CN113514944A - 一种快速光谱显微成像装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种快速光谱显微成像装置，包括依次设置的宽光谱白光光源、载物台、显微物镜、分光棱镜；沿分光棱镜反射光方向设置有第一视场光阑、第一4F中继透镜和第一灰度相机；沿分光棱镜出射光方向设置的第二视场光阑、第二4F中继透镜、闪耀光栅、带通滤波器、第三4F中继透镜、微透镜阵列、第四4F中继透镜和第二灰度相机。第二4F中继透镜的两组镜片之间设置有孔径光阑。本发明可以实现对三维光谱图像的单次曝光获取，并且两个通道分别获取高空间分辨率图像和低分辨率光谱图像，弥补像素分区复用引起的空间分辨率损失；发明装置可以实时获取场景光谱数据并且实时显示，数据获取和数据处理过程没有时间延迟。

Description

一种快速光谱显微成像装置
技术领域
本发明涉及显微成像和光谱成像领域，是一种快速光谱显微成像装置。
技术背景
相比于传统的成像技术，光谱成像会在拍摄场景二维图像的同时，记录其光谱信息，将二维空间与一维光谱信息记录下来。光谱成像技术可以增加记录信息的丰富程度，有利于后期分析与处理。光谱成像技术初期，使用的是传统的方法获取光谱信息，即通过窄带滤光片来记录对应波长处的二维空间信息与光谱信息。该方法精度高，易于实现，缺点是只能够获取有限多个光谱通道信息，且光谱信息不连贯。同时，此方法无法同时记录不同光谱通道上的光谱信息，因此只能实现静态场景的光谱成像。
快速光谱显微成像技术可以实现几个光谱通道的获取，因此光谱数据更加丰富。因此，快速光谱显微成像技术可以有效地解决早期光谱成像技术中光谱通道少，无法处理动态场景图像获取的问题。
发明内容：
针对现有技术中存在的不足，本发明提出一种快速光谱显微成像装置。该方法可以同时记录高分辨率二维空间信息和低分辨率一维光谱信息，并且可以用于记录动态场景的光谱显微成像。
一种快速光谱显微成像装置，包括依次设置的宽光谱白光光源(1)、载物台(2)、显微物镜(3)、分光棱镜(4)；沿分光棱镜(4)反射光方向设置有第一视场光阑(5.1)、第一4F中继透镜(7.1)和第一灰度相机(11.1)；沿分光棱镜(4)出射光方向设置的第二视场光阑(5.2)、第二4F中继透镜(7.2)、闪耀光栅(8)、带通滤波器(9)、第三4F中继透镜(7.3)、微透镜阵列(10)、第四4F中继透镜(7.4)和第二灰度相机(11.2)。
第二4F中继透镜(7.2)的两组镜片之间设置有孔径光阑(6)。
宽光谱白光光源(1)用于将载物台(2)上的观测物体即样本照亮，显微物镜(3)用于获取载物台(2)上样本的二维图像信息并经过分光棱镜(4)后分为出射光和反射光两束：
反射光以a亮度成像在第一视场光阑(5.1)所在平面，通过第一4F中继透镜(7.1)将第一视场光阑面实像中继至第一灰度相机(11.1)所在平面；
出射光以1-a亮度聚焦在第二视场光阑(5.2)所在平面，通过第二4F中继透镜(7.2)将第二视场光阑面实像中继至闪耀光栅(8)表面，孔径光阑(6)用于控制入射光数值孔径。闪耀光栅(8)会将场景不同光谱波长下的透射光色散到不同角度上，通过带通滤波器(9)将闪耀光栅(8)亮度最高的+1级中待记录的光谱波段单独通过，对其他波段以及其它光栅级上的光线进行屏蔽。此时闪耀光栅(8)色散后的光线经过第三4F中继透镜(7.3)重新汇聚在微透镜阵列(10)所在平面，不同波长的光线在微透镜阵列(10)后方微透镜焦距f距离处聚焦，并且连续光谱延光栅色散方向一字展开，展开的像经过第四4F中继透镜(7.4)，重新成像在第二灰度相机(11.2)的传感器阵列上。整个光路***中，出射光对应的前后光路需要数值孔径匹配，即投射到微透镜阵列(10)上的光与微透镜阵列(10)本身的数值孔径大小相差不超过5％，以免产生图像重叠混淆。
