CN106872034B - 快速三维多光谱显微成像*** - Google Patents
快速三维多光谱显微成像*** Download PDFInfo
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Abstract
本发明提出一种快速三维多光谱显微成像***，包括：显微镜，对显微样本进行一级放大，将像面从像面引出口导出以便后级进行分束编码；视场光阑模块，限制后级成像视场，以便进行光路调节；一维分束光栅模块，将分束光栅放置在像面位置，并根据需要的轴向层数选择分束的个数；相位调制模块，对不同角度的光束进行不同的相位调制，以使最终采集时对应不同的点扩散函数；闪耀光栅色散模块，在与分束光栅正交的维度上进行色散；微透镜阵列，使不同角度的光束通过微透镜阵列后对应到微透镜阵列后焦面的不同位置；像感器，对微透镜阵列的后焦面进行成像。本发明能够在单张图像中完成对待测显微物体的三维信息及多光谱信息的同时恢复，大大提升了光效率。
Description
技术领域
本发明涉及光学及信息学技术领域，特别涉及一种快速三维多光谱显微成像***。
背景技术
随着生物学和材料科学的蓬勃发展，越来越多的应用需要快速采集多维视觉信息的能力，包括空间维、光谱维和时间维，而不仅仅是传统的二维成像。快速三维多光谱显微技术在多荧光标记动态过程观测、高通量层析、医药科学、变化环境下材料分析等领域都有着重要应用。
虽然快速三维成像、以及快速高光谱成像已经有了很大进展，但是在保证速度的前提下将两者同时实现，即在单次曝光下就能恢复显微样本的三维以及多光谱信息仍然是现在的一大技术难点。大部分方法为了能够在光学显微镜下实现样本高维信息的采集，都通过牺牲时间分辨率来换取轴向分辨率或光谱分辨率，比如共聚焦显微、光片显微需要通过扫描实现三维样本重建。大部分高光谱显微镜同样需要采用逐点或逐线扫描整个三维样本才能实现三维与高光谱信息的同时获取。这对于观测生物学样本动态过程存在着极大的局限性。而通过相机阵列的快速三维高光谱显微成像技术一定程度上牺牲了空间分辨率，同时需要大量昂贵的相机来搭建较为庞大的***，仍然有着很大的改进空间。
发明内容
本发明旨在至少解决上述技术问题之一。
为此，本发明的目的在于提出一种快速三维多光谱显微成像***，该***能够在单张图像中完成对待测显微物体的三维信息及多光谱信息的同时恢复，大大提升了光效率。
为了实现上述目的，本发明的实施例提出了一种快速三维多光谱显微成像***，包括：显微镜，用于将显微样本进行一级放大，将像面从像面引出口导出以便后级进行分束编码；视场光阑模块，用于限制后级成像视场，以便进行光路调节；一维分束光栅模块，与所述视场光阑模块之间通过4F***继接，用于将分束光栅放置在像面位置，并根据需要的轴向层数选择分束的个数；相位调制模块，用于对不同角度的光束进行不同的相位调制，以使最终采集时对应不同的点扩散函数；闪耀光栅色散模块，与所述一维分束光栅模块之间通过4F***继接，位于像面位置，在与分束光栅正交的维度上进行色散，以使光谱信息映射到一维角度上；微透镜阵列模块，与闪耀光栅色散模块之间通过4F***继接，位于像面位置，以使不同角度的光束通过所述微透镜阵列模块后对应到微透镜阵列模块后焦面的不同位置；像感器，用于对所述微透镜阵列模块的后焦面进行成像。
另外，根据本发明上述实施例的快速三维多光谱显微成像***还可以具有如下附加的技术特征：
在一些示例中，所述相位调制模块设置在通过分束光栅后的4F***中间的傅立叶平面上。
在一些示例中，所述相位调制模块用于采用不同焦距的透镜阵列，进行不同对焦位置的相位调制，以使复制的不同光束在后级像面上对应不同深度的成像平面。
在一些示例中，所述像感器与所述微透镜阵列模块之间通过4F***或者预设继接镜头进行继接。
在一些示例中，还包括：处理模块，所述处理模块用于对所述快速三维多光谱显微成像***采集的耦合数据进行重建恢复，以得到所述显微样本的三维高光谱信息。
在一些示例中，所述闪耀光栅色散模块为阿米西棱镜或三棱镜。
