CN116859571A - 一种适配于生物显微镜的光场计算成像光学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光学成像技术领域，具体涉及一种适配于生物显微镜的光场计算成像光学系统，包括：自显微镜物镜出射端后依次布置的微透镜阵列和光学组件；微透镜阵列固定在振动器件上；显微镜物镜、微透镜阵列和光学组件组成像方远心光路；光学组件分别与微透镜阵列和探测器的数值孔径相匹配，且光学组件的出射端与探测器的像元尺寸相匹配。本发明不仅可降低成像光毒性，还大大提高了成像质量。
Description
技术领域
本发明涉及光学成像技术领域，更具体的说是涉及一种适配于生物显微镜的光场计算成像光学系统。
背景技术
脑科学研究需要实时观测活体样本中神经细胞对外界刺激的快速信号响应，以小鼠为例，使用传统单光子或双光子共聚焦显微镜，为加快扫描速度并增强图像信噪比通常需要足够的光强，这会增强对活体样本的光毒性引起对活体样本的损伤。光场显微成像通过单次扫描实现对三维体的成像，实现对毫秒量级神经响应的观测同时降低了成像光毒性，在生物、医药、制药等领域有着广阔的适配前景，但现有光场显微成像技术受空间分辨率与角度分辨率之间的相互制约，最终图像三维重建质量较低，难以实现对细胞内信号传递的清晰观测。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种适配于生物显微镜的光场计算成像光学系统，不仅可降低成像光毒性，还大大提高了成像质量。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种适配于生物显微镜的光场计算成像光学系统，其特征在于，包括：自显微镜物镜出射端后依次布置的微透镜阵列和光学组件；所述微透镜阵列固定在振动器件上；所述显微镜物镜、所述微透镜阵列和所述光学组件组成像方远心光路；所述光学组件分别与所述微透镜阵列和探测器的数值孔径相匹配，且所述光学组件的出射端与探测器的像元尺寸相匹配。
进一步的，所述微透镜阵列位于所述显微镜物镜出射端的像面位置，且在所述振动器件的带动下实现上下左右平移。
进一步的，所述光学组件的波长范围为460nm-680nm，像方数值孔径为0.0284。
进一步的，所述光学组件包括：沿光轴方向依次布置的扩束镜组、双胶合镜组、汇聚镜组和保护玻璃。
进一步的，所述扩束镜组包括：沿光轴方向依次布置的第一凹凸透镜、第一平凸透镜和第一凸凹透镜。
进一步的，所述双胶合镜组包括：沿光轴方向依次布置的凹凹透镜和凸凸透镜。
进一步的，所述汇聚镜组包括：沿光轴方向依次布置的第二平凸透镜和第二凸凹透镜。
进一步的，所述保护玻璃为平行平板。
进一步的，所述扩束镜组和所述汇聚镜组以所述双胶合镜组为中心近似对称结构放置。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明通过对各镜组的位置和参数进行优化设计，可以得到一种适配于生物显微镜的光场计算成像光学系统，在实现原有光场显微成像系统对活体样本毫秒量级响应的同时，还通过将微透镜阵列固定在振动器件上，在振动器件的带动下实现对微透镜阵列的平移，增加对样本的采样率，进而在后续重建时，提升分辨率，可将分辨率提升至近衍射极限，系统整体的设计能有效校正偶次像差、场曲、色差等各类像差，大大提高成像质量。
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为本发明提供的光场计算成像系统的结构示意图；
图2为本发明提供的光学组件的结构示意图；
图3为本发明提供的光场计算成像系统的调制传递函数图；
图4为本发明提供的光场计算成像系统的点列图；
图5为本发明提供的光场计算成像系统的场曲及畸变图。
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。
如图1所示，本发明实施例公开了一种适配于生物显微镜的光场计算成像光学系统，包括：自显微镜物镜出射端后依次布置的微透镜阵列和光学组件；微透镜阵列固定在振动器件上；显微镜物镜、微透镜阵列和光学组件组成像方远心光路；光学组件分别与微透镜阵列和探测器的数值孔径相匹配，且光学组件的出射端与探测器的像元尺寸相匹配。
在一个具体实施例中，本发明光场计算成像系统中，微透镜阵列位于显微镜物镜出射端的像面位置，且在振动器件的带动下实现上下左右平移。
每个微透镜对应覆盖探测器上N*N个像素，每个像素接收不同的频率/角度分量。每个微透镜采集不同的空间信息，对应探测器上的像素采集不同的角度/频率信息，在振动器件的上下左右平移下，提高对三维光场数据的采样率，后续利用解卷积算法实现三维重建。
其中，光学组件的波长范围为460nm-680nm，像方数值孔径与探测器参数相关，本实施例取0.0284，在该数值下，可以适配于原显微镜各种物镜参数可达到的物方分辨率范围为0.3μm-3μm。
