一种基于微透镜阵列的CMOS传感器的显微镜成像方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及一种基于微透镜阵列的ＣＭＯＳ传感器的显微镜成像方法及系统，该方法包括以下步骤：步骤一、在显微镜物镜与由显微镜物镜确定的初次成像面之间设置具有正光焦度的第一透镜组，从而使来自显微镜物镜的光线会聚，将这些光线的会聚面记为第一成像面；步骤二、将经过第一成像面上发射出的光线采用具有正光焦度的第二透镜组进行发散，从而使光线发散出射至ＣＭＯＳ传感器的微透镜凸面上。将来自显微镜物镜的光线，通过第一透镜组和第二透镜组进行二次成像，使得主光线角度与传感器微透镜的主光线角度能较好的匹配，减少因光线损失和避免像素响应降低带来的像面光斑，消除透过传感器的光线强度不均匀（即“阴影”）的现象，具有良好的场曲校正，畸变小于１．２％。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及显微镜成像领域，具体涉及一种基于微透镜阵列的CMOS传感器的显 微镜成像方法及系统。
技术介绍
随着数码显微镜及LCD显示技术在显微镜的应用，给显微镜的光电转换成像的适 配光学设计带来新挑战。光电转换成像的光学镜头和传感器之间的匹配是显微镜数字化 成像的关键技术之一。现有传统的光学设计技术中，常见的是在显微镜物镜的后续光路 中(即在显微镜物镜后初次成像面的前面或后面)设置一个双胶合透镜或一组透镜，见 附图1所示，使光线会聚发射到传感器的像素面上，并在传感器有效区域截获与目镜视场相一致的观察范围，同时在显示屏上显示优质的像。传统设计方法的缺点在于由于显微镜物镜后续的成像系统是一会聚光路，导致某些不同角度的光线不能全部进入传感 器的像素面上，其减少的光线与增大角度余弦值的四次方是成比例关系的，因此显示的图像会不均匀从而产生光斑；同时，系统畸变得不到良好的校正，造成屏幕图像失真。 在显微镜制造过程中，为确保各倍率物镜更换时成像的一致性，方便使用者寻找观察目标，物体在显微镜物镜后的初次成像面与物体之间的距离一般是固定的。为了改善上述缺点，传统的做法是，在显微镜物镜的后续光路上采用远心光路系统，见附图2所示，它在显微镜物镜的后续光路中设置三组透镜，使来自显微镜物镜的主光线垂直入射至传感器像素面，以获取成像区照明的均匀性。但是，随着CMOS传感器技术应用范围的扩展及CMOS技术的发展，某些CMOS 传感器为了匹配特定镜头的较大入射角的光线，CMOS传感器为每个像素都设计一个微 镜头，形成将来自不同角度的光线聚焦在不同的像素上，这种结构的CMOS传感器一 般叫做具有微透镜阵列的CMOS传感器，其结构示意图见附图3所示；这里每个像素 上都有一个主光线角度CR ，此角度处的像素响应降低为零度角像素响应(此时，此像 素是垂直于光线的)的80%。因此，对于具有微透镜阵列的CMOS传感器，其微透镜的 主光线角度CR^是一随视场变化的确定的曲线。这时，如果采用附图1和2所示的成 像系统，这时显微镜实际的主光线角度CRAs或CRA4与具有微透镜阵列的CMOS传 感器的微镜头设计的主光线角度CR 之间的关系是不匹配，附图4为采用附图1所示 的成像系统中显微镜实际主光线角度CRA3与具有微透镜阵列的CMOS传感器的主光 线CRA的比对图，横坐标X为CMOS传感器上的归化后成像高度，纵坐标Y为主光线角度；附图5为采用附图2所示的成像系统中显微镜实际主光线角度CRA4与具有微 透镜阵列的CMOS传感器的主光线CRA!的比对图；从图中可以看出，CRA3或CRA4 与CR 明显不匹配，并且处于边缘的主光线的角度差明显增大，这样将会出现不理想 的透过传感器的光线强度(也就是"阴影"或光斑)，从而严重影响显示像面质量。
技术实现思路
本专利技术所要解决的第一个技术问题是针对上述现有技术提供一种基于微透镜阵列 的CMOS传感器的显微镜成像方法，使来自显微镜物镜的主光线角度达到与具有微透 镜阵列的CMOS传感器微透镜的主光线角度匹配较好，从而减少因光线损失和避免像 素响应降低带来的像面光斑，达到像面视场照明均匀的目的。本专利技术所要解决的第二个技术问题是提供一种基于微透镜阵列的CMOS传感器的 显微镜成像系统，该系统能有效减少因光线损失和避免像素响应降低带来的像面光斑。 同时，达到良好的畸变校正和优质图像。