在一些示例中，所述像感器为单色像感器。
在一些示例中，所述一维分束光栅模块的分束个数可调。
在一些示例中，采集光谱谱段与所述一维分束光栅模块的分束个数保持一致。
在一些示例中，通过所述一维分束光栅后扩展的数值孔径与通过闪耀光栅后扩展的数值孔径保持一致。
根据本发明实施例的快速三维多光谱显微成像***，能够实现三维样本在不同光谱下在不同深度上信息的同时采集，从而能够使用单相机的单次曝光下完成样本四维(包括三维空间信息，以及一维光谱信息)的耦合采样，大大增加了光效率。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1根据本发明实施例的快速三维多光谱显微成像***的结构框图；
图2是根据本发明一个实施例的快速三维多光谱显微成像***的光路示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以下结合附图描述根据本发明实施例的快速三维多光谱显微成像***。
图1是根据本发明一个实施例的快速三维多光谱显微成像***的结构框图。如图1所示，该快速三维多光谱显微成像***包括：显微镜100、视场光阑模块200、一维分束光栅模块300、相位调制模块400、闪耀光栅色散模块500、微透镜阵列模块600及像感器700。
其中，显微镜100用于将显微样本进行一级放大，将像面从像面引出口导出以便后级进行分束编码。
视场光阑模块200用于限制后级成像视场，以便进行光路调节。
一维分束光栅模块300与视场光阑模块200之间通过4F***继接，用于将分束光栅放置在像面位置，并根据需要的轴向层数选择分束的个数。例如，如果需要11层轴向采集，则可以选择1*11的分束光栅。
其中，4F***例如为有两个焦距为F的透镜，其相距2F，物距为F，相距也为F。
相位调制模块400用于对不同角度的光束进行不同的相位调制，以使最终采集时对应不同的点扩散函数。
在本发明的一个实施例中，相位调制模块400例如设置在通过分束光栅后的4F***中间的傅立叶平面上。
在本发明的一个实施例中，相位调制模块400用于采用不同焦距的透镜阵列，进行不同对焦位置的相位调制，以使复制的不同光束在后级像面上对应不同深度的成像平面。
闪耀光栅色散模块500与一维分束光栅模块300之间通过4F***继接，位于像面位置，在与分束光栅正交的维度上进行色散，以使光谱信息映射到一维角度上。
在本发明的一个实施例中，闪耀光栅色散模块500实质可以通过其他的色散方式进行体会，可以达到同样的效果。具体地，闪耀光栅色散模块500例如为阿米西棱镜或三棱镜等。
微透镜阵列模块600与闪耀光栅色散模块500之间通过4F***继接，位于像面位置，以使不同角度的光束通过微透镜阵列模块后对应到微透镜阵列模块后焦面的不同位置。
像感器700用于对微透镜阵列模块600的后焦面进行成像。具体地，例如，像感器700与微透镜阵列模块600之间通过4F***或者预设继接镜头进行继接。其中，预设继接镜头例如为本领域普通的继接镜头。
需要注意的是，如果选择11层不同深度的同时采集，则对应采集的光谱通道也为11个，进一步需要使得微透镜阵列模块600中的一个微透镜对应后级的11*11的像素，另外整个***的数值孔径，包括微透镜阵列模块600的以及显微镜100的数值孔径大小都需要进行孔径匹配。特别注意的是，通过一维分束光栅后扩展的数值孔径与通过闪耀光栅后扩展的数值孔径保持一致。
在本发明的一个实施例中，像感器700例如均为单色像感器。
在本发明的一个实施例中，该***例如还包括处理模块(图中未示出)。处理模块用于对快速三维多光谱显微成像***采集的耦合数据进行重建恢复，以得到显微样本的三维高光谱信息。具体地，通过从微透镜阵列模块600后的图像中寻找对应点，来获取不同谱段下经过不同相位调制的多张图片，即整个周期性分布的微透镜阵列对整个样本进行空间上二维的采样，每一微透镜后的像素，分别对应样本特定横向位置下特定波段下特定深度的光强。通过对像素进行抽取重组，可以快速的获得不同深度下不同谱段的四维信息，即显微样本的三维多光谱数据。
