CN107121422A - 一种基于数字微镜阵列的并行共焦显微成像装置及方法 - Google Patents

一种基于数字微镜阵列的并行共焦显微成像装置及方法 Download PDF

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杨西斌
李辉
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Abstract

本发明公开了一种基于数字微镜器件阵列的并行共焦显微成像装置及其成像方法，本发明巧妙地利用数字微镜器件作为光分束器件，同时充当照明针孔和探测针孔，以及光源和相机及相关光学组件的结合，实现多点并行共焦成像模式。在满足高扫描速率和高光能利用率的同时，使系统能适应不同样品的成像要求，实现柔性测量；无机械振动的影响，提高了系统的稳定性。

Description

一种基于数字微镜阵列的并行共焦显微成像装置及方法
技术领域
本发明涉及显微成像技术领域，更具体地说，涉及一种基于数字微镜阵列的并行共焦显微成像装置及方法。
背景技术
近十几年来随着技术的发展，共焦成像由于能够平衡传统光学显微和电子显微的优劣特点，既具有对活体细胞的表面和内部进行实时观测的能力，又具有较高的三维分辨能力，被广泛用于生物医药、材料科学等领域。
传统的共焦成像普遍采用单点扫描的方式进行，扫描速度慢，操控扫描头运动的机械控制复杂，自身转动所引起的振动将导致一定的测量误差。
随着共焦技术的发展，单点共焦扫描逐渐被多点并行的扫描方式代替，其核心思想是用光分束器件将光束分成光点阵列，通过光学系统建立起光点阵列、物面和相机像面的共轭关系，每个光点作为一个共焦点进行成像。现有的多点并行探测技术主要有：Nipkow转盘法和微透镜阵列法。虽然Nipkow转盘法能大幅度提高扫描速度，但是其光能利用率较低，而且Nipkow盘转动会影响系统的稳定性和精度。微透镜阵列法是目前采用较多的一种方法，其光能利用率相对于Nipkow盘有大幅度提高，但是微透镜本身的制作工艺比较复杂，透镜焦距的一致性难以严格控制。无论Nipkow盘还是微透镜阵列，在它们制作好之后，其光学参数便难以改变，这就意味着基于这两种扫描方式的共焦检测系统较难改变测量参数。综上，上述方法提高了共焦成像的速度，但是由于制作困难，无法保证其光学性能的一致性和均匀性，因此在测量中引入较大的误差；且一旦制成，光学参数将无法更改，故难以适应不同的测量要求。
发明内容
本发明的目的在于提出一种数字微镜器件同时充当照明针孔和探测针孔，实现多点并行共焦成像模式。在满足高扫描速率和高光能利用率的同时，使系统能适应不同样品的成像要求，实现柔性测量；无机械振动的影响，提高了系统的稳定性。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：一种基于数字微镜阵列的并行共焦显微成像装置，包括照明单元、分光单元、数字微镜器件、筒镜、物镜、成像透镜、相机、位移台及中央控制装置；
所述照明单元包括光源、照明透镜；
所述分光单元包括二向色镜和发射片，二向色镜的通光范围与光源波长匹配且能够透射与之对应的光源并反射与之对应光源激发的荧光，发射片透射激发出的荧光；或，所述分光单元包括偏振分束器和四分之一波片，四分之一波片放置于筒镜与物镜之间；
所述数字微镜器件，设有若干可偏转的微镜，用于构成具有特定大小和周期的虚拟针孔阵列；
所述中央控制装置控制所述数字微镜器件上每一个微镜的偏转角度，使其置于“ON”态或“OFF”态；
