一种基于微透镜阵列的CMOS传感器的显微镜成像方法及系统.pdf

本发明涉及一种基于微透镜阵列的CMOS传感器的显微镜成像方法及系统，该方法包括以下步骤：步骤一、在显微镜物镜与由显微镜物镜确定的初次成像面之间设置具有正光焦度的第一透镜组，从而使来自显微镜物镜的光线会聚，将这些光线的会聚面记为第一成像面；步骤二、将经过第一成像面上发射出的光线采用具有正光焦度的第二透镜组进行发散，从而使光线发散出射至CMOS传感器的微透镜凸面上。将来自显微镜物镜的光线，通过第一透镜组和第二透镜组进行二次成像，使得主光线角度与传感器微透镜的主光线角度能较好的匹配，减少因光线损失和避免像素响应降低带来的像面光斑，消除透过传感器的光线强度不均匀(即“阴影”)的现象，具有良好的场曲校正，畸变小于1.2％。

1、  一种基于微透镜阵列的CMOS传感器的显微镜成像方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一、在显微镜物镜与由显微镜物镜确定的初次成像面之间设置具有正光焦度的第一透镜组，从而使来自显微镜物镜的光线会聚，将这些光线的会聚面记为第一成像面；
步骤二、将经过第一成像面上发射出的光线采用具有正光焦度的第二透镜组进行发散，从而使光线发散出射至CMOS传感器的微透镜凸面上。

2、  根据权利要求1所述的基于微透镜阵列的显微镜成像光路的优化方法，其特征在于：所述第一透镜组为双胶合透镜。

3、  根据权利要求1或2所述的基于微透镜阵列的显微镜成像光路的优化方法，其特征在于：所述第二透镜组为具有正光焦度的第二十一透镜、具有负光焦度的第二十二透镜、具有正光焦度的第二十三透镜组合而成。

4、  根据权利要求3所述的基于微透镜阵列的显微镜成像光路的优化方法，其特征在于：所述第二透镜组还包括具有正光焦度的第二十四透镜。

6、  一种基于微透镜阵列的CMOS传感器的显微镜成像系统，包括显微镜物镜(1)和基于微透镜阵列的CMOS传感器(2)，其特征在于：所述显微镜物镜(1)与所述基于微透镜阵列的CMOS传感器(2)之间设置有适配成像系统，该适配成像系统包括有具有正光焦度的第一透镜组(U1)和具有正光焦度的第二透镜组(U2)，其中第一透镜组(U1)设置在显微镜物镜(1)与由显微镜物镜确定的初次成像面(3)之间，并且该第一透镜组(U1)使来自显微镜物镜(1)的光线会聚，这些光线的会聚面为第一成像面(4)；经过第一成像面(4)上发射出的光线再通过所述具有正光焦度的第二透镜组(U2)进行发散，从而使光线发散出射至CMOS传感器(2)的微透镜凸面上。

7、  根据权利要求6所述的基于微透镜阵列的CMOS传感器的显微镜成像系统，其特征在于：所述第一透镜组(U1)为具有正光焦度的第十一透镜(L1)和具有负光焦度的第十二透镜(L2)组成的双胶合透镜。

8、  根据权利要求7所述的基于微透镜阵列的CMOS传感器的显微镜成像系统，其特征在于：所述第十一透镜(L1)的入射面的曲率半径为17.28，第十一透镜(L1)的出射面和第十二透镜(L2)的入射面的曲率半径均为-29.22，第十二透镜(L2)的出射面的曲率半径为29.22，第十一透镜(L1)的厚度为6mm，第十二透镜(L2)的厚度为2mm，第十一透镜(L1)入射面顶点与由显微镜物镜确定的初次成像面(3)之间的距离为156mm，第十一透镜(L1)的折射率为1.548088，第十二透镜(L2)的折射率为1.744003，第十一透镜(L1)的色散系数为53.9479，第十二透镜(L2)的色散系数为44.9099。

9、  根据权利要求6所述的基于微透镜阵列的CMOS传感器的显微镜成像系统，其特征在于：所述第二透镜组(U2)为具有正光焦度的第二十一透镜(L3)、具有负光焦度的第二十二透镜、具有正光焦度的第二十三透镜(L6)、具有正光焦度的第二十四透镜(L7)组合而成，其中第二十一透镜(L3)为双凸正透镜；第二十二透镜为双凹负透镜(L4)和双凸正透镜(L5)组成的双胶合负透镜，第二十三透镜为双凸正透镜；第二十四透镜为月牙型正透镜。

