CN104101993A - 傅立叶显微镜装置及信息共享系统及其信息共享方法 - Google Patents

Abstract

本发明所提供的一种傅立叶显微镜装置及信息共享系统及其信息共享方法，所述傅立叶显微镜装置包括：图像采集模块，用于采集待观测样品的影像，得到一第一影像；空间光调制器模块，用于通过其中设置的空间光调制器在所述第一影像上增加预先存储的至少一个相位模板，得到一第二影像；图像转化模块，用于将所述第二影像转化为所述待观测样品的图像；所述图像采集模块与所述空间光调制模块相连，所述空间光调制模块与所述图像转化模块相连。本发明通过控制空间光调制器模块对傅里叶光学显微镜自由加载相位模板，自由选择不同类型的相位模板及参数，以实现用户对样品的最佳观测。

Description

傅立叶显微镜装置及信息共享系统及其信息共享方法

技术领域

本发明涉及显微镜领域，尤其涉及的是一种傅立叶显微镜装置及信息共享系统及其信息共享方法。

背景技术

随着现代生物医学技术的发展，人们对细胞和生物样品的检测提出了更高的要求。显微镜作为细胞等生物样品的基本检测工具也愈加多样化。由于细胞等生物样品多数为透明物体，在用普通的亮场显微镜观测时，由于对比度太低，容易丢失细节信息。解决上述问题通常的做法是使用染色的方式使得透明样品变得可见，以增加其对比度。但细胞经过染色后，很容易被破坏并失去生物活性，甚至改变其内部结构信息。相衬显微镜，如泽尼克相衬显微镜，暗场显微镜，微分干涉显微镜及其他图像增强的方法，使得直接观测透明物体成为可能。

由于这些相衬显微镜大部分有其自己特定的光阑，且光阑结构固定，不同类型的相衬显微镜对样品细节信息表现不同，因此，要观察某个生物样品时可能需要多台显微镜，用某个特定类型的显微镜也可能需要选择不同参数的光阑，才能观察到感兴趣的细节信息。这不仅大大增加了研究机构的成本，同时也给观察者们带来了很多不便。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种傅立叶显微镜装置及信息共享系统及其信息共享方法，旨在解决现有技术中由于显微镜光阑固定而无法随意更换光阑，且用过显微镜获取的图像无法共享的缺陷。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：

一种傅立叶显微镜装置，其中，包括：

图像采集模块，用于采集待观测样品的影像，得到一第一影像；

空间光调制器模块，用于通过其中设置的空间光调制器在所述第一影像上增加预先存储的至少一个相位模板，得到一第二影像；

图像转化模块，用于将所述第二影像转化为所述待观测样品的图像；

所述图像采集模块与所述空间光调制模块相连，所述空间光调制模块与所述图像转化模块相连。

所述傅里叶显微镜装置，其中，所述图像采集模块具体包括：

聚光照明单元，用于当所述待观测样品被放置到载物台上时，则开启并对所述待观测样品进行照明；

傅里叶光学显微镜单元，用于采集所述待观测样品的影像，得到一观测影像；

反射镜单元，用于根据所述观测影像反射得到一第一影像；

所述聚光照明单元与所述傅里叶光学显微镜单元相连，所述傅里叶光学显微镜单元与所述反射镜单元相连。

所述傅里叶显微镜装置，其中，所述空间光调制器模块具体包括：

中继镜组单元，用于将所述第一影像的傅里叶面成像于所述空间光调制器上，得到第一影像的傅里叶面影像；

空间光调制器单元，用于为第一影像的傅里叶面影像增加预先存储的至少一个相位模板，得到第二影像；

所述中继镜组单元与所述空间光调制器单元相连。

所述傅里叶显微镜装置，其中，所述图像转化模块具体包括透镜单元和电荷耦合元件单元，其中：

透镜单元，用于将第二影像的傅里叶面成像于所述电荷耦合元件单元，得到第二影像的傅里叶面影像；

电荷耦合元件单元，用于接收所述第二影像的傅里叶面影像，并将所述第二影像的傅里叶面影像转化为所述待观测样品的图像；

所述透镜单元与所述电荷耦合元件单元相连。

所述傅里叶显微镜装置，其中，所述空间光调制器单元还对所述第一影像加载一预先设定方向及频率的调制信号，使得所述空间光调制器的衍射零级与一级分开，并仅用空间光调制器的衍射一级进行成像。