通过采用上述结构，反射光将宽光谱白光光源(1)下生物样本的高分辨率二维空间信息完整的记录在第一灰度相机(11.1)中；
出射光由于微透镜阵列(10)对视场内成像进行了采样分割，因此不同光谱通道的成像会聚焦在不同的像素坐标中，选取子像素中对应位置的像素重新组合即可得到对应光谱信息。
进一步的，a＝30％。
本发明有益效果如下：
一、本发明通过独特的光路设计，通过像素分区复用实现将三维光谱数据记录在二维像素空间，即可以实现对三维光谱图像的单次曝光获取，并且两个通道分别获取高空间分辨率图像和低分辨率光谱图像，在一定程度上弥补像素分区复用引起的空间分辨率损失；
二、本发明装置可以实时获取场景光谱数据并且实时显示，数据获取和数据处理过程没有时间延迟；
三、本发明装置可以获得动态场景的光谱数据，并且光源亮度适中，不会对生物样本造成光漂白等伤害。
附图说明
图1为本发明光谱显微成像装置结构图；
图2为本发明实施例相机光谱响应曲线图；
其中，1-宽光谱白光光源，2-载物台，3-显微物镜，4-分光棱镜，5.1-第一视场光阑，5.2-第二视场光阑，6-孔径光阑，7.1-第一4F中继透镜，7.2-第二4F中继透镜，7.3-第三4F中继透镜，7.4-第四4F中继透镜，8-闪耀光栅，9-带通滤波器，10-微透镜阵列，11.1-第一灰度相机，11.2-第二灰度相机，12-微透镜阵列焦平面，13-子像素。
具体实施方式
一种光谱显微成像装置，本发明特征在于单次曝光获取生物样本连续多个光谱信息，包括以下步骤：
参看图1，根据本发明实施例的用于光谱显微成像装置包括依次设置的宽光谱白光光源1、载物台2、显微物镜3、分光棱镜4；沿分光棱镜4反射光方向设置的第一视场光阑5.1、第一4F中继透镜7.1和第一灰度相机11.1；沿分光棱镜4出射光方向设置的第二视场光阑5.2、第二4F中继透镜7.2、闪耀光栅8、带通滤波器9、第三4F中继透镜7.3、微透镜阵列10、第四4F中继透镜7.4和第二灰度相机11.2。第二4F中继透镜7.2的两组镜片之间设置有孔径光阑6。
实现方法如下：
步骤一：宽光谱白光光源1将载物台2上的观测物体照亮，显微物镜3的成像镜头将观测物体的实像成像经过分光棱镜4分为两束：
反射光将样本成像在第一视场光阑5.1所在平面，经过第一4F中继透镜7.1射在第一灰度相机11.1并被记录下来；
出射光将样本成像在第二视场光阑5.2所在平面，通过第二4F中继透镜7.2射在闪耀光栅8刻线一侧，孔径光阑6用于控制入射光数值孔径，此时，观测物体的实像与闪耀光栅8的刻线面重合。
步骤二：映射在闪耀光栅8表面的观测物体的实像发生色散，通过带通滤波器9使得光栅+1级中λ1-λ2波段的光单独通过，经过第三中继透镜7.3重新汇聚到微透镜阵列10上。
步骤三：由于映射在闪耀光栅8表面的观测物体的实像存在色散角度，因此不同波长的光重新汇聚在微透镜阵列10上的实像存在不同的出射角，并且在微透镜后焦面12上沿着一个维度发生色散，微透镜后焦面12上的实像经过第四4F中继透镜7.4成像在第二灰度相机11.2的像素阵列上。
步骤四：微透镜阵列10中每一个微透镜对应第二灰度相机11.2的像素阵列中的一块子像素13区域，并且经过该微透镜的出射光会投射到子像素13的中间一行像素上，此时，将子像素13中中间一行对应位置的L个像素重新组合，即能够得到载物台2上观测物体在该波长下对应的低分辨率单波长光谱图像，这些重新组合的低分辨率单波长光谱图像分别为P1、P2……PL，得到共L张图像，其像素尺寸由第二灰度相机11.2视场内完整微透镜阵列个数决定。
进一步的，L为奇数；
进一步的，L＝7。
进一步的，第二灰度相机11.2视场内完整微透镜阵列个数为M×N,则单波长图像像素尺寸为M×N。
步骤五：将第二灰度相机11.2的光谱响应曲线分为L份，使得中间部分的L-2份宽度相同，光谱响应曲线的第1份和第L份宽度与中间部分满足以下条件：设中间部分宽度为Wm，光谱响应曲线的第1份和第L份宽度宽度设为We,We∈(0.5Wm,Wm]，此时第二灰度相机11.2对应的R、G、B三组光谱响应曲线图分为L份，其求和值再乘以L作为RGB通道赋值权重。三组权重值分别记为AR、AG、AB其中，