具体来说，光学组件包括：沿光轴方向依次布置的扩束镜组G1、双胶合镜组G2、汇聚镜组G3和保护玻璃L8。
从激光器发出的光束具有一定的发散角，发散是指光波在其空间传播过程中以一定角度展开，通过扩束镜组G1的调节使激光光束变为准直(平行)光束。
本发明实施例扩束镜主要有两个用途：其一是扩展激光束的直径；其二是减小激光束的发散角。
双胶合镜组G2是将两个透镜胶合在一起得到的透镜，两个紧密胶合在一起的双胶合透镜，可以实现校正近轴球差和校正色差。
汇聚镜组G3的作用在于将经扩束镜组G1和双胶合镜组G2校正后的光束进行汇聚，并将汇聚光经保护玻璃L8后入射至探测器，采集三维信息。
具体来说，如图2所示，扩束镜组G1包括：沿光轴方向依次布置的第一凹凸透镜L1、第一平凸透镜L2和第一凸凹透镜L3。扩束镜组G1用于对光束的变换和整形，采用局部的高斯结构进行设计，可以有效校正畸变。
双胶合镜组G2包括：沿光轴方向依次布置的凹凹透镜L4和凸凸透镜L5。
汇聚镜组G3包括：沿光轴方向依次布置的第二平凸透镜L6和第一凸凹透镜L7。汇聚镜组G3用于对光束的整形，场曲的补偿。
保护玻璃L8为平行平板，放置于探测器前端。
更有利的，扩束镜组G1和汇聚镜组G3以双胶合镜组G2为中心近似对称结构放置，有利于校正以场曲、色差为主的各像差。
本发明实施例采用的透镜材料均为国产优质光学玻璃，此外，系统中各透镜均为球面面型，共轴放置，便于加工和装调。
采用本发明实施例上述结构，能有效校正偶次像差、场曲、色差等各类像差；光学组件数值孔径与显微镜数值孔径相匹配，整个系统设计具备长物方工作距离与长像方工作距离，长物方工作距离有利于适配原有显微系统，长像方工作距离便于相机前添加振镜与微透镜阵列，不影响相机成像。
另外，本发明还对上述成像系统的成像质量进行了试验验证，试验结果如图2-4所示。
本发明采用调制传递函数MTF(ModulationTransferFunction)值对成像质量进行评价。
MTF图像的横坐标：从左至右，代表光学成像系统空间分辨率的变化。最左边为零，表示空间分辨率为零，无法分辨任何物体。如果数值为10，表示能分辨10线对/mm。MTF曲线的纵坐标：从下到上，从0到1，代表了像面在该分辨率下的MTF值，数值说明镜头在该分辨率下的清晰度高。由图3可知，本发明MTF值在工作波段全视场范围较高，为加工好装调容差留有较大余量。
如图4所示，本发明成像系统的弥散斑均方根半径在工作波段全视场范围内小于3μm.
如图5所示，本发明成像系统的场曲在工作波段全视场范围小于13μm，相对畸变在工作波段全视场范围内小于0.3％。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
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 (9)
1.一种适配于生物显微镜的光场计算成像光学系统，其特征在于，包括：自显微镜物镜出射端后依次布置的微透镜阵列和光学组件；所述微透镜阵列固定在振动器件上；所述显微镜物镜、所述微透镜阵列和所述光学组件组成像方远心光路；所述光学组件分别与所述微透镜阵列和探测器的数值孔径相匹配，且所述光学组件的出射端与探测器的像元尺寸相匹配。
2.根据权利要求1所述的一种适配于生物显微镜的光场计算成像光学系统，其特征在于，所述微透镜阵列位于所述显微镜物镜出射端的像面位置，且在所述振动器件的带动下实现上下左右平移。
3.根据权利要求1所述的一种适配于生物显微镜的光场计算成像光学系统，其特征在于，所述光学组件的波长范围为460nm-680nm，像方数值孔径为0.0284。
4.根据权利要求1所述的一种适配于生物显微镜的光场计算成像光学系统，其特征在于，所述光学组件包括：沿光轴方向依次布置的扩束镜组、双胶合镜组、汇聚镜组和保护玻璃。
5.根据权利要求4所述的一种适配于生物显微镜的光场计算成像光学系统，其特征在于，所述扩束镜组包括：沿光轴方向依次布置的第一凹凸透镜、第一平凸透镜和第一凸凹透镜。
6.根据权利要求4所述的一种适配于生物显微镜的光场计算成像光学系统，其特征在于，所述双胶合镜组包括：沿光轴方向依次布置的凹凹透镜和凸凸透镜。
7.根据权利要求4所述的一种适配于生物显微镜的光场计算成像光学系统，其特征在于，所述汇聚镜组包括：沿光轴方向依次布置的第二平凸透镜和第二凸凹透镜。
8.根据权利要求4所述的一种适配于生物显微镜的光场计算成像光学系统，其特征在于，所述保护玻璃为平行平板。
9.根据权利要求4所述的一种适配于生物显微镜的光场计算成像光学系统，其特征在于，所述扩束镜组和所述汇聚镜组以所述双胶合镜组为中心近似对称结构放置。
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