CN105954194A - 一种基于光锥的便携式光流控显微成像装置及系统 - Google Patents

一种基于光锥的便携式光流控显微成像装置及系统 Download PDF

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Abstract

一种基于光锥的便携式光流控显微成像装置及系统，属于生物医学检测领域。其技术要点在于设计一种高分辨率、便携式的光流控显微成像装置及系统，包括可用于进行图像增强显示的成像光学附件，以及用于进一步改善图像显示效果的处理算法。本发明可广泛应用于生物医学中常见致病菌的检测，以及克服传统光学显微镜体积庞大、对焦繁琐、图像传输步骤复杂等缺陷，具有良好的应用前景。

Description

一种基于光锥的便携式光流控显微成像装置及系统
技术领域
本发明涉及生物医学检测领域，特别涉及一种基于光锥的便携式光流控显微成像装置及系统。
背景技术
光学显微镜被广泛应用于生物医学检测，然而其体型庞大、造价高昂以及调焦复杂等缺陷限制了在许多领域及地区的应用。为了克服这些问题，手持型、微型化的显微镜近些年来蓬勃发展，也渐渐从科研研究走到实用领域之中。然而这些大部分的光学显微镜仍然不能脱离光学透镜组的基本组成形式，即一般无法克服调焦繁琐、镜筒过长等问题。
发明内容
针对上列需求和现实存在的问题，本发明提供了一种结构简单，放大倍率较大以及操作便捷的微型显微镜系统，包括一种基于光锥的便携式光流控显微成像装置，以及用于进行进一步图像增强操作的图像处理系统。可用于为生物医学中细胞溶液、细胞内液，及部分致病菌溶液的检测和诊断，以及用于后续远程医疗、共同会诊等需求。
一种基于光锥的便携式光流控显微成像装置，包括光传输器件以及套筒腔体。
所述的光传输器件包括光源、各级图像传输器件以及CMOS/CCD成像器件，其中光源、各级图像传输器件用于进行被CMOS/CCD成像器件拍摄之前的图像增强。
所述的套筒腔体能够构造成所述光传输器件的中心点光路内对齐传输方式，并对所述的光传输器件进行固定。
所述各级图像传输器件包括三级，分别为：
(1)用于为所述图像传输提供光源的第一级照明元件；
(2)用于检测组织物固定和初级放大的第二级光传输器件；
(3)用于图像二次放大和成像的第三级光传输器件。
所述第一级照明元件包括光源LED，聚光透镜和滤光片，所述套筒腔体构造成以在所述照明路径内中心点对齐的方式容纳所述聚光透镜及滤光片；
所述第二级光传输器件将用于放置待测组织物的聚二甲基硅氧烷PDMS微流槽与微透镜阵列固定于一体，微流槽沟道设计宽度可容纳待测样本，为20微米～50微米；
所述第三级光传输器件包括光锥、CMOS/CCD图像传感器，图像传感器使用高速全局快门CMOS/CCD传感器，光敏面与光锥出射端面以封闭的光波导形式耦合在一起以接收从所述二级光传输器件所获得的图像。
上述的基于光锥的便携式光流控显微成像装置用于对从CMOS/CCD图像传感器获取的图像进行增强处理的系统，除便携式光流控显微成像装置的组成结构外，该系统从所述图像传感器获得所需图像，并在个人电脑设备上执行的编程用于对所述图像传感器接收到的图像进行增强显示，存储以及光学畸变进行校准。
本发明可广泛应用于生物医学中常见致病菌的检测，以及克服传统光学显微镜体积庞大、对焦繁琐、图像传输步骤复杂等缺陷，具有良好的应用前景。
附图说明
图1示出了本发明的显微成像装置结构图。
图2示出了液体样本-PDMS微流槽检测端。
图3示出了图像处理系统的流程图。
图中：A成像装置；B图像处理系统；M第一级光照元件；
N第二级光传输器件；O第三级光传输与成像器件；
10.CMOS/CCD图像传感器；11.光锥；12.套筒；13.LED；14.纽扣电池盒；
15.聚光透镜；16.微透镜阵列；17.固定架；18.样本微流槽；19.滤光片；
30.液体样本进口；31.液体样本出口；32.PDMS微流槽；33.微透镜阵列；
34.毛细管。
具体实施方式
图1示出了本发明的显微成像装置的结构图。M模块示出了第一级光照元件，该级元件中外置LED光源13、聚光透镜15与滤光片19串联且同轴堆叠于套筒腔体内，用于为图像传输提供均匀的光照，并可将光线更好的聚焦于所述检测样本表面。其中LED光源可根据显微模式(如明场显微或荧光显微)而选择特定波段。光源采用位于腔体内壁的纽扣电池供电。
图1中N模块示出了用于光线耦合和放大的第二级光传输元件，其中由滤光片19与PDMS微流槽附接。光锥与经过微透镜放大与聚焦的图像被投射到光锥11入射端面，经光锥再次放大后被CMOS/CCD图像传感器10成像。
光锥模块，可以利用其具有的较高能量耦合效率的优势将可见光图像高效的传输到光学显微镜透镜组内，且本身光锥具有10倍以内的放大作用。直接将制备好的样本(生物医学或者海洋环境微生物样本)放置于入射小端面，在出射大端面可得到放大的图像。在耦合之前，将图像传感器的滤光片及微透镜层去掉，将其光敏面与光锥大端面耦合在一起，形成一条闭合的光波导。
图2详细示出了图1中O模块的具体构造图，进行液体样本观测时，由针管将液体样本从PDMS微流槽的注入端30一侧注入，压力差会诱导液体流动，以保持压力平衡，液体将流入微流槽34并流至输出导管，在此过程，图像传感器将对其进行成像。
图3详细示出了个人电脑端进行的图像增强步骤流程图，由CMOS/CCD图像传感器获取的图像数据上传至电脑端，执行图像增强操作，并可进一步在云端对分布在不同地域的使用者进行信息记录，以及建立数据库，方便共享诊断数据与经验等。
进行显微观测时，液体样本以100um～1000um/s的流速经过微流槽，图像传感器采用500fps帧率进行拍照并存储，也可以拍摄视频进行后续处理。个人电脑执行步骤20以获取图像传感器输出的多帧下采样原始图像，首先进行灰度化操作21大幅压缩数据量来减少后续图像增强操作计算时间。步骤22对所述多帧图像进行运动估计以获取偏移量，并配准以合成高分辨率图像来弥补由图像传感器本身性质、噪声影响等原因造成的图像信息量损失，最终处理的图像被执行存储于计算机硬盘或直接用于显示的操作23。

