CN102661919B - 一种显微超光谱层析三维成像装置 - Google Patents

Abstract

一种显微超光谱层析三维成像装置，包括光源单元，三维扫描平台，前置显微光路单元，分光成像单元，信号预处理单元，信号采集单元和控制单元，该装置将超光谱成像技术、显微技术、层析成像技术和三维成像技术聚集于一身，不仅获得物体的多个波长和角度下的二维超光谱层析图像，还可以得到每个像素对应波长下的光谱，同时借助三维图像重建技术还可以获取其三维显微超光谱图像，并且结合显微技术，可以对微小物体、物体表面及内部组织进行微观的三维超光谱层析成像。本发明与其他光谱仪相比，具有信息量更加丰富、精度更高、功能更强大、稳定性更好等特点，适用于生物医学检测、食品安全检测和生态环境监测等。

Description

一种显微超光谱层析三维成像装置

技术领域

本发明适用于生物医学检测、食品安全检测和生态环境监测领域等，涉及一种显微超光谱层析三维成像装置。

背景技术

成像光谱技术起源于70年代的多光谱遥感技术,并自20世纪80年代中后期,发展成为遥感应用领域的有力工具，随着多光谱分辨率的提高，目前已发展为高光谱成像技术，并随之应用于生物医学、食品安全、环境检测和军事等领域。而超光谱成像技术是日前新起的一种成像光谱技术，它比之前的多光谱成像和高光谱成像技术有更高的光谱和空间分辨率，并且得到的数据信息量比前两种高出成百上千倍。但是在目前的超光谱成像应用中，对目标事物的识别还处于远距离的遥感测量或宏观事物的光谱成像，而对于肉眼无法识别的微小物体甚至细胞、基因等分子级的物体，目前超光谱成像尚没有涉足。

中国发明专利申请公开说明书（公开号CN 1563947A）公开了一种显微高光谱成像系统，但是该系统只是成像光谱系统和普通光学显微镜的简单耦合，并且成像方式只是简单的推扫，只能得到单个方向的二维图像，也无法对被测物体进行层析成像，所得到的能表达物体性质的信息量有限，特别距离光源较深的部位。层析成像光谱技术(tomography imaging spectrometer,TIS)借用断层扫描的原理,与成像光谱技术相结合,探测目标数据立方体的一个投影或者多个投影方向的投影图像,然后由这些投影图像重建目标的光谱信息和空间图像信息。它在光谱与图像的快速探测、无视场扫描、高通量、性能稳定等方面具有显著特征。中国实用新型专利说明书（公告号 CN 2401883Y和 CN 2651731Y以及CN 2457581Y）公开了三种层析光谱成像装置，但是这些装置都没有涉及显微成像技术，且结构复杂，系统稳定性差。中国发明专利申请公开说明书（CN 101526477A和CN 1369702A）分别公开了一种激光差动共焦图谱显微层析成像装置和一种高速光干涉层析成象仪，但是这些装置结构复杂，且只是对拉曼光谱或干涉光谱进行显微层析成像，尚不能对被测物体进行三维的显微层析成像，运用范围受限。显微技术在微观的生物医学领域已有广泛的应用，通过显微技术可以观测肉眼所不能看到的事物及其形态,但是目前的医学显微技术，主要是对被测物质先做小块切片，然后放置于平台进行显微观测，这种传统的显微切片技术是具有损伤破坏性的, 而无法实现在体无损的大型物体的显微层析成像，比如：中国发明专利申请公开说明书（公开号CN 101477241A）公开了一种显微光学扫描层析成像装置，该装置就是先对物体进行有破坏性的切片，再进行光学层析成像。而目前光谱成像或层析成像技术还大多停留在二维成像，但是由于激发光源的波长不同，使得激发光对被测物体的穿透深度也不尽相同，对较深层物质的探测局限性将导致无法鉴别被测物体的全部信息，使得超光谱的二维成像应用受到限制，而将三维成像技术应用于显微超光谱层析成像中，将可以得到被测物体微观下的超光谱层析三维景象，并能对被测物体的性状做出满意的解释。因此，利用显微超光谱层析三维成像技术可以实现对包括微小体积、较大体积物体的三维超光谱层析成像。同时，可以将光谱成像技术延伸至分子水平，将大大提高目标识别的精度、光谱和空间分辨率，必将给显微技术、光谱成像技术和层析成像技术带来巨大的推动作用。

发明内容

本发明是针对现有光谱成像技术的不足之处，将超光谱成像技术、层析成像技术、显微成像技术相结合，提供一种高分辨率、高精度、高通量、高性价比的显微超光谱层析三维成像装置。 

