光学在生命科学中的应用

大多数机器视觉系统设计师考虑的是相机和照明，但光学经常被忽略。有数百种光学和光学组件可用于广泛的生命科学行业，如医学成像、研究、显微镜、玻片读取、药片计数和制药领域生产和包装期间的质量控制。

光学可以是成像的，比如相机上的那些，也可以是非成像的，比如放在光线前面聚焦它的透镜，或者在模式投影仪前面投影它，当跟踪一个表面的变形时，当执行3D成像时。虽然一些应用程序不要求从光学角度，其他要求非常高的精度。

从光学角度看，在生命科学中一个快速发展的应用是用于生命科学研究的超分辨率显微镜。活细胞成像、DNA测序和其他研究应用需要最复杂的定制光学、定制照明和高灵敏度相机在衍射极限成像，并看到亚微米以下的细节。

另一个快速增长的部门是临床诊断点护理应用。现在有一股强大的力量推动开发仪器，使医生能够在办公室抽取和测试血液，并立即给出结果或在实地进行艾滋病毒检测。在偏远地区、第三世界国家或任何缺乏医疗服务的地方，对这类仪器的需求正在迅速增长。这些系统的光学系统并不复杂;他们有一个成像透镜，也许还有一个用于小型激光器的聚焦透镜。

生命科学产业的独特考虑

虽然在生命科学行业中，镜头的使用环境很独特，比如植入人体的内窥镜、人们吞咽以成像消化轨道内部的相机或牙科相机，但从光学角度来看，服务于市场的镜头并没有什么独特之处。

机器和机器人的视觉应用不需要昂贵的镜片。医学成像需要高质量、紧公差、坚固的力学、非常低的色差和低失真的透镜——其他测量行业也需要这些特性。

重要的是，透镜能够成像与光的频率存在。在医学成像应用中，照明通常是用led和激光完成的。用于医生办公室和医院的小型便携式静脉观察系统从静脉中抽取血液，用近红外光线照射手臂，暴露皮肤下的静脉。一个镜头看着它，形成一个图像，并显示一个实时的模式，这样就可以在第一次尝试时抽血，减少儿童或老人受伤的风险。像这样的系统需要光学系统，不仅可以校正400-700纳米范围内的白光，而且可以在700 -1000纳米范围内的近红外成像。

在一些生命科学应用中，更有可能成像的物体是人类大小的，比工业视觉应用中的物体更大。在这个市场中，物体尺寸和视野的范围更广。

前注意事项

用户应从光学开始，先规定光学质量和机械质量。质量和可重复性是光学进入生命科学检测系统的首要考虑因素。在这些类型的应用中，重要的是寻找性能非常高的透镜，可以在低光条件下工作，并可以从可见光到近红外光谱进行光学校正(颜色校正)。在医学成像行业中，成像发生在可见光和近红外光谱中，CCD传感器在400-1200nm范围内工作，led和激光器也在该范围内照明。颜色校正在检测领域也很重要，一些镜头制造商对所有镜头都实施了颜色校正。

在医疗系统中，晶状体的稳定性和稳定性通常被忽视。在不断增长的外科3D成像领域，必须保持多个成像元素之间的对齐以创建3D外观。保持对齐不仅在手术过程中很重要，而且对多年的使用也很重要。它几乎和光学的质量一样重要。

从透镜到透镜、批次到批次和年到年的可重复性也是光学在生命科学中使用的一个关键考虑因素，在生命科学中公差和可追溯性是重要的。一些镜头制造商在每个镜头上都标上了独特的标识，以保持整个镜头寿命的可追溯性。在有多个摄像头的系统中，比如有24个摄像头的人体扫描仪，用于皮肤科成像，所有的摄像头都必须经过校准，并且在焦距和机械公差方面都是相同的。如果更换相机和镜头，避免出现无法匹配的奇怪镜头，重要的是不要有任何变化。

在系统设计过程中，光学系统通常是最后考虑的因素。仪器oem通常对光学性能有期望，但光学器件的尺寸、成本和其他规格并不总是被考虑在内。尽早涉及相机、光学和照明部门，从工程角度使过程更容易，并防止未来因尺寸或预算过大而出现问题。

随着LED照明技术的改进，相机像素越来越小，功能越来越强，镜头也变得越来越有趣。但是，考虑到物理的局限性，镜片在合理的价格标签下只能做到这么多。从一开始就对光学系统抱有现实的期望，并知道实际可以通过透镜实现什么是很重要的，这通常会限制系统的空间分辨率。测量越精细，精度要求越高，牺牲就越多。如果一个亚微米精度的透镜(相当于每个像素为0.01mm)在z轴上移动0.5mm，那么能够保持对象在焦点上的机会是很渺茫的。

研究人员和其他寻找机器视觉系统的人很少知道所有东西的具体规格，而且通常不会考虑整个测量过程，比如物体的位移量和运动速度。了解镜头本身的限制和分辨率是很重要的，而不是相机或可用的光线。一切都是重要的，因为系统是相互依赖的。了解测量的速度、曝光时间、测量的景深和实际需要的精度将有助于确定哪些镜头可能适合一个合理的价格标签。