所述傅里叶显微镜装置，其中，所述相位模板包括亮场显微镜模板、暗场显微镜模板、泽尼克相衬显微镜模板、微分干涉显微镜模板和螺旋相衬显微镜模板。

一种信息共享系统，其中，包括所述傅里叶显微镜装置，还包括服务器端装置及客户端装置，其中：

所述服务器端装置，用于接收用户的操作指令，登陆所述服务器端装置，并向所述服务器端装置发送用于加载相位模板的远程控制指令和/或获取所述待观测样品的图像的获取指令；

所述客户端装置，用于接收所述远程控制指令，并向所述傅里叶显微镜装置中的所述空间光调制器发出在所述第一影像上增加预先存储的至少一个相位模板的控制指令，并存储所述待观测样品的图像；

所述客户端装置与所述服务器端装置通讯连接，所述服务器端装置与所述傅里叶显微镜装置通讯连接。

所述信息共享系统，其中，所述客户端装置具体包括：

登陆模块，用于接收用户的操作指令，输入登陆信息，并将所述登陆信息发送至所述服务器端装置；

控制指令发送模块，所述服务器端装置发送用于加载相位模板的远程控制指令和/或获取所述待观测样品的图像的获取指令；

接收及查看模块，用于接收用户的所述获取指令，从所述服务器端装置获取处理图像。

所述信息共享系统，其中，所述服务器端装置具体包括：

登陆验证模块，用于接收来自所述客户端装置的登陆信息，并对所述登陆信息进行验证；

指令接收及转发模块，用于接收用户的远程控制指令，并向所述傅里叶显微镜装置中的所述空间光调制器在所述第一影像上增加预先存储的至少一个相位模板的控制指令；

存储模块，用于存储所述待观测样品的图像；

发送模块，用于接收获取所述待观测样品的图像的获取指令，并向所述客户端装置发送所述待观测样品的图像。

一种信息共享方法，其中，所述方法包括：

A、客户端装置用于接收用户的操作指令，登陆所述服务器端装置，并向所述服务器端装置发送用于加载相位模板的远程控制指令和/或获取所述待观测样品的图像的获取指令；

B、服务器端装置接收所述远程控制指令，并向所述傅里叶显微镜装置中的所述空间光调制器发出在所述第一影像上增加预先存储的至少一个相位模板的控制指令；

C、所述傅里叶显微镜装置在所述第一影像上增加预先存储的至少一个相位模板，得到待观测样品的图像，之后将所述待观测样品的图像发送至服务器端装置；

D、服务器端装置接收并存储所述待观测样品的图像，当所述服务器端装置接收到客户端装置的获取所述待观测样品的图像的获取指令，将所述待观测样品的图像发送至客户端装置。

本发明所提供的一种傅立叶显微镜装置及信息共享系统及其信息共享方法，所述傅立叶显微镜装置包括：图像采集模块，用于采集待观测样品的影像，得到一第一影像；空间光调制器模块，用于通过其中设置的空间光调制器在所述第一影像上增加预先存储的至少一个相位模板，得到一第二影像；图像转化模块，用于将所述第二影像转化为所述待观测样品的图像；所述图像采集模块与所述空间光调制模块相连，所述空间光调制模块与所述图像转化模块相连。本发明通过控制空间光调制器模块对傅里叶光学显微镜自由加载相位模板，自由选择不同类型的相位模板及参数，以实现用户对样品的最佳观测。

附图说明

图1是本发明所提供的傅立叶显微镜装置较佳实施例的结构框图。

图2是本发明所提供的傅立叶显微镜装置中图像采集模块的具体结构框图。

图3是本发明所提供的傅立叶显微镜装置中空间光调制器模块的具体结构框图。

图4是本发明所提供的傅立叶显微镜装置中图像转化模块的具体结构框图。

图5a-5i为预先存储的相位模板的示意图。

图6为本发明所提供的信息共享系统较佳实施例的结构框图。

图7为本发明所提供的信息共享方法较佳实施例的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参见图1，图1是本发明所提供的一种傅立叶显微镜装置较佳实施例的结构框图。如图1所示，所述傅立叶显微镜装置，包括：