10、  根据权利要求9所述的基于微透镜阵列的CMOS传感器的显微镜成像系统，其特征在于：所述第二十一透镜(L3)的入射面的曲率半径为26.67mm，出射面的曲率半径为-9.43mm，厚度为3.5，与第一透镜组(U1)出射面顶点之间的距离为69.66mm，折射率为1.6204414，色散系数为60.2743；双凹负透镜(L4)入射面的曲率半径为-5.8mm，出射面的曲率半径为4.86mm，厚度为1.5mm，与第二十一透镜(L3)出射面顶点之间的距离为2.4mmm，折射率为1.755199，色散系数为27.5302，双凸正透镜(L5)入射面的曲率半径为4.86mm，出射面的曲率半径为-17.28mm，厚度为5mm，折射率为1.744003，色散系数为44.9099；第二十三透镜(L6)的入射面的曲率半径为11.2mm，出射面的曲率半径为-180mm，厚度为4.6mm，与第二十二透镜(L5)出射面顶点之间的距离为1.7mm，折射率为1.744003，色散系数为44.9099；第二十四透镜(L7)的入射面的曲率半径为4.41mm，出射面的曲率半径为3.23mm，厚度为4.4mm，与第二十三透镜(L6)出射面顶点之间的距离为0.5mm，折射率为1.744003，色散系数为44.9099；具有微透镜阵列的CMOS传感器(2)与第二十四透镜(L7)出射面顶点之间的距离为4.98mm。

