一種基于微透鏡陣列的光場光譜顯微成像方法及系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提出了一種將微透鏡陣列和顯微物鏡及光譜分光系統(tǒng)相結合構成的光場光譜顯微成像方法及系統(tǒng),能夠在一個積分時間內獲取物體的光場和光譜五維向量信息，該成像系統(tǒng)前置物鏡選用顯微物鏡，給微小物質的組成成分的探測提供了方便；微透鏡陣列放置在顯微物鏡的像平面位置，前端顯微物鏡和微透鏡陣列構成光場顯微成像系統(tǒng)，微透鏡陣列的像平面可獲取樣本的四維光場信息；因此微透鏡陣列后記錄的光場信息同時經分光系統(tǒng)傳播到探測器平面，光場光譜顯微成像系統(tǒng)可以在不需要掃描的情況下獲取樣本整體的光譜信息；探測器放置在分光系統(tǒng)的像平面位置，對前端光路結構捕獲的五維向量數據進行算法重構可以獲得不同波長及不同視角的物體信息。
【專利說明】
一種基于微透鏡陣列的光場光譜顯微成像方法及系統(tǒng)
技術領域
[0001] 本發(fā)明涉及光學成像技術，基于微透鏡陣列的光場成像技術以及基于光柵分光系 統(tǒng)和棱鏡分光系統(tǒng)的光譜成像技術。 技術背景
[0002] 顯微成像系統(tǒng)廣泛應用于醫(yī)藥、生物等多個領域，但是目前的顯微系統(tǒng)由于景深 短，成像模式單一。這種觀測方法，對于樣本本身要求極高，一般都需要進行切片或者染色 等方式，才能獲得較為清晰的圖像以及實現對某些特定成分的區(qū)分。樣片制作工藝繁瑣，并 且會破壞目標成分，同時一次觀測只能看到深度范圍很小的物體，因此在觀察較厚的物體 時需要翻動樣本，在這個過程中樣本容易遭到破壞。在物質鑒別方面，傳統(tǒng)成像光譜技術需 要采用多次曝光掃描的方式獲取物體的空間一光譜信息，且掃描的過程需要一定的掃描時 間容易引進運動模糊和像差，無法在一次曝光時間內獲得完整的數據立方體信息，對運動 物體難以進行實時快速的監(jiān)測。因此人們對可獲得物體立體信息的顯微成像系統(tǒng)以及可以 在一次曝光時間內就可獲得物體空間一光譜信息的成像光譜儀的需求在增加。
[0003] 微透鏡陣列作為新型的計算成像元件，憑借單元透鏡直徑小、對光信息有很好的 聚焦、準直、交換、多重成像和綜合成像的能力，在光纖通信與傳感、光譜信息處理以及光信 息計算方面發(fā)揮了極為重要的作用，越來越受到各行各業(yè)的重視。微透鏡陣列是由很多相 同或者不同的小透鏡按照陣列方式排列組成的。近年來，國內外很多研究人員對微透鏡陣 列做了研究，將微透鏡陣列和傳統(tǒng)成像物鏡相結合構成光場成像系統(tǒng)。光場成像系統(tǒng)可同 時記錄物體的空間信息和光線傳播的方向信息。光場成像系統(tǒng)探測器平面記錄的是物體的 中間像并不能直接被人眼觀察，需通過后期重構算法對探測器獲得的數據進行處理以獲得 不同視場角信息，這也是光場成像系統(tǒng)的計算成像特性。光場成像技術相對于傳統(tǒng)光學成 像技術，在信息獲取上具有很大的優(yōu)勢，它的多維信息獲取能力，為一次曝光時間內獲取目 標物體的空間一光譜信息提供了新的方法。
