基于前置微透镜阵列的光场显微系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于前置微透镜阵列的光场显微系统及方法，其中，该系统包括：微透镜阵列模块，显微光学放大模块和探测模块，其中，微透镜阵列模块，用于将输入的空间三维光场分布编码为显微物镜前焦面的二维光场分布；显微光学放大模块与微透镜阵列模块连接，用于将二维光场分布实行空间变换，得到光学信号；探测模块与显微光学放大模块连接，用于接收显微光学放大模块输出的光学信号，生成信息处理结果。该系统提升传统光学显微镜的性能，使得传统光学显微镜能够实现对任意表面形状的三维样本的高速观测。

Optical field microsystem and method based on microlens array

【技术实现步骤摘要】
基于前置微透镜阵列的光场显微系统及方法
本专利技术涉及光学显微成像领域，特别涉及一种基于前置微透镜阵列的光场显微系统及方法。
技术介绍
光学显微成像技术是人类认识微观世界的重要工具之一。通过光学显微成像技术，人类认识理解了细胞、细菌、病毒等微生物结构，极大促进了生命科学和医学的发展。然而，常规的光学显微方法存在一个重要缺陷，即一次拍摄只能对显微镜焦面上的目标实现清晰呈现，焦面外的物体会产生模糊。为了实现对任意表面物体的三维显微成像，需要移动样本和物镜之间的相对位置，这就限制了显微镜的成像速度。目前，有一种光场显微成像方法，在光学放大系统之后加入微透镜阵列，以此实现对三维光场的获取和重建。上述光场显微方法将微透镜阵列插入到传统成像系统内部，要求操作者具备较高光学专业技能，因此不适用于大部分商业显微仪器的使用者；另一方面，传统光场显微方法景深受限，只适用于系统焦平面附近范围的观测，对一般样本中任意形状的观测范围难以观测和重建。
技术实现思路
本专利技术旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本专利技术的一个目的在于提出一种基于前置微透镜阵列的光场显微系统。本专利技术的另一个目的在于提出一种基于前置微透镜阵列的光场显微方法。为达到上述目的，本专利技术一方面实施例提出了基于前置微透镜阵列的光场显微系统，包括：包括：微透镜阵列模块，显微光学放大模块和探测模块，其中，所述微透镜阵列模块，用于将输入的空间三维光场分布编码为显微物镜前焦面的二维光场分布；所述显微光学放大模块与所述微透镜阵列模块连接，用于将所述二维光场分布实行空间变换，得到光学信号；所述探测模块与所述显微光学放大模块连接，用于接收所述显微光学放大模块输出的光学信号。本专利技术实施例的基于前置微透镜阵列的光场显微系统，通过在物镜前方加入微透镜阵列，在物镜前焦面上对三维样本的光场信息进行二维编码，创建了一种有效、快速的三维显微成像方式；能够经济高效地扩展现有显微镜的功能，具有实现对样本内任意形状范围三维成像的能力。另外，根据本专利技术上述实施例的基于前置微透镜阵列的光场显微系统还可以具有以下附加的技术特征：进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述微透镜阵列模块中包含多个微透镜阵列元素，其中，不同位置的微透镜阵列元素的口径和焦距无需相同。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述多个微透镜阵列元素的形状为平面和/或曲面，以适应不同样本观测面的形状。为达到上述目的，本专利技术另一方面实施例提出了基于前置微透镜阵列的光学显微方法，包括以下步骤：建立基于前置微透镜阵列的光场显微模型，计算确定物方三维样本下的探测光场分布概率，利用统计学算法优化物方三维样本分布参数；在物镜前焦面上对空间三维光场分布编码为显微物镜前焦面的二维光场分布；将所述的二维光场分布实行空间变换，得到光学信号；根据所述探测光场分布概率接收所述光学信号，生成信息处理结果。本专利技术实施例的基于前置微透镜阵列的光场显微方法，通过在物镜前方加入微透镜阵列，在物镜前焦面上对三维样本光场信息进行二维编码，创建了一种有效、快速的三维显微成像方式；能够经济高效地扩展现有商用显微镜的功能，具有实现任意形状样本三维成像的能力。另外，根据本专利技术上述实施例的基于前置微透镜阵列的光场显微方法还可以具有以下附加的技术特征：进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述基于前置微透镜阵列的光场显微模型中包含多个微透镜阵列元素，其中，不同位置的微透镜阵列元素的口径和焦距无需相同。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述多个微透镜阵列元素的形状为平面和/或曲面，以适应不同样本观测面的形状。本专利技术附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本专利技术的实践了解到。