光源发出的光经照明透镜、偏振分束镜或二向色镜照射到数字微镜器件表面，中央控制装置控制数字微镜器件上每个微镜的偏转角度，产生特定大小和周期的虚拟针孔阵列，“ON”态微镜反射的光调制为点光源阵列，经筒镜和物镜聚焦到被测物表面，从被测物表面返回的光经物镜和筒镜后照射到数字微镜器件表面，数字微镜器件的虚拟针孔阵列对返回光进行调制，滤去离焦剖面的返回光，只将共焦剖面的返回光经分光单元反射、再通过成像透镜后，被相机接收。
本发明利用数字微镜器件产生阵列，同时充当照明针孔和探测针孔，实现多点并行共焦成像模式。在满足高扫描速率和高光能利用率的同时，使系统能适应不同样品的成像要求，实现柔性测量；无机械振动的影响，提高了系统的稳定性。
下面对上述技术方案进一步解释：
所述位移台将放置于位移台上的被测物轴向移向或远离物镜。
所述中央控制装置控制数字微镜器件上的微镜的偏转角度，使其置于“ON”态或“OFF”态，置“ON”态或“OFF”态的规则如下，“ON”态微镜每行扫描T次，逐行扫描T次，其中T为数字微镜器件生成的虚拟针孔阵列的周期。
所述数字微镜器件的T2次扫描时间小于等于相机的曝光时间，即形成积分效应，直接得到共焦剖面的完整像，实现二维实时成像。
所述数字微镜器件的像素与相机像素之间的匹配关系为：满足数字微镜器件单个像素至少大于等于相机的两个像素。
所述光源为单色LED光源、多色LED光源、单色激光光源或多色激光光源。
所述分光单元可以采用以下方案：第一种方案是，二向色镜和发射片，发射片放于相机和成像透镜之间(或者成像透镜与二向色镜之间)，二向色镜的通光范围与光源波长匹配且能够透射与之对应的光源并反射与之对应光源激发的荧光，发射片透射激发出的荧光；第二种方案是偏振分束器和四分之一波片，四分之一波片放置于筒镜与物镜之间
一种上述的并行共焦显微成像装置的并行共焦显微成像方法，该方法具体包括如下步骤：
通过中央控制装置控制数字微镜器件上的微镜的偏转角度，使其置于“ON”态或“OFF”态，产生任意大小和周期的虚拟针孔阵列；置“ON”态或“OFF”态的规则如下，“ON”态微镜每行扫描T次，逐行扫描T次，其中T为数字微镜器件生成的虚拟针孔阵列的周期；经过T2次扫描后，完成对被测物共焦剖面的扫描。
所述数字微镜器件的T2次扫描时间小于等于相机的曝光时间，即形成积分效应，直接得到共焦剖面的完整像，实现二维实时成像。
所述中央控制装置控制位移台的轴向移动，实现三维扫描成像。
本发明的优点是：
本发明利用数字微镜器件产生阵列，同时充当照明针孔和探测针孔，实现多点并行共焦成像模式。在满足高扫描速率和高光能利用率的同时，使系统能适应不同样品的成像要求，实现柔性测量；无机械振动的影响，提高了系统的稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例技术中的技术方案，下面将对实施例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附图。
图1a是虚拟针孔大小为1×1的示意图；图1b是针孔大小为2×2的示意图；图1c是针孔大小为3×3的示意图。
图2从上到下分别是针孔大小为2×2，周期分别为2、4、6的数字微镜器件中微镜的状态示意图。
图3和图4是本发明的荧光成像光路结构示意图；
图5是本发明的反射光成像光路结构示意图；
图6是本发明的虚拟针孔阵列扫描示意图；
其中：光源1；照明透镜2；二向色镜31；数字微镜器件4；筒镜5；物镜6；被测物7；位移台8；成像透镜9；相机10；中央控制装置11；吸收板12；发射片32；偏振分束器33；四分之一波片34；“ON”态微镜41；“OFF”态微镜42。
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。
请参阅图3、4、5，本发明揭示了一种基于数字微镜阵列的并行共焦显微成像装置，所述系统包括：照明单元、分光单元、数字微镜器件4、筒镜5、物镜6、位移台8、成像透镜9、相机10及中央控制装置11。