[0004] 文獻[Marc Levoy,Ren Ng,Andrew Adams，Matthew Footer，Mark Horowtz "Light Field Micr0SC0pe(2006)" ]文章中將傳統(tǒng)顯微物鏡和微透鏡陣列相結合設計了一套基于 微透鏡陣列的光場顯微鏡，將微透鏡陣列放置于顯微物鏡的像平面位置，探測器平面放置 在微透鏡陣列的像平面位置，探測器記錄被測樣本的光場信息，通過后期重構算法對探測 器記錄的數據進行處理可獲得不同視場角的圖像。但是光場顯微鏡只能用于對樣本的外貌 形態(tài)進行觀察，不能對樣本的組成成分進行探測。文獻[Andrew Bodkin，A. She inis， A.Norton"Snapshot Hyperspectral Imaging-the Hyperpixel Array Camera(2015)'']設 計了一套快照式成像光譜儀，文中利用小孔陣列作為快照式成像光譜儀中的調制原件，前 置物鏡為照相物鏡，分光系統(tǒng)為棱鏡分光系統(tǒng)。將小孔陣列放置在照相物鏡的焦平面位置， 分光系統(tǒng)整體接在照相物鏡和小孔陣列后方，且小孔陣列放置在分光系統(tǒng)的狹縫位置代替 狹縫。因此照相物鏡拍攝得到的物平面信息整體經過分光系統(tǒng)同時傳播到探測器平面，在 一次積分時間內可獲得物體平面一光譜信息。但是這套系統(tǒng)適合用于對遠處的物體進行成 像分光，難以對微小物質的組成成分進行鑒定。且小孔陣列的光通量低，加大了曝光時間， 無法應用于快速變化或移動的目標。
【發(fā)明內容】
[0005] 本發(fā)明針對現有技術存在的不足提供了新的方法，主要解決的技術問題在于:設 計了一種可以在一次曝光時間內獲取物體空間一光譜五維向量信息的光場光譜顯微成像 系統(tǒng)。光場光譜顯微成像系統(tǒng)給微小物質組成成分的探測提供了一種新的方式。本發(fā)明適 用于生物醫(yī)療檢測系統(tǒng)對細胞樣本組成成分的探測。
[0006] 具體地，本發(fā)明采用的技術方案是：
[0007] 一種基于微透鏡陣列的光場光譜顯微成像方法，包括以下步驟：
[0008] 1).設計成像系統(tǒng)并搭建光場光譜顯微成像系統(tǒng)步驟:主要由在光軸上依次設置 的顯微物鏡、微透鏡陣列、分光系統(tǒng)以及探測器構成，其中微透鏡陣列放置在顯微物鏡的像 平面位置，顯微物鏡和微透鏡陣列構成前端光場顯微成像系統(tǒng)，顯微物鏡F數大于微透鏡陣 列微透鏡陣列F數。微透鏡陣列上每兩個相鄰透鏡小透鏡成的像之間有一定空隙，給后期信 息經分光系統(tǒng)色散做準備，當微透鏡陣列后的光場信息經分光系統(tǒng)傳播到探測器平面時， 不同譜段信息按照分光原理沿某個方向色散到探測器平面，將微透鏡陣列像平面無效的位 置充分利用起來；當顯微物鏡F數等于微透鏡陣列F數時，微透鏡陣列像平面上每兩個相鄰 的小透鏡成的像互相相切，微透鏡陣列后的光場信息經分光系統(tǒng)傳播到探測器平面時，不 同譜段信息互相重疊，后期難以通過算法將不同譜段信息分離；當顯微物鏡F數小于微透鏡 陣列F數時，微透鏡陣列像平面上每兩個相鄰小透鏡成的像互相重疊，當微透鏡陣列后的光 場信息經分光系統(tǒng)傳播到探測器平面上時，光譜信息互相重疊，難以觀察到明顯的分光現 象，給后期重構算法帶來了較大難度。微透鏡陣列微透鏡陣列F數要大于分光系統(tǒng)的F數可 以明顯減小系統(tǒng)像差。
