CN109061860A - 一种便携式高分辨显微成像系统 - Google Patents

一种便携式高分辨显微成像系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种便携式高分辨显微成像系统，在满足传统基于手机摄像头的显微成像系统便携性的同时，提供了更高分辨率的显微成像，其特征在于，包括：拍摄装置，具有摄像头以及通信模块；光源装置，用于提供进行所述高分辨成像所需的光源；以及高分辨装置，包括物镜模块以及密封微球阵列模块，其中，所述物镜模块设置在摄像头上，物镜模块为具有1～4倍放大率的单个物镜或多个物镜组成的物镜组，密封微球阵列模块设置在物镜模块上，该密封微球阵列模块的上表面为样本放置面，密封微球阵列模块为密封在密封材料中的固体浸没式单层微球阵列，微球阵列由多个微球沿直线排列的微球列平行交错排布形成。

Description

一种便携式高分辨显微成像系统
技术领域
本发明涉及一种显微成像系统，具体涉及一种便携式高分辨显微成像系统。
背景技术
随着智能手机内置摄像系统的进步、处理器处理性能的上升，在一些辅助软件与附加设备的帮助下，手机被广泛应用在了许多研究领域中。
基于手机摄像头的显微成像系统被用于高分辨率的显微成像，在日常生活中也能够被广泛的应用，其具有便携、可联网传输数据等优点。
市面上传统的基于手机摄像头的便携式高分辨率显微镜大多采用简易的荧光显微成像结构，分辨率一般仅能达到微米量级；具备复杂光路、仪器式的手机显微镜分辨率最高可以达到400nm，但是与典型的高分辨显微镜相比仍然有很大差距。
发明内容
为解决上述问题，本发明采用了如下技术方案：
一种便携式高分辨显微成像系统，用于对样本进行高分辨成像，其特征在于，包括：拍摄装置，具有摄像头以及通信模块；光源装置，用于提供进行所述高分辨成像所需的光源；以及高分辨装置，包括物镜模块以及密封微球阵列模块，其中，所述物镜模块设置在摄像头上，物镜模块为具有1～4倍放大率的单个物镜或多个物镜组成的物镜组，密封微球阵列模块设置在物镜模块上，该密封微球阵列模块的上表面为样本放置面，密封微球阵列模块为密封在密封材料中的固体浸没式单层微球阵列，微球阵列由多个微球沿直线排列的微球列平行交错排布形成，密封材料的折射率为1.5以下，构成微球的材料的折射率为1.9以上。
本发明提供的便携式高分辨显微成像系统，还可以具有这样的技术特征，还包括，滤光装置，具有第一滤光片以及第二滤光片，其中，光源装置为荧光激发装置，用于提供激发样本的荧光的激发光源，第一滤光片放置在物镜模块与密封微球阵列模块之间，第二滤光片放置在光源装置与样本之间。
本发明提供的便携式高分辨显微成像系统，还可以具有这样的技术特征，其中，第一滤光片以及第二滤光片均为窄带通滤光片，第一滤光片的窄带中心波长对应光源发出的激发光中心波长，第二滤光片的窄带中心波长对应样本发出的荧光中心波长。
本发明提供的便携式高分辨显微成像系统，还可以具有这样的技术特征，其中，物镜模块为由多片微透镜构成的透镜组、单个玻璃球透镜或单个渐变折射率透镜。
本发明提供的便携式高分辨显微成像系统，还可以具有这样的技术特征，其中，摄像头、物镜模块以及密封微球阵列模块之间依次紧密层叠并固定。
本发明提供的便携式高分辨显微成像系统，还可以具有这样的技术特征，其中，摄像头、物镜模块、密封微球阵列模块以及第一滤光片之间依次紧密层叠并固定。
本发明提供的便携式高分辨显微成像系统，还可以具有这样的技术特征，其中，激发光源为激光光源、LED光源或是气体光源。
发明作用与效果
根据本发明的便携式高分辨显微成像系统，在传统成像物镜的基础上增加了一个微球阵列层，该微球阵列中的微球紧贴在样品上，因此微球可以将携带样品的超分辨结构信息的一部分倏逝波分量以传播波的形式耦合进光路，并参与成像，这样可以清楚的分辨出样品细节，提高分辨率；同时由于本系统的组成结构简单，并采用结构紧凑化、模块化的思想，实现对待测样本的高分辨显微成像的同时，又具备光学元件少、小型、便携的特点。
附图说明
图1是本发明的实施例一中显微成像系统的结构示意图；
图2是本发明的实施例一中密封微球阵列模块的结构示意图；以及
图3是本发明的实施例二中显微成像系统的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图来说明本发明的具体实施方式。
<实施例一>
在本实施例一中，本实施例一提供的显微成像系统可以实现对样本的高分辨成像。
图1是本发明的显微成像系统的显微成像工作的结构示意图；
如图1所示，显微成像系统100包括拍摄装置1、光源装置2以及高分辨装置3，用于进行高分辨成像的样本4以及用于接收图像的终端装置5。
拍摄装置1包括摄像头11以及通信模块12，通信模块12具有将摄像头11拍摄的图像向终端装置5发送的功能。
光源装置2用于提供高分辨成像需要的光源，在本实施例中的光源装置2可以是任意的能满足显微成像时的光照需求的发光体，例如，太阳光或是传统的照明光源。
高分辨装置3用于对摄像头11提供高分辨率的成像辅助，包括物镜模块31以及密封微球阵列模块32。
