CN102508356B - 基于光学投影的无透镜显微成像方法及其装置 - Google Patents

Abstract

发明提供一种基于光学投影的无透镜显微成像方法及装置。本发明中使用CMOS或CCD图像传感器对物体的光学投影直接感光成像；将载玻片放置在图像传感器与光源之间；使用可变色温、可变光强的特制光源照射载玻片，将载玻片上的物体投影到图像传感器上；控制图像传感器对物体投影进行曝光成像；将图像传感器产生的数字图像经USB接口或1394接口传送到上位机或其他系统。本发明无需传统显微镜的光学镜头组，利用图像传感器对物体的投影直接数字化成像，可用于观测细胞、颗粒、寄生物等微小物体，具有体积小、结构紧凑、成本低廉、观测简便、直接数字化等特点。

Description

基于光学投影的无透镜显微成像方法及其装置

技术领域

本发明涉及光学投影成像领域，特别涉及一种基于光学投影的无透镜显微成像方法及其装置。

背景技术

投影成像是一种传统的成像方式，传统的幻灯片、当前的投影仪、传统Ｘ线机、以及直接数字Ｘ成像系统等等都是运用了投影这一基本方式，不同之处在于成像载体不同。

直接数字Ｘ成像是利用Ｘ射线的穿透能力，通过平板探测器的光电导性，将Ｘ射线转换为电信号，形成数字化影像。基于可见光的投影成像原理上与其类似，利用可见光的对透明介质或半透明介质的穿透能力，可以产生物体的投影。随着微电子技术的进步，尤其是CMOS或CCD图像传感器的发展，基于光学投影的无透镜显微成像技术成为可能。目前，图像传感器的感光单元的直径可控制在1微米以内，而人体红细胞的直径在6-9微米，白细胞的直径为7-20微米，因此对这一类型的观测物体进行投影成像具有可观测性。

目前还未有将直接的光学投影用于显微成像的方法和设备，也未有采用平行光源用于显微成像的相关理论研究。同时该方法需要重点克服以下问题：（1）成像的质量与常规的光学显微镜差别巨大，存在严重的色彩失真；（2）采用点光源照射成像物体，中心投影的图像存在几何失真；（3）被观测物体的成像精度受制于CMOS或CCD图像传感器的工艺。

发明内容

本发明针对现有方法存在的几何失真、色彩失真等问题，提出来一种基于光学投影的无透镜显微成像方法及其装置。

本发明提供的基于光学投影的无透镜显微成像方法包括如下步骤：

步骤一：将待观测的微小物体制作成为组织切片或生物玻片，也可将待观测的微小物体放置在厚度不超过5毫米的透明培养皿中；将组织切片、生物玻片或透明培养皿放置在特制光源与图像传感器之间；调整组织切片、生物玻片或透明培养皿装置底部平面与图像传感器成像平面之间的距离，保证待观测成像物体的光学投影落在图像传感器成像平面上；调整特制光源的位置和方向，保证光源的照射方向与图像传感器成像平面的法向量夹角大于90度、小于等于180度；

步骤二：使用一个避光装置将特制光源、成像物体及其载体、图像传感器封闭在一个空间内，保证只有特制光源照射成像物体的透射光到达图像传感器；打开特制光源照射成像物体，并通过光源控制器调节光的波长、强度、色温等参数，保证成像的几何失真与色彩失真最小；控制图像传感器的白平衡、颜色通道增益、曝光时长等参数，对物体投影进行曝光成像；

步骤三：由图像传感器的控制电路产生外部时钟信号，并输出到图像传感器；图像传感器的控制电路接收图像传感器的场频信号、行频信号以及数据信号；对图像传感器产生的数据进行处理及编码，并通过USB接口或1394接口传到上位机。

所述的图像传感器包括CMOS图像传感器和CCD图像传感器两种类型。

所述的特制光源分为锥形束光源和平行光源两种类型；本方法采用投影成像的模式包括中心投影和平行投影两类。

基于光学投影的无透镜显微成像装置包括特制光源、光源控制器、光源接口、图像传感器、传感器控制电路、USB接口、1394接口、载玻片或培养皿、载物台及其固定装置、载物台装卸装置、避光基座和底座。

特制光源包含一个圆柱筒身和一个光源底座构成；圆柱筒身固定在光源底座上，光源底座侧壁具有一个光源控制接口（采用miniUSB母口）；光源控制器使用数据线连接到光源控制接口上。

