CN107101982A - 荧光显微装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公布了一种荧光显微装置，包括壳体及收容于所述壳体内的基础光源阵列、电路模块及成像探测器，所述电路模块包括光源驱动电路、处理芯片及图像寄存器，所述光源驱动电路电连接所述基础光源阵列并控制所述基础光源阵列发出的照明光线所形成的照明图案，所述成像探测器将待测样本受所述照明光线激发产生的荧光信号转化为电信号并形成临时图像寄存于所述图像寄存器，所述处理芯片用于计算处理多个所述照明图案对应获得的所述临时图像得到处理图像，并对所述处理图像进行消除残余条纹、降噪、滤波与去卷积得到最终图像。缩减了荧光显微镜的尺寸使之更适合携带，提升了荧光显微镜的成像对比度，增强了观察和分析样品的准确度。

Description

荧光显微装置
技术领域
本发明涉及显示技术领域，尤其是涉及一种荧光显微装置。
背景技术
荧光显微镜是利用特定波长的光照射样品，使之受到激发产生不同颜色的荧光，然后在显微镜下观察样品的形态与结构，以用来观察和分辨样品中某些化学成分和细胞组分的一种显微镜。该装置特别适用于对活体细胞和组织、流质、沉淀物等进行显微研究，是生物学，细胞学，肿瘤学，遗传学，免疫学等研究工作的理想仪器。可供科研、高校、医疗、防疫和农牧等部门使用。荧光显微镜多是在复式显微镜的架构上安装荧光装置集合而成，荧光装置主要包括荧光光源、激发/发射滤光块等器件。荧光光源多选择能提供特定激发波长范围及特定功率光能量的光源，以保证检测样品得到足够的激发而发出强的荧光。
现有的荧光显微镜多是在复式显微镜的架构上安装荧光装置集合而成,荧光显微镜主要包括荧光光源、激发/发射滤光块等器件，其中荧光光源多选择能提供特定激发波长范围及特定功率光能量的光源,以保证检测样品得到足够的激发而发出强的荧光，一般光源多采用高压汞灯或高压氙灯，但实际上这两种光源的体积都比较大，通常很难与荧光显微镜中的其他组件整合到一起，而且在使用时容易产生高温，需要添配较多的散热空间或搭配复杂的散热机构，以保证荧光光源的正常工作，因此荧光显微镜的体积无法随身携带。而对于一些需要荧光显微镜观察的特殊应用，如疾病突发现场病源检测，野外生态观察，污水微生物检查等，如果将样本运送至荧光显微镜所在场所再进行检测，由于样本不是现提取现观察，在运送过程中的保存程度降低了观测结果的准确度。
进一步的，荧光光源所产生的激发光经过物镜聚焦后直接投射到样品上，实际上除了物镜聚焦的平面，激发光在聚焦平面的上下层都会有照射，这些不必要照射的区域会产生不必要的荧光信号，从而形成图像背景噪声，直接导致成像的对比度较低。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种荧光显微装置，用以解决现有技术中荧光显微装置体积较大、便携性差，及在使用中受到不必要的荧光信号干扰，最终成像的对比度低的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种荧光显微装置，所述荧光显微装置包括壳体及收容于所述壳体内的基础光源阵列、电路模块及成像探测器，所述电路模块包括光源驱动电路、处理芯片及图像寄存器，所述光源驱动电路电连接所述基础光源阵列并控制所述基础光源阵列发出的照明光线所形成的照明图案，所述成像探测器将待测样本受所述照明光线激发产生的荧光信号转化为电信号并形成临时图像寄存于所述图像寄存器，所述处理芯片用于计算处理多个所述照明图案对应获得的所述临时图像得到处理图像，并对所述处理图像进行消除残余条纹、降噪、滤波与去卷积得到最终图像。
进一步，所述荧光显微装置还包括触控显示屏，所述显示屏固定于所述壳体外并电连接所述电路模块，所述显示屏用于显示图像及编辑所述照明图案。