[0009] 2).記錄樣本的空間光譜五維向量信息步驟:樣本經光場顯微成像系統(tǒng)后獲得樣 本的四維光場向量信息，經由分光系統(tǒng)分光在探測器中獲得樣本的空間光譜五維向量信 息。分光系統(tǒng)整體位于顯微物鏡和微透鏡陣列構成的光場顯微成像系統(tǒng)后端，當樣本經光 場光譜顯微成像系統(tǒng)后，探測器拍攝的圖片為樣本經光場光譜顯微成像系統(tǒng)成像時子圖像 陣列，且陣列中的每個子圖像中不同波長按照分光原理進行色散。探測器平面記錄的為樣 本的空間一光譜五維向量信息，假設分光系統(tǒng)為光柵分光系統(tǒng)，樣本平面信息為?·(ζ，η)，整 個系統(tǒng)的點擴散函數為Μ?!， ν，ζ，τ?)，探測器像平面函數為g(t，w)，則 [0010] g(t,w)=f(C,n)*h(u,v,C,n)(D
[0011] 式中h(x，y)是指點光源經過系統(tǒng)傳播之后到達探測器的點擴散函數，首先看點光 源經物鏡傳播到微透鏡陣列前表面的光場函數根據式(1)可得：
[0012]
[0013] 式中λ為成像波長，波數k = 23iA，M是指物從物平面?zhèn)鞑サ轿镧R的像平面的放大倍 率Μ=Ζ2/ζι，將式中的X和y分別用X' = x/Az2，y ' = y/AZ2替換，且將式⑵中的入瞳函數的傅 里葉變換定義為h'，即：
[0014]
[0015] 因此點光源經物鏡傳播到微透鏡陣列前表面時的光場信息可化簡為：
[0016]
[0017] 假設微透鏡陣列是由MXN相同的小透鏡構成的透鏡陣列，當光源傳播到微透鏡陣 列后表面再到探測器時，只需計算單個透鏡傳播的情況，在單透鏡成像的基礎上乘梳妝函 數即可表示光場函數傳播的情況。光信息經系統(tǒng)整體傳播后的點擴散函數為：
[0018]
系統(tǒng)中hi是入射光線與光軸之間的距離。將公式（10)帶入到公式(8)或(9)中即可得到光場 光譜顯微成像系統(tǒng)探測器平面獲得的五維譜場向量。
[0029] 3).對探測器平面記錄的五維向量進行后期算法重構獲得不同視場角及不同波長 物體的信息步驟:微透鏡陣列對應于探測器像面上相同位置的像元為同一個波長某一個相 同視場角信息，將相同位置探測器像元的像素提取出來，獲取不同波長不同視場角物體的 信息。假設微透鏡陣列中的每個小透鏡對應N X N個探測器像元，微透鏡陣列對應于探測器 像面上相同位置的像元為同一個波長某一個相同視場角信息，將相同位置探測器像元的像 素提取出來就可以獲得不同波長不同視場角物體的信息。
[0030] 基于上述方法，本發(fā)明提供一種基于微透鏡陣列的光場光譜顯微成像系統(tǒng)，主要 由在光軸上依次設置的顯微物鏡、微透鏡陣列、分光系統(tǒng)以及探測器構成，其中微透鏡陣設 置在顯微物鏡的像平面位置，顯微物鏡F數大于微透鏡陣列微透鏡陣列F數。
[0031] 上述技術方案中，所述的分光系統(tǒng)由準直元件、分光元件以及用于將光線匯聚在 探測器上的成像元件組成。
[0032] 所述的分光元件為分光棱鏡或者光柵。
[0033] 所述的微透鏡陣列由若干個拋物面鏡陣列組成。
[0034]優(yōu)選的技術方案，分光系統(tǒng)為offner分光系統(tǒng)，分光元件為凸面光柵。
[0035] 優(yōu)選的技術方案，所述的微透鏡陣列F數大于分光系統(tǒng)的F數。
[0036] 所述的分光系統(tǒng)中分光元件為反射型光柵或者透射型光柵。
