[發(fā)明專利]基于梯度折射率透鏡的內窺鏡式三維顯微成像裝置和方法

在審

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• 申請日: 2021-05-19
• 公開（公告）號: CN113341554A
• 公開（公告）日: 2021-09-03
• 發(fā)明（設計）人: 李浩宇;丁旭旻;劉儉;趙一軒;曲麗穎
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業(yè)大學
• 主分類號: G02B23/24
• 分類號: G02B23/24;G01N21/84;G01N21/01
• 代理公司: 北京慕達星云知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 11465
• 代理人: 符繼超

本發(fā)明提供了一種基于梯度折射率透鏡的內窺鏡式三維顯微成像裝置和方法，按照光線傳播方向依次設置有：環(huán)形LED光源、被測樣品、梯度折射率透鏡陣列、長焦距中繼透鏡和CMOS相機；環(huán)形LED光源、梯度折射率透鏡陣列相對于被測樣品位于同一豎直方向上；且環(huán)形LED光源和梯度折射率透鏡陣列位于被測樣品的同一側。本發(fā)明采用梯度折射率透鏡陣列對樣品進行成像，結合環(huán)形LED光源的集成結構，在保證結構集成度的同時，從更大角度對樣品的深度信息進行采集，有效的提高了軸向分辨率。

技術領域

本發(fā)明涉及內窺鏡顯微成像技術領域，具體涉及一種基于梯度折射率透鏡的內窺鏡式三維顯微成像裝置和方法。

背景技術

內窺鏡主要由光學成像系統(tǒng)和照明系統(tǒng)組成：光學系統(tǒng)外觀是一個細長的金屬管子，里面包含了一個由許多透鏡組成的完整的光學系統(tǒng)。光學成像系統(tǒng)一般由物鏡、聚焦透鏡和成像CCD相機組成。被測樣品經物鏡所成的倒像，需要通過轉像系統(tǒng)將倒像轉為正像，并進行遠距離傳輸到CCD相機進行成像，為人眼所觀察。照明傳輸系統(tǒng)由光導纖維或集成LED光源組成。不同用途的內窺鏡根據使用要求制作成不同的外形、外徑、長度，以達到使用所需的要求。

光場顯微鏡Light field microscope，LFM)是通過在傳統(tǒng)光學顯微鏡的中繼像面上插入一塊能夠捕獲光場信息的微透鏡陣列Microlens array，MLA)來實現的。區(qū)別于傳統(tǒng)成像，微透鏡陣列或相機陣列從多視角采集目標圖像的三維信息，光場成像利用二維傳感器記錄四維光場信息，其中包含了場景二維位置和方向信息，通過4D光場數據的反演能重建多視角圖像和多層焦平面圖像，引入去卷積算法和斷層重建能實現三維顯微成像。光場顯微鏡是使用光場技術通過單次曝光得到多視角、不同焦深的圖像，其獨特優(yōu)勢一方面為實現非接觸、實時、高質量的微納器件三維檢測提供了可能性，另一方面也能有效的避免活體三維成像時由于運動帶來的時間空間不一致性。

目前內窺鏡顯微成像技術具有體積小，成像視場大，成像光路長的優(yōu)點，光場成像具有可單幀采集快速三維成像的優(yōu)點，然而，兩種技術均無法同時滿足內窺鏡光學系統(tǒng)的小體積，大成像視場，高空間分辨率的整體要求，若要將二者進行功能結合仍存在很大的挑戰(zhàn)。

因此，如何提供一種保證體積不變的前提下，不僅可以擴大成像視場，實現共光路三維成像功能的內窺鏡式三維顯微成像裝置和方法是本領域技術人員亟需解決的問題。

發(fā)明內容

有鑒于此，本發(fā)明提供了一種基于梯度折射率透鏡的內窺鏡式三維顯微成像裝置和方法，采用梯度折射率透鏡陣列代替單物鏡的方式，在保證體積不變的前提下，不僅可以擴大成像視場，實現共光路三維成像功能，而且提高了空間分辨率。

為了實現上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案：

一種基于梯度折射率透鏡的內窺鏡式三維顯微成像裝置，按照光線傳播方向依次設置有：環(huán)形LED光源、被測樣品、梯度折射率透鏡陣列、長焦距中繼透鏡和CMOS相機；

所述環(huán)形LED光源、所述梯度折射率透鏡陣列相對于所述被測樣品位于同一豎直方向上；且所述環(huán)形LED光源和所述梯度折射率透鏡陣列位于被測樣品的同一側。

優(yōu)選的，所述環(huán)形LED光源與所述梯度折射率透鏡陣列在豎直方向上的中軸線重合。

優(yōu)選的，所述環(huán)形LED光源波長為白光光源，功率為50mw；包括若干個白光光源，間隔均布于所述梯度折射率透鏡陣列之間，形成環(huán)形光源。

優(yōu)選的，所述白色光源形成的環(huán)形光源外徑不超過所述梯度折射率透鏡陣列的外徑大小。

優(yōu)選的，所述的梯度折射率透鏡陣列包括多個豎向平行排列的NA＝0.5，焦距為5mm的梯度折射率透鏡，相鄰兩個梯度折射率透鏡的間距為1.4mm；每個梯度折射率透鏡分別從不同位置采集被測樣品反射光束后，共用一個光路系統(tǒng)進行成像。

優(yōu)選的，所述梯度折射率透鏡陣列整體直徑尺寸為4mm，適用于內窺鏡纖細殼體內的安裝使用。