一种基于微透镜阵列的光场光谱显微成像方法及系统的制作方法
【专利摘要】本发明提出了一种将微透镜阵列和显微物镜及光谱分光系统相结合构成的光场光谱显微成像方法及系统,能够在一个积分时间内获取物体的光场和光谱五维向量信息，该成像系统前置物镜选用显微物镜，给微小物质的组成成分的探测提供了方便；微透镜阵列放置在显微物镜的像平面位置，前端显微物镜和微透镜阵列构成光场显微成像系统，微透镜阵列的像平面可获取样本的四维光场信息；因此微透镜阵列后记录的光场信息同时经分光系统传播到探测器平面，光场光谱显微成像系统可以在不需要扫描的情况下获取样本整体的光谱信息；探测器放置在分光系统的像平面位置，对前端光路结构捕获的五维向量数据进行算法重构可以获得不同波长及不同视角的物体信息。
【专利说明】
一种基于微透镜阵列的光场光谱显微成像方法及系统
技术领域
[0001] 本发明涉及光学成像技术，基于微透镜阵列的光场成像技术以及基于光栅分光系 统和棱镜分光系统的光谱成像技术。 技术背景
[0002] 显微成像系统广泛应用于医药、生物等多个领域，但是目前的显微系统由于景深 短，成像模式单一。这种观测方法，对于样本本身要求极高，一般都需要进行切片或者染色 等方式，才能获得较为清晰的图像以及实现对某些特定成分的区分。样片制作工艺繁琐，并 且会破坏目标成分，同时一次观测只能看到深度范围很小的物体，因此在观察较厚的物体 时需要翻动样本，在这个过程中样本容易遭到破坏。在物质鉴别方面，传统成像光谱技术需 要采用多次曝光扫描的方式获取物体的空间一光谱信息，且扫描的过程需要一定的扫描时 间容易引进运动模糊和像差，无法在一次曝光时间内获得完整的数据立方体信息，对运动 物体难以进行实时快速的监测。因此人们对可获得物体立体信息的显微成像系统以及可以 在一次曝光时间内就可获得物体空间一光谱信息的成像光谱仪的需求在增加。
[0003] 微透镜阵列作为新型的计算成像元件，凭借单元透镜直径小、对光信息有很好的 聚焦、准直、交换、多重成像和综合成像的能力，在光纤通信与传感、光谱信息处理以及光信 息计算方面发挥了极为重要的作用，越来越受到各行各业的重视。微透镜阵列是由很多相 同或者不同的小透镜按照阵列方式排列组成的。近年来，国内外很多研究人员对微透镜阵 列做了研究，将微透镜阵列和传统成像物镜相结合构成光场成像系统。光场成像系统可同 时记录物体的空间信息和光线传播的方向信息。光场成像系统探测器平面记录的是物体的 中间像并不能直接被人眼观察，需通过后期重构算法对探测器获得的数据进行处理以获得 不同视场角信息，这也是光场成像系统的计算成像特性。光场成像技术相对于传统光学成 像技术，在信息获取上具有很大的优势，它的多维信息获取能力，为一次曝光时间内获取目 标物体的空间一光谱信息提供了新的方法。
[0004] 文献[Marc Levoy,Ren Ng,Andrew Adams，Matthew Footer，Mark Horowtz "Light Field Micr0SC0pe(2006)" ]文章中将传统显微物镜和微透镜阵列相结合设计了一套基于 微透镜阵列的光场显微镜，将微透镜阵列放置于显微物镜的像平面位置，探测器平面放置 在微透镜阵列的像平面位置，探测器记录被测样本的光场信息，通过后期重构算法对探测 器记录的数据进行处理可获得不同视场角的图像。但是光场显微镜只能用于对样本的外貌 形态进行观察，不能对样本的组成成分进行探测。文献[Andrew Bodkin，A. She inis， A.Norton"Snapshot Hyperspectral Imaging-the Hyperpixel Array Camera(2015)'']设 计了一套快照式成像光谱仪，文中利用小孔阵列作为快照式成像光谱仪中的调制原件，前 置物镜为照相物镜，分光系统为棱镜分光系统。