CN106772994A

CN106772994A - 视域可编程显微镜装置

Info

Publication number: CN106772994A
Application number: CN201611064024.9A
Authority: CN
Inventors: 刘清; 刘一清; 孙仲健
Original assignee: East China Normal University
Current assignee: East China Normal University
Priority date: 2016-11-28
Filing date: 2016-11-28
Publication date: 2017-05-31

Abstract

本发明公开了一种视域可编程显微镜装置，该装置包括PC机、控制电路、光源、光学滤波器、匀光光棒、棱镜透镜组、数字微镜器件、透镜阵列、样品载物台及摄像头，PC机控制光源产生白光，该光通过光学滤波器产生特定波长的光，再通过光棒和棱镜透镜组使点光源扩展成为面光源照射至数字微镜器件，数字微镜器件控制每个镜子开关，产生不同亮度、形状、区域、波长、持续时间、扫描频率的调制光，通过透镜阵列照射待测样品，经摄像头采集图像后在PC机上显示存储及反馈调整。本发明可以对光源亮度、形状、波长等进行精确控制，将显微样品信息显示或存储至PC机。较于传统显微镜，本发明可以自由控制空间光的调制模式、扫描速度，方便显示存储，灵活性高。

Description

视域可编程显微镜装置

技术领域

本发明涉及显微镜照明领域及电子技术领域，尤其涉及数字微镜器件在显微镜照明方面应用的一种视域可编程显微镜装置，该装置可用于需要不同照明亮度及照明图形的样品图像数据获取。

背景技术

目前，随着生物物理化学等领域研究的发展和科学技术的日益进步，显微镜的应用基本在所有的科学研究中都有所涉及，对样品的观察模式也有了更高的要求。在观察荧光类样品时，需要对样品进行不同照明亮度、照明图形、照明波长或照明区域的照射做对照；有时还需要高速扫描样品以观察诸如血细胞流动等过程；在光刻工艺中，需要对极小的区域进行瞬时曝光等。这些都对照射光的亮度、波长、形状、区域、扫描速度等有着极高的要求，因此需要对照射光进行空间调制并方便地显示存储及反馈调整。

而传统显微镜的空间光调制是通过针孔阵列、透镜阵列来实现的，一旦设计制造完毕后便再也无法更改，调整参数时只能选择更换器件的方式，在实际使用的过程中非常的不方便。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足而提供的一种视域可编程显微镜，通过数字微镜实现对空间光的快速调制，可以任意改变照射光亮度、波长、照射形状、照射区域、曝光时间、扫描频率等，还能够方便地在PC机上显示存储及反馈调整，同时具有操作简单、显示存储方便等特点。

实现本发明目的的具体技术方案是：

一种视域可编程显微镜装置，它包括PC机、控制电路、光源、光学滤波器、匀光光棒、棱镜透镜组、数字微镜器件、透镜阵列、样品载物台及摄像头，所述PC机分别与控制电路、摄像头连接，控制电路分别与光源、光学滤波器、数字微镜器件、透镜阵列连接，光源与光学滤波器连接，光学滤波器与匀光光棒连接，匀光光棒与棱镜透镜组连接，棱镜透镜组与数字微镜器件连接，数字微镜器件与透镜阵列连接，透镜阵列与样品载物台连接，样品载物台与摄像头连接；

其中：所述控制电路包括FPGA、ARM微处理器、AS接口、JTAG接口、电机、LED及蜂鸣器；所述FPGA分别与AS接口、ARM微处理器相连，所述ARM微处理器分别与JTAG接口、电机、LED、蜂鸣器相连。

上述装置实现视域可编程显微包括以下具体步骤：

步骤1：PC机控制光源照射到数字微镜器件上

ⅰ）PC机通过控制电路打开光源开关，通过光学滤波器使其变为特定波长的照射光；

ⅱ）照射光通过匀光光棒，使点光源展宽为面光源；

ⅲ）照射光通过棱镜透镜组，使照射光面符合数字微镜器件大小；

步骤2：数字微镜器件对空间光进行调制并照射到样品上

ⅰ）控制电路控制数字微镜器件每个镜子的旋转角度，使其呈现出“打开”或者“关断”状态，控制空间光的亮度、形状、区域、持续时间、扫描频率，完成对空间光的调制，或者通过控制光学滤波器产生的不同波长照射光照射不同区域，实现多区域多色彩对比照明；

