CN108802992A - 基于智能手机的样品均匀透射照明拍照装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于智能手机的样品均匀透射照明拍照装置，属于生物传感器装置技术领域，该装置包含照明系统、成像系统和机械系统；机械系统包含成像盒子，成像盒子的上表面设置有两个开孔，成像盒子不透光，成像盒子靠近成像盒子底部的侧面设置有样品室；照明系统包含黑皮光纤、PC镜面和导光板，导光板设置在成像盒子内底部，黑皮光纤的一端连接至成像盒子上光源的开孔，导光板用于将PC镜面反射来的光线发散为均匀的面光源，导光板底部设置有多个散光凸起；成像系统设置在导光板的正上方，成像系统用于对样品进行放大。本发明装置利用手机内置光源为拍照提供恒定光照，控制光照变量，可以用于比色分析，并且无需加入其它电路装置。
Description
技术领域
本发明属于生物传感器装置技术领域，涉及一种基于智能手机的样品均匀透射照明拍照装置。
背景技术
智能手机现在类似于具有操作系统，内部存储器和高质量相机镜头的微型计算机。而且它们比实验室分析设备更容易使用并且更加便宜。这使得使用智能手机用于临床检测的方法受到越来越多的关注。即时检测(POCT)的发展已经允许在实验室之外进行许多测试。同时，由于基于互补金属氧化物半导体(CMOS)的照相机的性能呈指数级增长，使用智能手机作为便携式生物传感器和分析设备更加合适。在大多数情况下，智能手机不能单独作为实验室仪器使用。智能手机与其他分析设备的结合在医疗保健，食品安全，环境监测和生物安全性展现了巨大的发展潜能，特别是在偏远和农村地区。近来有许多关于使用智能手机作为生物分析装置的设计应用。通过使用智能手机照相机作为“智能检测器”，几乎整合了所有基于光学的方法，包括吸光度，反射率，荧光，表面等离子体共振(SPR)，生物化学发光，和电化学发光。
然而，在这些分析方法中，照明问题承担的重要的任务。照明方式按照光束照射样本的方向可以分为透射照明和落射照明。落射照明是指光束从样本的上方照射样本，手机从样本上方捕获样本图像。这种照明方式采集的是观察样本的反射光，适用于非透明的被检物，如矿石，昆虫，电路板等。这种照明方式必须调整好照明的角度，否则拍出的照片会因为样品表面对光源的镜面反射而出现光源本身的像，由于光源本身亮度远高于样本本身，从而会严重影响成像质量。而且，限制落射照明最大的因素之一是如何保证照明的均匀程度。
另外一种照明方式为透射照明，透射照明是指光束从样本的下方照射，手机从样本上方捕获样本图像。绝大多数生物显微装置都属于此类照明，这种照明方式采集的是观察样本的透射光，适用于观察透明的样本，如卵细胞，胚胎发育线虫等等。这类生物透明样本利用落射照明反而会看不清一些内部细节。然而在保证透射照明均匀性问题上，大部分与手机相结合的分析设备都会外接光源实现对样品的均匀照明。但外加的光源无疑忽略了手机本身自身LED闪光灯的照明功能，浪费了这一光源的作用。
此外，POCT的检测仪器趋向小型化，简单化。其中，微流控芯片技术在POCT中起着重要作用，它把生物、化学、医学分析过程的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到一块微米尺度的芯片上，自动完成分析全过程。然而手机本身相机在拍摄微米级尺寸大小的结构时，并不能很好捕获芯片中反应的细节，这就在一定程度上限制了手机在POCT上的应用。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于智能手机的样品均匀透射照明拍照装置，提出通过光纤结构将手机光源导向镜面再反射入导光板变为均匀的面光源，实现从样品底部对样品的透射均匀照明，同时通过透镜组合对样品进行放大并降低成像像差，如色差、畸变、球差、场曲等。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