图像采集模块100，用于采集待观测样品的影像，得到一第一影像。

本发明的较佳实施例中，当用户将所述待观测样品放置到载物台上时，图像采集模块100通过傅里叶光学显微镜采集待观测样品的影像，即第一影像。在采集过程前，无需对待观测样品进行染色，而是直接观测未经染色处理的样品，极大地保存了样品的原始信息。

空间光调制器模块200，用于通过其中设置的空间光调制器在所述第一影像上增加预先存储的至少一个相位模板，得到一第二影像。

显然，当通过傅里叶光学显微镜得到的所述第一影像无法满足用户的观测要求时，则通过空间光调制器在所述第一影像上增加其他相位模板，得到一第二影像，用户通过所述第二影像获取更好的观测效果。

图像转化模块300，用于将所述第二影像转化为所述待观测样品的图像。

由于用户既可能是直接操作所述傅立叶显微镜装置进行观测的本地用户，也有可能是通过网络连接观测的远程用户，故在所述傅立叶显微镜装置上设置图像转化模块300，用于接收所述第二影像，并将所述第二影像转化为所述待观测样品的图像，以方便远程用户观测。

在所述傅立叶显微镜装置中，如图1所示，所述图像采集模块100与所述空间光调制模块200相连，所述空间光调制模块200与所述图像转化模块300相连。

进一步地实施例，请参见图2，其为图像采集模块100的具体结构框图。如图2所示，所述图像采集模块100具体包括：

聚光照明单元101，用于当所述待观测样品被放置到载物台上时，则开启并对所述待观测样品进行照明；

当所述待观测样品放置在傅里叶光学显微镜的载物台上，需将所述待观测样品与傅里叶光学显微镜的距离调节至傅里叶光学显微镜物镜的一倍焦距处（即所述待观测样品处于物镜的前焦面上）。当开始观测时，若未增加任何照明效果，则用户在观测所述待观测样品时效果较差。具体实施时，当检测到所述傅里叶光学显微镜的载物台上放置所述待观测样品时，采用单色LED（发光二极管）光源通过科勒照明系统（kohler illumination）对所述待观测样品进行照明。具体实施时，为了便于远程用户操控所述傅里叶光学显微镜的载物台的运动，可将载物台与电机连接，并由电机控制载物台在水平和垂直方向。也就是将载物台改造为在x,y,z三个方向上自由移动的电控平台，且该载物台可根据控制指令进行对应的移动。

傅里叶光学显微镜单元102，用于采集所述待观测样品的影像，得到一观测影像；

当采用聚光照明单元101对待观测样品增加照明效果时，用户控制所述傅里叶光学显微镜单元102采集待观测样品的影像，得到一观测影像。

反射镜单元103，用于根据所述观测影像反射得到一第一影像。

进一步地实施例，请参见图3，其为所述空间光调制器模块200的具体结构框图。如图3所示，所述空间光调制器模块200具体包括：

中继镜组单元201，用于将所述第一影像的傅里叶面成像于所述空间光调制器上，得到第一影像的傅里叶面影像；

具体的，中继镜组单元201为两个焦距相等的凸透镜组成的4f系统（4倍焦距系统），其作用是将显微物镜的后焦面，即样品的傅里叶面的成像于空间光调制器上。而且，中继镜组单元201的其中一个凸透镜（第一中继镜）的前焦面与傅里叶光学显微镜单元102中物镜的后焦面重合，此凸透镜（第一中继镜）的后焦面与另一凸透镜（第二中继镜）的前焦面重合。