照明单元包括光源1、照明透镜2；
图3中分光单元选择第一种方案，包括二向色镜31和发射片32，二向色镜31的通光范围与光源1波长匹配且能够透射与之对应的光源，并反射与之对应光源激发的荧光，发射片32透射激发出的荧光，位于二向色镜31与成像透镜9之间(而在图4的示例中，发射片32位于成像透镜9和相机10之间)；
光源1发出的光经照明透镜2、二向色镜31照射到数字微镜器件4表面，中央控制装置11控制数字微镜器件4上每个微镜的偏转角度，产生特定大小和周期的虚拟针孔阵列，“ON”态微镜41反射的光被调制为点光源阵列，经筒镜5和物镜6聚焦到被测物7表面，从被测物7返回的光经物镜6和筒镜5后照射到数字微镜器件4表面。通过中央控制装置11控制数字微镜器件4各个微镜的状态，从而产生不同大小和周期的虚拟针孔阵列。该虚拟针孔阵列对返回光进行调制，滤去离焦剖面的返回光，只将共焦剖面的返回光经二向色镜31反射、再通过成像透镜9后，被相机10接收。通过位移台8轴向移动被测物，实现被测物7的轴向扫描，从而实现被测物7的三维扫描成像。
增设吸收板12主要是为了吸收“OFF”态微镜42反射的光，避免其对成像产生干扰，如果不设置吸收板，可以专门设置一个光路将“OFF”态微镜42反射的光导向别处，只要其对成像不造成影响即可。
在实际应用中，中央控制装置11控制数字微镜器件4上的每个微镜的偏转角度，使其置于“ON”态或“OFF”态，置“ON”态或“OFF”态的规则如下，“ON”态微镜41每行扫描T次，逐行扫描T次，其中T为数字微镜器件产生虚拟针孔阵列的周期。
对于虚拟针孔的大小的理解，以正方形的虚拟针孔为例，图1a是虚拟针孔大小为1×1的示意图；图1b是针孔大小为2×2的示意图；图1c是针孔大小为3×3的示意图。代表1个、相邻2×2的4个、相邻3x3的9个微镜同时置于“ON”态。其它形式的针孔大小及形状也依此理安排。
对于虚拟针孔的周期，以针孔大小为2×2正方形的针孔为例，图2从上到下分别是针孔大小为2×2，周期分别为2、4、6的数字微镜器件中微镜的状态示意图。
如图6所示，该实例仅以针孔大小为1×1、周期T为2的虚拟针孔阵列为例，第一次扫描先将奇数行的奇数位微镜置“ON”态，其余微镜全部置“OFF”态；第二次扫描将奇数行的偶数位微镜置“ON”态，其余微镜全部置“OFF”态；第三次扫描将偶数行的奇数位微镜置“ON”态，其余微镜置“OFF”态；第四次扫描将偶数行的偶数位微镜置“ON”态，其余微镜置“OFF”态，从而完成所有微镜的扫描，扫描次数为周期T的平方。其他针孔大小和周期的阵列扫描同理，不再赘述。
在实际应用中，所述数字微镜器件4的T2次扫描时间小于等于相机10的曝光时间，即形成积分效应，直接得到共焦剖面的完整像，实现二维实时成像。再配合通过位移台8的轴向移动，实现三维扫描成像。位移台8可以是电动的，由中央控制装置11控制，也可以是手动的。
在实际应用中，数字微镜器件4与相机10像素间的匹配直接影响成像质量，故数字微镜器件4与相机10像素间的匹配需要满足一定关系。若数字微镜器件4单个像素的像过小，有可能导致其成像在相机10像素之间的空隙中，使测量失效；若数字微镜器件4单个像素的像过大，则相机10无法实现对数字微镜器件4的完整成像，因此，所述数字微镜器件4的像素与相机10像素之间的匹配关系需要满足数字微镜器件4单个像素至少大于等于相机10的两个像素。
在实际应用中，所述光源可以采用单色LED光源、多色LED光源、单色激光光源或多色激光光源。
在实际应用中，分光单元可以采用以下方案：第一种方案是，二向色镜和发射片，发射片放于相机和成像透镜之间(或者成像透镜与二向色镜之间)，二向色镜的通光范围与光源波长匹配且能够透射与之对应的光源并反射与之对应光源激发的荧光，发射片透射激发出的荧光；第二种方案是偏振分束器和四分之一波片，四分之一波片放置于筒镜与物镜之间；
