本发明专利技术公开了一种基于梯度折射率透镜(GRIN lens)的多目微型化三维显微成像装置和方法，LED点光源发出的光经半球透镜后形成平行光，经激发滤光片入射在二向色镜上发生反射，反射光经过三个梯度折射率透镜透射后聚焦在待测样品上。样品表面的荧光激发后，荧光信号再经三个梯度折射率透镜返回至二向色镜，出射光再经发射滤光片过滤后入射在套筒透镜上，再聚焦到CMOS图像传感器上。三维共光路宽场成像装置具有视场大，单帧采集以及避免重构伪影的优点，该方案采用三个NA＝0.5梯度折射率透镜对样品进行成像，在保证横向分辨率的同时，从更大角度对样品的深度信息进行采集，有效的提高了轴向分辨率。提高了轴向分辨率。提高了轴向分辨率。
【技术实现步骤摘要】
基于梯度折射率透镜的多目微型三维显微成像装置和方法
[0001]本专利技术涉及微型化三维显微成像
，更具体的说是涉及一种基于梯度折射率透镜的多目微型三维显微成像装置和方法。
技术介绍
[0002]微型化显微镜(Miniscope)的诞生初衷是为了能更好的对自由活动小鼠的脑部进行实成像和观测。自从光学显微镜的专利技术以来，一直在不断追求的是多功能活体显微镜，像培养皿的活细胞观测已经十分成熟，但哺乳动物的活体成像仍然面临着很大的挑战。在哺乳动物物种中，小鼠是针对细胞特性进行靶向操纵的卓越且生命力顽强遗传模型，但使用光学显微镜对其大脑进行观察时仍然需要将其四肢和头部固定，将物镜固定在头部上方进行观测，这种对其正常行为活动的限制在很大程度上会影响获取信息的普遍性。制作工艺的提升是小型化集成中最关键性的进步，以梯度折射率透镜(Grin lens)代替传统物镜，以小尺寸光学元件替换常规尺寸光学元件，将所有光学元件集成在3D打印的外壳内，一个可以被戴在小鼠头上的微型化显微镜应运而生。
[0003]光场显微镜(Light field microscope，LFM)是通过在传统光学显微镜的中继像面上插入一块能够捕获光场信息的微透镜阵列(Microlens array，MLA)来实现的。区别于传统成像，微透镜阵列或相机阵列从多视角采集目标图像的三维信息，光场成像利用二维传感器记录四维光场信息，其中包含了场景二维位置和方向信息，通过4D光场数据的反演能重建多视角图像和多层焦平面图像，引入去卷积算法和断层重建能实现三维显微成像。光场显微镜是使用光场技术通过单次曝光得到多视角、不同焦深的图像，其独特优势一方面为实现非接触、实时、高质量的微纳器件三维检测提供了可能性，另一方面也能有效的避免活体三维成像时由于运动带来的时间空间不一致性。
[0004]目前微型化单光子荧光显微成像技术具有体积小，成像视场大的优点，光场成像具有可单帧采集快速三维成像的优点，然而，两种技术的结合仍存在很大的挑战。
[0005]因此，如何提供一种既能满足显微镜整体体积小又能快速三维成像的梯度折射率透镜的多目微型三维显微成像装置和方法是本领域技术人员亟需解决的问题。
技术实现思路
[0006]有鉴于此，本专利技术提供了一种基于梯度折射率透镜的多目微型三维显微成像装置和方法
[0007]为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0008]一种基于梯度折射率透镜的多目微型三维显微成像装置，包括：LED光源、半球透镜、激发滤光片、二向色镜、梯度折射率透镜阵列、待测样品、梯度折射率透镜阵列、二向色镜、收集滤光片、中继透镜和CMOS相机；
[0009]所述LED光源产生的光源信号依次通过所述半球透镜、激发滤光片、二向色镜、梯度折射率透镜阵列传输到待测样品表面形成照明光路；
[0010]所述待测样品表面的反射荧光依次通过所述梯度折射率透镜阵列(5)、二向色镜、收集滤光片、中继透镜传输到CMOS相机形成检测光路；
[0011]所述二向色镜、梯度折射率透镜阵列相对于被测样品位于同一竖直方向上，且二向色镜、梯度折射率透镜阵列在竖直方向上的中轴线重合。
[0012]优选的，所述的LED光源波长为480nm的蓝光光源，功率为50mw。
[0013]优选的，所述CMOS相机尺寸为13mm
×
13mm
×
2mm。
[0014]优选的，所述的梯度折射率透镜阵列由3个NA＝0.5，焦距为5mm的梯度折射率透镜组成，相邻两个梯度折射率透镜的间距为1.4mm，整体直径尺寸为2.5mm。
[0015]优选的，所述的LED光源、半球透镜、激发滤光片、二向色镜、梯度折射率透镜阵列、收集滤光片、中继透镜和CMOS相机集成在最大外形尺寸为15mm
×
15mm
×
25mm的外壳中。
[0016]优选的，所述的梯度折射率透镜阵列中每个梯度折射率透镜分别从不同位置采集被测样品反射光束后，共用一个光路系统进行成像。
[0017]优选的，所述的中继透镜用于控制成像比例，前焦面与梯度折射率透镜阵列的后焦面重合，后焦面与CMOS相机的传感器面重合。