光源接口外形如一个长方体，上下两面的中间具有一个贯穿的圆形孔洞，其直径比特制光源筒身的外径略大，但差距小于0.3mm；使用时特制光源的筒身插到光源接口的圆形空洞内。避光基座是一个安装在底座上的中空装置，光源接口安装在避光基座的上部接口；避光基座前后两面各有一个固定载物台的卡位螺栓及其孔位，内壁在水平方向各安装一个用于载物台装卸的滑轨；避光基座具有一个半开放性的侧壁，用于装卸载物台；避光基座可保证只有特制光源照射成像物体的透射光到达图像传感器。载物台两侧具有滑槽，装配时在避光基座的半开放性侧壁方向，将滑槽对准避光基座上的滑槽推入避光基座内，并使用卡位螺栓进行固定；载物台的一端与载物台装卸机构相连，推入滑槽后载物台装卸机构嵌入到避光基座的半开放性侧壁内；载物台的中间部分是一个贯穿的长方形阶梯孔；阶梯孔的上方长宽比标准切片尺寸大3mm，深度与切片厚度相当；阶梯孔的下方长宽比标准切片尺寸小3mm，用于支撑载玻片或培养皿。底座用于安装避光基座和图像传感器及其控制电路；底座的一个侧壁具有一个USB母口和一个1394母口；所述图像传感器及其控制电路可进行更换，安装在底座的中间位置，并为避光基座所覆盖，载物台位于图像传感器及其控制电路的正上方。

所述载玻片（包括组织切片、生物玻片等）或培养皿可更换，工作时将其固定在载物台上；通过USB接口或1394接口，使用数据线将装置与上位机连接。

本发明提供的基于光学投影的无透镜显微成像装置中所涉及的特制光源由LED和光学组件组成，结构上具有光栏，分为锥形束光源和平行光源两种类型；光源可更换不同类型，相同尺寸的LED；光源控制器可直接驱动RGBB类型的LED，并可控制其波长、色彩、亮度、色温。

本发明提供的基于光学投影的无透镜显微成像装置采用分体式结构设计：可更换符合接口标准、不同类型的光源系统；可更换符合尺寸和接口要求、带有不同类型的图像传感器的电路板；可更换符合载物台尺寸要求的载玻片或培养皿。

本发明的有益效果：基于光学投影的无透镜显微成像装置无需采用常规显微镜的光学透镜组合，无需大功率的照明装置，具有结构简单、成本低廉、节约电能等显著特点。同时可直接得到数字化图像，具有数据存储和传输方便等优势，可作为远程医疗的配套装置，成为远程医疗的数据载体，可极大改善偏远地区和落后国家的显微诊断（尤其是病理诊断）的水平。

附图说明

图1是本发明的基于中心投影的无透镜显微成像方法的原理示意图；

图2是本发明的基于平行投影的无透镜显微成像方法的原理示意图；

图3是本发明的基于光线投影的无透镜显微成像装置的结构示意图；

图4是本发明实施例中的采用可变色温平行光源结构示意图。

具体实施方式

本发明提供的基于光学投影的无透镜显微成像方法的基本原理如图1和图2所示，根据光源的不同，可分为基于中心投影和基于平行投影两种。

基于中心投影的无透镜显微成像方法：将成像物体制作称为切片或生物玻片，或将成像物体放置在透明的培养皿中；将载玻片或培养皿2放置在锥形束光源3和图像传感器1之间；使用锥形束光源3照射成像物体4，将物体投影到图像传感器上形成中心投影像5；图像传感器1对中心投影像5进行感光，并将其产生的图像数据传送到上位机。

基于平行投影的无透镜显微成像方法：将成像物体制作称为切片或生物玻片，或将成像物体放置在透明的培养皿中；将载玻片或培养皿2放置在平行光源7和图像传感器1之间；使用平行光源7照射成像物体4，将物体投影到图像传感器上形成平行投影像6；图像传感器1对平行投影像6进行感光，并将其产生的图像数据传送到上位机。

图1说明了基于中心投影的成像方法的基本特点：由于载玻片或培养皿2和图像传感器1之间存在一定的距离，锥形光束3透射载玻片或培养皿2后，成像物体的投影面积将大于平行投影时的面积，且放大倍数呈现中心辐射性分布。图2说明了基于平行投影的成像方法的基本特点：平行光垂直入射时，成像大小与被观测物体同光源之间的距离无关，也与被观测物体同图像传感器之间的距离无关。