进一步，所述处理芯片计算处理得到所述处理图像的公式为其中IRE为所述处理图像，I1、I2、I3分别为不同的所述照明图案对应获得的所述临时图像。
进一步，所述荧光显微装置还包括位于所述基础光源阵列与所述成像探测器之间的激发滤光模块，所述激发滤光模块包括激发滤光片、发射滤光片及位于所述激发滤光片与所述发射滤光片之间的二向色镜，所述激发滤光片用于过滤所述照明光以得到特定波长范围的所述照明光，所述二向色镜用于反射所述照明光以使所述照明光照射所述待测样本并透射所述待测样本发出的所述荧光，所述发射滤光片用于过滤随所述荧光进入所述激发滤光模块的杂散光。
进一步，所述荧光显微装置还包括位于所述基础光源阵列与所述激发滤光模块之间的照明透镜，用于收集并传递所述基础光源阵列发出的照明光信号。
进一步，所述荧光显微装置还包括成像透镜，所述成像透镜位于所述发射滤光片与所述成像探测器之间，用于传递并聚焦所述荧光信号到所述成像探测器上。
进一步，所述荧光显微装置还包括物镜，所述物镜螺纹连接于所述壳体上，用于聚焦所述照明光信号，并收集、传递所述待测样本产生的所述荧光信号。
进一步，所述荧光显微装置还包括保护罩，所述保护罩固定于所述物镜上并从所述物镜向背离所述壳体的一侧延伸，用于防止环境光进入所述物镜。
进一步，所述基础光源阵列为阵列排布的有机发光二极管或微发光二极管。
进一步，所述荧光显微装置还包括手柄，所述手柄固定于所述外壳上。
本发明的有益效果如下：引入低功耗、小体积的基础光源阵列，缩小了荧光显微装置的尺寸，使之更适合携带，操作者手持即可操作，操作方便、功能性灵活；基础光源阵列可进行光强调节与照明图案编辑，光强调节可以满足不同观测样品需要，照明图案编辑配合处理芯片内置的硬件算法可以提升成像对比度，增强了观察和分析样品的准确度。进一步的，本发明提供的荧光显微装置尤其适合疾病突发现场病源检测，野外生态观察，污水微生物检查等荧光显微成像应用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的明显变形方式。
图1为本发明实施例提供的荧光显微装置的结构示意图。
图2为本发明实施例提供的荧光显微装置的操作示意图。
图3为本发明实施例提供的荧光显微装置的电子模块示意图。
图4为本发明实施例提供的荧光显微装置的操作流程图。
图5为本发明实施例提供的有机发光二极管照明效果图。
图6为本发明实施例提供的微发光二极管照明效果图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请一并参阅图1、图2及图3，本发明实施例提供的荧光显微装置包括壳体10及收容于壳体10内的基础光源阵列22、电路模块90、激发滤光模块30及成像探测器44。基础光源阵列22包括多个单独发光的点光源，单独发光的点光源阵列排布于同一个平面上并面向同一个方向发散照明光线，电路模块90包括光源驱动电路902、处理芯片904及图像寄存器906，光源驱动电路902电连接每个单独发光的点光源，并控制每个单独发光的点光源不同的发光亮暗状态使基础光源阵列22发散出不同的照明图案，以得到可编辑的照明图案，例如，0-500mw光强调节，二维点状图案，一维线状图案等。
一种实施方式中，基础光源阵列22为阵列排布的有机发光二极管(OrganicLight-Emitting Diode，OLED)，OLED具有自发光、广视角、几乎无穷高的对比度、较低耗电、极高反应速度等优点。OLED自发光且自身体积小，易于设置成基础光源阵列22且在电路模块90的控制下独立发光，每个OLED互不干扰，可控制性强；OLED耗电量小，无需其他复杂的驱动器件对OLED驱动，一方面省去了驱动器件的体积，另一方面无需匹配散热设备对驱动器件及OLED本身进行散热，大大降低了荧光显微装置整体的体积，提高了便携性。