空间光调制器单元202，用于所述空间光调制器接收所述第一影像，并为所述第一影像增加预先存储的一个或多个相位模板，得到第二影像。

其中，所述空间光调制器单元202的所在位置与第二中继镜的后焦面重合。

进一步地实施例，请参见图4，其为所述图像转化模块300的具体结构框图。如图4所示，所述图像转化模块300具体包括：

透镜单元301，用于将第二影像的傅里叶面成像于所述电荷耦合元件单元，得到第二影像的傅里叶面影像。

其中，所述空间光调制器单元202所在位置与所述透镜单元301的前焦面重合。

电荷耦合元件单元302，用于接收所述第二影像的傅里叶面影像，并将所述第二影像的傅里叶面影像转化为所述待观测样品的图像。

其中，所述电荷耦合元件单元302所在位置与所述透镜单元301的后焦面重合。

电荷耦合元件（Charge-coupled Device，简称CCD）是一种半导体器件，能够把光学影像转化为数字信号。CCD上植入的微小光敏物质称作像素（Pixel）。一块CCD上包含的像素数越多，其提供的画面分辨率也就越高。CCD的作用就像胶片一样，但它是把光信号转换成电荷信号。CCD上有许多排列整齐的光电二极管，能感应光线，并将光信号转变成电信号，经外部采样放大及模数转换电路转换成数字图像信号。由于采用CCD将所述第二影像转化为所述待观测样品的图像，有利于图像的在线传输。

所述透镜单元301与所述电荷耦合元件单元302相连。

空间光调制器作为一种可编程的新型衍射光学元件,具有质量小、功耗低、无机械惰性、可实时控制等优点，因而受到国内外学者的普遍重视。空间光调制器含有许多独立单元，它们在空间上排列成一维或二维阵列。每个单元都可以独立地接受光学信号或电学信号的控制，利用各种物理效应改变自身的光学特性，从而对照明在其上的光波进行调制。

由于可通过所述空间光调制器为所述第一影像增加预先存储的一个或多个相位模板，故用户可根据实际观测需要，为所述第一影像增加选定的相位模板，从而增加观测效果的多样性。

具体的，所述相位模板包括亮场显微镜模板、暗场显微镜模板、泽尼克相衬显微镜模板、微分干涉显微镜模板和螺旋相衬显微镜模板。

如图5a-5i所示，为预先存储的相位模板的示意图，其中，图5a为亮场显微镜模板、图5b为暗场显微镜模板、图5c为泽尼克相衬显微镜模板、图5d为螺旋相衬显微镜模板、图5e为微分干涉显微镜模板（全孔径）模板、图5f为微分干涉显微镜（半孔径）模板、图5g为暗场显微与微分干涉显微（半孔径）融合的模板、图5h为暗场显微与微分干涉显微（全孔径）融合的模板、图5i为螺旋相衬与泽尼克相衬融合的模板。

从多种相位模板的选择可以看出，所述傅里叶显微装置给研究人员提供了极大地灵活性。研究人员可以根据样品自身的结构特点和感兴趣的样品信息部分，自由选择模板类型，模板参数以及根据研究需求将不同模板自由组合形成全新的显微模板，以完成对样品的最佳观测。

进一步地实施例，所述空间光调制器单元202还对所述第一影像加载一预先设定方向及频率的调制信号，使得所述空间光调制器的衍射零级与一级分开，并仅用空间光调制器的衍射一级进行成像。

当在所述空间光调制器上加载周期性条纹时，所述空间光调制器相当于一个反射型的衍射光栅结构。设相邻两刻槽间距离为d，入射光线与光栅法线成α角入射，波长为入的光将与法线成β角的方向衍射。衍射光产生干涉，按干涉原理，当光程差为波长的整倍数时，起到了增强和迭加作用。因此，对于波长为入的光，其衍射方向应满足下列方程。

d(sinα—sinβ)=mλ                    （1）

其中，在式（1）中m为干涉级或称光谱级，且m为正整数。当m取0，1，2…时，分别为0级，1级，2级光谱。当m=0时称为所述空间光调制器的衍射零级，当m=1时称为所述空间光调制器的衍射一级。

