生命科学应用中的光学

大多数机器视觉系统设计师考虑的是摄像头和照明，但光学往往被忽视。在广泛的生命科学行业中，有数百种光学和光学组件可供使用，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，比如那些安装在摄像机上的光学，也可以是非成像的，比如镜头放在灯光前聚焦，或者在进行3D成像时跟踪表面变形时投影到模式投影仪前。虽然从光学角度来看，有些应用没有要求，但其他应用要求非常高的精度。

从光学的角度来看，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设备、定制照明设备和高灵敏度摄像机，以在衍射极限下成像，并看到亚微米以下的细节。

另一个快速增长的领域是护理应用的临床诊断点。现在有一股强大的推动力，让医生能够抽取和测试血液，并在办公室立即给出结果，或在现场进行艾滋病毒检测。在偏远地区、第三世界国家或任何没有医疗保健的地方，对这类仪器的需求正在迅速增长。这些系统中的光学并不复杂;他们有一个成像透镜和一个小型激光聚焦透镜。

生命科学产业的独特考虑

虽然镜片在生命科学行业中的独特环境中，内部范围内插入人们或相机的人或相机，人们吞下要在消化轨道或牙科摄像机中涂上形象，从光学的角度来看，没有关于服务的镜片的光学点市场。

机器和机器人视觉应用不需要昂贵的镜片。医学成像需要高质量的透镜，严格的公差，坚固的力学，非常低的色差，和低失真-性能也需要在其他测量行业。

重要的是，透镜能够成像与光的频率是存在的。在医学成像应用中，照明通常使用led和激光。医生办公室和医院使用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，露出皮肤下的静脉。一个镜头看着它，形成图像，并显示出实时模式，这样第一次尝试时就可以抽取血液，降低儿童或老年人受伤的风险。像这样的系统需要的光学系统不仅能在400-700nm范围内校正白光，还能在700nm-1000nm范围内进行近红外成像。

在一些生命科学应用中，被成像的物体更有可能是人类大小的，比工业视觉应用中的物体更大。在这个市场上，物体的尺寸和视野范围更广。

前注意事项

用户应从光学入手，先说明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，可以在弱光条件下工作，并可以从可见光到近红外光谱进行光学校正(颜色校正)。在医疗成像行业，成像是在可见光和近红外光谱中进行的，CCD传感器在400-1200nm范围内工作，led和激光器也在这个范围内照明。色彩校正在检验领域也很重要，一些镜头制造商对所有镜头都实施色彩校正。

一个透镜在医疗系统上需要多么稳定和坚固通常被忽视。在不断发展的医疗外科三维成像领域，必须保持多个成像元素之间的对齐，以创建三维外观。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。

透镜与透镜之间、批次与批次之间以及年与年之间的可重复性也是用于生命科学的光学的一个关键考虑因素，在生命科学中，公差和可追溯性非常重要。一些镜头制造商给每个镜头都标上独特的标识，以在镜头的整个生命周期中保持可追溯性。在有多个摄像头的系统中，比如人体扫描仪，它有24个摄像头，用于皮肤病学，所有的摄像头都必须经过校准，在焦距和机械公差方面，光学上都是一样的。如果更换相机和镜头，以避免无可匹敌的怪人，那么变化很小或没有变化是很重要的。

光学通常是在系统设计期间预算或甚至考虑的最后一件事。仪器OEM通常有关于光学性能的预期，但不总是考虑光学元件的尺寸，成本和其他规格。涉及更早的摄像机，光学和照明方，使工艺从工程角度更轻松地，防止道路超过规模或预算。

由于LED照明改进和相机像素变得越来越小，并且更具能力，镜片变得更加有趣。但是，鉴于物理学的局限性，镜片只能在合理的价格标签上做得那么多。从开始和了解从镜头实际实现的内容具有现实预期，这是非常重要的，这通常会限制系统的空间分辨率。测量越精细，所需的准确性越高，必须进行越多。如果在z轴0.5mm中置换将每个像素等同于每个像素到0.01mm的子微米精度的镜头，则能够将物体保持在焦点上的机会是纤细的。

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规格，通常也不会考虑整个测量过程，比如物体的位移量和运动速率。重要的是要知道镜头本身的限制和分辨率的限制，而不是相机或可用的光线。因为系统是相互依赖的，所以一切都很重要。了解测量的速度，曝光时间，测量的景深，实际需要的精度将有助于确定哪些镜头可以在合理的价格标签上合适。