当分光单元改为第二种方案时，如图5所示，分光单元由偏振分束器33和四分之一波片34构成，四分之一波片34放置于筒镜5与物镜6之间；由荧光成像改为反射光成像，不再赘述。
本发明还提供一种并行共焦显微成像装置的并行共焦显微成像方法，包括如下步骤：
通过中央控制装置11控制数字微镜器件4上的微镜的偏转角度，使其置于“ON”态或“OFF”态，产生任意大小和周期的虚拟针孔阵列；置“ON”态和“OFF”态的规则如下，“ON”态微镜每行扫描T次，逐行扫描T次，其中T为数字微镜器件4生成的虚拟针孔阵列的周期；经过T2次扫描后，完成对被测物7共焦剖面的扫描。
进一步的，所述数字微镜器件4的T2次扫描时间小于等于相机10的曝光时间，即形成积分效应，直接得到共焦剖面的完整像，实现二维实时成像。
进一步的，通过位移台8的轴向移动，实现三维扫描成像。
其过程是：以分光单元采用第二种方案为例，将被测物7放置于物镜6前，如位移台8上，光源1发出的光经照明透镜2、偏振分束镜33照射到数字微镜器件4表面，计算机中央控制装置11控制数字微镜器件4上每个微镜的偏转角度，产生特定大小和周期的虚拟针孔阵列，“ON”态微镜41反射的光被调制为点光源阵列，经筒镜5、四分之一波片34和物镜6聚焦到被测物7表面，从被测物7返回的光经物镜6和筒镜5后照射到数字微镜器件4表面。通过中央控制装置11控制数字微镜器件4各个微镜的状态，从而产生不同大小和周期的虚拟针孔阵列。该虚拟针孔阵列对返回光进行调制，滤去离焦剖面的返回光，只将共焦剖面的返回光经偏振分束镜33反射、再通过成像透镜9后，被相机10接收。通过位移台8轴向移动被测物，实现被测物7的轴向扫描，从而实现被测物7的三维扫描成像。
上述实施例中，可将数字微镜阵列的扫描方式换为其他任意排列的阵列。可以很方便更改成像参数，大大的扩展的设备的通用性。
上述实施例中，可将分光单元改为第二种方案时，分光单元由偏振分束器33和四分之一波片34构成，四分之一波片34放置于筒镜5与物镜6之间；由荧光成像改为反射光成像，不再赘述。
上述中央控制装置11可以采用嵌入式系统，按照设定的程序快速的进行控制成像，也可以采用计算机及控制程序，通过程序界面，进行参数的调控，并控制成像。
在具体应用中，位移台还可以采用以下结构：
一个托物盘，具有用于夹持被测物的夹持组件，例如分布于一个圆周上的3个及以上数量的凸起部，这些凸起部由伺服电机驱动，可以向该圆周的圆心移动及返回；
支撑架，用于支撑托物盘，且与托物盘之间通过一个转轴连接，转轴由一个伺服电机驱动，使得托物盘可以旋转，因此实现被测物的360°的正反旋转，以便控制成像的方向；
径向移动组件，包括径向移动导轨和径向底座，径向底座与导轨之间设有径向驱动装置，由伺服电机驱动径向底座在导轨上做径向来回移动，所谓径向来回移动，是指沿物镜的径向做靠近物镜或远离物镜的运动，所述支撑架安装于径向底座上，从而实现被测物的径向移动。
上述凸起部的前端，还可以设置两个呈Y形排布的小支臂，每个小支臂可以绕与凸起部连接点转动，且具有回复力，小支臂的顶端还可以设置手指状凸起，每个凸起顶端设有防滑的橡胶小凸点。这样，在夹持被测物时，小支臂的回复力提供柔和且可控的夹持力，加上指状突起及橡胶小凸点，提供更好的抱持及防滑作用。
这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相似部分互相参见即可。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制与本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种基于数字微镜阵列的并行共焦显微成像装置，其特征在于，包括照明单元、分光单元、数字微镜器件、筒镜、物镜、成像透镜、相机及中央控制装置；