ⅱ）调制后的空间光经过透镜阵列，由控制电路对透镜阵列进行焦距调整，保证空间光能够均匀准确地照射在待测样品的表面上；

步骤3：摄像头采集待测物的图像数据并在PC上进行显示

ⅰ）摄像头采集待测物的图像数据上传至PC机屏幕上进行显示或存储，可以根据显示效果调节数字微镜器件的参数，再次对待测物的图像数据进行采集。

本发明解决了目前传统显微镜调制光参数改变困难的问题，使用了先进的数字微镜器件对照射光进行调制，可以方便地对照射光进行亮度、形状、区域、波长、持续时间、扫描频率的精确控制，并用摄像头代替显微镜目镜，方便地显示或存储在PC机上并由用户根据显示效果进行参数调整。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明控制电路结构示意图；

图3为本发明控制电路工作流程图；

图4为本发明工作模式设置流程图；

图5为本发明多区域多色彩照明模式示意图；

图6为本发明PC机显示及控制示意图。

具体实施方式

参阅图1，本发明包括PC机1、控制电路2、光源3、光学滤波器4、匀光光棒5、棱镜透镜组6、数字微镜器件7、透镜阵列8、样品载物台9及摄像头10。所述PC机1分别与控制电路2、摄像头10相连，控制电路2分别与光源3、光学滤波器4、数字微镜器件7及透镜阵列8相连，光源3与光学滤波器4相连，光学滤波器4与匀光光棒5相连，匀光光棒5与棱镜透镜组6相连，棱镜透镜组6与数字微镜器件7相连，数字微镜器件7与透镜阵列8相连，透镜阵列8与样品载物台9相连，样品载物台9与摄像头10相连。PC机1通过控制电路2控制各个器件工作，控制电路2控制光源3的开关产生照射光，照射光通过由控制电路2控制的光学滤波器4变成特定波长的照射光，再通过匀光光棒5使点光源变成面光源，经过棱镜透镜组6扩展为符合数字微镜器件7大小的光束；控制电路2控制数字微镜器件7产生特定亮度、区域、图形或扫描速度的调制光，并控制透镜阵列8调整焦距使调制光均匀准确地照射在样品载物台9的待测样品11上，最后由摄像头10代替显微镜目镜收集样品图像数据，并在PC机1上显示或存储，PC机1根据显示的结果进行反馈调整各个器件的参数。

参阅图2，为本发明控制电路结构示意图。所述控制电路2包括FPGA 21、ARM微处理器22、AS接口23、JTAG接口24、电机25、LED26及蜂鸣器27；所述FPGA 21分别与AS接口23、ARM微处理器22相连，所述ARM微处理器22分别与JTAG接口24、电机25、LED26、蜂鸣器27相连。AS接口23用来烧写FPGA 21代码，JTAG接口24用来烧写和调试ARM微处理器22代码，ARM微处理器22通过UART总线接收到命令，将命令解析后发送相应参数至FPGA 21，并同时根据参数设置，控制电机25驱动透镜阵列调整焦距，如果控制电路工作异常，则控制LED 26、蜂鸣器27进行提示。

参阅图3，为本发明控制电路2工作流程图。用户在PC机1设置完成显微镜观察模式及参数后，通过UART总线发送至ARM微处理器；ARM微处理器通过I2C总线发送命令，打开光源3的同时驱动光学滤波器4工作，使光学滤波器4周期性地通过不同波长的光；ARM微处理器解析PC机1指令，将指令中需要设置的参数通过SPI总线发送至FPGA；FPGA根据参数设置数字微镜器件7划分的区域；FPGA 21统一设置各区域数字微镜打开的周期与光学滤波器4运行周期一致，可使不同区域的数字微镜反射某一固定波长的光；FPGA 21根据参数分区域设置数字微镜器件7的打开时刻，可使数字微镜器件7反射符合参数设置要求波长的光，可呈现多区域不同色彩照明的效果；FPGA 21分区域设置数字微镜器件7的打开时间，可使其呈现不同亮度照明的效果；FPGA 21分区域设置数字微镜器件7打开形状，可产生不同照明形状；FPGA 21设置完毕上述参数后，驱动整个数字微镜器件7工作；ARM微处理器22在检测到数字微镜器件7正常工作后，根据用户设置的焦距参数，通过IO口控制电机25驱动透镜阵列8进行焦距调整；透镜阵列8调整焦距完毕后，ARM微处理器22通知PC机1进行图像采集；ARM微处理器22收到PC机1采集图像完成的消息后，复位光学滤波器4，同时向FPGA 21发送指令复位数字微镜器件7；FPGA 21复位数字微镜器件7后，ARM微处理器22开始等待接收新的PC机命令。

