[发明专利]基于梯度折射率透镜的内窥镜式三维显微成像装置和方法

说明书

本发明提供了一种基于梯度折射率透镜的内窥镜式三维显微成像装置和方法，按照光线传播方向依次设置有：环形LED光源、被测样品、梯度折射率透镜阵列、长焦距中继透镜和CMOS相机；环形LED光源、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；且环形LED光源和梯度折射率透镜阵列位于被测样品的同一侧。本发明采用梯度折射率透镜阵列对样品进行成像，结合环形LED光源的集成结构，在保证结构集成度的同时，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。

技术领域

本发明涉及内窥镜显微成像技术领域，具体涉及一种基于梯度折射率透镜的内窥镜式三维显微成像装置和方法。

背景技术

内窥镜主要由光学成像系统和照明系统组成：光学系统外观是一个细长的金属管子，里面包含了一个由许多透镜组成的完整的光学系统。光学成像系统一般由物镜、聚焦透镜和成像CCD相机组成。被测样品经物镜所成的倒像，需要通过转像系统将倒像转为正像，并进行远距离传输到CCD相机进行成像，为人眼所观察。照明传输系统由光导纤维或集成LED光源组成。不同用途的内窥镜根据使用要求制作成不同的外形、外径、长度，以达到使用所需的要求。

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。

目前内窥镜显微成像技术具有体积小，成像视场大，成像光路长的优点，光场成像具有可单帧采集快速三维成像的优点，然而，两种技术均无法同时满足内窥镜光学系统的小体积，大成像视场，高空间分辨率的整体要求，若要将二者进行功能结合仍存在很大的挑战。

因此，如何提供一种保证体积不变的前提下，不仅可以扩大成像视场，实现共光路三维成像功能的内窥镜式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。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于梯度折射率透镜的内窥镜式三维显微成像装置和方法，采用梯度折射率透镜阵列代替单物镜的方式，在保证体积不变的前提下，不仅可以扩大成像视场，实现共光路三维成像功能，而且提高了空间分辨率。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于梯度折射率透镜的内窥镜式三维显微成像装置，按照光线传播方向依次设置有：环形LED光源、被测样品、梯度折射率透镜阵列、长焦距中继透镜和CMOS相机；

所述环形LED光源、所述梯度折射率透镜阵列相对于所述被测样品位于同一竖直方向上；且所述环形LED光源和所述梯度折射率透镜阵列位于被测样品的同一侧。

优选的，所述环形LED光源与所述梯度折射率透镜阵列在竖直方向上的中轴线重合。

优选的，所述环形LED光源波长为白光光源，功率为50mw；包括若干个白光光源，间隔均布于所述梯度折射率透镜阵列之间，形成环形光源。

优选的，所述白色光源形成的环形光源外径不超过所述梯度折射率透镜阵列的外径大小。

优选的，所述的梯度折射率透镜阵列包括多个竖向平行排列的NA＝0.5，焦距为5mm的梯度折射率透镜，相邻两个梯度折射率透镜的间距为1.4mm；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。

优选的，所述梯度折射率透镜阵列整体直径尺寸为4mm，适用于内窥镜纤细壳体内的安装使用。