[0018]一种基于梯度折射率透镜的多目微型三维显微成像装置的成像方法，包括以下步骤：
[0019]数据采集步骤a：
[0020]步骤a1、LED光源发出的光经半球透镜形成平行光，经激发滤光片入射在二向色镜上发生反射，反射光经梯度折射率透镜阵列分别聚焦在被测样品不同位置上。
[0021]步骤a2、待测样品表面的荧光激发后，发出的反射光经梯度折射率透镜阵列透射至二向色镜，透射光再经收集滤光片过滤后入射到中继透镜上，中继透镜将采集信号聚焦在CMOS相机上进行单帧采集。
[0022]数据处理步骤b：
[0023]步骤b1、图像位置校准：将CMOS采集到的单帧图像进行每个梯度折射率透镜的轴向位置校准；
[0024]步骤b2、球差校正：梯度折射率透镜采集图像会产生明显的图像凸出，校正后得到无球差图像；
[0025]步骤b3、将采集到的图像反卷积三维位点扩展函数得到被测样品的三维形貌。
[0026]优选的，步骤b1中，通过采集单帧高曝光图像进行轴向定位，相邻两个梯度折射率透镜的真实距离为校准后的距离。
[0027]优选的，步骤b3中，三维点扩展函数通过采集等间距轴向位置的25μm针孔后经高斯拟合获得。
[0028]经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本专利技术公开提供了一种基于梯度折射率透镜的多目微型三维显微成像装置和方法，与现有技术比具有以下有益效果：
[0029]本专利技术基于微型化单光子荧光显微成像技术具有体积小，成像视场大的优点和光场成像具有可单帧采集快速三维成像的优点。在此基础上，本专利技术创新性地利用梯度折射率透镜阵列代替单物镜对被测样品进行共光路扩展视场三维成像。在该方案中，每个梯度折射率透镜从不同角度直接对被测样品进行大角度的观测，从而采集到更全面的深度信息，允许从该系统对被测样品完整的三维体积进行高分辨率计算重建。
[0030]采用三个NA＝0.5梯度折射率透镜对样品进行成像，在保证横向分辨率的同时，从更大角度对样品的深度信息进行采集，有效的提高了轴向分辨率。
附图说明
[0031]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
[0032]图1附图为本专利技术提供的基于梯度折射率透镜的多目微型三维显微成像装置结构示意图。
[0033]图中：1LED光源、2半球透镜、3激发滤光片、4二向色镜、5梯度折射率透镜阵列、6被测样品、7发射滤光片、8中继透镜、9CMOS相机。
具体实施方式<本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于梯度折射率透镜的多目微型三维显微成像装置，其特征在于：包括：LED光源(1)、半球透镜(2)、激发滤光片(3)、二向色镜(4)、梯度折射率透镜阵列(5)、待测样品(6)、梯度折射率透镜阵列(5)、二向色镜(4)、收集滤光片(7)、中继透镜(8)和CMOS相机(9)；所述LED光源(1)产生的光源信号依次通过所述半球透镜(2)、激发滤光片(3)、二向色镜(4)、梯度折射率透镜阵列(5)传输到待测样品(6)表面形成照明光路；所述待测样品(6)表面的反射荧光依次通过所述梯度折射率透镜阵列(5)、二向色镜(4)、收集滤光片(7)、中继透镜(8)传输到CMOS相机(9)形成检测光路；所述二向色镜(4)、梯度折射率透镜阵列(5)相对于被测样品(6)位于同一竖直方向上，且二向色镜(4)、梯度折射率透镜阵列(5)在竖直方向上的中轴线重合。2.根据权利要求1所述的基于梯度折射率透镜的多目微型三维显微成像装置，其特征在于：所述的LED光源(1)波长为480nm的蓝光光源，功率为50mw。3.根据权利要求1所述的基于梯度折射率透镜的多目微型三维显微成像装置，其特征在于：所述CMOS相机(9)尺寸为13mm
×
13mm
×
2mm。4.根据权利要求1所述的基于梯度折射率透镜的多目微型三维显微成像装置，其特征在于：所述的梯度折射率透镜阵列(5)由3个NA＝0.5，焦距为5mm的梯度折射率透镜组成，相邻两个梯度折射率透镜的间距为1.4mm，整体直径尺寸为2.5mm。5.根据权利要求1所述的基于梯度折射率透镜的多目微型三维显微成像装置，其特征在于：所述的LED光源(1)、半球透镜(2)、激发滤光片(3)、二向色镜(4)、梯度折射率透镜阵列(5)、收集滤光片(7)、中继透镜(8)和CMOS相机(9)集成在最大外形尺寸为15mm
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15mm
【专利技术属性】
技术研发人员：李浩宇，丁旭旻，刘俭，赵一轩，李翔宇，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：
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