其他实施方式中，基础光源阵列22为阵列排布的微发光二极管阵列(Micro LED)，阵列排布的微发光二极管阵列形成微发光二极管阵列。微发光二极管阵列是在一个芯片上集成的高密度微小尺寸的LED阵列，微发光二极管具有自身体积小，易于设置成基础光源阵列22且在电路模块90的控制下独立发光，每个微发光二极管互不干扰，微发光二极管阵列可编辑性强的特点，能耗低，降低了荧光显微装置整体的体积，提高了便携性，并且寿命长，提高了荧光显微装置的使用寿命，降低了荧光显微装置的维护成本。
成像探测器44将待测样本受照明光线激发产生的荧光信号转化为电信号并形成临时图像寄存于图像寄存器906，电路模块90还包括探测器驱动电路910，用于驱动控制成像探测器44工作。处理芯片904用于计算处理多个照明图案对应获得的临时图像得到处理图像，并对处理图像进行消除残余条纹、降噪、滤波与去卷积得到最终图像。进一步的，处理芯片904计算处理得到所述处理图像的公式为其中IRE为所述处理图像，I1、I2、I3分别为不同的所述照明图案对应获得的所述临时图像。一种较佳的实施方式中，电子模块还包括图像存储盘908，图像存储盘908用于存储最终图像。
通过电子模块可以对基础光源阵列22进行光强调节可照明图案编辑，其中光强调节用以满足不同观测样品需要，编辑不同的照明图案获得不同的荧光信号，对应得到不同的临时图像，利用处理芯片904计算处理各临时图像得到高对比度的最终图像，提升了荧光显微装置的成像对比度，增强了观察和分析样品的准确度。
本实施例中，荧光显微装置还包括触控显示屏60，触控显示屏60固定于壳体10外并电连接电路模块90，触控显示屏60用于显示图像及编辑照明图案。触控显示屏60外置于装置壳体10，作为人机交互的装置，以便操作者在触控显示屏上控制荧光显微装置，实现人机互动，设置初始参数(例如，照明图案选择与执行，临时图像保存方式，最终实时显示图像的重建方式等)，图像的编辑保存，数据无线传输等功能。进一步的，触控显示屏60为液晶显示屏或有机发光二极管显示屏。
本实施例中，荧光显微装置还包括位于基础光源阵列22与成像探测器44之间的激发滤光模块30，激发滤光模块30包括激发滤光片32、发射滤光片36及位于激发滤光片32与发射滤光片36之间的二向色镜34。进一步的，激发滤光片32位于入光端口，用于接收光源装置20发出的照明光线，并对照明光线进行过滤和筛选，降低进入激发滤光模块30的照明光线的波长范围，得到光谱涵盖范围较窄的、特定波长范围的照明光，即进行测试实验所必须的波长的照明光线。发射滤光片36位于出光端口，用于过滤随荧光进入激发滤光模块30的杂散光，包括照明到样品的垂直反射光、外界环境的噪声光等。二向色镜34位于激发滤光片32与发射滤光片36之间，具体的，二向色镜34包括反射功能面与透射功能面，反射面同时面对入光端口与二向端口，用于反射穿过激发滤光片32进入激发滤光模块30的照明光，以使照明光照射待测样本80；透射面面对出光端口，用于透射待测样本80发出的荧光，将荧光传递至发射滤光片36。进一步的，激发滤光模块30整体可更换，切换不同组合的激发滤光模块30可以得到不同波长范围的照明光线，例如蓝光激发滤光模块30得到蓝光波长范围的照明光线用于激发待测样本80，绿光激发滤光模块30得到绿光波长范围的照明光线用于激发待测样本80等，从而在用不同波长范围的照明光线照射待测样本80时激发待测样本80发出不同的荧光光信号，无需在荧光设备设置同时提供所有波长范围的照明光线的体积较大的器件，故激发滤光模块30在满足得到不同波长范围的照明光线的条件下进一步的减小了装置整体的体积。