本专利技术解决上述第一个技术问题所采用的技术方案为该基于微透镜阵列的CMOS传感器的显微镜成像方法，其特征在于包括以下步骤步骤一、在显微镜物镜与由显微镜物镜确定的初次成像面之间设置具有正光焦度的 第一透镜组，从而使来自显微镜物镜的光线会聚，将这些光线的会聚面记为第一成像面上；步骤二、将经过第一成像面上发射出的光线采用具有正光焦度的第二透镜组进行发 散，从而使光线发散出射至CMOS传感器的微透镜凸面上。这样，通过第一透镜组的会聚和第二透镜组的发散，可以改变各视场主光线出射角 度，以达到主光线角度曲线与具有微透镜阵列的CMOS传感器各对应位置微透镜主光 线角度相匹配，并将以接近零度的角度进入该类型CMOS传感器的像素上，减少因光 线损失和避免像素响应降低带来的像面光斑，消除透过传感器的光线强度不均匀(SP"阴 影")的现象，具有良好的场曲校正，畸变小于1.2%。作为改进，所述第一透镜组为双胶合透镜。所述第二透镜组为具有正光焦度的第二十一透镜、具有负光焦度的第二十二透镜、 具有正光焦度的第二十三透镜组合而成。所述第二透镜组还可以包括具有正光焦度的第二十四透镜。本专利技术解决上述第二个技术问题所采用的技术方案为该基于微透镜阵列的CMOS 传感器的显微镜成像系统，包括显微镜物镜和基于微透镜阵列的CMOS传感器，其特 征在于所述显微镜物镜与所述基于微透镜阵列的CMOS传感器之间设置有适配成像 系统，该适配成像系统包括有具有正光焦度的第一透镜组和具有正光焦度的第二透镜 组，其中第一透镜组设置在显微镜物镜与由显微镜物镜确定的初次成像面之间，并且该第一透镜组使来自显微镜物镜的光线会聚，这些光线的会聚面为第一成像面；经过第一 成像面上发射出的光线再通过所述具有正光焦度的第二透镜组进行发散，从而使光线发 散出射至CMOS传感器的微透镜凸面上。较好的，所述第一透镜组采用具有正光焦度的第十一透镜和具有负光焦度的第十二 透镜组成的双胶合透镜。这里所述第十一透镜的入射面的曲率半径为17.28mm ，第十一透镜的出射面和第 十二透镜的入射面的曲率半径均为-29.22mm，第十二透镜的出射面的曲率半径为29.22 mm，第十一透镜的厚度为6mm，第十二透镜的厚度为2mm，第十一透镜入射面顶点与 由显微镜物镜确定的初次成像面之间的距离为156mm，第^^一透镜的折射率为 1.548088，第十二透镜的折射率为1.744003，第十一透镜的色散系数为53.9479，第十二 透镜的色散系数为44.9099。所述第二透镜组为具有正光焦度的第二十一透镜、具有负光焦度的第二十二透镜、 具有正光焦度的第二十三透镜、具有正光焦度的第二十四透镜组合而成，其中第二十一 透镜为双凸正透镜；第二十二透镜为双凹负透镜和双凸正透镜组成的双胶合负透镜，第 二十三透镜为双凸正透镜；第二十四透镜为月牙型正透镜。较好的，所述第二十一透镜的入射面的曲率半径为26.67 mm，出射面的曲率半径 为-9.43mm，厚度为3.5mm，与第一透镜组出射面顶点之间的距离为69.66mm，折射率 为1.6204414，色散系数为60.2743;双凹负透镜入射面的曲率半径为-5.8 mm，出射面 的曲率半径为4.86 mm，厚度为1.5mm，与第二H"^—透镜出射面顶点之间的距离为 2.4mmm，折射率为1.755199，色散系数为27.5302，双凸正透镜入射面的曲率半径为 4.86mm，出射面的曲率半径为-17.28 mm，厚度为5mm，折射率为1.744003，色散系数 为44.9099;第二十三透镜的入射面的曲率半径为11.2 mm，出射面的曲率半径为-180 mm，厚度为4.6mm，与第二十二透镜出射面顶点之间的距离为1.7mm，折射率为 1.744003，色散系数为44.9099;第二十四透镜的入射面的曲率半径为本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于微透镜阵列的ＣＭＯＳ传感器的显微镜成像方法，其特征在于：包括以下步骤：　步骤一、在显微镜物镜与由显微镜物镜确定的初次成像面之间设置具有正光焦度的第一透镜组，从而使来自显微镜物镜的光线会聚，将这些光线的会聚面记为第一成像面；　 　步骤二、将经过第一成像面上发射出的光线采用具有正光焦度的第二透镜组进行发散，从而使光线发散出射至ＣＭＯＳ传感器的微透镜凸面上。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：黄晓燕，曾丽珠，张燕珂，
申请(专利权)人：宁波永新光学股份有限公司，
类型：发明
国别省市：97[中国|宁波]