基于智能手机的样品均匀透射照明拍照装置，该装置包含照明系统、成像系统和机械系统；
所述机械系统包含成像盒子，所述成像盒子的上表面设置有两个开孔，其中一个开孔用于设置光源，另一个开孔用于设置镜头，所述成像盒子不透光，所述成像盒子靠近成像盒子底部的侧面设置有样品室；
所述照明系统包含黑皮光纤、PC镜面和导光板，所述导光板设置在成像盒子内底部，所述黑皮光纤的一端连接至成像盒子上光源的开孔，所述光源发出的光线经过所述黑皮光纤照射到所述PC镜面上，所述PC镜面将光线反射至所述导光板；
所述导光板用于将PC镜面反射来的光线发散为均匀的面光源，所述导光板底部设置有多个散光凸起，且所述散光凸起的排列方式在靠近光源的方向小而疏，远离光源的方向大而密；
所述成像系统设置在所述导光板的正上方，所述成像系统用于对样品进行放大，所述成像系统包含多片层叠设置的凸透镜，所述成像系统的一端对准样品，另一端对准成像盒子上的镜头开孔。
进一步，所述成像系统包含一片平凸透镜和一组三胶合双凸透镜，所述三胶合双凸透镜包含一片高折射率的凹透镜，所述凹透镜的两侧分别胶合有两片低折射率的凸透镜，所述三胶合双凸透镜设置在所述平凸透镜的下方，所述平凸透镜的平面端靠近镜头的开孔设置。
进一步，所述黑皮光纤垂直于成像盒子的上表面设置，且所述PC镜面与成像盒子的下表面呈45°设置。
进一步，所述导光板为单口侧入式导光板，且光源入口朝向所述PC镜面设置。
进一步，所述导光板的下表面还设置有一层反射膜，导光板的上表面还设置有一层散光膜。
进一步，所述成像盒子的外围还设置有一层不透光涂层。
进一步，所述样品室的外部设置有一可滑动结构，用于控制样品室的进出，且所述样品室安装好后，样品处于所述导光板与所述样品室之间。
进一步，所述机械系统还包含适配装置，所述适配装置上设置有两个与成像盒子的上表面相匹配的开孔，所述适配装置用于与智能手机的拍照系统相匹配。
进一步，所述成像盒子的外形呈长方体形，尺寸为37mm×26mm×23mm。
本发明的有益效果在于：
1、每次拍照位置固定，可以避免因拍照位置不同而引起的误差。同时，盒子外部不透光材料可以避免外部光照环境对拍照效果的影响。
2、利用手机内置光源为拍照提供恒定光照，控制光照变量，可以用于比色分析，并且无需加入其它电路装置。
3、本设计利用光纤和镜面将手机闪光灯发出的点光源引入到盒子底部的导光板中，从而把点光源变为均匀的面光源，并实现从样品底部对样品的透射均匀照明。
4、可以清楚看到人眼无法直接观察到的微小结构，本设计利用一片平凸透镜和一组三胶合双凸透镜实现对样品的放大，并有效降低成像过程中产生的各种像差。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为本发明装置的整体透视图；
图2为本发明装置的剖面图；
图3为本发明装置成像系统示意图；
图4为本发明导光板结构示意图；
图5为本发明装置实施例外形示意图；
图6为本发明装置实施例230目的普通微栅支持膜环境中与成像盒子中拍照效果对比图；
图7为红色墨水注入PDMS微通道芯片并在环境中与成像盒子中成像的效果对比图；
图8为BCA蛋白比色检测酶标仪与本发明装置拍照分析对比图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
如图1和图2所示，本发明为基于智能手机的样品均匀透射照明拍照装置，整个装置由三部分系统构成：照明系统、成像系统和机械系统。