将小孔阵列放置在照相物镜的焦平面位置， 分光系统整体接在照相物镜和小孔阵列后方，且小孔阵列放置在分光系统的狭缝位置代替 狭缝。因此照相物镜拍摄得到的物平面信息整体经过分光系统同时传播到探测器平面，在 一次积分时间内可获得物体平面一光谱信息。但是这套系统适合用于对远处的物体进行成 像分光，难以对微小物质的组成成分进行鉴定。且小孔阵列的光通量低，加大了曝光时间， 无法应用于快速变化或移动的目标。
【发明内容】
[0005] 本发明针对现有技术存在的不足提供了新的方法，主要解决的技术问题在于:设 计了一种可以在一次曝光时间内获取物体空间一光谱五维向量信息的光场光谱显微成像 系统。光场光谱显微成像系统给微小物质组成成分的探测提供了一种新的方式。本发明适 用于生物医疗检测系统对细胞样本组成成分的探测。
[0006] 具体地，本发明采用的技术方案是：
[0007] 一种基于微透镜阵列的光场光谱显微成像方法，包括以下步骤：
[0008] 1).设计成像系统并搭建光场光谱显微成像系统步骤:主要由在光轴上依次设置 的显微物镜、微透镜阵列、分光系统以及探测器构成，其中微透镜阵列放置在显微物镜的像 平面位置，显微物镜和微透镜阵列构成前端光场显微成像系统，显微物镜F数大于微透镜阵 列微透镜阵列F数。微透镜阵列上每两个相邻透镜小透镜成的像之间有一定空隙，给后期信 息经分光系统色散做准备，当微透镜阵列后的光场信息经分光系统传播到探测器平面时， 不同谱段信息按照分光原理沿某个方向色散到探测器平面，将微透镜阵列像平面无效的位 置充分利用起来；当显微物镜F数等于微透镜阵列F数时，微透镜阵列像平面上每两个相邻 的小透镜成的像互相相切，微透镜阵列后的光场信息经分光系统传播到探测器平面时，不 同谱段信息互相重叠，后期难以通过算法将不同谱段信息分离；当显微物镜F数小于微透镜 阵列F数时，微透镜阵列像平面上每两个相邻小透镜成的像互相重叠，当微透镜阵列后的光 场信息经分光系统传播到探测器平面上时，光谱信息互相重叠，难以观察到明显的分光现 象，给后期重构算法带来了较大难度。微透镜阵列微透镜阵列F数要大于分光系统的F数可 以明显减小系统像差。
[0009] 2).记录样本的空间光谱五维向量信息步骤:样本经光场显微成像系统后获得样 本的四维光场向量信息，经由分光系统分光在探测器中获得样本的空间光谱五维向量信 息。分光系统整体位于显微物镜和微透镜阵列构成的光场显微成像系统后端，当样本经光 场光谱显微成像系统后，探测器拍摄的图片为样本经光场光谱显微成像系统成像时子图像 阵列，且阵列中的每个子图像中不同波长按照分光原理进行色散。探测器平面记录的为样 本的空间一光谱五维向量信息，假设分光系统为光栅分光系统，样本平面信息为?·(ζ，η)，整 个系统的点扩散函数为Μ?!， ν，ζ，τ?)，探测器像平面函数为g(t，w)，则 [0010] g(t,w)=f(C,n)*h(u,v,C,n)(D
[0011] 式中h(x，y)是指点光源经过系统传播之后到达探测器的点扩散函数，首先看点光 源经物镜传播到微透镜阵列前表面的光场函数根据式(1)可得：
[0012]
[0013] 式中λ为成像波长，波数k = 23iA，M是指物从物平面传播到物镜的像平面的放大倍 率Μ=Ζ2/ζι，将式中的X和y分别用X' = x/Az2，y ' = y/AZ2替换，且将式⑵中的入瞳函数的傅 里叶变换定义为h'，即：
[0014]