本发明的显微超光谱层析三维成像装置，包括光源单元、三维扫描平台、前置显微光路单元、分光成像单元、信号预处理单元、信号采集单元和控制单元，光源单元由光源、反射腔、集光镜、孔径光阑、视场光阑、聚光镜构成，光源设在反射腔内，集光镜装在反射腔端口，孔径光阑、视场光阑设在集光镜与聚光镜之间；三维扫描平台由样品托架、转轴、三维底座和电机控制器组成，转轴一端与三维底座连接，另一端与样品托架相接；前置显微光路单元由物镜、管镜、目镜组成，物镜、管镜、目镜依次排列，三者光轴在同一条直线上；分光成像单元由入射狭缝、第二准直镜、体全息透射式光栅、成像透镜、CCD摄像头依次排列构成，入射狭缝、第二准直镜的光轴与成像透镜、CCD摄像头的光轴夹角成90度；信号预处理单元由信号放大器、信号滤波器电气连接构成；信号采集单元由数据采集卡、数据缓存器、PCI接口卡电气连接构成；控制单元由计算机、同步时序控制器、外部控制按键和显示器组成；三维扫描平台设置在光源单元与前置显微光路单元之间，前置显微光路单元与分光成像单元串接。

所述的光源可以采用带制冷的、光谱连续的光源，或波长可调谐脉冲激光器。

所述的反射腔呈圆锥状，内壁镀铝，用于增强光源的反射效率。

所述的物镜的放大倍数为10、20、40或100倍可调节，目镜放大倍数为5、10倍可调节。

所述的入射狭缝的宽度为20μm到1mm可调节。

所述的信号放大器为三级放大结构，输入级为差分放大电路，中间级为共发射极放大电路，输出级为互补推挽式功率放大电路。

所述的控制单元中的同步时序控制电路，由外触发源电路和触发延迟电路构成，用于向信号预处理单元、数据采集单元、三维扫描平台和光源单元发出同步触发信号，保证时序上的同步。

本发明显微超光谱层析三维成像装置，使用时，由光源单元的光源发出一定波长的光，经过反射腔的反射，再经过集光镜收集反射光，经过孔径光阑和视场光阑，之后经过聚光镜将光源发出的光汇聚入射至样品。被照射的样品放置于三维扫描平台的样品托架上，整个三维扫描平台由电机控制器驱动，使得样品做上下、左右、前后和旋转运动。经样品吸收后，反射或透射光进入前置显微光路单元，首先由显微物镜和管镜放大，接着再由目镜继续放大。放大后的样品像，首先通过入射狭缝进入分光成像单元，由准直透镜将入射光准直透射到光栅上进行衍射分成波长不同的单色光，再由成像透镜将衍射后的光汇聚成像于摄像头的CCD 表面接收光谱成像。由摄像头接收的光谱，经摄像头CCD转换为相应的电信号，由信号预处理单元的信号放大器和信号滤波器先后进行放大和滤波处理，再由数据采集单元中的数据采集卡进行采样、A/D转换后成为数字信号，并交数据缓存器缓存，然后通过PCI接口卡送入控制单元的计算机硬盘进行二次保存。电机控制器的步进电机按照设定好的步距先在被测样品的垂直位置上固定一个位置，然后样品以这个固定的位置做旋转运动，当完成垂直方向其中一个固定位置的旋转运动后，电机驱动器又在垂直方向上移动到另一个位置并固定，再以这个固定位置做旋转运动，如此反复，直到移动完全部的垂直位置。。

本发明显微超光谱层析三维成像装置，与现有的技术相比，具有的效果：

1、采用显微技术、超光谱成像技术、层析成像技术和三维成像技术相结合，使得该装置同时具有上述四种优势，功能大大增强，并且，该装置不仅可以得到成百上千个波段下物体的二维和三维超光谱层析图像，还可以得到每个波长对应像素下的一维光谱数据，极大的丰富了表征物体的信息量，同时结合显微技术，大大的扩展了对微观世界的成像范围；

2、可以大大的扩展物体的成像景深，通过调节光源部分的聚光镜的焦距、前置显微光路单元的物镜焦距，可以大大增加被测样品的成像深度；

3、提高了仪器的精度和信噪比，分光单元采用体全息透射式光栅，克服了传统光栅的凹槽在制作加工时，机械刻画产生的裂纹导致的光路存在严重杂散光，因此，大大提高了仪器检测的精度和信噪比；

4、该装置光源单元的设计使得照明均匀，并由于照明的热焦点不再被测样品的平面处，长时间照明也不会损伤被检测物体；

5、功能强大、实用性较强，不仅该装置是四种技术的融合，而且该装置可以有多种探测成像方法，由电机控制单元控制的步进电机，可以驱动样品三维扫描平台，使得样品做旋转运动或前后、左右和上下的平行扫描运动；还可以驱动光源部分、前置显微光路单元和分光成像单元同步旋转扫描运动；除此还可以单独驱动光源部分或单独驱动前置显微光路单元和分光成像单元部分进行旋转扫描运动，从而完成被测样品的反射光或透射光的显微超光谱层析成像。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为图1中部件的结构示意图。