所述照明单元包括光源、照明透镜；
所述分光单元包括二向色镜和发射片；或，所述分光单元包括偏振分束器和四分之一波片
所述数字微镜器件，设有若干可偏转的微镜，用于构成具有特定大小和周期的虚拟针孔阵列；
所述中央控制装置控制数字微镜器件上每一个微镜的偏转角度，使其置于“ON”态或“OFF”态；
所述中央控制装置与所述数字微镜器件、相机分别相互电联接；
光源发出的光经照明透镜、二向色镜或偏振分束镜照射到数字微镜器件表面，中央控制装置控制数字微镜器件上每个微镜的偏转角度，产生特定大小和周期的虚拟针孔阵列，“ON”态微镜反射的光调制为点光源阵列，经筒镜和物镜聚焦到被测物表面，从被测物表面返回的光经物镜和筒镜后照射到数字微镜器件表面，数字微镜器件的虚拟针孔阵列对返回光进行调制，滤去离焦剖面的返回光，只将共焦剖面的返回光经分光单元反射、再通过成像透镜后，被相机接收。
2.根据权利要求1所述的基于数字微镜阵列的并行共焦显微成像装置，其特征在于，中央控制装置控制数字微镜器件上的微镜的偏转角度，使其置于“ON”态或“OFF”态，置“ON”态或“OFF”态的规则如下，“ON”态微镜每行扫描T次，逐行扫描T次，其中T为数字微镜器件生成的虚拟针孔阵列的周期。
3.根据权利要求1所述的基于数字微镜阵列的并行共焦显微成像装置，其特征在于，所述光源为单色LED光源、多色LED光源、单色激光光源或多色激光光源。
4.根据权利要求1所述的基于数字微镜阵列的并行共焦显微成像装置，其特征在于，所述偏振分束器及二向色镜，分别对应反射光成像及荧光成像。
5.一种权利要求1所述的并行共焦显微成像装置的并行共焦显微成像方法，其特征在于，该方法具体包括如下步骤：
通过中央控制装置控制数字微镜器件上的微镜的偏转角度，使其置于“ON”态或“OFF”态，产生任意大小和周期的虚拟针孔阵列；置“ON”态或“OFF”态的规则如下，“ON”态微镜每行扫描T次，逐行扫描T次，其中T为数字微镜器件生成的虚拟针孔阵列的周期；经过T2次扫描后，完成对被测物共焦剖面的扫描。
6.根据权利要求3或5所述的基于数字微镜阵列的并行共焦显微成像装置，其特征在于，所述数字微镜器件的T2次扫描时间小于等于相机的曝光时间，即形成积分效应，直接得到共焦剖面的完整像，实现二维实时成像。
7.根据权利要求1-6任一所述的基于数字微镜阵列的并行共焦显微成像装置，其特征在于，所述数字微镜器件的像素与相机像素之间的匹配关系为：满足数字微镜器件单个像素至少大于等于相机的两个像素。
8.一种权利要求1所述的并行共焦显微成像装置的并行共焦显微成像方法，其特征在于，该方法具体包括如下步骤：
通过中央控制装置控制数字微镜器件上的微镜的偏转角度，使其置于“ON”态或“OFF”态，产生任意大小和周期的虚拟针孔阵列；置“ON”态或“OFF”态的规则如下，“ON”态微镜每行扫描T次，逐行扫描T次，其中T为数字微镜器件生成的虚拟针孔阵列的周期；经过T2次扫描后，完成对被测物共焦剖面的扫描。
9.根据权利要求7所述的并行共焦显微成像装置的并行共焦显微成像方法，其特征在于，所述数字微镜器件的T2次扫描时间小于等于相机的曝光时间，即形成积分效应，直接得到共焦剖面的完整像，实现二维实时成像。
10.根据权利要求8所述的并行共焦显微成像装置的并行共焦显微成像方法，其特征在于，通过设置可移动的位移台的轴向移动，并将被被测物放置于位移台上，实现三维扫描成像。
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