[0015] 因此点光源经物镜传播到微透镜阵列前表面时的光场信息可化简为：
[0016]
[0017] 假设微透镜阵列是由MXN相同的小透镜构成的透镜阵列，当光源传播到微透镜阵 列后表面再到探测器时，只需计算单个透镜传播的情况，在单透镜成像的基础上乘梳妆函 数即可表示光场函数传播的情况。光信息经系统整体传播后的点扩散函数为：
[0018]
系统中hi是入射光线与光轴之间的距离。将公式（10)带入到公式(8)或(9)中即可得到光场 光谱显微成像系统探测器平面获得的五维谱场向量。
[0029] 3).对探测器平面记录的五维向量进行后期算法重构获得不同视场角及不同波长 物体的信息步骤:微透镜阵列对应于探测器像面上相同位置的像元为同一个波长某一个相 同视场角信息，将相同位置探测器像元的像素提取出来，获取不同波长不同视场角物体的 信息。假设微透镜阵列中的每个小透镜对应N X N个探测器像元，微透镜阵列对应于探测器 像面上相同位置的像元为同一个波长某一个相同视场角信息，将相同位置探测器像元的像 素提取出来就可以获得不同波长不同视场角物体的信息。
[0030] 基于上述方法，本发明提供一种基于微透镜阵列的光场光谱显微成像系统，主要 由在光轴上依次设置的显微物镜、微透镜阵列、分光系统以及探测器构成，其中微透镜阵设 置在显微物镜的像平面位置，显微物镜F数大于微透镜阵列微透镜阵列F数。
[0031] 上述技术方案中，所述的分光系统由准直元件、分光元件以及用于将光线汇聚在 探测器上的成像元件组成。
[0032] 所述的分光元件为分光棱镜或者光栅。
[0033] 所述的微透镜阵列由若干个抛物面镜阵列组成。
[0034]优选的技术方案，分光系统为offner分光系统，分光元件为凸面光栅。
[0035] 优选的技术方案，所述的微透镜阵列F数大于分光系统的F数。
[0036] 所述的分光系统中分光元件为反射型光栅或者透射型光栅。
[0037] 所述的基于微透镜阵列的光场光谱显微成像系统，所述的微透镜阵列材为透明的 玻璃或者树脂塑料。
[0038]优选的技术方案，显微物镜的F数为31.25;微透镜阵列中每个小透镜尺寸为300μπι X 300μπι的方形口径，微透镜阵列个数为80 X 80个，材料为石英玻璃，曲率半径1.35，面型为 抛物面面型，微透镜阵列F数10;分光系统中分光元件为凸面光栅，分光系统的F数为5。 [0039]由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
[0040]本发明设计的光场光谱显微成像系统区别于传统显微成像系统和成像光谱系统， 可以在一次曝光时间内获得物体的光场及光谱五维向量信息而不是传统成像光谱仪探测 器平面记录的三维数据立方体信息。光场光谱显微成像系统主要由显微物镜、微透镜阵列 和光谱分光系统构成，前端显微物镜和微透镜阵列构成光场显微成像系统，在微透镜阵列 像平面位置可获得被探测样本的四维光场信息。与现有的光场显微镜不同的是光场光谱显 微成像系统中显微物镜的F数要求大于微透镜阵列F数，因此微透镜阵列像平面上每两个相 邻的小透镜成的像之间有一定空隙，后期不同波长的信息按照分光原理将前端光场显微成 像系统中无效的地方占满。分光系统整体位于显微物镜和微透镜阵列后方，微透镜阵列像 平面获得的四维光场信息经分光系统后每个小透镜成的像经分光系统后同时色散，给微小 物质的组成成分的探测提供了一种新的方式。
【附图说明】
[0041]图1为本发明设计的基于微透镜阵列的光场光谱显微成像系统示意图；
[0042]图2为本发明设计的棱镜分光系统的光场光谱显微成像系统光路结构；