一种基于微透镜阵列的CMOS传感器的显微镜成像方法及系统
技术领域
本发明涉及显微镜成像领域，具体涉及一种基于微透镜阵列的CMOS传感器的显微镜成像方法及系统。
背景技术
随着数码显微镜及LCD显示技术在显微镜的应用，给显微镜的光电转换成像的适配光学设计带来新挑战。光电转换成像的光学镜头和传感器之间的匹配是显微镜数字化成像的关键技术之一。现有传统的光学设计技术中，常见的是在显微镜物镜的后续光路中(即在显微镜物镜后初次成像面的前面或后面)设置一个双胶合透镜或一组透镜，见附图1所示，使光线会聚发射到传感器的像素面上，并在传感器有效区域截获与目镜视场相一致的观察范围，同时在显示屏上显示优质的像。传统设计方法的缺点在于：由于显微镜物镜后续的成像系统是一会聚光路，导致某些不同角度的光线不能全部进入传感器的像素面上，其减少的光线与增大角度余弦值的四次方是成比例关系的，因此显示的图像会不均匀从而产生光斑；同时，系统畸变得不到良好的校正，造成屏幕图像失真。
在显微镜制造过程中，为确保各倍率物镜更换时成像的一致性，方便使用者寻找观察目标，物体在显微镜物镜后的初次成像面与物体之间的距离一般是固定的。
为了改善上述缺点，传统的做法是，在显微镜物镜的后续光路上采用远心光路系统，见附图2所示，它在显微镜物镜的后续光路中设置三组透镜，使来自显微镜物镜的主光线垂直入射至传感器像素面，以获取成像区照明的均匀性。
但是，随着CMOS传感器技术应用范围的扩展及CMOS技术的发展，某些CMOS传感器为了匹配特定镜头的较大入射角的光线，CMOS传感器为每个像素都设计一个微镜头，形成将来自不同角度的光线聚焦在不同的像素上，这种结构的CMOS传感器一般叫做具有微透镜阵列的CMOS传感器，其结构示意图见附图3所示；这里每个像素上都有一个主光线角度CRA₁，此角度处的像素响应降低为零度角像素响应(此时，此像素是垂直于光线的)的80％。因此，对于具有微透镜阵列的CMOS传感器，其微透镜的主光线角度CRA₁是一随视场变化的确定的曲线。这时，如果采用附图1和2所示的成像系统，这时显微镜实际的主光线角度CRA₃或CRA₄与具有微透镜阵列的CMOS传感器的微镜头设计的主光线角度CRA₁之间的关系是不匹配，附图4为采用附图1所示的成像系统中显微镜实际主光线角度CRA₃与具有微透镜阵列的CMOS传感器的主光线CRA的比对图，横坐标X为CMOS传感器上的归化后成像高度，纵坐标Y为主光线角度；附图5为采用附图2所示的成像系统中显微镜实际主光线角度CRA₄与具有微透镜阵列的CMOS传感器的主光线CRA₁的比对图；从图中可以看出，CRA₃或CRA₄与CRA₁明显不匹配，并且处于边缘的主光线的角度差明显增大，这样将会出现不理想的透过传感器的光线强度(也就是“阴影”或光斑)，从而严重影响显示像面质量。
发明内容
本发明所要解决的第一个技术问题是针对上述现有技术提供一种基于微透镜阵列的CMOS传感器的显微镜成像方法，使来自显微镜物镜的主光线角度达到与具有微透镜阵列的CMOS传感器微透镜的主光线角度匹配较好，从而减少因光线损失和避免像素响应降低带来的像面光斑，达到像面视场照明均匀的目的。
本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种基于微透镜阵列的CMOS传感器的显微镜成像系统，该系统能有效减少因光线损失和避免像素响应降低带来的像面光斑。同时，达到良好的畸变校正和优质图像。
本发明解决上述第一个技术问题所采用的技术方案为：该基于微透镜阵列的CMOS传感器的显微镜成像方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一、在显微镜物镜与由显微镜物镜确定的初次成像面之间设置具有正光焦度的第一透镜组，从而使来自显微镜物镜的光线会聚，将这些光线的会聚面记为第一成像面上；
步骤二、将经过第一成像面上发射出的光线采用具有正光焦度的第二透镜组进行发散，从而使光线发散出射至CMOS传感器的微透镜凸面上。
这样，通过第一透镜组的会聚和第二透镜组的发散，可以改变各视场主光线出射角度，以达到主光线角度曲线与具有微透镜阵列的CMOS传感器各对应位置微透镜主光线角度相匹配，并将以接近零度的角度进入该类型CMOS传感器的像素上，减少因光线损失和避免像素响应降低带来的像面光斑，消除透过传感器的光线强度不均匀(即“阴影”)的现象，具有良好的场曲校正，畸变小于1.2％。
作为改进，所述第一透镜组为双胶合透镜。
所述第二透镜组为具有正光焦度的第二十一透镜、具有负光焦度的第二十二透镜、具有正光焦度的第二十三透镜组合而成。
所述第二透镜组还可以包括具有正光焦度的第二十四透镜。