摄像头11、物镜模块31以及密封微球阵列模块32可以依次层叠紧密组合，并通过支架或是外壳将结构固定。
其中，物镜模块31为单个物镜或多个物镜组成的物镜组，设置在摄像头11上，物镜模块31为摄像头11提供基础的放大效果，具有一倍至四倍的放大率。
物镜模块31为包括多片微透镜的透镜组、一个玻璃球透镜或一个渐变折射率透镜。
密封微球阵列模块32为密封在低折射率材料中的固体浸没式单层高折射率微球阵列，设置在物镜模块31上，密封微球阵列模块32提供高倍率的放大效果。
图2是密封微球阵列模块32的结构示意图：
如图2所示，密封微球阵列模块32中的微球321相互交错排布，并密封在材料322中。
材料322密封后，密封微球阵列模块32的厚度也不会超过单个微球321的直径。
密封微球阵列模块32的上表面为样本放置面，其中，每个微球321都各自具有三倍至六倍的放大率，微球321紧贴样本4，将携带样品4的超分辨结构信息的一部分倏逝波分量以传播波的形式耦合进光路参与成像，每个微球相当于一个成像通道，一次成像相当于由多个成像通道组成，从而清楚的分辨出样品细节，提高分辨率。
微球321的构成材料为高折射率的材料，折射率在1.9以上，例如，一种典型的高折射率材料是钛酸钡。
材料322的构成材料为低折射率的材料，折射率在1.5以下，例如，一种典型的低折射率材料是PDMS。
以实施例一所搭建的光学系统，工作方式如下：
1)将拍摄装置1、物镜模块31以及密封微球阵列模块32依次层叠放置。
2)检查光路。若视场内较暗，可以在密封微球阵列模块32的上方放置光源装置2，确保系统可以正常工作。
3)放入样本4，即可通过拍摄装置1采集到样本4的显微图像。此时可以将显微图像储存并利用拍摄装置1的通信模块12上传至终端5，进行图像的处理与分析。
<实施例二>
在本实施例二中，对于与实施例相同的结构，给予相同的符号并省略相同的说明。
在本实施例二中，本实施例二提供的显微成像系统可以实现对样本的荧光显微成像。
图3是本发明的实施例二中显微成像系统的结构示意图。
如图3所示，本实施例的显微成像系统100还具有滤光装置。另外，本实施例的光源装置2为荧光激发装置，用于提供激发荧光的激发光源；样本4中注入有荧光物质，用于响应光源装置2产生的激发光，使该荧光物质激发并放出荧光。
激发光源为激光光源、LED光源或是各种气体光源。
滤光装置包括第一滤光片61以及第二滤光片62。
其中，第一滤光片61设置在物镜模块与密封微球阵列模块之间，第二滤光片62设置在样本4与光源装置2之间。
第一滤光片61与第二滤光片62均为窄带通滤光片。
第一滤光片61的窄带中心波长对应激发样本4荧光的激发光中心波长，第二滤光片62的窄带中心波长对应样本4发出的荧光中心波长。
摄像头11、物镜模块31、第一滤光片61以及密封微球阵列模块32可以依次层叠紧密组合，并与第二滤光片62通过支架或是外壳将结构固定。
以实施例二所搭建的光学系统，工作方式如下：
1)将拍摄装置1、物镜模块31以及密封微球阵列模块32依次层叠放置，检查激发光源输出是否稳定、光束是否符合要求。
2)检查光路。完毕后可以打开光源装置2，通过拍摄装置1观察光斑效果，对物镜模块31以及密封微球阵列模块32的位置进行微调，确保系统可以正常工作。
3)放入样本4，在对应位置分别放置第一滤光片61、第二滤光片62，打开光源装置2，即可通过拍摄装置1采集到样本的荧光显微图像。此时可以将荧光显微图像储存并利用通信模块12上传至终端5，进行图像的处理与分析。
实施例作用与效果
根据本实施例提供的便携式高分辨显微成像系统，在传统成像物镜的基础上增加了一个微球阵列层，该微球阵列中的微球紧贴在样品上，因此微球可以将携带样品的超分辨结构信息的一部分倏逝波分量以传播波的形式耦合进光路，并参与成像，这样可以清楚的分辨出样品细节，提高分辨率；同时由于本系统的组成结构简单，并采用结构紧凑化、模块化的思想，实现了对待测样本的高分辨显微成像的同时，又具备光学元件少、小型、便携的特点。
实施例中，显微成像系统还包括有滤光装置以及荧光激发装置，通过所述装置，显微成像系统可以进行对样本的荧光成像。
实施例中，第一滤光片的窄带中心波长对应光源发出的激发光中心波长，第二滤光片的窄带中心波长对应样本发出的荧光中心波长。第一滤光片用于滤去激发光从而不影响荧光的成像，第二滤光片用于过滤激发光源发出的激发波长以外的光，避免激发光中含有样品荧光的波长从而影响成像的效果。
实施例中，物镜模块为由多片微透镜构成的透镜组、单个玻璃球透镜或单个渐变折射率透镜，用以提供基础的放大效果以及对密封微球阵列的光路进行耦合。
实施例中，根据实施例一的显微成像系统，其摄像头、物镜模块以及密封微球阵列模块之间依次紧密层叠并固定，保证结构的稳定，从而保护成像效果。
实施例中，根据实施例二的显微成像系统，其摄像头、物镜模块、第一滤光片以及密封微球阵列模块之间依次紧密层叠并固定，保证结构的稳定，从而保护成像效果。
实施例中，荧光激发装置提供的激发光源为激光光源、LED光源或是气体光源，可以产生激发光激发样本中的荧光物质，从而观测样本的荧光图像。