具体实施方式

一种显微超光谱层析三维成像装置，包括光源单元100、三维扫描平台200、前置显微光路单元300、分光成像单元400、信号预处理单元500、信号采集单元600和控制单元700，光源单元由光源101、反射腔102、集光镜103、孔径光阑104、视场光阑105、聚光镜106构成，光源101设在反射腔102内，集光镜103装在反射腔102端口，孔径光阑104、视场光阑105设在集光镜103与聚光镜106之间；三维扫描平台200由样品托架201、转轴202、三维底座203和电机控制器204组成，转轴202一端与三维底座203连接，另一端与样品托架201相接；前置显微光路单元300由物镜301、管镜302、目镜303组成，物镜301、管镜302、目镜303依次排列，三者光轴在同一条直线上；分光成像单元400由入射狭缝401、第二准直镜402、体全息透射式光栅403、成像透镜404、CCD摄像头405依次排列构成，入射狭缝401、第二准直镜402的光轴与成像透镜404、CCD摄像头405的光轴夹角成90度；信号预处理单元500由信号放大器501、信号滤波器502电气连接构成；信号采集单元600由数据采集卡601、数据缓存器602、PCI接口卡603电气连接构成；控制单元700由计算机701、同步时序控制器702、外部控制按键703和显示器704组成；三维扫描平台200设置在光源单元100与前置显微光路单元300之间，前置显微光路单元300与分光成像单元400串接。

光源单元100为样品的照明提供光源，其中光源101优选一：采用光谱连续的卤钨灯医用光源，其型号Philips 6390，工作电压为10.8V，功率为30W，波长范围为300-1100nm,灯头型号为G5.3插入式；优选二：采用连续/脉冲可调谐激光器，可以采用DAYLIGHT公司生产的Tunable Laser，其中心波长分别为： 420 nm, 440 nm, 450 nm, 460 nm, 490 nm, 530 nm, 610 nm, 740 nm, 780 nm, 810 nm, 880 nm, 920 nm, 950 nm, 1050 nm, 1150nm；优选三：选择高度高，发散角度小的LED光源，照度为12000-16800mcd,峰值波长为625nm。反射腔102采用铝合金片制作呈圆锥状，内壁镀铝处理，用于增强光源的反射效率。 集光镜103将光源放大成像于孔径光阑处，集光镜103的焦距为17.2mm，通光口径为8mm。光源101、集光镜103和孔径光阑105的位置关系是共轭对称的，光源101至孔径光阑105的距离为75mm，集光镜103至孔径光阑105的距离为48.2mm，光源101至集光镜103的距离为26.8mm。视场光阑104的宽度7.5mm, 孔径光阑105的宽度9mm，聚光镜106的焦距30mm,其通光口径为10mm，光源单元100的光源101、集光镜103、视场光阑104、孔径光阑105、聚光镜106的中心在同一条光轴直线上，光源单元100的工作距离为50mm，照明视场为5mm。

三维扫描平台200为三维可移动式旋转平台，三维扫描平台200的样品托架201用铝合金板材，表面尺寸为10×10cm，用于放置样品。样品托架201用螺丝固定在下方的转轴202上，然后转轴202与三维底座203相连接，三维底座203通过滚珠丝杠与电机控制器204连接，由电机控制器204的步进电机和驱动器控制三维扫描平台200做上下、前后、左右以及原地的旋转运动，以适应对样品做不同位置的显微超光谱层析成像。步进电机可采用日本山社公司生产的三相110mm步进电机及步进电机驱动器MA-32206。

前置显微光路单元300的显微物镜301采用复消色差物镜，物镜数值孔径为1.25，其放大倍数为10倍、20倍、40倍、100倍旋转切换物镜组件，用于适合不同分辨率的需要，物镜301的共轭距为180mm。目镜303采用放大倍数为5倍、10倍目镜。显微物镜301、管镜302和目镜303的中心在同一光轴直线上，整个前置显微光路单元300的镜筒长为160mm。

