[发明专利]具有小透镜阵列的光场显微镜

说明书

技术领域

本发明涉及显微术，并且尤其涉及三维光场显微术。

背景技术

图1示出了可以用于实时三维(3D)显微术的现有技术光场显 微镜。该光场显微镜基于传统显微镜，通过在传感器(例如，电荷 耦合设备(CCD))之前约2.5毫米处，在中间图像平面120处插入 包含数万或数十万微透镜的微透镜阵列110对该传统显微镜进行修 改。该微透镜阵列对广场进行变换(transpose)，从而例如产生了物 镜100的后孔的55,000小图像的阵列。该图像捕捉了光场的方向(角 度)信息，每个微透镜位置对应于空间信息。这样，将3D光场复合 到传感器的2D表面上。

图1的微透镜阵列110例如可以产生传感器在图像平面120处 捕捉的55,000个角度图像。传感器上的每个图像例如可以是14×14 像素或10×10像素，这取决于图像的大小和传感器的像素间隔。图 像中的每个像素对应于物镜上的一个位置。因此，图像以混合(角 度)格式记录信息。每个角度图像不是完整图像，并且其本身所占 有的每个图像是无意义的并且不是特别有用。为了从图像恢复信息， 假设每个图像基于x和y轴具有(图像中像素的)坐标系统，例如， 10×10。从每个图像获取每个像素(i，j)并且对其进行组合。当组合来 自于每个图像的该组像素(i，j)时，其将形成一个图像，就是该显微镜 看到的实像。在坐标系统中针对每个像素执行该提取和组合以产生 一组(x*y)的实像(或更小的实像，因为可能必须丢弃坐标系统中的 某些像素位置，例如重叠边界中的像素)。

可以等同或类似于在传统光场呈现、断层摄影术以及共焦显微 术中所使用技术的计算机实现的软件技术可以用于处理捕捉的图 像。该软件可以生成3D视图并且可以提取关于所观察样本130的其 他3D信息。

传统显微镜通常允许用户通过旋转机械转轮从多个物镜100中 进行选择。图1中示出了的光场显微镜可以通过由匹配物镜100的 焦比(F/number)的微透镜阵列110填充的第二转轮实现。该附加 的机械部分为显微镜及其操作增加了相当的复杂度。此外，微透镜 阵列110可能需要定位在例如距离传感器2.5mm，同时具有关于平 行于图像平面120的位移的好于0.1mm的精度。利用上述精度并且 以鲁棒的方式从一个微透镜阵列110切换到另一个由于机械问题是 极端困难的，并且增加了第二转轮的成本。

每个微透镜阵列110可以包括例如50,000到100,000个微透镜， 其中每个微透镜具有例如125微米的直径。此类微透镜阵列是昂贵 的并且难以制造。此外，考虑到所使用的微透镜的大小和数量，对 像差的校正将极端困难。

每个微图像捕捉了物镜的圆形孔径，并且包含具有不确定像素 值并且因此可能不得不丢弃的、在孔的边缘处被部分照亮的像素。 此外，相邻的微图像可以重叠一个或两个像素，并且可能不得不丢 弃重叠的像素。此外，可以在传感器上存在很多未被微透镜照亮的 未使用的像素。因此，可能浪费传感器像素的50％或更多。

每个微透镜都非常小。例如，微透镜阵列可以生成100,000个图 像，每个图像在传感器上占用10×10像素网格。针对上述的至少一 个原因，图像处理软件可能必须从每个微图像中移除2像素宽的边 界或分界。因此，在10×10图像中，仅8×8是有用的。64个像素 显著少于100个像素。此外，图像尺寸越小，将丢失的像素百分比 越高。

发明内容

描述了用于在物镜处或附近集成有小透镜阵列的、可以用于实 时三维(3D)显微术的光场显微镜的方法和设备的各种实施方式。 实施方式可以利用可以位于物镜后孔处或附近的并且轻微修改该物 镜的低放大率小透镜阵列补充显微镜物镜。结果是一种新型物镜， 或对现有物镜的附加。