Claims (7)

1.一种便携式高分辨显微成像系统，用于对样本进行高分辨成像，其特征在于，包括：
拍摄装置，具有摄像头以及通信模块；
光源装置，用于提供进行所述高分辨成像所需的光源；以及
高分辨装置，包括物镜模块以及密封微球阵列模块，
其中，所述物镜模块设置在所述摄像头上，
所述物镜模块为具有1～4倍放大率的单个物镜或多个物镜组成的物镜组，
所述密封微球阵列模块设置在所述物镜模块上，该密封微球阵列模块的上表面为样本放置面，
所述密封微球阵列模块为密封在密封材料中的固体浸没式单层微球阵列，
所述微球阵列由多个微球沿直线排列的微球列平行交错排布形成，
所述密封材料的折射率为1.5以下，
构成所述微球的材料的折射率为1.9以上。
2.根据权利要求1所述的，其特征在于，还包括：
滤光装置，具有第一滤光片以及第二滤光片，
其中，所述光源装置为荧光激发装置，用于提供激发所述样本的荧光的激发光源，
所述第一滤光片放置在所述物镜模块与所述密封微球阵列模块之间，
所述第二滤光片放置在所述荧光激发装置与所述样本之间。
3.根据权利要求2所述的，其特征在于：
其中，所述第一滤光片以及所述第二滤光片均为窄带通滤光片，
所述第一滤光片的窄带中心波长对应所述激发光源发出的激发光中心波长，
所述第二滤光片的窄带中心波长对应所述样本发出的荧光中心波长。
4.根据权利要求1所述的，其特征在于：
其中，所述物镜模块为由多片微透镜构成的透镜组、单个玻璃球透镜或单个渐变折射率透镜。
5.根据权利要求1所述的，其特征在于：
其中，所述摄像头、所述物镜模块以及所述密封微球阵列模块之间依次紧密层叠并固定。
6.根据权利要求2所述的，其特征在于：
其中，所述摄像头、所述物镜模块、所述密封微球阵列模块以及所述第一滤光片之间依次紧密层叠并固定。
7.根据权利要求2所述的，其特征在于：
其中，所述激发光源为激光光源、LED光源或是气体光源。
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