基于上述傅里叶显微装置，本发明还提供一种信息共享系统，如图6所示，所述信息共享系统包括所述傅里叶显微镜装置10，还包括服务器端装置20及客户端装置30，其中：

所述服务器端装置20，用于接收所述远程控制指令，并向所述傅里叶显微镜装置中的所述空间光调制器发出在所述第一影像上增加预先存储的至少一个相位模板的控制指令，并存储所述待观测样品的图像；

所述客户端装置30，用于接收用户的操作指令，登陆所述服务器端装置，并向所述服务器端装置发送用于加载相位模板的远程控制指令和/或获取所述待观测样品的图像的获取指令。

可见，所述信息共享系统主要由3部分组成：傅里叶显微装置10，服务器端装置20和客户端装置30。傅里叶显微装置10即上文所描述的装置，傅里叶显微装置10与所述服务器端装置20连接，然后将所述服务器端装置20开放至云平台。客户端装置30通过云平台可远程登陆所述服务器端装置20。客户端装置30通过软件实时操控连接在服务器的傅里叶显微系统，且服务器端同步显示显微系统所采集到的样品图像。例如，各机构和专家之间在云平台的远程系统上可以进行视频语音交流等。显微系统所采集到的样品图像由高压缩率大图像流编码模块进行压缩后上传到云平台，客户端经过解码后可在本地电脑上读取样品图像。

基于上述实施例，本发明还提供一种信息共享方法，如图7所示，为本发明还提供的一种信息共享方法较佳实施例的流程图，所方法包括步骤：

步骤S100、客户端装置用于接收用户的操作指令，登陆所述服务器端装置，并向所述服务器端装置发送用于加载相位模板的远程控制指令和/或获取所述待观测样品的图像的获取指令；

步骤S200、服务器端装置接收所述远程控制指令，并向所述傅里叶显微镜装置中的所述空间光调制器发出在所述第一影像上增加预先存储的至少一个相位模板的控制指令；

步骤S300、所述傅里叶显微镜装置在所述第一影像上增加预先存储的至少一个相位模板，得到待观测样品的图像，之后将所述待观测样品的图像发送至服务器端装置；

步骤S400、服务器端装置接收并存储所述待观测样品的图像，当所述服务器端装置接收到客户端装置的获取所述待观测样品的图像的获取指令，将所述待观测样品的图像发送至客户端装置。

在步骤S400中，远程用户通过客户端装置登录服务器端装置后，不仅可以通过服务器端装置实时获取待观测样品的图像进行观测，还可以从服务器端装置中下载服务器端装置中已存储的待观测样品的图像。

综上所述，本发明所提供的一种傅立叶显微镜装置及信息共享系统及其信息共享方法，所述傅立叶显微镜装置包括：图像采集模块，用于采集待观测样品的影像，得到一第一影像；空间光调制器模块，用于通过其中设置的空间光调制器在所述第一影像上增加预先存储的至少一个相位模板，得到一第二影像；图像转化模块，用于将所述第二影像转化为所述待观测样品的图像；所述图像采集模块与所述空间光调制模块相连，所述空间光调制模块与所述图像转化模块相连。本发明通过控制空间光调制器模块对傅里叶光学显微镜自由加载相位模板，自由选择不同类型的相位模板及参数，以实现用户对样品的最佳观测。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种傅立叶显微镜装置，其特征在于，包括：