激发滤光模块30位于光源装置20与成像探测器44之间，用于引导照明光照射待测样本80并传递待测样本80受激产生的荧光至成像探测器44以形成图像。进一步的，激发滤光模块30包括一个入光端口，一个出光端口及一个同时入光与出光的二向端口。入光端口朝向光源装置20，出光端口朝向成像探测器44，二向端口朝向待测样本80。
本实施例中，荧光显微装置还包括照明透镜24，照明透镜24位于基础光源阵列22与激发滤光模块30之间，用于收集并引导基础光源阵列22发出的照明光进入激发滤光模块30。具体的，照明透镜24起到准直照明光线的作用，将基础光源阵列22发出的光线收集并传递到激发滤光模块30，即向激发滤光模块30传递光源装置20的光信号。
本实施例中，荧光显微装置还包括成像透镜42，成像透镜42位于发射滤光片36与成像探测器44之间，用于将荧光聚焦到成像探测器44，成像探测器44将荧光信号转换成电信号。具体的，成像透镜42聚焦激发滤光模块30传递的荧光于成像探测器44，成像探测器44接收到荧光后，将荧光信号转化为电信号，从而通过触控显示屏60显示图像。
本实施例中，荧光显微装置还包括物镜50，物镜50螺纹连接于壳体10上，用于将照明光聚焦于待测样本80上。进一步的，物镜50与壳体10通过螺纹连接，可方便切换不同倍率物镜50(例如低倍率4倍镜，10倍镜，高倍率20倍，40倍镜等)，用以聚焦照明光线，收集并传递样品产生的荧光。
本实施例中，荧光显微装置还包括保护罩(图中未示出)，保护罩固定于物镜50上并从物镜50向背离壳体10的一侧延伸，用于防止环境光进入物镜50，使得本实施例提供的荧光显微装置可在普通日光照明或灯光照明环境中使用，不需要严格避光。
本实施例中，荧光显微装置还包括手柄70，手柄70固定于外壳上，用于方便操作者握持。
图4为本发明实施例提供的荧光显微装置的操作流程图，如图所示，操作流程包括：
S101、开机，等待系统初始化。
S102、触控显示屏60进行参数设置，包括照明图案选择与执行(例如，六个像素组成一个周期的一维线性图案)，激发滤光模块30的选择，物镜50的选择，临时图像保存方式(例如，仪器寄存器)，最终实时显示图像的重建方式等。
S103、手持仪器通过屏幕实时成像观察并寻找样品最佳观察区域。
S104、开始采集，基础光源阵列22根据设置值进行快速图案切换，实现不同图案连续照明。图6所示为某一种基础光源阵列22照明效果图，即按照图6所示，基础光源阵列22先加载第一张照明图案一定时间后(例如100ms)，再加载第二张照明图案相同时间，最后加载同样时间的第三张照明图案。每次加载图案时，样品上投射以对应图案的照明光，同时成像探测器采集荧光信号，生成图像，系统会临时把这三次照明的成像结果存储在仪器的寄存器中(例如分别存储为I1、I2、I3)，并利用硬件算法进行图像处理，最后将处理的最终图像传输到触控屏幕上实时显示。硬件算法中包含有直接生成高对比度图像的公式：以及对生成的高对比度图像消除残余条纹、降噪、滤波与去卷积的图像优化算法。
系统中自带硬件算法是一种可将来自激发光聚焦平面上下层产生的不必要荧光信号从成像探测器实际上采集的信号中去除掉的处理方式，只保留来自激发光聚焦平面的必要荧光信号，因此可实现高对比度的图像效果。从开始采集到实时显示最终重建图像这整个过程执行很快(例如，小于0.5秒)，即使操作者手持仪器在采集过程中有抖动，也可认为这一过程的图像采集是保持相对静止的，这一条件对于本过程后期的图像重建很重要。
若采集不成功，重新调整手持状态与仪器角度，再次进行采集。
S105、保存采集图像到仪器的图像存储盘908中以方便后续的图像编辑与数据转移，切换样品观察区域或切换其他样品重复以上部分操作，至到结束采集。
S106、结束关机。