光学基本包装约束

镜头尺寸由终端用户决定。当开发用于黑匣子的光学设备时，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。

时间流逝图像必须在受控环境中发生，并且不能坐在桌子上。如果镜头将用于受控环境，例如在培养箱内部，需要考虑图像细胞形态，湿度和湿度的培养箱。密封并正常管理光学器件，因此没有水分进入光学组件，防止雾化在内部的内部。

一些用于生命科学检查的显微镜物镜可以检查在水中或油中浸泡数天的物体。对于水和油浸泡寿命实验，物镜包装必须经过适当的设计，这样液体就不会渗入物镜，污染镜片，腐蚀。

镜头进步位于自定义解决方案中

虽然镜头制造和公差流程已经更好，更高的速度机器更快地抛光玻璃更快，更准确地，目前镜头的基本架构与二十年前并不不同。在机器视觉，相机/照明/光学器件中的三个部件中，光学延迟的推进落后于另外两个。在过去五年中，比新光学技术或基本镜头设计更具创造性的照明和强大的摄像机。该行业的光学进步一直在增加镜片请求的增加，这些镜片提供了新的应用程序和趋势，即在使用现成的光学迈向设计定制解决方案。

正在使用现成的光学器件推动性能信封的用户。想要改进光学/镜头组装的设计师以差异，验证性能与现成的透镜进行验证，看看它们的工作程度如何，然后将其规格带入光学制造商的定制解决方案。由于许多光学公司提供了许多解决方案，很多时候，现成的光学产品是一个很好的解决方案。当客户改进现有的设备并创造出高性能的光学组件时，进步就会发生，但这是在定制过程中，对于光学制造商或光学行业来说，这并不总是转化为商业成功。

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;使用相同的镜片，解决了相同的问题。镜片从几百美元的简单镜片到几千美元不等。一方面，对于机器视觉应用来说，可以使用相当便宜的光学设备来观察大体特征。

在高端，在超分辨率显微镜中，需要特征较小，需要更精确的镜头，光学器件变得更加复杂且昂贵。在医疗系统中使用具有低F组的低光水平的最精确的镜片，难以控制和控制。更快的镜头更难以产生紧张的公差。更快的镜头还需要特殊的聚焦安装，适配器和附件力学。紧张的容忍对于3D成像至关重要，这是一个价格司机。

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，但镜头的性能是有限的。在生命科学领域，对高分辨率、小尺寸、与正在成像的物体有良好工作距离的光学组件的需求是一个主要挑战。对于那些进入实验室或台式电脑的仪器来说，它们需要占用尽可能小的空间，但仍然具有强大的功能，有时光学仪器也需要占用很小的空间，成本也要尽可能低。制造商设计技术来对抗物理，并发挥创造力。为了节省空间，他们使用了镜子、创造性的折叠技术、棱镜、分束器、环形设置，并尽可能地操纵组件。

新生国新生科学应用程序的镜头制造商的最大挑战是，几乎每个项目都是定制视神经开发，许多用户不习惯长期发展周期。即使搁置透镜可能会达到客户想要的大部分，镜头通常是考虑的最后一件事。如果客户在安置相机，照明，电脑，驱动器，算法和系统外壳的规格之后，并且预计将找到一个现成的透镜以适合大多数设计的系统，那么它通常不可能找到适合的东西。客户没有意识到开发，引用，在镜头的最终规范中建立，开发原型和起始生产可能需要一年的新镜头。在设计过程开始时同时设计，并以标准或股票播放开始，并使简单的变化可以大幅下降，有时略高为四个月。

底线

产品质量和可重复性是生命科学应用光学中最重要的东西。在选择透镜时，要仔细评估测试数据与实际测量的光学性能，以保证其可重复性是很重要的。获取镜头的生产数据可能是一场战斗，但镜头制造商有时会提供数据，或允许开发商评估或借用镜头，以安装在相机上，看看它的表现和比较。用户应该理解这些数据，并知道这些数据是如何测量的。

知道镜头也很重要。知道放在相机上的镜头，但不太容易确定哪些镜头提供所需的分辨率是很简单的。在旋流成像中，光学器件需要足够的焦深，以将整个载玻片图像拍摄并聚焦到每个孔或几个孔中。在显微镜应用中，数值孔径和解决非常小的功能的能力很重要。一个镜头无法解决所有问题。每个都非常依赖于被要求的成像系统。