[0043]图3为本发明设计的光栅分光系统的光场光谱显微成像系统光路结构；
[0044] 图4为本发明设计的光场光谱显微成像系统软件模拟探测器平面成像结果；
[0045] 图5为本发明设计的光场光谱显微成像系统软件实验平台搭建；
[0046] 图6为本发明设计的光场光谱显微成像系统实验采集图片；
[0047]图7为本发明设计的光场光谱显微成像系统后期重构算法流程图；
[0048]图8为本发明设计的光场光谱显微成像系统后期重构算法示意图；
[0049] 图9为本发明设计的光场光谱显微成像系统算法重构图片；
[0050] 图10为本发明设计的光场光谱显微成像系统采用棱镜分光时各部分参数；
[0051] 图11为本发明设计的光场光谱显微成像系统采用光栅分光时各部分参数。
[0052] 其中，1为样本，2为显微物镜，3为微透镜阵列，4为准直物镜，5为分光元件，6为成 像物镜，7为探测器，8为棱镜，9为光栅，10为反射镜，11为反射镜，12为被成像物体，13为微 透镜阵列像平面上的像，14为探测器平面像，15为14的局部放大像，16为实验结果，17为16 的局部放大像。
【具体实施方式】
[0053]下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
[0054]实施例一：基于微透镜阵列的光场光谱显微成像方法，图1为整体光路结构原理 图，图中各元件按照光路传播顺序为样本1，显微物镜2，微透镜阵列3，准直系统4，分光元 件5,成像系统6,探测器7,光场光谱显微成像系统主要包括以下步骤：
[0055]步骤1，对光场光谱显微成像系统进行设计，将微透镜阵列放置在显微物镜像平面 的位置，分光系统整体接在显微物镜及微透镜阵列后端，微透镜阵列位于分光系统狭缝处 取代狭缝，探测器位于分光系统的像平面位置，用于接收样本经系统整体成的像便于后期 重构算法对探测器记录的信息进行处理。
[0056]步骤2，数据采集，主要包括软件模拟和实验平台搭建，通过软件对光场光谱显微 成像系统进行模拟，对显微物镜和微透镜阵列的F数进行调整，使得光谱分光时不同谱段信 息将微透镜阵列像平面中无效成像位置充分利用，获得较好的成像效果。由于选择显微物 镜的F数大于微透镜阵列的F数，因此微透镜阵列像平上获得
[0057]模拟时分光系统做了两种方案，包括棱镜分光系统及光栅分光系统两种。棱镜分 光系统式光场光谱显微成像系统光路结构见附图2,棱镜分光式光场光谱显微成像系统主 要包括显微物镜，微透镜阵列3，双高斯准直系统5，分光棱镜8，成像系统6.探测器，光栅分 光系统的光场光谱显微成像系统光路结构见附图3,图中用到了光栅9,反射镜10,反射镜 11;系统模拟结果见附图4,主要包括被成像物体12,微透镜阵列像平面上的像13,探测器像 平面上的像14,以及像平面上局部放大像15。选择合适参数搭建实验平台，实验光路见附图 5，实验光路主要包括样本1，显微物镜2，微透镜阵列3，准直物镜4，分光棱镜8，成像物镜6， 探测器7，实验时被成像物体选用直径60μπι的蚕丝，实验结果见附图6，主要包括探测器像 平面像16,局部放大的像17。由模拟结果及实验结果可得，光场光谱显微成像系统在获得物 体的光场信息的同时将光场信息以不同角度进行色散。
[0058]步骤3，算法重构，假设微透镜阵列中的每个小透镜对应Ν X Ν个探测器像元，微透 镜阵列对应于探测器像面上相同位置的像元为同一个波长某一个相同视场角信息，将相同 位置探测器像元的像素提取出来就可以获得不同波长不同视场角物体的信息，重构算法流 程图及示意图见附图7、附图8,重构结果见附图9。
