CN101539456B - 通用超光谱成像组件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通用超光谱成像组件，它包括C-Mount接口、准直镜、色散单元、会聚镜、CCD、数据采集和控制模块、通信电缆和计算机，特点是C-Mount接口、准直镜、色散单元、会聚镜、CCD依次成光路连接；光学仪器的反射光或透射光经过C-Mount接口传入至准直镜上，在色散单元分光后，经会聚镜成像于CCD上。CCD的输出信号电缆连接至数据采集和控制模块上，数据采集和控制模块的控制电缆连接至色散单元上，数据采集和控制模块还通过通信电缆连接到计算机上。在数据采集和控制模块的控制下，色散单元改变入射光波长并通过CCD采集图像数据，最后获得光学仪器视场区域的超光谱图像数据。将本发明与普通光学仪器相耦合，可以扩展光学仪器的适用范围。

Description

通用超光谱成像组件

技术领域

本发明涉及一种可以与显微镜、普通相机、摄相机相耦合的光谱成像组件。具体是一种通用超光谱成像组件。用于生物样本分析、临床诊断、材料表征等领域。

背景技术

在生命科学和材料科学研究领域，光学成像仪器是观测和分析样本的重要手段。这些光学成像仪器在微观成像方面包括生物显微镜、荧光显微镜、体视显微镜、倒置显微镜、金相显微镜等；在宏观成像方面包括单色数码成像仪、彩色数码成像仪、红外成像仪、摄相仪等。这些光学成像仪器只能对检测目标进行灰度或者彩色成像，然后使用图像处理与模式识别技术对目标进行形态结构上的分析。随着技术的发展和研究的需要，在对样本进行检测分析时，除了要对其进行形态分析外，有时还要求对其生物化学变化和组成成份进行定量化研究，即对目标进行化学成像分析。

在生命科学领域，现有的生化分析方法一方面是借助于各种试剂，一方面是使用专用的功能影像设备。这些专用的功能影像设备功能相对单一而且价格昂贵，灵活性较差。超光谱成像技术最初应用于遥感领域，在地质、农业、植被、环境、城市、军事、水文、大气等方面都有良好的应用。若将该技术应用于样本的分析，则可以同时实现形态和生化分析，对检测目标进行定性、定量和定位的描述，从而实现对某些病理变化的早期诊断。对于提高人口健康水平及人民生活质量具有重要意义。在材料科学领域，与普通光学显微镜、电镜、AFM等只能获取目标结构信息的技术相比，光谱成像技术不仅可以对材料的表面结构信息进行分析和定量化描述，还可以对材料的组成成分进行精确地识别和分析，并结合智能识别分析算法实现不同组成成份的分布和变化情况，对材料进行更为精细的表征。

虽然光谱成像技术在生命科学和材料科学等领域有着良好的应用前景，但是由于现有的光谱成像仪均是针对某一具体研究目标而研制的专用***，不能与这些领域中已经在使用的光学检测设备进行耦合，所以该技术还没有在这些领域广泛应用。

发明内容

本发明的目的在于克服光谱成像技术在生命科学和材料科学等领域应用与现有光学仪器结合难的问题，提供了一种具有标准接口，可以很好地与现有的光学检测仪器如显微镜、摄相机等进行耦合使用的通用超光谱成像组件。该通用超光谱成像组件使用C-Mount作为成像的标准接口，使用通用色散单元对光学仪器的反射光或者透射光进行分光，使用电荷耦合器件(CCD)进行数据的记录，一次采集即可以同时获取观测目标图像和光谱两方面的信息，再经过智能识别分析软件处理，即可以获取比现有光学检测仪器更多的样本信息。通过使用这种通用超光谱成像组件，可以扩展现有光学检测仪器更广泛的应用。

本发明的目的是这样实现的：

一种通用超光谱成像组件，包括C-Mount接口、准直镜、色散单元、会聚镜、CCD、数据采集和控制模块、通信电缆和计算机，特点是C-Mount接口、准直镜、色散单元、会聚镜、CCD依次成光路连接；光学仪器的反射光或者透射光经过C-Mount接口耦合后，经过准直镜到达色散单元，经过色散单元色散的光经过会聚镜后成像于CCD上；CCD的数据输出电缆连接到数据采集和控制模块，数据采集和控制模块的控制电缆连接到色散单元，控制色散单元的分光工作；数据采集和控制模块的输出电缆连接到计算机，将采集的超光谱数据传输到计算机进行处理。

