镜阵列2位于被测样品5的同一侧。
位于梯度折射率透镜阵列周围的环形LED光源发出的光照亮被测样品发出反射光，每个梯度折射率透镜将反射信号收集至后表面，通过一个长焦距中继透镜将图像传递至CMOS相机的传感器上进行共光路成像。
环形LED光源1集成在梯度折射率透镜阵列2的周围，使得成像系统结构更加纤长，易于封装在内窥镜壳体中。
在一个实施例中，环形LED光源1与梯度折射率透镜阵列2在竖直方向上的中轴线重合。
在一个实施例中，环形LED光源1波长为白光光源，功率为50mw；包括若干个白光光源，间隔均布于梯度折射率透镜阵列2之间，形成环形光源。
本实施例中，白光光源分别位于相邻两个梯度折射率透镜中间，如后表面①处刨面图2所示，此处横截面积整体直径尺寸为4mm。
在一个实施例中，所述梯度折射率透镜阵列2包括多个竖向平行排列的NA＝0.5，焦距为5mm的梯度折射率透镜，相邻两个梯度折射率透镜的间距为1.4mm；每个梯度折射率透镜分别从不同位置采集被测样品6反射光束后，共用一个光路系统进行成像。
本实施例中，梯度折射率透镜和白光光源均设置为3个，分别间隔设置。
在一个实施例中，长焦距中继透镜3由两个相同参数的消色差双胶合透镜组成，直径尺寸为6.25mm，焦距为60mm。
在一个实施例中，环形LED光源1、梯度折射率透镜阵列2、中继透镜3和CMOS相机4集成在最大外形尺寸为直径尺寸为8mm，长度为130mm的细长外壳中。
在一个实施例中，中继透镜3用于控制成像比例，中继透镜3的前焦面与梯度折射率透镜阵列2的后表面重合，中继透镜3的后焦距与CMOS相机4的传感器面重合。
本实施例第二方面公开了一种应用本发明第一方面公开的基于梯度折射率透镜的内窥镜式三维显微成像装置的成像方法。
包括如下步骤：
数据采集步骤a：
步骤a、环形LED光源1发出的光对被测样品5进行均匀照明，被测样品5表面产生反射光，反射光经梯度折射率透镜阵列2后成像至其后表面，通过中继透镜8延长成像光路，将光束信号聚焦在CMOS相机4上进行单帧采集；
数据处理步骤b：
步骤b1、图像位置校准：将CMOS相机4采集到的单帧图像进行每个梯度折射率透镜的轴向位置校准；
步骤b2、球差校正：对梯度折射率透镜采集图像产生的图像凸出影像，进行校正，得到无球差图像；
步骤b3、将采集到的无球差图像经过反卷积三维点扩展函数得到被测样品的三维形貌。
在一个实施例中：步骤b1中，通过采集单帧高曝光图像进行轴向定位，相邻两个梯度折射率透镜的真实距离为校准后的距离，而非设定的1.4mm的距离。
在一个实施例中：步骤b3中，三维点扩展函数通过采集等间距轴向位置的25μm针孔后经高斯拟合获得。
本发明在保证横向分辨率的同时，从更大角度对样品的深度信息进行采集，有效的提高了轴向分辨率。
以上对本发明所提供的基于梯度折射率透镜的内窥镜式三维显微成像装置和方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种基于梯度折射率透镜的内窥镜式三维显微成像装置，其特征在于，按照光线传播方向依次设置有：环形LED光源(1)、被测样品(5)、梯度折射率透镜阵列(2)、长焦距中继透镜(3)和CMOS相机(4)；
所述环形LED光源(1)、所述梯度折射率透镜阵列(2)相对于所述被测样品(5)位于同一竖直方向上；且所述环形LED光源(1)和所述梯度折射率透镜阵列(2)位于被测样品(5)的同一侧。
2.根据权利要求1所述的基于梯度折射率透镜的内窥镜式三维显微成像装置，其特征在于，所述环形LED光源(1)与所述梯度折射率透镜阵列(2)在竖直方向上的中轴线重合。
3.根据权利要求1所述的基于梯度折射率透镜的内窥镜式三维显微成像装置，其特征在于，所述环形LED光源(1)波长为白光光源，功率为50mw；包括若干个白光光源，间隔均布于所述梯度折射率透镜阵列(2)之间，形成环形光源。
4.根据权利要求1所述的基于梯度折射率透镜的内窥镜式三维显微成像装置，其特征在于，所述的梯度折射率透镜阵列(2)包括多个竖向平行排列的NA＝0.5，焦距为5mm的梯度折射率透镜，相邻两个梯度折射率透镜的间距为1.4mm；每个梯度折射率透镜分别从不同位置采集被测样品(6)反射光束后，共用一个光路系统进行成像。
5.根据权利要求1所述的基于梯度折射率透镜的内窥镜式三维显微成像装置，其特征在于，所述长焦距中继透镜(3)由两个相同参数的消色差双胶合透镜组成，直径尺寸为6.25mm，焦距为60mm。
6.根据权利要求1所述的基于梯度折射率透镜的内窥镜式三维显微成像装置，其特征在于，所述环形LED光源(1)、梯度折射率透镜阵列(2)、中继透镜(3)和CMOS相机(4)集成在最大外形尺寸为直径尺寸为8mm，长度为130mm的细长外壳中。
7.根据权利要求1所述的基于梯度折射率透镜的内窥镜式三维显微成像装置，其特征在于，所述中继透镜(3)用于控制成像比例，中继透镜(3)的前焦面与梯度折射率透镜阵列(2)的后表面重合，中继透镜(3)的后焦距与CMOS相机(4)的传感器面重合。
8.一种基于权利要求1～7中任一所述的梯度折射率透镜的内窥镜式三维显微成像装置的成像方法，其特征在于：包括如下步骤：
数据采集步骤a：
步骤a、环形LED光源(1)发出的光对被测样品(5)进行均匀照明，被测样品(5)表面产生反射光，反射光经梯度折射率透镜阵列(2)后成像至其后表面，通过中继透镜(8)延长成像光路，将光束信号聚焦在CMOS相机(4)上进行单帧采集；
数据处理步骤b：
步骤b1、图像位置校准：将CMOS相机(4)采集到的单帧图像进行每个梯度折射率透镜的轴向位置校准；
步骤b2、球差校正：对梯度折射率透镜采集图像产生的图像凸出影像，进行校正，得到无球差图像；
步骤b3、将采集到的无球差图像经过反卷积三维点扩展函数得到被测样品的三维形貌。
9.根据权利要求8所述的基于梯度折射率透镜的内窥镜式三维显微成像方法，其特征在于：所述步骤b1中，通过采集单帧高曝光图像进行轴向定位，相邻两个梯度折射率透镜的真实距离为校准后的距离。
10.根据权利要求8所述的基于梯度折射率透镜的内窥镜式三维显微成像方法，其特征在于：所述步骤b3中，三维点扩展函数通过采集等间距轴向位置的25μm针孔后经高斯拟合获得。
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