在本发明的一个实施例中，一维分束光栅模块300的分束个数可调。基于此，采集光谱谱段与一维分束光栅模块300的分束个数保持一致。例如，一维分束光栅模块300选择的分束维度为1*5维，实际使用的分束维度可以根据用户选择进行调整，确保一维分束即可。与之对应地，采集光谱谱段为对应的5个谱段，实际选择的采集光谱谱段只需要与分束个数保持一致即可。
在具体实施例中，本发明实施例的快速三维多光谱显微成像***既能应用于荧光成像中，也能应用于明场成像中。
也就是说，本发明上述实施例的快速三维多光谱显微成像***的主要构成及原理可概述为：该***能够实现快速三维多光谱显微成像，在对传统显微镜进行简单的改造后，能够在相机帧率下同时采集到显微样本的三维信息与多光谱信息，是一种对五维信号(三维空间信息，一维光谱信息，一维时间信息)的成像技术。该***包括：通过像面引出口，将显微样本进行第一级放大的显微镜；限制视场大小的视场光阑，下一级像面位置摆放一维分束光栅，并在之后的傅立叶平面位置放置相位调制器使得不同光束对应的相位调制不同，产生不同的点扩散函数；进一步在下一级像面位置放置衍射光栅将不同光谱信息映射到与分束不同的另一维不同角度上，并将像面进一步放大至下一级微透镜阵列上，使得扩展的数值孔径与微透镜的数值孔径相匹配；最后将微透镜阵列的后焦面成像至像感器上。进一步通过在每一光谱谱段上利用不同的点扩散函数进行三维解卷积算法，就能够在三维层面上高分辨计算重构样本每个体素的多光谱信息。该***通过简单的***改造就首次实现了单相机下，30赫兹三维多光谱视频的采集，由此可以实现多种荧光标记下的快速三维成像，去除荧光混叠与自发荧光，以及明场下多种生物以及材料的三维光谱成分分析，极大地提升了用户的使用体验。
根据本发明实施例的快速三维多光谱显微成像***，能够实现三维样本在不同光谱下在不同深度上信息的同时采集，从而能够使用单相机的单次曝光下完成样本四维(包括三维空间信息，以及一维光谱信息)的耦合采样，大大增加了光效率。
为了便于更好地理解本发明，以下结合图2，以具体的实施例对本发明上述实施例的快速三维多光谱显微成像***做进一步详细描述。
在本实施例中，结合图2，该***例如包括：显微镜100、视场光阑模块200、一维分束光栅模块300、一维相位调制模块400，一维闪耀光栅色散模块500、微透镜阵列模块600和像感器700。
具体地，结合图2所示，显微镜100通过显微镜的像面引出口将显微样本106经过物镜105、平面镜102和套管透镜101所构成的放大像面引出，使用传统荧光激发模块103和分光镜104进行荧光激发。在像面位置放置视场光阑模块200，限制总体视场大小，便于***调节。进一步通过一个4F***201继接像至一维分束光栅模块300。将原像面在角度上进行一维复制多个，图中光线描述出了其中三个。进一步通过另一个4F***401，在该4F***401的傅立叶平面位置放置一维相位调制阵列，对之前复制的多个像进行不同的相位调制，使得他们在成像面具备不同的点扩散函数，图2中所示为1*5的不同焦距透镜阵列。在4F***401的下一级像面位置放置闪耀光栅使得成像面在角度上的另一个维度进行大角度的色散，从而在角度域的另一维度获得光谱信息。进一步通过又一个4F***501将像面继接至微透镜阵列模块600上。其中4F***501的傅立叶平面上的放大示意图如图2中的502所示，使得原有的傅立叶平面在二维上进行了扩展，一个维度上对应不同的光谱信息，另一个维度上对应不同的深度信息，从而完成了四维信息的编码。进一步通过微透镜阵列模块600能够进行二维空间与二维角度这一四维信息进行采样的性质，完成三维空间与一维光谱的同时采样。通过放置在微透镜阵列模块600后焦面的像感器700，进行最终图像采集，完成三维多光谱信息的采集。其中，上述的4F***201、4F***401及4F***501例如是相同的。
在本实施例中，上述的显微镜100既可以是传统的商业显微镜，也可以根据不同应用选择倒置显微镜，也可以是正置显微镜，并不局限于示意图2中所示的倒置显微镜形式，其构成以及作用对于本领域的技术人员而言都是已知的，此处不再详细赘述。