图像采集模块，用于采集待观测样品的影像，得到一第一影像；

空间光调制器模块，用于通过其中设置的空间光调制器在所述第一影像上增加预先存储的至少一个相位模板，得到一第二影像；

图像转化模块，用于将所述第二影像转化为所述待观测样品的图像；

所述图像采集模块与所述空间光调制模块相连，所述空间光调制模块与所述图像转化模块相连。

2.根据权利要求1所述傅里叶显微镜装置，其特征在于，所述图像采集模块具体包括：

聚光照明单元，用于当所述待观测样品被放置到载物台上时，则开启并对所述待观测样品进行照明；

傅里叶光学显微镜单元，用于采集所述待观测样品的影像，得到一观测影像；

反射镜单元，用于根据所述观测影像反射得到一第一影像；

所述聚光照明单元与所述傅里叶光学显微镜单元相连，所述傅里叶光学显微镜单元与所述反射镜单元相连。

3.根据权利要求1所述傅里叶显微镜装置，其特征在于，所述空间光调制器模块具体包括：

中继镜组单元，用于将所述第一影像的傅里叶面成像于所述空间光调制器上，得到第一影像的傅里叶面影像；

空间光调制器单元，用于为第一影像的傅里叶面影像增加预先存储的至少一个相位模板，得到第二影像；

所述中继镜组单元与所述空间光调制器单元相连。

4.根据权利要求1所述傅里叶显微镜装置，其特征在于，所述图像转化模块具体包括透镜单元和电荷耦合元件单元，其中：

透镜单元，用于将第二影像的傅里叶面成像于所述电荷耦合元件单元，得到第二影像的傅里叶面影像；

电荷耦合元件单元，用于接收所述第二影像的傅里叶面影像，并将所述第二影像的傅里叶面影像转化为所述待观测样品的图像；

所述透镜单元与所述电荷耦合元件单元相连。

5.根据权利要求3所述傅里叶显微镜装置，其特征在于，所述空间光调制器单元还对所述第一影像加载一预先设定方向及频率的调制信号，使得所述空间光调制器的衍射零级与一级分开，并仅用空间光调制器的衍射一级进行成像。

6.根据权利要求1所述傅里叶显微镜装置，其特征在于，所述相位模板包括亮场显微镜模板、暗场显微镜模板、泽尼克相衬显微镜模板、微分干涉显微镜模板和螺旋相衬显微镜模板。

7.一种信息共享系统，其特征在于，包括如权利要求1-6任一项所述的傅里叶显微镜装置，还包括服务器端装置及客户端装置，其中：

所述客户端装置，用于接收用户的操作指令，登陆所述服务器端装置，并向所述服务器端装置发送用于加载相位模板的远程控制指令和/或获取所述待观测样品的图像的获取指令；

所述服务器端装置，用于接收所述远程控制指令，并向所述傅里叶显微镜装置中的所述空间光调制器发出在所述第一影像上增加预先存储的至少一个相位模板的控制指令，并存储所述待观测样品的图像；

所述客户端装置与所述服务器端装置通讯连接，所述服务器端装置与所述傅里叶显微镜装置通讯连接。

8.根据权利要求7所述信息共享系统，其特征在于，所述客户端装置具体包括：

登陆模块，用于接收用户的操作指令，输入登陆信息，并将所述登陆信息发送至所述服务器端装置；

控制指令发送模块，所述服务器端装置发送用于加载相位模板的远程控制指令和/或获取所述待观测样品的图像的获取指令；

接收及查看模块，用于接收用户的所述获取指令，从所述服务器端装置获取处理图像。

9.根据权利要求8所述信息共享系统，其特征在于，所述服务器端装置具体包括：

登陆验证模块，用于接收来自所述客户端装置的登陆信息，并对所述登陆信息进行验证；

指令接收及转发模块，用于接收用户的远程控制指令，并向所述傅里叶显微镜装置中的所述空间光调制器在所述第一影像上增加预先存储的至少一个相位模板的控制指令；

存储模块，用于存储所述待观测样品的图像；

发送模块，用于接收获取所述待观测样品的图像的获取指令，并向所述客户端装置发送所述待观测样品的图像。

10.一种信息共享方法，其特征在于，所述方法包括：

A、客户端装置用于接收用户的操作指令，登陆所述服务器端装置，并向所述服务器端装置发送用于加载相位模板的远程控制指令和/或获取所述待观测样品的图像的获取指令；

B、服务器端装置接收所述远程控制指令，并向所述傅里叶显微镜装置发出在所述第一影像上增加预先存储的至少一个相位模板的控制指令；

C、所述傅里叶显微镜装置在所述第一影像上增加预先存储的至少一个相位模板，得到待观测样品的图像，之后将所述待观测样品的图像发送至服务器端装置；

D、服务器端装置接收并存储所述待观测样品的图像，当所述服务器端装置接收到客户端装置的获取所述待观测样品的图像的获取指令，将所述待观测样品的图像发送至客户端装置。