Figure BDA0003002185770000041
Figure BDA0003002185770000042
步骤六：将重新组合的低分辨率单波长光谱图像Pi的像素矩阵点乘该波段i对应的权值
Figure BDA0003002185770000051
得到第i个波段图像Pi对应的RGB三通道权重矩阵
Figure BDA0003002185770000052
步骤七：将第一灰度相机11.1视场范围与第二灰度相机11.2能够捕获的完整微透镜阵列范围保持一致，然后将第一灰度相机11.1的图像Q设置为第二灰度相机11.2的L张照片P1、P2……PL像素尺寸的L×L倍大小，此时第二灰度相机11.2能够捕获的完整子像素个数为M×N，这些子像素需要M×N×L×L个像素来记录,第一灰度相机11.1中对应的M×N个大小为L×L的子像素分别乘以第i个波段图像Pi对应的RGB三通道权重矩阵
Figure BDA0003002185770000053
得到三个图像
Figure BDA0003002185770000054
将三个图像作为RGB图的三个通道合成一张RGB图像，其像素尺寸为M×N×L×L的图像，并且每个子像素使用相同的RGB三通道权重赋值，作为第i个波段的参考光谱图像Qi。

Claims (5)

1.一种快速光谱显微成像装置，其特征在于，包括依次设置的宽光谱白光光源(1)、载物台(2)、显微物镜(3)、分光棱镜(4)；沿分光棱镜(4)反射光方向设置有第一视场光阑(5.1)、第一4F中继透镜(7.1)和第一灰度相机(11.1)；沿分光棱镜(4)出射光方向设置的第二视场光阑(5.2)、第二4F中继透镜(7.2)、闪耀光栅(8)、带通滤波器(9)、第三4F中继透镜(7.3)、微透镜阵列(10)、第四4F中继透镜(7.4)和第二灰度相机(11.2)；
第二4F中继透镜(7.2)的两组镜片之间设置有孔径光阑(6)；
宽光谱白光光源(1)用于将载物台(2)上的观测物体即样本照亮，显微物镜(3)用于获取载物台(2)上样本的二维图像信息并经过分光棱镜(4)后分为出射光和反射光两束：
反射光以a亮度成像在第一视场光阑(5.1)所在平面，通过第一4F中继透镜(7.1)将第一视场光阑面实像中继至第一灰度相机(11.1)所在平面；
出射光以1-a亮度聚焦在第二视场光阑(5.2)所在平面，通过第二4F中继透镜(7.2)将第二视场光阑面实像中继至闪耀光栅(8)表面，孔径光阑(6)用于控制入射光数值孔径；闪耀光栅(8)会将场景不同光谱波长下的透射光色散到不同角度上，通过带通滤波器(9)将闪耀光栅(8)亮度最高的+1级中待记录的光谱波段单独通过，对其他波段以及其它光栅级上的光线进行屏蔽；此时闪耀光栅(8)色散后的光线经过第三4F中继透镜(7.3)重新汇聚在微透镜阵列(10)所在平面，不同波长的光线在微透镜阵列(10)后方微透镜焦距f距离处聚焦，并且连续光谱延光栅色散方向一字展开，展开的像经过第四4F中继透镜(7.4)，重新成像在第二灰度相机(11.2)的传感器阵列上；整个光路***中，出射光对应的前后光路需要数值孔径匹配，即投射到微透镜阵列(10)上的光与微透镜阵列(10)本身的数值孔径大小相差不超过5％，以免产生图像重叠混淆；
通过采用上述结构，反射光将宽光谱白光光源(1)下生物样本的高分辨率二维空间信息完整的记录在第一灰度相机(11.1)中；
出射光由于微透镜阵列(10)对视场内成像进行了采样分割，因此不同光谱通道的成像会聚焦在不同的像素坐标中，选取子像素中对应位置的像素重新组合即可得到对应光谱信息。
2.根据权利要求1所述的一种快速光谱显微成像装置，其特征在于，a＝30％。