[0037] 所述的基于微透鏡陣列的光場光譜顯微成像系統(tǒng)，所述的微透鏡陣列材為透明的 玻璃或者樹脂塑料。
[0038]優(yōu)選的技術方案，顯微物鏡的F數為31.25;微透鏡陣列中每個小透鏡尺寸為300μπι X 300μπι的方形口徑，微透鏡陣列個數為80 X 80個，材料為石英玻璃，曲率半徑1.35，面型為 拋物面面型，微透鏡陣列F數10;分光系統(tǒng)中分光元件為凸面光柵，分光系統(tǒng)的F數為5。 [0039]由于上述技術方案運用，本發(fā)明與現有技術相比具有下列優(yōu)點：
[0040]本發(fā)明設計的光場光譜顯微成像系統(tǒng)區(qū)別于傳統(tǒng)顯微成像系統(tǒng)和成像光譜系統(tǒng)， 可以在一次曝光時間內獲得物體的光場及光譜五維向量信息而不是傳統(tǒng)成像光譜儀探測 器平面記錄的三維數據立方體信息。光場光譜顯微成像系統(tǒng)主要由顯微物鏡、微透鏡陣列 和光譜分光系統(tǒng)構成，前端顯微物鏡和微透鏡陣列構成光場顯微成像系統(tǒng)，在微透鏡陣列 像平面位置可獲得被探測樣本的四維光場信息。與現有的光場顯微鏡不同的是光場光譜顯 微成像系統(tǒng)中顯微物鏡的F數要求大于微透鏡陣列F數，因此微透鏡陣列像平面上每兩個相 鄰的小透鏡成的像之間有一定空隙，后期不同波長的信息按照分光原理將前端光場顯微成 像系統(tǒng)中無效的地方占滿。分光系統(tǒng)整體位于顯微物鏡和微透鏡陣列后方，微透鏡陣列像 平面獲得的四維光場信息經分光系統(tǒng)后每個小透鏡成的像經分光系統(tǒng)后同時色散，給微小 物質的組成成分的探測提供了一種新的方式。
【附圖說明】
[0041]圖1為本發(fā)明設計的基于微透鏡陣列的光場光譜顯微成像系統(tǒng)示意圖；
[0042]圖2為本發(fā)明設計的棱鏡分光系統(tǒng)的光場光譜顯微成像系統(tǒng)光路結構；
[0043]圖3為本發(fā)明設計的光柵分光系統(tǒng)的光場光譜顯微成像系統(tǒng)光路結構；
[0044] 圖4為本發(fā)明設計的光場光譜顯微成像系統(tǒng)軟件模擬探測器平面成像結果；
[0045] 圖5為本發(fā)明設計的光場光譜顯微成像系統(tǒng)軟件實驗平臺搭建；
[0046] 圖6為本發(fā)明設計的光場光譜顯微成像系統(tǒng)實驗采集圖片；
[0047]圖7為本發(fā)明設計的光場光譜顯微成像系統(tǒng)后期重構算法流程圖；
[0048]圖8為本發(fā)明設計的光場光譜顯微成像系統(tǒng)后期重構算法示意圖；
[0049] 圖9為本發(fā)明設計的光場光譜顯微成像系統(tǒng)算法重構圖片；
[0050] 圖10為本發(fā)明設計的光場光譜顯微成像系統(tǒng)采用棱鏡分光時各部分參數；
[0051] 圖11為本發(fā)明設計的光場光譜顯微成像系統(tǒng)采用光柵分光時各部分參數。
[0052] 其中，1為樣本，2為顯微物鏡，3為微透鏡陣列，4為準直物鏡，5為分光元件，6為成 像物鏡，7為探測器，8為棱鏡，9為光柵，10為反射鏡，11為反射鏡，12為被成像物體，13為微 透鏡陣列像平面上的像，14為探測器平面像，15為14的局部放大像，16為實驗結果，17為16 的局部放大像。
【具體實施方式】