进一步，在本实施例中，通过对上述***采集到的空间与光谱耦合采样的图片的处理，恢复显微样本三维高光谱信息(四维信息)的计算过程。首先对采集到的图像进行标定，如要实现5个不同深度，5个不同谱段的同时采样，则需要使得一个微透镜阵列对应像感器上的5*5的像素。通过对像感器的微小平移完成初步调试，进一步标定使得这一对准完成。像感器上的每一像素分别对应特定深度特定谱段下的特定空间位置的采样。通过间差提取的方式，可以快速地获得不同深度不同谱段的下的二维图像。进一步对于不同谱段下的三维图像可以使用传统三维解卷积算法利用焦堆栈图像能够恢复出高分辨立体图像。
在本发明实施例的***中，特别需要注意的是整体***的数值孔径的匹配。物镜本身提供的数值孔径，在通过一维分束光栅以及闪耀光栅时，都会在各自维度上发生数值孔径的扩展，两者的扩展程度需要保持一致，同时需要与微透镜阵列的数值孔径相等，才能使得最终成像面不出现混叠或者采样不足的情况。
综上，本发明实施例的快速三维多光谱显微成像***，能够实现单相机下单次曝光采集高分辨率和高精度的多光谱三维数据，实现了一种光学显微下的五维成像技术。该***首次实现了单相机的多光谱立体视频采集***，具有很广阔的应用前景。与传统时域扫描方法相比，该***能够将光学设计和计算重构相结合，充分利用了视觉信息的稀疏性，减少了采样时间，避免了荧光样本漂白。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同限定。
Claims (9)
1.一种快速三维多光谱显微成像***，其特征在于，包括：
显微镜，用于将显微样本进行一级放大，将像面从像面引出口导出以便后级进行分束编码；
视场光阑模块，用于限制后级成像视场，以便进行光路调节；
一维分束光栅模块，与所述视场光阑模块之间通过4F***继接，用于将分束光栅放置在像面位置，并根据需要的轴向层数选择分束的个数；
相位调制模块，所述相位调制模块设置在通过分束光栅后的4F***中间的傅立叶平面上，用于对不同角度的光束进行不同的相位调制，以使最终采集时对应不同的点扩散函数；
闪耀光栅色散模块，与所述一维分束光栅模块之间通过4F***继接，位于像面位置，在与分束光栅正交的维度上进行色散，以使光谱信息映射到一维角度上；
微透镜阵列模块，与闪耀光栅色散模块之间通过4F***继接，位于像面位置，以使不同角度的光束通过所述微透镜阵列模块后对应到微透镜阵列模块后焦面的不同位置；
像感器，用于对所述微透镜阵列模块的后焦面进行成像。
2.根据权利要求1所述的快速三维多光谱显微成像***，其特征在于，所述相位调制模块用于采用不同焦距的透镜阵列，进行不同对焦位置的相位调制，以使复制的不同光束在后级像面上对应不同深度的成像平面。
3.根据权利要求1所述的快速三维多光谱显微成像***，其特征在于，所述像感器与所述微透镜阵列模块之间通过4F***或者预设继接镜头进行继接。
4.根据权利要求1-3任一项所述的快速三维多光谱显微成像***，其特征在于，还包括：处理模块，所述处理模块用于对所述快速三维多光谱显微成像***采集的耦合数据进行重建恢复，以得到所述显微样本的三维高光谱信息。
5.根据权利要求1所述的快速三维多光谱显微成像***，其特征在于，所述闪耀光栅色散模块可替换为阿米西棱镜或三棱镜。
6.根据权利要求1所述的快速三维多光谱显微成像***，其特征在于，所述像感器为单色像感器。
7.根据权利要求1所述的快速三维多光谱显微成像***，其特征在于，所述一维分束光栅模块的分束个数可调。
8.根据权利要求7所述的快速三维多光谱显微成像***，其特征在于，采集光谱谱段与所述一维分束光栅模块的分束个数保持一致。
9.根据权利要求1所述的快速三维多光谱显微成像***，其特征在于，通过一维分束光栅后扩展的数值孔径与通过闪耀光栅后扩展的数值孔径保持一致。
Priority Applications (2)
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