本发明专利技术公开了一种基于超构透镜阵列的实时三维显微成像装置及方法。所述装置从下到上包括平面反射镜、微流控通道、超构透镜阵列；所述平面反射镜设有金属薄膜、透明介质，金属薄膜用于实现对光波的反射，透明介质用于保护金属膜以及支撑被观测物体，使得被观测物体下方光场被反射导出；所述超构透镜阵列用于将被观测物体多个不同视角的信息分别成像于同一焦平面，对一组正交偏振的光波分别具有独立的透反射调制能力；多个不同视角的信息分别通过显微镜成像后进行三维图像融合，得到三维场景重构。本发明专利技术为生物光子学中活体实时三维显微成像提供了实现方法，为超表面以及微流控生物芯片的应用开辟了新的思路。片的应用开辟了新的思路。片的应用开辟了新的思路。
【技术实现步骤摘要】
一种基于超构透镜阵列的实时三维显微成像装置及方法
[0001]本专利技术属于微纳光学、三维显微成像、图像融合算法以及生物光子学领域，尤其涉及一种基于超构透镜阵列和图像融合算法的实时三维显微成像技术，在观测三维微生物显微成像等应用研究领域中有巨大的价值。
技术介绍
[0002]显微镜是观察微生物形貌和活动的常用光学器件，基于显微技术的改进研究推动了微生物学等领域的发展。通常使用的显微镜可以放大物体1000倍左右，清晰的分辨亚微米的颗粒和微生物结构细节。然而传统显微镜只能对平面进行成像，很难得到微观物体的三维影像。对于目前流行的多种三维层析技术，虽然可以得到物体的三维信息，并且增加了穿透能力，但是其需要长时间的扫描和重构，通常只能观测静态的细胞或者组织，无法对活动的微生物进行实时三维成像。对于目前报道的扫掠共焦对准的平面激发原位三维显微镜，其仍然是基于三维层析和光片显微的方案，存在扫描和重构的问题，无法在单次拍摄中得到物体的三维信息。在微生物研究中，尤其是在观察少量三维微生物的相对运动，吞噬以及族群活动中，其三维信息是极其重要的信息。但是目前仍然缺乏一种对活体的高效实时三维显微技术。
技术实现思路
[0003]本专利技术的目的是针对目前三维实时显微技术的空白，提供一种基于超构透镜阵列的实时三维显微成像装置及方法。
[0004]本专利技术通过偏振复用的超构透镜阵列，收集被观测物体的七个视角信息，再通过传统显微镜将不同视角信息成像，最后使用图像融合算法对物体进行三维重构，实现对物体的三维实时显微。在被观测物体的放置上，本专利技术采用微流控技术，将含有被观测物体的溶液注入观测通道以及观测腔（微流控通道）中。本专利技术对三维微生物活动的实时三维成像提供了新的研究工具。
[0005]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案如下：一种基于超构透镜阵列的实时三维显微成像装置，从下到上包括平面反射镜、微流控通道、超构透镜阵列；所述平面反射镜设有金属薄膜、透明介质，金属薄膜用于实现对光波的反射，透明介质用于保护金属膜以及支撑被观测物体，使得被观测物体下方光场被反射导出；所述微流控通道用于导入被观测物体，通过液体流动实现被观测物体位置的控制；所述超构透镜阵列用于将被观测物体多个不同视角的信息分别成像于同一焦平面，对一组正交偏振的光波分别具有独立的透反射调制能力；多个不同视角的信息分别通过显微镜成像后进行三维图像融合，得到三维场景重构。
[0006]所述超构透镜阵列将被观测物体向上和向下的多个视角的光场信息重新成像于
同一焦平面，并且每个透镜针对的拍摄视角具备所需的景深需求。
[0007]所述的超构透镜由各向异性亚波长结构组成，对正交偏振态分别具有独立的透反射系数的调制能力，所述的超构透镜对于第一次入射光束具备大于80%的高反射率、全波相位调制以及偏振转化能力，对于第二次入射的正交偏振态光束具备大于80%的高透射率的调制特性。
[0008]所述的实时三维显微成像装置，设置所述的超构透镜对于反射光偏振态的焦距小于超表面与反射镜的间距，焦距决定了系统的放大倍数。
[0009]所述的外围的六个超构透镜，其中3个对边的超构透镜收集物体向上发出的3个视角信息的光，另外3个对边的超构透镜收集向下发出的3个视角的信息的光，中间透镜收集正上方视角的光。
[0010]所述的超构透镜带有一定的光束偏折能力，将斜入射的光波偏折到超构透镜正上方输出，偏折角度根据透镜排布位置不同而分别设计。
[0011]所述的微流控通道采用透明的材料，厚度为超构透镜的焦距，中下部开槽，开槽大小与超构透镜的景深和视场大小匹配；开槽为装置内微流控通道，其与外部控制液体流量的微流控装置连接，实现含有被观测物体的溶液流入，并且可通过流体压强控制被观测物体的位置。
[0012]所述的实时三维显微成像装置，将超构透镜阵列、微流控通道以及平面反射镜键合到一起，并且通过套刻技术使得微流控通道位于透镜阵列设计的视场范围内。