[0053]下面結合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步描述：
[0054]實施例一：基于微透鏡陣列的光場光譜顯微成像方法，圖1為整體光路結構原理 圖，圖中各元件按照光路傳播順序為樣本1，顯微物鏡2，微透鏡陣列3，準直系統(tǒng)4，分光元 件5,成像系統(tǒng)6,探測器7,光場光譜顯微成像系統(tǒng)主要包括以下步驟：
[0055]步驟1，對光場光譜顯微成像系統(tǒng)進行設計，將微透鏡陣列放置在顯微物鏡像平面 的位置，分光系統(tǒng)整體接在顯微物鏡及微透鏡陣列后端，微透鏡陣列位于分光系統(tǒng)狹縫處 取代狹縫，探測器位于分光系統(tǒng)的像平面位置，用于接收樣本經系統(tǒng)整體成的像便于后期 重構算法對探測器記錄的信息進行處理。
[0056]步驟2，數據采集，主要包括軟件模擬和實驗平臺搭建，通過軟件對光場光譜顯微 成像系統(tǒng)進行模擬，對顯微物鏡和微透鏡陣列的F數進行調整，使得光譜分光時不同譜段信 息將微透鏡陣列像平面中無效成像位置充分利用，獲得較好的成像效果。由于選擇顯微物 鏡的F數大于微透鏡陣列的F數，因此微透鏡陣列像平上獲得
[0057]模擬時分光系統(tǒng)做了兩種方案，包括棱鏡分光系統(tǒng)及光柵分光系統(tǒng)兩種。棱鏡分 光系統(tǒng)式光場光譜顯微成像系統(tǒng)光路結構見附圖2,棱鏡分光式光場光譜顯微成像系統(tǒng)主 要包括顯微物鏡，微透鏡陣列3，雙高斯準直系統(tǒng)5，分光棱鏡8，成像系統(tǒng)6.探測器，光柵分 光系統(tǒng)的光場光譜顯微成像系統(tǒng)光路結構見附圖3,圖中用到了光柵9,反射鏡10,反射鏡 11;系統(tǒng)模擬結果見附圖4,主要包括被成像物體12,微透鏡陣列像平面上的像13,探測器像 平面上的像14,以及像平面上局部放大像15。選擇合適參數搭建實驗平臺，實驗光路見附圖 5，實驗光路主要包括樣本1，顯微物鏡2，微透鏡陣列3，準直物鏡4，分光棱鏡8，成像物鏡6， 探測器7，實驗時被成像物體選用直徑60μπι的蠶絲，實驗結果見附圖6，主要包括探測器像 平面像16,局部放大的像17。由模擬結果及實驗結果可得，光場光譜顯微成像系統(tǒng)在獲得物 體的光場信息的同時將光場信息以不同角度進行色散。
[0058]步驟3，算法重構，假設微透鏡陣列中的每個小透鏡對應Ν X Ν個探測器像元，微透 鏡陣列對應于探測器像面上相同位置的像元為同一個波長某一個相同視場角信息，將相同 位置探測器像元的像素提取出來就可以獲得不同波長不同視場角物體的信息，重構算法流 程圖及示意圖見附圖7、附圖8,重構結果見附圖9。
[0059]實施例二:基于微透鏡陣列的光場光譜顯微成像系統(tǒng)，光場光譜顯微成像系統(tǒng)用 25倍放大倍率，數值孔徑0.4，共輒距離195mm，焦距7.2mm，顯微物鏡的F數為31.25;微透鏡 陣列中每個小透鏡尺寸為300μπιX 300μπι的方形口徑，微透鏡陣列個數為80 X 80個，材料為 石英玻璃，曲率半徑1.35,厚度1mm，面型為拋物面面型，微透鏡陣列F數10;分光系統(tǒng)為棱鏡 分光系統(tǒng)時系統(tǒng)的F數為6.7;具體參數見附圖10，分光系統(tǒng)為光柵分光系統(tǒng)時，分光系統(tǒng)為 offner分光系統(tǒng)，分光元件為凸面光柵，分光系統(tǒng)的F數為5,物方數值孔徑0.104,平均線色 散5.205ym/nm，分光系統(tǒng)的具體參數見附圖11。