附图说明本专利技术上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：图1为根据本专利技术一个实施例的基于前置微透镜阵列的光场显微系统结构示意图；图2为根据本专利技术一个实施例的基于前置微透镜阵列的光场显微系统工作原理图；图3为根据本专利技术一个实施例的基于前置微透镜阵列的光场显微方法流程图。具体实施方式下面详细描述本专利技术的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本专利技术，而不能理解为对本专利技术的限制。下面参照附图描述根据本专利技术实施例提出的基于前置微透镜阵列的光场显微系统及方法，首先将参照附图描述根据本专利技术实施例提出的基于前置微透镜阵列的光场显微系统。图1是本专利技术一个实施例的基于前置微透镜阵列的光场显微系统结构示意图。如图1所示，该基于前置微透镜阵列的光场显微系统10包括：微透镜阵列模块100，显微光学放大模块200和探测模块300。其中，微透镜阵列模块100，用于将输入的空间三维光场分布编码为显微物镜前焦面的二维光场分布。具体而言，微透镜阵列模块100包括微透镜阵列101，作用是把输入的空间三维光场分布编码为显微物镜前焦面的二维光场分布。如图2所示，三维待观测物体的观测面、微透镜阵列与显微镜物镜焦面之间应满足下列近似成像关系以保证任意曲面的样本表面能在相机上清晰成像：其中，u为三维待观测物体的观测面到微透镜阵列元素的距离，v为显微镜物镜焦面到当前微透镜阵列元素的距离，f为微透镜阵列元素的焦距。进一步地，微透镜阵列模块中包含多个微透镜阵列元素，其中，不同位置的微透镜阵列元素的口径和焦距可以不相同，多个微透镜阵列元素的形状也可为平面和/或曲面，以适应不同样本观测面的形状。显微光学放大模块200与微透镜阵列模块100连接，用于将二维光场分布实行空间变换，得到光学信号。具体而言，显微光学放大模块200包括物镜201、滤波片组202和管径203；物镜201利用光在介质中的折射实现物镜前焦面信息的尺寸放大，滤波片组202用于荧光成像，包括零组或多组二向色镜和滤波片，在非荧光成像中可省略；管镜203用于将收集到的光信号耦合到探测器上。探测模块300与显微光学放大模块200连接，用于接收显微光学放大模块200输出的光学信号，生成信息处理结果。可以理解的是，探测模块300是面阵光强探测器(例如CMOS，CCD)，作用为将二维光信号转化为电信号。具体地，输入的空间三维光场分布通过微透镜阵列101产生在物镜103前焦面上的光强分布，光信号经过物镜201放大，波长被滤波片组202选择后通过管镜203在探测器301上进行成像。探测器301采集到的二维光信号输入电子计算机，进行三维数据重建。根据本专利技术实施例提出的基于前置微透镜阵列的光学显微系统，通过在物镜前方加入微透镜阵列，在物镜前焦面上对三维样本的光场信息进行二维编码，创建了一种有效、快速的三维显微成像方式；能够经济高效地扩展现有显微镜的功能，具有实现对本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于前置微透镜阵列的光场显微系统，其特征在于，包括：微透镜阵列模块，显微光学放大模块和探测模块，其中，/n所述微透镜阵列模块，用于将输入的空间三维光场分布编码为显微物镜前焦面的二维光场分布；/n所述显微光学放大模块与所述微透镜阵列模块连接，用于将所述二维光场分布实行空间变换，得到光学信号；/n所述探测模块与所述显微光学放大模块连接，用于接收所述显微光学放大模块输出的光学信号，生成信息处理结果。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于前置微透镜阵列的光场显微系统，其特征在于，包括：微透镜阵列模块，显微光学放大模块和探测模块，其中，
所述微透镜阵列模块，用于将输入的空间三维光场分布编码为显微物镜前焦面的二维光场分布；
所述显微光学放大模块与所述微透镜阵列模块连接，用于将所述二维光场分布实行空间变换，得到光学信号；
所述探测模块与所述显微光学放大模块连接，用于接收所述显微光学放大模块输出的光学信号，生成信息处理结果。


2.根据权利要求1所述的基于前置微透镜阵列的光场显微系统，其特征在于，所述微透镜阵列模块中包含多个微透镜阵列元素，其中，不同位置的微透镜阵列元素的口径和焦距无需相同。


3.根据权利要求2所述的基于前置微透镜阵列的光场显微系统，其特征在于，所述多个微透镜阵列元素的形状为平面和/或曲面，以适应不同样本观测面的形状。
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【专利技术属性】
技术研发人员：谢浩，林星，吴嘉敏，戴琼海，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11