本发明所涉及的成像装置的具体结构如图3所示，本发明基于光学投影的无透镜成像装置由图像传感器1、传感器控制线路板8、载玻片或培养皿2、光源接口9、特制光源10、光源控制接口11、底座12、载物台13、避光基座14、卡位螺栓15、载物台装卸机构16、1394接口17、USB接口18、光源控制器19组成。

光源接口9为长方体结构，上下两面的中间具有一个贯穿的圆形孔洞，其直径比特制光源10筒身的外径略大，但差距小于0.3mm；使用时特制光源10的筒身插到光源接口9的圆形空洞内。避光基座14是一个安装在底座上的中空装置，光源接口9安装在避光基座14的上部接口；避光基座14前后两面各有一个固定载物台13的卡位螺栓15，内壁在水平方向各安装一个用于载物台装卸的滑轨；避光基座14具有一个半开放性的侧壁，用于装卸载物台13；避光基座14可保证只有特制光源10照射成像物体的透射光到达图像传感器1。载物台13两侧具有滑槽，装配时在避光基座14的半开放性侧壁方向，将滑槽对准避光基座14上的滑槽推入避光基座14内，并使用卡位螺栓15进行固定；载物台13的一端与载物台装卸机构16相连，推入滑槽后载物台装卸机构16嵌入到避光基座14的半开放性侧壁内；载物台13的中间部分是一个贯穿的长方形阶梯孔；阶梯孔的上方长宽比标准切片尺寸大3mm，深度与切片厚度相当；阶梯孔的下方长宽比标准切片尺寸小3mm，用于支撑载玻片或培养皿2。底座用于安装避光基座14和图像传感器1及其控制电路板8；底座的一个侧壁具有一个USB接口18和一个1394接口17；所述图像传感器1及其控制电路板8可进行更换，安装在底座的中间位置，并为避光基座14所覆盖，载物台13位于图像传感器1及其控制电路板8的正上方。

工作时，将载玻片或培养皿2通过载物台装卸机构15放置在载物台13上，根据实际需要通过载物台13的固定装置调节其位置，从而调节图像传感器1和载玻片或培养皿2之间的距离；将选用的特制光源10装配到光源接口9中，并将光源接口9安装到避光基座14上；使用数据线经由光源控制接口11与光源控制器19相连接，调节光强、色温等参数，达到预定的成像效果；将基座14上的1394接口17或USB接口18使用对应规格的数据线与上位机相连，上位机通过1394接口17或USB接口18传送控制指令给传感器控制线路板8；传感器控制线路板8产生基准的时钟信号，并将该信号输出给图像传感器1；传感器控制线路板8接收并分析图像传感器1输出的行频信号和场频信号；上位机可通过传感器控制线路板8将指令传送给图像传感器1，例如将曝光指令下达给图像传感器1；图像传感器1在完成曝光后通知传感器控制线路板8，传感器控制线路板8根据图像传感器1产生的行频信号和场频信号接收和整理图像数据，并通知上位机，上位机接收到信号后从传感器控制线路板8提取图像数据。

下面结合实施例及附图对本发明做进一步的详细叙述。

本发明公开的实施例是一种对组织切片进行无透镜显微成像的装置，采用平行投影的成像方法，其原理如图2所示。其结构如图3所示，本发明公开的实施例中，11图像传感器采用具有500万像素的CMOS传感器，感光区域为4592μm*3243μm，感光单元的尺寸为1.75μm*1.75μm。

本发明公开的实施例中，光源采用可变色温的平行光源7，结构如图4所示，具体由RGBB式LED20、透镜21、光栏22、光源筒身23、光源基座24、光源控制接口10、LED更换座25组成。其通过光源控制接口10与图3的光源控制器19相连。光源控制器18具有与上位机通信的能力，可通过RS232接口传输控制指令。

实际使用时，首先将装置按照以下步骤安装连接：

1）将载玻片或培养皿2通过载物台装卸机构15放置在载物台13上，调节载物台13到合适位置；

2）将平行光源7与光源控制器19相连，接通电源，调节的光栏22到合适大小，然后断开电源；

3）将平行光源7与装配到14光源接口中，并将14安装到19避光基座上；

4）使用数据线经由光源控制接口10与光源控制器18相连接，调节光强、色温等参数，达到预定的成像效果；

5）将底座12上的USB接口18使用数据线与上位机相连，并测试CMOS图像传感器1工作是否正常。

连接完成后，上位机可通过USB18接口控制CMOS图像传感器1的参数调节及曝光，完成显微成像。

Claims (3)