分光成像单元400的入射狭缝401为宽度20μm至1mm手动可调式机械刀刻狭缝。准直透镜402采用杭州谱镭光电技术有限公司74-ACR准直透镜，其光谱适用范围为350-2000 nm，其焦距为10mm,直径为5mm,曲率半径为25.2mm。体全息透射式光栅403是采用具有高光致折射率的重铬酸明胶材料合成的体全息透射式光栅，光栅两面夹表面镀红外增透膜的石英玻璃，整个光栅厚度为10mm；光栅的栅格数为1200线，闪耀波长为550nm，入射角度19.2度，在波长为340nm和750nm的时候其衍射效率约为13%。成像透镜404采用自动调焦宾得牌专用照相机镜头，型号为：B2514E，焦距为25mm，光圈范围为1.4-360，最大孔径比率为1：1.4，带C-Mount接口。CCD摄像头405采用柯达面阵CCD ，其像素尺寸为9μm,分辨率为2048*2048，像面尺寸为1/3″,像素4200万。在分光成像单元400中，入射狭缝401、准直透镜402和体全息透射式光栅403的光轴在同一条直线上，体全息透射式光栅403、成像透镜404和CCD摄像头405的中心在另外一条光轴上，两光轴的夹角约为90度。

信号预处理单元500的信号放大器501采用ST-F4型生物信号放大器，噪音指标为1微伏，输入阻抗为100MΩ，放大增益为1000倍，宽频带为30KHZ，共模拟制比＞100db，通道数为4个，每个通道可直接输入超光谱电信号。滤波电路502采用四阶巴特沃思低通滤波器，截止频率为10HZ、30HZ、100HZ、1KHZ、3KHZ、0KHZ、20KHZ档程控可调。

数据采集单元600的数据采集卡601采用NI公司的PCI1424数字图像采集卡，采用32位并行数字图像采集方式，具有50 MHz的像素时钟频率和200 Mbytes/s的采集速率，4个外部触发数字I/O线，具有RS-422/TTL或LVDS/TTL相机兼容性，分辨率最高为32位。数据缓存器采用FIFO方式缓存数据，其容量为80Mbit。

控制单元700的计算机701采用Windows XP或7系列操作系统，其硬盘存储容量为500G，采用FIFO方式和自动寻址方式存储。软件采用NI公司开发的LabVIEW 8.0来编程实现显微超光谱信号采集、数据存储、同步触发信号的控制以及数据的去噪预处理，然后利用图像重构算法重建每个角度和方位的二维图像，再利用三维重构软件重建出被测物体的三维立体影像。控制单元700的时序同步电路702由外触发源电路和触发延迟电路构成，用于向信号预处理单元、数据采集单元、三维扫描平台和光源单元发出同步触发信号，保证时序上的同步。外部控制按键703用于控制装置的开启、关闭及控制指令的输入和显微超光谱图的显示等。

Claims (4)

1. 一种显微超光谱层析三维成像装置，包括光源单元（100）、三维扫描平台（200）、前置显微光路单元（300）、分光成像单元（400）、信号预处理单元（500）、信号采集单元（600）和控制单元（700），其特征在于：光源单元由光源（101）、反射腔（102）、集光镜（103）、孔径光阑（104）、视场光阑（105）、聚光镜（106）构成，光源（101）设在反射腔（102）内，集光镜（103）装在反射腔（102）端口，孔径光阑（104）、视场光阑（105）设在集光镜（103）与聚光镜（106）之间；三维扫描平台（200）由样品托架（201）、转轴（202）、三维底座（203）和电机控制器（204）组成，转轴（202）一端与三维底座（203）连接，另一端与样品托架（201）相接；前置显微光路单元（300）由物镜（301）、管镜（302）、目镜（303）组成，物镜（301）、管镜（302）、目镜（303）依次排列，三者光轴在同一条直线上；分光成像单元（400）由入射狭缝（401）、第二准直镜（402）、体全息透射式光栅（403）、成像透镜（404）、CCD摄像头（405）依次排列构成，入射狭缝（401）、第二准直镜（402）的光轴与成像透镜（404）、CCD摄像头（405）的光轴夹角成90度；信号预处理单元（500）由信号放大器（501）、信号滤波器（502）电气连接构成；信号采集单元（600）由数据采集卡（601）、数据缓存器（602）、PCI接口卡（603）电气连接构成；控制单元（700）由计算机（701）、同步时序控制器（702）、外部控制按键（703）和显示器（704）组成；三维扫描平台（200）设置在光源单元（100）与前置显微光路单元（300）之间，前置显微光路单元（300）与分光成像单元（400）串接。

2.根据权利要求1所述的显微超光谱层析三维成像装置，其特征在于：所述的反射腔（102）呈圆锥状，内壁镀铝。

3.根据权利要求1所述的显微超光谱层析三维成像装置，其特征在于：所述的信号放大器（501）为三级放大结构，输入级为差分放大电路，中间级为共发射极放大电路，输出级为互补推挽式功率放大电路。

4.根据权利要求1所述的显微超光谱层析三维成像装置，其特征在于：所述的控制单元（700）中的同步时序控制器（702），由外触发源电路和触发延迟电路构成，用于向信号预处理单元、数据采集单元、三维扫描平台和光源单元发出同步触发信号，保证时序上的同步。

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