光学器件的基本封装约束

镜头尺寸由最终用户决定。当开发用于黑匣子的光学产品时，尺寸、重量、热环境和振动环境由客户指定，客户需要知道透镜的尺寸和重量。通常他们从系统生产者或最终用户那里获得这些信息。

延时拍摄图像必须在受控环境下拍摄，不能坐在桌子上。如果一个镜头将在一个受控的环境中使用，例如在一个可以显示细胞形态的培养箱内，就需要考虑湿度和湿度。正确地密封和管理光学元件，这样就不会有水分进入光学组件，防止元件之间产生雾气。

一些用于生命科学检查的显微镜物镜一次检查浸入水中或油中数天的物体。对于水浸和油浸寿命实验，物镜的包装必须进行适当的设计，以防止液体泄漏到物镜中，污染透镜，腐蚀。

透镜的进步在于定制解决方案

虽然透镜的制造和公差工艺已经变得更好，高速的机器抛光玻璃更快更准确，但今天的透镜的基本结构与20年前并没有太大的不同。在机器视觉的三个组成部分中，相机/照明/光学，光学的进步落后于其他两个。在过去的五年中，比新的光学技术或基本的镜头设计更有创意的照明和功能强大的相机已经商业化。这一行业的光学技术的进步体现在为新应用提供透镜的需求的增加，以及从使用现成的光学器件转向设计定制解决方案的趋势。

追求性能极限的用户不再使用现成的光学器件。想要改善光学/透镜组装的设计师，用现成的透镜验证性能，看看它们的工作效果如何，然后带着他们的规格为光学制造商创造定制的解决方案。许多光学公司提供了如此多的解决方案，很多时候现成的光学是一个很好的解决方案。当客户改进现有的产品并创造出高性能的光学组件时，进步就会发生，但它是在定制中，这并不总是转化为光学制造商或光学行业的商业成功。

光学的成本

机器视觉光学在生命科学应用中的成本与其他行业相同;使用同样的镜头，解决同样的问题。镜片的价格从几百美元的普通镜片到几千美元不等。在光谱的一端，对于机器视觉应用，可以使用相当便宜的光学技术来观察粗糙的特征。

在高端，在超分辨率显微镜中，需要更小的特征和更精确的镜头，光学变得更加复杂和昂贵。在医疗系统中使用的最精确的透镜，可以快速适应低光强和低f值，但却很难制造和控制。由于公差太大，速度更快的镜头很难生产。速度更快的镜头还需要特殊的对焦支架、转接器和配套的机械装置。在3D成像中，严格的公差是至关重要的，也是价格的驱动因素。

生命科学应用给光学制造商带来的主要挑战

光学的永恒挑战是期望的分辨率不断提高，但透镜的性能有限。在生命科学中，需要高分辨率、小尺寸的光学组件，并且与正在成像的物体有良好的工作距离，这是一个主要的挑战。为了使进入实验室或台式机的仪器尽可能少地占用空间，但仍然强大，有时光学仪器也必须在内部占用小空间，并尽可能地降低成本。制造商设计技术来对抗物理，并利用创造力。为了节省空间，他们使用镜子、创造性的折叠技术、棱镜、分束器、环形装置，并试图尽可能地操纵包装。

对于新生命科学应用的透镜制造商来说，最大的挑战是，几乎每个项目都是定制的光学开发，许多用户不习惯长周期的开发。即使市面上的隐形眼镜可以满足顾客的大部分需求，但隐形眼镜通常是顾客最后考虑的东西。如果客户在确定了相机、照明、计算机、驱动程序、算法和系统外壳的规格后提出了限制，然后希望找到一个现成的镜头，以适应主要设计的系统，通常是不可能找到合适的东西。客户没有意识到，一个新镜头的开发、报价、确定最终规格、开发原型、开始生产可能需要一年的时间。同时设计，在设计过程的开始，从一个标准或库存透镜开始，做一个简单的变化，可以大大缩短交货时间，有时甚至可以缩短到4个月。

底线

产品质量和可重复性是在生命科学应用光学中寻找的最重要的东西。在选择透镜时，仔细评估测试数据和实际测量的光学性能是很重要的，以确保它将是可重复的。获取镜头的制造数据可能是一场战争，但镜头制造商有时会提供数据，或允许开发人员评估或借用镜头安装在相机上，看看它的性能如何并进行比较。用户应该理解这些数据，并知道这些数据是如何测量的。

了解镜片也很重要。很容易就能知道该给相机装上什么镜头，但要确定哪个镜头能提供所需的分辨率就不那么容易了。在孔板成像中，光学需要足够的聚焦深度来成像整个幻灯片，并聚焦到每个井或几个井。在显微镜应用中，数值孔径和分辨非常小的特征的能力是很重要的。一个镜头不能解决所有问题。每一个都高度依赖于成像系统被要求做什么。