Claims (4)

1.一种基于光锥的便携式光流控显微成像装置，其特征在于，包括光传输器件以及套筒腔体；
所述的光传输器件包括光源、各级图像传输器件以及CMOS/CCD成像器件，其中光源、各级图像传输器件用于进行被CMOS/CCD成像器件拍摄之前的图像增强；
所述的套筒腔体能够构造成所述光传输器件的中心点光路内对齐传输方式，并对所述的光传输器件进行固定。
2.根据权利要求1所述的便携式光流控显微成像装置，其特征在于，所述各级图像传输器件包括三级，分别为：
(1)用于为所述图像传输提供光源的第一级照明元件；
(2)用于检测组织物固定和初级放大的第二级光传输器件；
(3)用于图像二次放大和成像的第三级光传输器件。
3.根据权利要求2所述的便携式光流控显微成像装置，其特征在于，
所述第一级照明元件包括光源LED，聚光透镜和滤光片，所述套筒腔体构造成以在所述照明路径内中心点对齐的方式容纳所述聚光透镜及滤光片；
所述第二级光传输器件将用于放置待测组织物的聚二甲基硅氧烷PDMS微流槽与微透镜阵列固定于一体，微流槽沟道设计宽度可容纳待测样本，为20微米～50微米；
所述第三级光传输器件包括光锥、CMOS/CCD图像传感器，图像传感器使用高速全局快门CMOS/CCD传感器，光敏面与光锥出射端面以封闭的光波导形式耦合在一起以接收从所述二级光传输器件所获得的图像。
4.一种用于对从CMOS/CCD图像传感器获取的图像进行增强处理的系统，该系统包括光传输器件以及套筒腔体；其特征在于，
所述的光传输器件包括光源、各级图像传输器件以及CMOS/CCD成像器件，其中光源、各级图像传输器件用于进行被CMOS/CCD成像器件拍摄之前的图像增强；
所述的套筒腔体能够构造成所述光传输器件的中心点光路内对齐传输方式，并对所述的光传输器件进行固定；
从所述图像传感器获得所需图像，并在个人电脑设备上执行的编程用于对所述图像传感器接收到的图像进行进一步增强显示，存储以及光学畸变进行校准；其中，增强显示用于对所述图像进行去灰度转换、图像配准、图像重构以及后续分析操作。
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