照明系统：照明系统由黑皮光纤2、PC镜面3和导光板4构成。手机闪光灯1发出的光线经过黑皮光纤2被导向底部呈45°的PC镜面3，PC镜面3再将光线引导向盒子底部的单口侧入式导光板4中。单口侧入式导光板4可以将点光源发出的光线变为均匀的面光源。当光线进入导光板4后，光线会在导光板上下板之间全反射。
成像系统：如图3所示，成像系统6由一片平凸透镜61和一组三胶合双凸透镜62构成。成像系统6是四片两组型透镜，包含一个三胶合双凸透镜62，三胶合双凸透镜包含一片高折射率的凹透镜，凹透镜的两侧分别胶合有两片低折射率的凸透镜。本发明的三胶合双凸透镜62结构同时可以实现极大的削弱成像过程中的各种像差，如色差、球差、畸变、场曲等等，并具有平坦和较大的视场。成像系统6被安装在导光板4的正上方。经过导光板4均匀照明的样本可以通过成像系统6得到成像画质优秀的放大的像。
机械系统：如图5所示，机械系统由成像盒子10和适配装置9构成。成像盒子10顶端有两个圆孔，用于对接手机拍照镜头7和手机闪光灯1。成像盒子10的外部涂有黑色不透光图层。样品室5设计在导光板和成像系统之间，并有一个可以滑动的开关控制样品8的进出。适配装置9的下部可对接成像盒子10，上部有与手机外形相匹配的凹槽。当手机插入适配装置9后，手机的闪光灯和镜头可以与成像盒子10相对应的孔对齐，从而使拍照过程更便捷。
如图4所示，导光板4的底部具有散光凸起45，当光线被反射到散光凸起45后，光线的全反射会会被破坏，并从导光板上部的出光部位发出光线。导光板4底部的凸起在靠近光源的方向小而疏，在远离光源的方向大而密。本发明通过该导光板底部的散光凸起的排布方式可以实现光线的均匀照明。同时导光板的透光板42的上表面设置有散光模41，下表面还设置有反射膜44，本发明装置的导光板进一步包含进光口43，用于实现单口侧入式进光。
本发明实施例的结构如图5所示，其中成像盒子的外形尺寸为37mm×26mm×23mm，开孔尺寸分别为，闪光灯开孔半径为2.5mm，摄像头开孔半径为4mm，孔间间距为11mm。
图6、图7、图8分别为采用本发明装置230目的普通微栅支持膜环境中与成像盒子中拍照效果对比图，红色墨水注入PDMS微通道芯片并在盒子中成像的效果图以及BCA蛋白比色检测酶标仪与本发明装置拍照分析对比图。
图6中，a为铜网与一元硬币在环境中拍照的大小对比图，铜网的直径约为3mm，在手机默认模式下无法看到铜网的网状结构。b为手机在相机模式中选择近距离拍摄(数字放大)得到的铜网照片。c为铜网在本设计的拍摄装置中拍得的图片。已知铜网的内部小孔径的直径为85μm，孔与孔之间的距离为25μm。通过对比手机数字放大和成像装置光学放大(既b图和c图)成像效果，可以看出本发明设计的装置可以清楚看清铜网上的网状结构，而手机本身数字放大模式拍得的照片太过模糊，无法实现这一功能。
图7为PDMS(聚二甲基硅氧烷)翻制得微通道芯片，用它来验证此装置是否可以清楚看到注有颜色液体的微通道结构。图7中，a为手机本身数字放大的拍照效果图，b为本发明装置拍得的照片。通过对比可以看出，a图中由于数字放大，通道本身平滑的内壁以及变得模糊不清，而b图更好的展现了通道本身的形貌。由此可以说明，本发明装置可以很好实现对注有颜色液体的微米级微流控通道结构的形貌观察。