【主權項】
1. 一種基于微透鏡陣列的光場光譜顯微成像方法，包括以下步驟： 1) .設計并搭建光場光譜顯微成像系統(tǒng)的步驟:設計主要由在光軸上依次設置的顯微 物鏡、微透鏡陣列、分光系統(tǒng)以及探測器構成的光場光譜顯微成像系統(tǒng)，其中微透鏡陣列放 置在顯微物鏡的像平面位置，顯微物鏡和微透鏡陣列構成前端光場顯微成像系統(tǒng)，顯微物 鏡F數大于微透鏡陣列微透鏡陣列F數； 2) .記錄樣本的空間光譜五維向量信息的步驟:樣本經光場顯微成像系統(tǒng)后獲得樣本 的四維光場向量信息，經由分光系統(tǒng)分光在探測器中獲得樣本的空間光譜五維向量信息； 3) .對探測器平面記錄的五維向量進行后期算法重構獲得不同視場角及不同波長物體 的信息步驟:微透鏡陣列對應于探測器像面上相同位置的像元為同一個波長某一個相同視 場角信息，將相同位置探測器像元的像素提取出來，獲取不同波長不同視場角物體的信息。2. -種基于微透鏡陣列的光場光譜顯微成像系統(tǒng)，其特征在于：主要由在光軸上依次 設置的顯微物鏡(2)、微透鏡陣列（3)、分光系統(tǒng)以及探測器(7)構成，其中微透鏡陣設置在 顯微物鏡的像平面位置，顯微物鏡F數大于微透鏡陣列微透鏡陣列F數。3. 根據權利要求2所述的基于微透鏡陣列的光場光譜顯微成像系統(tǒng)，其特征在于:所述 的分光系統(tǒng)由準直元件(4)、分光元件（5)以及用于將光線匯聚在探測器上的成像元件(6) 組成。4. 根據權利要求3所述的基于微透鏡陣列的光場光譜顯微成像系統(tǒng)，其特征在于:所述 的分光元件為分光棱鏡或者光柵。5. 根據權利要求2所述的基于微透鏡陣列的光場光譜顯微成像系統(tǒng)，所述的微透鏡陣 列由若干個拋物面鏡陣列組成。6. 根據權利要求3所述的基于微透鏡陣列的光場光譜顯微成像系統(tǒng)，分光系統(tǒng)為 offner分光系統(tǒng)，分光元件為凸面光柵。7. 根據權利要求2~6之一所述的基于微透鏡陣列的光場光譜顯微成像系統(tǒng)，所述的微 透鏡陣列F數大于分光系統(tǒng)的F數。8. 根據權利要求2~3、5~6之一所述的基于微透鏡陣列的光場光譜顯微成像系統(tǒng)，所 述的分光系統(tǒng)中分光元件為反射型光柵或者透射型光柵。9. 根據權利要求2~6之一所述的基于微透鏡陣列的光場光譜顯微成像系統(tǒng)，所述的微 透鏡陣列材為透明的玻璃或者樹脂塑料。10. 根據權利要求2~3、5~6之一所述的基于微透鏡陣列的光場光譜顯微成像系統(tǒng)，顯 微物鏡的F數為31.25;微透鏡陣列中每個小透鏡尺寸為300μπι X 300μπι的方形口徑，微透鏡 陣列個數為80 X 80個，材料為石英玻璃，曲率半徑1.35，面型為拋物面面型，微透鏡陣列F數 10;分光系統(tǒng)中分光元件為凸面光柵，分光系統(tǒng)的F數為5。
【文檔編號】G02B21/02GK105974573SQ201610383141
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年6月2日
【發(fā)明人】許峰, 姚宇佳, 夏銀香
【申請人】蘇州大學