3.根据权利要求1或2所述一种快速光谱显微成像装置的实现方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：宽光谱白光光源(1)将载物台(2)上的观测物体照亮，显微物镜(3)的成像镜头将观测物体的实像成像经过分光棱镜(4)分为两束：
反射光将样本成像在第一视场光阑(5.1)所在平面，经过第一4F中继透镜(7.1)射在第一灰度相机(11.1)并被记录下来；
出射光将样本成像在第二视场光阑(5.2)所在平面，通过第二4F中继透镜(7.2)射在闪耀光栅(8)刻线一侧，孔径光阑(6)用于控制入射光数值孔径，此时，观测物体的实像与闪耀光栅8的刻线面重合；
步骤二：映射在闪耀光栅(8)表面的观测物体的实像发生色散，通过带通滤波器(9)使得光栅+1级中λ1-λ2波段的光单独通过，经过第三中继透镜(7.3)重新汇聚到微透镜阵列(10)上；
步骤三：由于映射在闪耀光栅8表面的观测物体的实像存在色散角度，因此不同波长的光重新汇聚在微透镜阵列(10)上的实像存在不同的出射角，并且在微透镜后焦面(12)上沿着一个维度发生色散，微透镜后焦面(12)上的实像经过第四4F中继透镜(7.4)成像在第二灰度相机(11.2)的像素阵列上；
步骤四：微透镜阵列(10)中每一个微透镜对应第二灰度相机(11.2)的像素阵列中的一块子像素(13)区域，并且经过该微透镜的出射光会投射到子像素(13)的中间一行像素上，此时，将子像素(13)中中间一行对应位置的L个像素重新组合，即能够得到载物台(2)上观测物体在该波长下对应的低分辨率单波长光谱图像，这些重新组合的低分辨率单波长光谱图像分别为P1、P2……PL，得到共L张图像，其像素尺寸由第二灰度相机(11.2)视场内完整微透镜阵列个数决定；
第二灰度相机(11.2)视场内完整微透镜阵列个数为M×N,则单波长图像像素尺寸为M×N；
步骤五：将第二灰度相机(11.2)的光谱响应曲线分为L份，使得中间部分的L-2份宽度相同，光谱响应曲线的第1份和第L份宽度与中间部分满足以下条件：设中间部分宽度为Wm，光谱响应曲线的第1份和第L份宽度宽度设为We,We∈(0.5Wm,Wm]，此时第二灰度相机(11.2)对应的R、G、B三组光谱响应曲线图分为L份，其求和值再乘以L作为RGB通道赋值权重；三组权重值分别记为AR、AG、AB其中，
Figure FDA0003002185760000031
Figure FDA0003002185760000032
步骤六：将重新组合的低分辨率单波长光谱图像Pi的像素矩阵点乘该波段i对应的权值
Figure FDA0003002185760000033
得到第i个波段图像Pi对应的RGB三通道权重矩阵
Figure FDA0003002185760000034
步骤七：将第一灰度相机(11.1)视场范围与第二灰度相机(11.2)能够捕获的完整微透镜阵列范围保持一致，然后将第一灰度相机(11.1)的图像Q设置为第二灰度相机(11.2)的L张照片P1、P2……PL像素尺寸的L×L倍大小，此时第二灰度相机(11.2)能够捕获的完整子像素个数为M×N，这些子像素需要M×N×L×L个像素来记录,第一灰度相机(11.1)中对应的M×N个大小为L×L的子像素分别乘以第i个波段图像Pi对应的RGB三通道权重矩阵
Figure FDA0003002185760000035
得到三个图像
Figure FDA0003002185760000036
将三个图像作为RGB图的三个通道合成一张RGB图像，其像素尺寸为M×N×L×L的图像，并且每个子像素使用相同的RGB三通道权重赋值，作为第i个波段的参考光谱图像Qi。
4.根据权利要求3所述一种快速光谱显微成像装置的实现方法，其特征在于，L为奇数。
5.根据权利要求4所述一种快速光谱显微成像装置的实现方法，其特征在于，L＝7。
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