通过连续采集光学仪器在不同波长的图像，最后即可获取光学仪器视场内超光谱图像数据，即图像立方体。该图像立方体既包含了光学仪器所观测样本的图像数据，也包含了其光谱信息。将这些数据传输到计算机进行处理和分析，即可以实现对样本同时进行形态和生化分析，从而扩展了现有光学检测仪器的功能。

上述的光学仪器是具有C-Mount标准接口的检测仪器，如各类显微镜、工业摄相机等；所述色散单元可以是声光调谐滤波器(AOTF)、液晶可调谐滤波器(LCTF)、弧形棱镜分光计或光栅等元件；数据采集和控制模块与计算机之间的连接可以使用串行通信RS232、通用串行总线USB或网线等数据传输电缆。

本发明的通用超光谱成像组件具有C-Mount标准接口，可以与通用光学仪器进行耦合，扩展了其检测分析功能。具有良好的通用性和实用性。

附图说明

图1为本发明结构示意图

具体实施方式

下面根据图1给出本发明一个较好的实施例，用以说明本发明的结构特征，技术性能和功能点。

参阅图1，本实施例中C-Mount接口1、准直镜2、色散单元3、会聚镜4、CCD 5依次成光路连接，外接光学仪器9的反射光或透射光经过C-Mount接口1传入至准直镜2上，在色散单元3分光后，经会聚镜4成像于CCD 5上。CCD 5的输出电缆连接到数据采集和控制模块6上，采集并记录图像数据，数据采集和控制模块6的控制电缆连接至色散单元3的控制端口，根据采集图像的需要对色散单元3进行控制。数据采集和控制模块6通过通信电缆7连接到计算机8，在驱动程序的支持下，计算机8可以控制数据采集和控制模块6的工作并读取其采集的图像数据。

本实施例中，数据采集和控制模块6与计算机8之间的通信电缆采用USB线，色散单元3采用Brimrose的声光调谐滤波器(AOTF)，CCD 5使用日立KP-F120单色CCD。仪器工作时，样本的反射光或透射光经过光学仪器9进入C-Mount接口1，经过准直镜2到达色散单元3，数据采集和控制模块6控制色散单元3使反射光或透射光处于不同的波长，在每一固定波长下采集CCD 5的输出数据，最后即可以获取光学仪器9视场区域的超光谱图像数据。

在获取了光学仪器9视场区域的超光谱图像数据之后，使用者即可以根据研究的需要，在计算机8上编写相应的超光谱图像数据分析软件，对获取的数据进行智能识别和分析。如可以将单波段图像显示出来；可以将各个象素点对应的光谱曲线描绘出来；可以通过比较这些光谱曲线之间的差异来实现分类等。

本发明可以与具有C-Mount标准接口的普通光学检测仪器相耦合，在不改动原光学仪器的条件下，实现对光学仪器所观测样本的超光谱数据采集，不仅可以从形态上对样本进行分析，还可以从生化角度对样本进行检测，从而提供更为丰富的样本信息，扩展了原有光学检测仪器的功能。本发明具有良好的通用性，与生命科学和材料科学等领域的光学仪器耦合，可以极大地提高仪器性能，具有重要的实际应用价值。

Claims (3)

1.一种通用超光谱成像组件，包括C-Mount接口(1)、准直镜(2)、色散单元(3)、会聚镜(4)、CCD(5)、数据采集和控制模块(6)、通信电缆(7)和计算机(8)，其特征在于C-Mount接口(1)、准直镜(2)、色散单元(3)、会聚镜(4)、CCD(5)依次成光路连接；CCD(5)的输出信号电缆连接数据采集和控制模块(6)，数据采集和控制模块(6)连接色散单元(3)和计算机(8)；其中C-Mount接口(1)为标准接口，与具有该接口的光学仪器(9)耦合。

2.根据权利要求1所述的通用超光谱成像组件，其特征在于所述的色散单元(3)为声光调谐滤波器(AOTF)或液晶可调谐滤波器(LCTF)或弧形棱镜分光计或光栅。

3.根据权利要求1所述的通用超光谱成像组件，其特征在于所述的通信电缆(7)为串行通信RS232电缆或通用串行总线USB电缆或网线数据电缆。

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