1.基于光学投影的无透镜显微成像方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

步骤一：将待观测的微小物体制作成为组织切片或生物玻片，也可将待观测的微小物体放置在厚度不超过5毫米的透明培养皿中；将组织切片、生物玻片或透明培养皿放置在特制光源与图像传感器之间；调整组织切片、生物玻片或透明培养皿装置底部平面与图像传感器成像平面之间的距离，保证待观测成像物体的光学投影落在图像传感器成像平面上；调整特制光源的位置和方向，保证光源的照射方向与图像传感器成像平面的法向量夹角大于90度、小于等于180度；

步骤二：使用一个避光装置将特制光源、成像物体及其载体、图像传感器封闭在一个空间内，保证只有特制光源照射成像物体的透射光到达图像传感器；打开特制光源照射成像物体，并通过光源控制器调节光的波长、强度、色温，保证投影成像的几何失真与色彩失真最小；控制图像传感器的白平衡、颜色通道增益和曝光时长，对物体投影进行曝光成像；

步骤三：由图像传感器的控制电路产生外部时钟信号，并输出到图像传感器；图像传感器的控制电路接收图像传感器的场频信号、行频信号以及数据信号；对图像传感器产生的数据进行处理及编码，并通过USB接口或1394接口传到上位机，

所述的特制光源由LED和光学组件组成，结构上具有光栏，为锥形束光源或平行光源；光源控制器能直接驱动RGBB类型的LED，并能控制其波长、色彩、亮度、色温。

2.基于光学投影的无透镜显微成像装置，其特征在于该装置包括特制光源、光源控制器、光源接口、图像传感器、传感器控制电路、USB接口、1394接口、载玻片或培养皿、载物台及其固定装置、载物台装卸装置、避光基座和底座；

特制光源包含一个圆柱筒身和一个光源底座；圆柱筒身固定在光源底座上，光源底座侧壁具有一个光源控制接口；光源控制器使用数据线连接到光源控制接口上；

光源接口外形如一个长方体，上下两面的中间具有一个贯穿的圆形孔洞，其直径比特制光源筒身的外径略大，差距小于0.3mm；使用时特制光源的筒身插到光源接口的圆形孔洞内，避光基座是一个安装在底座上的中空装置，光源接口安装在避光基座的上部接口；避光基座前后两面各有一个固定载物台的卡位螺栓及其孔位，内壁在水平方向各安装一个用于载物台装卸的滑轨；避光基座具有一个半开放性的侧壁，用于装卸载物台；避光基座可保证只有特制光源照射成像物体的透射光到达图像传感器，载物台两侧具有滑槽，装配时在避光基座的半开放性侧壁方向，将滑槽对准避光基座上的滑槽推入避光基座内，并使用卡位螺栓进行固定；载物台的一端与载物台装卸机构相连，推入滑槽后载物台装卸机构嵌入到避光基座的半开放性侧壁内；载物台的中间部分是一个贯穿的长方形阶梯孔；阶梯孔的上方长宽比载玻片尺寸大3mm，深度与载玻片厚度相当；阶梯孔的下方长宽比载玻片尺寸小3mm，用于支撑载玻片或培养皿，底座用于安装避光基座和图像传感器及其控制电路；底座的一个侧壁具有一个USB接口和一个1394接口；图像传感器及其控制电路安装在底座的中间位置，并为避光基座所覆盖，载物台位于图像传感器及其控制电路的正上方；

所述的载玻片为组织切片、生物玻片的一种；

所述的图像传感器为CMOS图像传感器和CCD图像传感器两种类型中的一种；

所述的特制光源由LED和光学组件组成，结构上具有光栏，为锥形束光源或平行光源；光源控制器能直接驱动RGBB类型的LED，并能控制其波长、色彩、亮度、色温。

3.根据权利要求2所述的基于光学投影的无透镜显微成像装置，其特征在于该装置采用分体式结构设计，可更换符合接口标准、不同类型的光源系统，可更换符合尺寸和接口要求、带有不同类型的图像传感器的电路板，可更换符合载物台尺寸要求的载玻片或培养皿。