本发明解决上述第二个技术问题所采用的技术方案为：该基于微透镜阵列的CMOS传感器的显微镜成像系统，包括显微镜物镜和基于微透镜阵列的CMOS传感器，其特征在于：所述显微镜物镜与所述基于微透镜阵列的CMOS传感器之间设置有适配成像系统，该适配成像系统包括有具有正光焦度的第一透镜组和具有正光焦度的第二透镜组，其中第一透镜组设置在显微镜物镜与由显微镜物镜确定的初次成像面之间，并且该第一透镜组使来自显微镜物镜的光线会聚，这些光线的会聚面为第一成像面；经过第一成像面上发射出的光线再通过所述具有正光焦度的第二透镜组进行发散，从而使光线发散出射至CMOS传感器的微透镜凸面上。
较好的，所述第一透镜组采用具有正光焦度的第十一透镜和具有负光焦度的第十二透镜组成的双胶合透镜。
这里所述第十一透镜的入射面的曲率半径为17.28mm，第十一透镜的出射面和第十二透镜的入射面的曲率半径均为-29.22mm，第十二透镜的出射面的曲率半径为29.22mm，第十一透镜的厚度为6mm，第十二透镜的厚度为2mm，第十一透镜入射面顶点与由显微镜物镜确定的初次成像面之间的距离为156mm，第十一透镜的折射率为1.548088，第十二透镜的折射率为1.744003，第十一透镜的色散系数为53.9479，第十二透镜的色散系数为44.9099。
所述第二透镜组为具有正光焦度的第二十一透镜、具有负光焦度的第二十二透镜、具有正光焦度的第二十三透镜、具有正光焦度的第二十四透镜组合而成，其中第二十一透镜为双凸正透镜；第二十二透镜为双凹负透镜和双凸正透镜组成的双胶合负透镜，第二十三透镜为双凸正透镜；第二十四透镜为月牙型正透镜。
较好的，所述第二十一透镜的入射面的曲率半径为26.67mm，出射面的曲率半径为-9.43mm，厚度为3.5mm，与第一透镜组出射面顶点之间的距离为69.66mm，折射率为1.6204414，色散系数为60.2743；双凹负透镜入射面的曲率半径为-5.8mm，出射面的曲率半径为4.86mm，厚度为1.5mm，与第二十一透镜出射面顶点之间的距离为2.4mmm，折射率为1.755199，色散系数为27.5302，双凸正透镜入射面的曲率半径为4.86mm，出射面的曲率半径为-17.28mm，厚度为5mm，折射率为1.744003，色散系数为44.9099；第二十三透镜的入射面的曲率半径为11.2mm，出射面的曲率半径为-180mm，厚度为4.6mm，与第二十二透镜出射面顶点之间的距离为1.7mm，折射率为1.744003，色散系数为44.9099；第二十四透镜的入射面的曲率半径为4.41mm，出射面的曲率半径为3.23mm，厚度为4.4mm，与第二十三透镜出射面顶点之间的距离为0.5mm，折射率为1.744003，色散系数为44.9099；具有微透镜阵列的CMOS传感器与第二十四透镜出射面顶点之间的距离为4.98mm。
与现有技术相比，本发明的优点在于：将来自显微镜物镜的光线，通过第一透镜组和第二透镜组进行二次成像，使得主光线角度与传感器微透镜的主光线角度能较好的匹配，减少因光线损失和避免像素响应降低带来的像面光斑，消除透过传感器的光线强度不均匀(即“阴影”)的现象，具有良好的场曲校正，畸变小于1.2％。
附图说明
图1为现有技术中显微镜物镜的后续光路图一；
图2为现有技术中显微镜物镜的后续光路图二；
图3为具有微透镜阵列的CMOS传感器的结构图；
图4为采用图1所示成像系统的主光线角度CRA₃与具有微透镜阵列的CMOS传感器的微镜头设计的主光线角度CRA₁之间的比对图；
图5为采用图2所示成像系统的主光线角度CRA₃与具有微透镜阵列的CMOS传感器的微镜头设计的主光线角度CRA₁之间的比对图；
图6为本发明实施例中显微镜成像系统的光路图；
图7为本发明实施例中的显微镜成像系统的光学结构图；
图8为本发明实施例的显微镜成像系统的主光线角度CRA₂与具有微透镜阵列的CMOS传感器的微镜头设计的主光线角度CRA₁之间的比对图；
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
本发明提供了一种基于微透镜阵列的CMOS传感器的显微镜成像方法，它通过以下步骤实现：
步骤一、在显微镜物镜与由显微镜物镜确定的初次成像面之间设置具有正光焦度的第一透镜组，从而使来自显微镜物镜的光线会聚，将这些光线的会聚面记为第一成像面上，这里，第一透镜组为双胶合透镜，并且焦距为正；
步骤二、将经过第一成像面上发射出的光线采用具有正光焦度的第二透镜组进行发散，从而使光线发散出射至CMOS传感器的微透镜凸面上。
这里，第二透镜组可以通过具有正光焦度的第二十一透镜、具有负光焦度的第二十二透镜、具有正光焦度的第二十三透镜组合而成；第二透镜组也可以通过具有正光焦度的第二十一透镜、具有负光焦度的第二十二透镜、具有正光焦度的第二十三透镜、具有正光焦度的第二十四透镜组合而成。