[0059]实施例二:基于微透镜阵列的光场光谱显微成像系统，光场光谱显微成像系统用 25倍放大倍率，数值孔径0.4，共辄距离195mm，焦距7.2mm，显微物镜的F数为31.25;微透镜 阵列中每个小透镜尺寸为300μπιX 300μπι的方形口径，微透镜阵列个数为80 X 80个，材料为 石英玻璃，曲率半径1.35,厚度1mm，面型为抛物面面型，微透镜阵列F数10;分光系统为棱镜 分光系统时系统的F数为6.7;具体参数见附图10，分光系统为光栅分光系统时，分光系统为 offner分光系统，分光元件为凸面光栅，分光系统的F数为5,物方数值孔径0.104,平均线色 散5.205ym/nm，分光系统的具体参数见附图11。
【主权项】
1. 一种基于微透镜阵列的光场光谱显微成像方法，包括以下步骤： 1) .设计并搭建光场光谱显微成像系统的步骤:设计主要由在光轴上依次设置的显微 物镜、微透镜阵列、分光系统以及探测器构成的光场光谱显微成像系统，其中微透镜阵列放 置在显微物镜的像平面位置，显微物镜和微透镜阵列构成前端光场显微成像系统，显微物 镜F数大于微透镜阵列微透镜阵列F数； 2) .记录样本的空间光谱五维向量信息的步骤:样本经光场显微成像系统后获得样本 的四维光场向量信息，经由分光系统分光在探测器中获得样本的空间光谱五维向量信息； 3) .对探测器平面记录的五维向量进行后期算法重构获得不同视场角及不同波长物体 的信息步骤:微透镜阵列对应于探测器像面上相同位置的像元为同一个波长某一个相同视 场角信息，将相同位置探测器像元的像素提取出来，获取不同波长不同视场角物体的信息。2. -种基于微透镜阵列的光场光谱显微成像系统，其特征在于：主要由在光轴上依次 设置的显微物镜(2)、微透镜阵列（3)、分光系统以及探测器(7)构成，其中微透镜阵设置在 显微物镜的像平面位置，显微物镜F数大于微透镜阵列微透镜阵列F数。3. 根据权利要求2所述的基于微透镜阵列的光场光谱显微成像系统，其特征在于:所述 的分光系统由准直元件(4)、分光元件（5)以及用于将光线汇聚在探测器上的成像元件(6) 组成。4. 根据权利要求3所述的基于微透镜阵列的光场光谱显微成像系统，其特征在于:所述 的分光元件为分光棱镜或者光栅。5. 根据权利要求2所述的基于微透镜阵列的光场光谱显微成像系统，所述的微透镜阵 列由若干个抛物面镜阵列组成。6. 根据权利要求3所述的基于微透镜阵列的光场光谱显微成像系统，分光系统为 offner分光系统，分光元件为凸面光栅。7. 根据权利要求2~6之一所述的基于微透镜阵列的光场光谱显微成像系统，所述的微 透镜阵列F数大于分光系统的F数。8. 根据权利要求2~3、5~6之一所述的基于微透镜阵列的光场光谱显微成像系统，所 述的分光系统中分光元件为反射型光栅或者透射型光栅。9. 根据权利要求2~6之一所述的基于微透镜阵列的光场光谱显微成像系统，所述的微 透镜阵列材为透明的玻璃或者树脂塑料。10. 根据权利要求2~3、5~6之一所述的基于微透镜阵列的光场光谱显微成像系统，显 微物镜的F数为31.25;微透镜阵列中每个小透镜尺寸为300μπι X 300μπι的方形口径，微透镜 阵列个数为80 X 80个，材料为石英玻璃，曲率半径1.35，面型为抛物面面型，微透镜阵列F数 10;分光系统中分光元件为凸面光栅，分光系统的F数为5。
【文档编号】G02B21/02GK105974573SQ201610383141
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年6月2日
【发明人】许峰, 姚宇佳, 夏银香
【申请人】苏州大学