参阅图4，为本发明工作模式设置流程图。首先用户通过PC机1设置参数，之后设置采集模式为单次模式、动态显示模式或高速扫描模式。若为单次采集模式则单次运行控制流程进行采集；若为动态显示模式，则循环运行控制流程进行采集；若为高速扫描模式，则设置扫描次数，根据设置的扫描次数运行控制流程。

参阅图5，为本发明多区域多色彩照明模式示意图，光学滤波器4开始工作后，在一个周期的不同时刻通过不同波长的光；将光学滤波器4的一个周期分为多个时间间隔，控制电路2控制数字微镜器件7的某一个区域在t₁时间间隔内打开，反射光学滤波器4通过的波长为λ₁的照射光，照亮区域S₁，同时其他区域的数字微镜为关断状态；控制电路2控制数字微镜器件7的另一个区域在t₂时间间隔内打开，反射光学滤波器4通过的波长为λ₂的照射光，照亮区域S₂，同时其他区域的数字微镜为关断状态。以此类推，重复上述周期过程，因为人眼具有视觉暂留效应，可呈现出多个区域多色彩的照明效果。

参阅图6，为本发明的PC机1显示示意图，在设置调制参数时，可直接用鼠标在样品图像上进行点击选择感兴趣区域，方便根据显示效果进行反馈调节。

实施例

随着生物物理化学等领域研究的发展和科学技术的日益进步，显微镜的应用基本在所有的科学研究中都有所涉及，人们对样品的观察模式也有了更高的要求。以荧光蛋白的观测为例，在观察荧光蛋白时，需要降低照明亮度，通过不同波长照射多个区域进行观察。将待测荧光蛋白11放置在样品载物台9上；用户在PC机1上设置采集模式为动态显示模式，选择多个照明区域，并为每个照明区域设置自定义的照明亮度、照明形状及照明波长；用户确认参数无误后，PC机1将命令发送至控制电路2中的ARM微处理器22；ARM微处理器22接收到命令后，打开光源3的同时，驱动光学滤波器4开始工作；ARM微处理器22解析命令，将其中的参数传送至FPGA 21，FPGA 21根据参数设置，驱动数字微镜器件7；同时ARM微处理器22驱动电机25调整透镜阵列8焦距；在焦距调节完毕后，摄像头10开始循环采集荧光蛋白的图像数据发送至PC机1上，可以呈现动态显示的效果。

本发明相比于传统显微镜空间光调制灵活、显示存储方便、响应速度快。

Claims

1.一种视域可编程显微镜装置，其特征在于该装置包括：PC机（1）、控制电路（2）、光源（3）、光学滤波器（4）、匀光光棒（5）、棱镜透镜组（6）、数字微镜器件（7）、透镜阵列（8）、样品载物台（9）及摄像头（10），所述PC机（1）分别与控制电路（2）、摄像头（10）连接；控制电路（2）分别与光源（3）、光学滤波器（4）、数字微镜器件（7）、透镜阵列（8）连接；光源（3）与光学滤波器（4）连接；光学滤波器（4）与匀光光棒（5）连接；匀光光棒（5）与棱镜透镜组（6）连接；棱镜透镜组（6）与数字微镜器件（7）连接；数字微镜器件（7）与透镜阵列（8）连接；透镜阵列（8）与样品载物台（9）连接；样品载物台（9）与摄像头（10）连接；

其中：所述控制电路（2）包括FPGA（21）、ARM微处理器（22）、AS接口（23）、JTAG接口（24）、电机（25）、LED（26）及蜂鸣器（27）,所述FPGA（21）分别与AS接口（23）、ARM微处理器（22）连接；ARM微处理器（22）分别与JTAG接口（24）、电机（25）、LED（26）及蜂鸣器（27）连接。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述装置实现视域可编程显微包括以下具体步骤：

步骤1：PC机控制光源照射到数字微镜器件上

ⅱ）照射光通过匀光光棒，使点光源展宽为面光源；

步骤2：数字微镜器件对空间光进行调制并照射到样品上

ⅰ）控制电路控制数字微镜器件每个镜子的旋转角度，使其呈现打开或者关断状态，控制空间光的亮度、形状、区域、持续时间及扫描频率，完成对空间光的调制，或者通过控制光学滤波器产生的不同波长照射光照射不同区域，实现多区域多色彩对比照明；

步骤3：摄像头采集待测物的图像数据并在PC上进行显示

ⅰ）摄像头采集待测物的图像数据上传至PC机屏幕上进行显示或存储，根据显示效果调节数字微镜器件的参数，再次对待测物的图像数据进行采集。