本发明还提供了一种基于微透镜阵列的CMOS传感器的显微镜成像系统，参见图6、图7所示，该显微镜成像系统包括显微镜物镜1、适配成像系统、具有微透镜阵列的CMOS传感器2。适配成像系统包括具有正光焦度的第一透镜组U1和具有正光焦度的第二透镜组U2，适配成像系统设置在显微镜物镜1与所述基于微透镜阵列的CMOS传感器2之间，该适配成像系统包括有具有正光焦度的第一透镜组U1和具有正光焦度的第二透镜组U2，其中第一透镜组U1设置在显微镜物镜1与由显微镜物镜确定的初次成像面3之间，并且该第一透镜组U1使来自显微镜物镜1的光线会聚，这些光线的会聚面为第一成像面4；经过第一成像面4上发射出的光线再通过所述具有正光焦度的第二透镜组U2进行发散，从而使光线发散出射至CMOS传感器2的微透镜凸面上
本实施例中第一透镜组U1为具有正光焦度的第十一透镜L1和具有负光焦度的第十二透镜L2组成的双胶合透镜；其中第十一透镜L1的入射面的曲率半径r1为17.28mm，第十一透镜L1的出射面r2和第十二透镜L2的入射面r2的曲率半径均为-29.22mm，第十二透镜L2的出射面r3的曲率半径为29.22mm，第十一透镜L1的厚度d1为6mm，第十二透镜L2的厚度d2为2mm，第十一透镜L1入射面顶点与由显微镜物镜确定的初次成像面3之间的距离为156mm，第十一透镜L1的折射率为1.548088，第十二透镜L2的折射率为1.744003，第十一透镜L1的色散系数为53.9479，第十二透镜L2的色散系数为44.9099。
这时，来自物镜的光线经过第一透镜组U1后会聚而成第一成像面4与第十二透镜L2的出射面顶点之间的距离为70mm，相对于由显微镜物镜确定的初次成像面3来说，第一透镜组U1将物体在显微镜物镜之后第一次成像的成像面拉近了。
而第二透镜组U2为具有正光焦度的第二十一透镜L3、具有负光焦度的第二十二透镜、具有正光焦度的第二十三透镜L6、具有正光焦度的第二十四透镜L7组合而成，其中第二十一透镜L3为双凸正透镜；第二十二透镜为双凹负透镜L4和双凸正透镜L5组成的双胶合负透镜，第二十三透镜为双凸正透镜；第二十四透镜为月牙型正透镜；其中第二十一透镜L3的入射面的曲率半径r4为26.67mm，出射面r5的曲率半径为-9.43mm，厚度d4为3.5mm，与第一透镜组U1出射面顶点之间的距离d3为69.66mm，折射率为1.6204414，色散系数为60.2743；双凹负透镜L4入射面的曲率半径r6为-5.8mm，出射面的曲率半径r7为4.86mm，厚度d6为1.5mm，与第二十一透镜L3出射面顶点之间的距离d5为2.4mmm，折射率为1.755199，色散系数为27.5302，双凸正透镜L5入射面的曲率半径r7为4.86mm，出射面的曲率半径r8为-17.28mm，厚度d7为5mm，折射率为1.744003，色散系数为44.9099；第二十三透镜L6的入射面的曲率半径r9为11.2mm，出射面r10的曲率半径为-180mm，厚度d9为4.6mm，与第二十二透镜L5出射面顶点之间的距离d8为1.7mm，折射率为1.744003，色散系数为44.9099；第二十四透镜L7的入射面的曲率半径r11为4.41mm，出射面的曲率半径r12为3.23mm，厚度d11为4.4mm，与第二十三透镜L6出射面顶点之间的距离d10为0.5mm，折射率为1.744003，色散系数为44.9099；具有微透镜阵列的CMOS传感器2与第二十四透镜L7出射面顶点之间的距离d12为4.98mm。
上述所有透镜均采用低色散的冕牌玻璃和高色散的火石玻璃组合而成，入射面和出射面均为球面，并同轴对称设置。
采用上述成像系统后，本实施例各视场出射主光线角度CRA₂与CMOS各对应位置微透镜主光线角度CRA₁曲线比对图参见图8所示，其横坐标X方向自左至右代表中心成像区域至最边缘的归化后的成像高度，纵坐标Y方向表示相对应的主光线出射角度，CRA₂为本发明各视场出射主光线角度变化图，CRA₁为特殊微透镜陈列的CMOS传感器的各视场主光线角度变化图。
从图中可以看出，本发明的主光线角度CRA₂为一近似线性，与CMOS各对应位置微透镜主光线角度CRA₁之间匹配度较好，使并且两条曲线在点C(约像高的80％)相交，这时本发明的主光线角度CRA₂与CMOS各对应位置微透镜主光线CRA₁角度差都减到最理想状态，实现了合理匹配，消除透过传感器的光线强度不均匀(即“阴影”)的现象，达到光斑补偿、视场照明均匀的目的，同时，具有良好的场曲校正，畸变小于1.2％。
本发明的结构参数说明了一个实施例，如第一成像面位置在结构允许的情况下变化，而需要改变相应的曲率半径、厚度、材料参数，也在本发明保护范围内。