[0013]一种基于超构透镜阵列的实时三维显微成像的方法，包括以下步骤：步骤(1) 将设计装置放置于显微镜物镜下方，使得物镜的成像面与微透镜阵列的成像面重合，照明光波通过微透镜阵列耦合到设计装置内部，照亮微流控通道，显微镜可以同时得到物镜收集到7个微透镜的像，这7个像成像于显微镜像面的7个区域，这7个区域分别为7个微透镜的正上方；步骤(2) 将含有被观测物体的溶液注入到微流控装置中，通过流量的控制使得被观测物体位于设计视场内，并且可以通过液体流量控制被观测物体位置；步骤(3) 使用偏振片滤除非设计偏振的杂散光，偏振片的位置位于显微镜的光阑处；步骤(4) 拍摄被观测物体，所拍摄图片在7个位置分别有物体7个视角的像，将图片的7个区域分割，并且根据每个微透镜的成像参数与观测视角，找到多组特征点，使用三维重构算法恢复被观测物体的三维模型；步骤(5) 对于实时三维显微应用场景，在计算机算力允许的条件下，可将图像分割与三维重构算法继承于拍摄软件，进行三维实时重构，在计算机算力不足时，同样可以先进行录像处理，再对每一帧图像进行三维重构恢复，得到三维模型的动态图像。
[0014]本专利技术的有益效果是：该专利技术可以将微生物不同视角的光场信息分别投射到装置外的不同部分，通过显微镜的单次拍摄可以得到全部的视场信息，并且通过多目图像融合算法可将原物体的三维轮廓完整恢复，使实时的微生物三维场景重构成为可能。相比于传统的三维层析显微技术，其不需要扫描，可做到单次拍摄完成三维成像，使活体微生物活动的三维视图重建成为可能。该专利技术为完全的平面成像器件，可直接与现有显微镜集成，实现三维显微成像器件的一
体化。
附图说明
[0015]图1为实时三维显微成像装置结构示意图。
[0016]图2为透镜阵列排布示意图。
[0017]图3为观察物体上方视角的光路图。
[0018]图 4 为观察物体下方视角的光路图。
[0019]图5(a)为设计微结构示意图；图5(b)为设计微结构的俯视图，其中标明了微结构的设计自由度。
[0020]图6为设计光波在设计器件中偏振态的转化示意图。
[0021]图7为设计微流控通道。
[0022]图8为设计器件整体结构图。
具体实施方式
[0023]下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步说明。
[0024]一种基于超构透镜阵列的实时三维显微成像装置，从下到上包括平面反射镜、微流控通道、超构透镜阵列，如图1示意图所示（图1中反射镜为连续薄膜，示意图中使用六边形分割仅为指示反射镜的不同区域对应于上方微透镜的位置）。
[0025]所述平面反射镜设有金属薄膜、透明介质，金属薄膜用于实现对光波的反射，透明介质用于保护金属膜以及支撑被观测物体，使得被观测物体下方光场被反射导出。
[0026]所述微流控通道用于导入被观测物体，通过液体流动实现被观测物体位置的控制。
[0027]所述超构透镜阵列用于将被观测物体多个不同视角的信息分别成像于同本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于超构透镜阵列的实时三维显微成像装置，其特征在于，从下到上包括平面反射镜、微流控通道、超构透镜阵列；所述平面反射镜设有金属薄膜、透明介质，金属薄膜用于实现对光波的反射，透明介质用于保护金属膜以及支撑被观测物体，使得被观测物体下方光场被反射导出；所述微流控通道用于导入被观测物体，通过液体流动实现被观测物体位置的控制；所述超构透镜阵列用于将被观测物体多个不同视角的信息分别成像于同一焦平面，对一组正交偏振的光波分别具有独立的透反射调制能力；多个不同视角的信息分别通过显微镜成像后进行三维图像融合，得到三维场景重构。2.根据权利要求1所述的实时三维显微成像装置，其特征在于，所述超构透镜阵列将被观测物体向上和向下的多个视角的光场信息重新成像于同一焦平面，并且每个透镜针对的拍摄视角具备所需的景深需求。3.根据权利要求1所述的实时三维显微成像装置，其特征在于，所述的超构透镜由各向异性亚波长结构组成，对正交偏振态分别具有独立的透反射系数的调制能力，所述的超构透镜对于第一次入射光束具备大于80%的高反射率、全波相位调制以及偏振转化能力，对于第二次入射的正交偏振态光束具备大于80%的高透射率的调制特性。4.根据权利要求1所述的实时三维显微成像装置，其特征在于，设置所述的超构透镜对于反射光偏振态的焦距小于超表面与反射镜的间距，焦距决定了系统的放大倍数。5.根据权利要求1所述的实时三维显微成像装置，其特征在于，所述的外围的六个超构透镜，其中3个对边的超构透镜收集物体向上发出的3个视角信息的光，另外3个对边的超构透镜收集向下发出的3个视角的信息的光，中间透镜收集正上方视角的光。6.根据权利要求1所述的实时三维显微成像装置，其特征在于，所述的超构透镜带有一定的光束偏折能力，将斜入射的光波偏折到超构透镜正上...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈瑞，马云贵，胡欢，周毅，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：
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