为了验证本发明装置可以用来做比色检测，本实施例利用BCA蛋白浓度测定试剂盒对酶标仪测得的数据和装置拍得照片后进行分析得到的数据进行比较，如图8所示，a图中带有颜色的微孔的大小直径为3mm，内部溶液中标准蛋白(BSA)的浓度为0/0.05/0.1/0.2/0.3/0.4/0.5mg/ml。通过加入BCA检测液，颜色随着标准蛋白(BSA)浓度的增加依次由无色向深紫色过度。b图为酶标仪对上述溶液在570nm下的吸光度的检测。可以看出，随着标准蛋白(BSA)浓度的增加，吸光度的变化值△A呈现直线上升的趋势。通过做三组平行实验并对所得的数据进行线性拟合，可以得到如左下图所示的直线方程，其中R2＝0.9993。另外，本发明实施例对上图盒子中拍得的放大后的数字图片进行RGB颜色通道分离，并检测G通道的颜色强度。同样做三组平行实验并对所得的数据进行线性拟合，可以看出，随着标准蛋白(BCA)浓度的增加，G通道强度的变化值△G同样呈现直线上升的趋势，并得到如c图所示的线性拟合方程，其中R2＝0.9944。通过对比两种方式的拟合结果，可以看到本发明装置可以实现和酶标仪检测相差不大的结果，可以用来做比色反应。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。
Claims (9)
1.基于智能手机的样品均匀透射照明拍照装置，其特征在于：该装置包含照明系统、成像系统和机械系统；
所述机械系统包含成像盒子，所述成像盒子的上表面设置有两个开孔，其中一个开孔用于设置光源，另一个开孔用于设置镜头，所述成像盒子不透光，所述成像盒子靠近成像盒子底部的侧面设置有样品室；
所述照明系统包含黑皮光纤、PC镜面和导光板，所述导光板设置在成像盒子内底部，所述黑皮光纤的一端连接至成像盒子上光源的开孔，所述光源发出的光线经过所述黑皮光纤照射到所述PC镜面上，所述PC镜面将光线反射至所述导光板；
所述导光板用于将PC镜面反射来的光线发散为均匀的面光源，所述导光板底部设置有多个散光凸起，且所述散光凸起的排列方式在靠近光源的方向小而疏，远离光源的方向大而密；
所述成像系统设置在所述导光板的正上方，所述成像系统用于对样品进行放大，所述成像系统包含多片层叠设置的凸透镜，所述成像系统的一端对准样品，另一端对准成像盒子上的镜头开孔。
2.根据权利要求1所述的基于智能手机的样品均匀透射照明拍照装置，其特征在于：所述成像系统包含一片平凸透镜和一组三胶合双凸透镜，所述三胶合双凸透镜包含一片高折射率的凹透镜，所述凹透镜的两侧分别胶合有两片低折射率的凸透镜，所述三胶合双凸透镜设置在所述平凸透镜的下方，所述平凸透镜的平面端靠近镜头的开孔设置。
3.根据权利要求1所述的基于智能手机的样品均匀透射照明拍照装置，其特征在于：所述黑皮光纤垂直于成像盒子的上表面设置，且所述PC镜面与成像盒子的下表面呈45°设置。
4.根据权利要求1所述的基于智能手机的样品均匀透射照明拍照装置，其特征在于：所述导光板为单口侧入式导光板，且光源入口朝向所述PC镜面设置。
5.根据权利要求4所述的基于智能手机的样品均匀透射照明拍照装置，其特征在于：所述导光板的下表面还设置有一层反射膜，导光板的上表面还设置有一层散光膜。
6.根据权利要求1所述的基于智能手机的样品均匀透射照明拍照装置，其特征在于：所述成像盒子的外围还设置有一层不透光涂层。
7.根据权利要求1所述的基于智能手机的样品均匀透射照明拍照装置，其特征在于：所述样品室的外部设置有一可滑动结构，用于控制样品室的进出，且所述样品室安装好后，样品处于所述导光板与所述样品室之间。
8.根据权利要求1所述的基于智能手机的样品均匀透射照明拍照装置，其特征在于：所述机械系统还包含适配装置，所述适配装置上设置有两个与成像盒子的上表面相匹配的开孔，所述适配装置用于与智能手机的拍照系统相匹配。
9.根据权利要求8所述的基于智能手机的样品均匀透射照明拍照装置，其特征在于：所述成像盒子的外形呈长方体形，尺寸为37mm×26mm×23mm。
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