本实施例提供的荧光显微装置引入低功耗小体积的基础光源阵列22阵列照明光源，缩小了荧光显微镜的尺寸，使之更适合携带，操作者手持即可操作。在此基础上优化了系统中几个关键器件，提供不同荧光激发需要的一体构成式激发滤光块切换，提供不同样品尺寸观测需要的不同放大倍率物镜50切换，本装置还提供一个可进行参数设置的触控式显示屏60，同时方便使用者实时观察成像结果并存储图像。本实施例提供的荧光显微装置可对阵列型照明光源进行光强调节与照明图案编辑，其中光强调节用以满足不同观测样品需要，照明图案编辑配合内嵌于系统的硬件算法用以提升荧光显微镜的成像对比度。本实施例提供的荧光显微装置体积小，便携性好，操作方便，功能性灵活，最重要的是可提供现有荧光显微装置没有的图像对比度，因此尤其适合疾病突发现场病源检测，野外生态观察，污水微生物检查等荧光显微成像应用中。
以上所揭露的仅为本发明几种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种荧光显微装置，其特征在于，所述荧光显微装置包括壳体及收容于所述壳体内的基础光源阵列、电路模块及成像探测器，所述电路模块包括光源驱动电路、处理芯片及图像寄存器，所述光源驱动电路电连接所述基础光源阵列并控制所述基础光源阵列发出的照明光线所形成的照明图案，所述成像探测器将待测样本受所述照明光线激发产生的荧光信号转化为电信号并形成临时图像寄存于所述图像寄存器，所述处理芯片用于计算处理多个所述照明图案对应获得的所述临时图像得到处理图像，并对所述处理图像进行消除残余条纹、降噪、滤波与去卷积得到最终图像。
2.根据权利要求1所述的荧光显微装置，其特征在于，所述荧光显微装置还包括触控显示屏，所述显示屏固定于所述壳体外并电连接所述电路模块，所述显示屏用于显示图像及编辑所述照明图案。
3.根据权利要求2所述的荧光显微装置，其特征在于，所述处理芯片计算处理得到所述处理图像的公式为其中IRE为所述处理图像，I1、I2、I3分别为不同的所述照明图案对应获得的所述临时图像。
4.根据权利要求3所述的荧光显微装置，其特征在于，所述荧光显微装置还包括位于所述基础光源阵列与所述成像探测器之间的激发滤光模块，所述激发滤光模块包括激发滤光片、发射滤光片及位于所述激发滤光片与所述发射滤光片之间的二向色镜，所述激发滤光片用于过滤所述照明光以得到特定波长范围的所述照明光，所述二向色镜用于反射所述照明光以使所述照明光照射所述待测样本并透射所述待测样本发出的所述荧光，所述发射滤光片用于过滤随所述荧光进入所述激发滤光模块的杂散光。
5.根据权利要求1所述的荧光显微装置，其特征在于，所述荧光显微装置还包括位于所述基础光源阵列与所述激发滤光模块之间的照明透镜，用于收集并传递所述基础光源阵列发出的照明光信号。
6.根据权利要求1所述的荧光显微装置，其特征在于，所述荧光显微装置还包括成像透镜，所述成像透镜位于所述发射滤光片与所述成像探测器之间，用于传递并聚焦所述荧光信号到所述成像探测器上。
7.根据权利要求1所述的荧光显微装置，其特征在于，所述荧光显微装置还包括物镜，所述物镜螺纹连接于所述壳体上，用于聚焦所述照明光信号，并收集、传递所述待测样本产生的所述荧光信号。
8.根据权利要求7所述的荧光显微装置，其特征在于，所述荧光显微装置还包括保护罩，所述保护罩固定于所述物镜上并从所述物镜向背离所述壳体的一侧延伸，用于防止环境光进入所述物镜。
9.根据权利要求1所述的荧光显微装置，其特征在于，所述基础光源阵列为阵列排布的有机发光二极管或微发光二极管。
10.根据权利要求1所述的荧光显微装置，其特征在于，所述荧光显微装置还包括手柄，所述手柄固定于所述外壳上。
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