A direct microlens array imaging system for microscopy

Abstract

<div lang="en" class="abs"><p class="abs_header">Abstract</p><p>This work presents the development of a new optical imaging system. Previous objections have claimed that it is easier to build a single good quality field lens than a large number of good microlenses and it is therefore better to use a field objective. The possible benefits from a field lens are here traded for a more compact and cost-efficient design that would be suitable for field diagnostics.</p><p>The new imaging setup described in this work is based on a microlens array capable of capturing light field data and no other refractive optics are used. Hundreds of lenses with a diameter range 100 to 200 <em>µ</em>m are used to capture small elementary images containing a small part of the sample. The design uses a single light source aperture enabling signal separation between the elementary images from the neighboring lenses. Prior art uses, for example, physical structures behind lenses for signal separation, making the suggested approach less complex. Further, the possibility for using printed microlens arrays for imaging instead of expensive glass lenses is studied.</p><p>The captured light field data consisting of elementary images must be rendered for human viewing. A new method is developed where the rendering is based on gathering the resulting pixel values on a plane set freely in object space, enabling single pass rendering with possibilities to apply statistics to the contributing data improving the rendering quality. Commonly used projection or mosaicing based integration approaches do not allow this.</p><p>The developed system has its resolution limited by the camera sensor pixel size and objects a few micrometers in size can be resolved. The results show that the imaging setup can be used to capture semi-microscopic images without expensive magnifying optics and it is useful in selected applications. For example, it is shown that the eggs of parasites causing Schistosomiasis can be detected automatically in a microscope sample.</p><p>It is estimated that the system could be mass produced at low cost. The new system has no moving parts making it less susceptible to mechanical failures and it is compact in comparison with conventional microscopes. It could be a part of a point of care solution needed in diagnostic fieldwork.</p></div>

<div lang="fi" class="abs"><p class="abs_header">Tiivistelmä</p><p>Tässä väitöskirjassa kuvataan ja tarkastellaan uutta mikrolinsseihin perustuvaa mikroskooppista kuvantamismenetelmää. Aiemmin mikrolinssejä on käytetty tavanomaisten mikroskooppien ominaisuuksien laajentamiseen. Tässä työssä perinteiset mikroskooppiobjektit korvataan linssimatolla, kompaktin ja kustannustehokkaan rakenteen saavuttamiseksi. Käyttökohteena laitteelle on kenttädiagnostiikka.</p><p>Uusi kuvausjärjestelmä perustuu mikrolinssimattoihin, joilla pystytään näytteistämään valokenttää. Muuta taittavaa optiikka ei käytetä. Sadat halkaisijaltaan 100–200 <em>µ</em>m olevat linssit kuvaavat kukin pienen osan näytteestä. Linssien välisten signaalien sekoittumisen estämiseen käytetään hyvin kontrolloitua valonlähdettä. Aiemmin esitetyissä ratkaisuissa käytetään esimerkiksi fyysisiä rakenteita yksittäisten linssien takana. Nyt esitetty ratkaisu on yksinkertaisempi.</p><p>Työssä esitetään uusi menetelmä osakuvista muodostuvan datan rekonstruktioon. Tuloskuvien muodostamiseksi pikselien arvot kerätään rekonstruktiopinnalle, joka on sijoitettu vapaasti esineavaruuteen. Tämä mahdollistaa laskennallisesti tehokkaan tuloskuvan muodostuksen, sekä tilastollisten menetelmien käytön tuloksen laadun parantamiseen.</p><p>Kehitetyn järjestelmän resoluutiota rajoittaa kameran pikselikoko ja sillä voidaan havaita muutaman mikrometrin kokoisia kohteita. Tulokset osoittavat, että kuvausmenetelmä sopii mikroskooppisten kohteiden kuvaamiseen ilman kalliita suurentavia linssejä. Menetelmän käyttökelpoisuutta havainnollistetaan, muun muassa, automaattisella Schistosoma parasiitin munien tunnistuksella virtsanäytteestä.</p><p>Uusi kuvausjärjestelmä on mahdollista toteuttaa edullisesti, siinä ei ole liikkuva osia ja se on pieni verrattuna tavanomaiseen mikroskooppiin. Esitetty ratkaisu soveltuu yhdeksi vaihtoehdoksi kenttädiagnostiikan tarpeisiin.</p></div>