CN109342328A - 一种内置扫描型显微高光谱成像系统及成像方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种内置扫描型显微高光谱成像系统及成像方法，解决现有空间扫描型显微光谱成像技术中存在的成像光学参数不匹配和系统集成难度大问题。其包括显微成像系统、转接口、内置扫描光谱成像仪和上位机；内置扫描光谱成像仪通过转接口与显微成像系统连接，内置扫描光谱成像仪将信号传输给上位机；内置扫描光谱成像仪包括箱体和均设置在箱体内的高光谱成像仪、直线位移台、驱动装置、驱动控制板；高光谱成像仪安装在直线位移台上，且通过转接口与显微成像系统连接，直线位移台通过驱动装置移动；上位机实现对驱动装置的运动控制及图像数据的采集与分析。同时，本发明还提供一种基于上述内置扫描型显微高光谱成像系统的成像方法。
Description
技术领域
本发明涉及光学成像技术领域，具体涉及一种内置扫描型显微高光谱成像系统及成像方法。
背景技术
显微成像技术在生物医学研究、疾病诊断、细胞检测、化学、物质分类、刑侦等领域有广泛的应用。然而显微成像技术只能提供被观测物的形态学计量，不能进一步给出物质的组成成分信息。光谱分析技术则是利用被观察物质的发射、吸收、散射光谱特征，对物质属性进行确定。显微高光谱成像技术是在现有显微成像技术的基础上，结合目前发展迅速的光谱分析技术而产生的一种新型显微成像技术，它是光谱分析技术和显微成像技术的有机结合，可以同时提供待观察目标的二维空间信息和一维光谱信息，同时配合一定的数据分析处理算法，能够实现物质组成成份定性、定量、定位的综合分析。该技术可以应用于生物医学疾病诊断、病理学与组织学研究、药物分析、食品卫生、司法刑侦等领域，将成为一种关键的物质定性与定量分析手段。
现有的显微光谱成像技术手段主要有三大类：
第一类是基于时间维扫描型的显微光谱成像技术，此类技术主要的分光手段有声光可调谐滤光片(AOTF)、液晶可调谐滤光片(LCTF)和旋转滤光片分光。公开号为CN102226756A的发明公开了一种基于声光可调谐滤波器(AOTF)的显微光谱成像装置；公开号为CN10706019A、CN103323410的发明公开了一种基于液晶可调谐滤光片(LCTF)的显微光谱成像装置。基于AOTF分光的方法具有分光简单、可调谐波段宽、调谐速度快，无运动机构等优点，但是该器件在带宽调谐时存在空间像移，造成成像模糊，这对于显微成像系统来说是非常有害的。基于LCTF分光的方法同样具有分光简单，无运动部件的优点，并且容易与显微镜进行集成的优点，但是该器件波段范围一般较窄，严重限制了系统的可探测谱段，并且存在光谱透过率低的缺点，进而严重影响了系统的信噪比与成像的清晰度。公开号为CN102589694的发明公开了一种可调带通滤光片装置的多光谱显微图像获取装置，该分光方法可使用的波段受限于滤光片轮上所安装的滤光片数量，只能实现有限几个波段的变换，不能实现宽波段连续波长范围内的谱段变换，一定程度上大大降低了对待观察物质的分类精度。
第二类是基于光纤光谱仪的显微光谱成像技术，例如公开号为CN203965043和CN201494613的发明，该原理的显微光谱成像技术是将光纤光谱仪与显微镜结合，该技术虽然可以得到待测目标的光谱数据，但是存在两个局限性：(1)当待测目标比较复杂而不是单一的目标时，得到的光谱数据会出现混叠，从而使得光谱数据不能真实反应待测目标的真实属性；(2)图像信息与光谱信息不能同时获取，即便做到同时获取，而得到的光谱数据为观察视场中所有目标光谱信息的积分值，从而不能确定为到底是观察视场中对应的哪一点的光谱数据。
第三类是空间扫描型的显微光谱成像技术，此类技术主要的分光手段有棱镜、光栅或者棱镜与光栅组合分光。公开号为CN1563947A与CN103411934A的发明均采用国外标准化商业分光产品ImSpector实现分光，并需要在现有显微镜载物台上增加精密电控推扫机构以实现另外一维空间信息的获取，该方法可具有光谱范围宽，光谱分辨率高，系统透过率高等优点，但此类技术存在如下两个方面的问题：
1.成像光学参数不匹配。直接采用国外标准化商业分光产品与显微镜结合时，由于商业分光产品一般是应用于远距离成像的照相系统，而不是为显微成像系统而设计，因此商业分光产品的数值孔径难以与显微物镜相匹配，从而影响了成像质量。
2.系统集成难度大。公开号为CN1563947A与CN103411934A的发明为得到显微高光谱图像，需要对现有显微镜载物台进行改造，即将标准显微镜上的手动载物台用电控载物台替换掉，受安装空间及重载重量的限制，实现难度较大，且系统改动较大，使得系统结构比较复杂，集成度不高。
发明内容
本发明的目的是解决现有空间扫描型显微光谱成像技术中存在成像光学参数不匹配和系统集成难度大的问题，提供一种内置扫描型显微高光谱成像系统及成像方法。
本发明的技术方案是：
一种内置扫描型显微高光谱成像系统，包括显微成像系统、转接口、内置扫描光谱成像仪和上位机；所述内置扫描光谱成像仪通过转接口与显微成像系统连接，内置扫描光谱成像仪将信号传输给上位机；所述内置扫描光谱成像仪包括箱体和设置在箱体内的高光谱成像仪、直线位移台、驱动装置、驱动控制板；所述高光谱成像仪安装在直线位移台上，且通过转接口与显微成像系统连接，直线位移台通过驱动装置产生直线位移；上位机通过驱动控制板实现对驱动装置的运动控制及图像数据的采集与分析。
进一步地，所述高光谱成像仪包括依次设置的狭缝、准直镜、分光元件、成像镜和面阵探测器。
进一步地，所述分光元件为光栅、棱镜或光栅与棱镜的组合，所述面阵探测器为面阵CCD相机。
进一步地，所述高光谱成像仪通过第一固定座安装在直线位移台上。
进一步地，所述显微成像系统包括依次设置的照明光源、载物台、显微物镜和目镜。
进一步地，所述转接口为标准C接口。
进一步地，所述上位机通过数据传输线与内置扫描光谱成像仪传输信号。
同时，本发明还提供一种基于上述内置扫描显微高光谱成像系统的成像方法，包括以下步骤：
1)用显微成像系统的照明光源将载物台上待观察目标照明；
2)通过待观察目标的光束进入内置扫描光谱成像仪，依次通过狭缝、准直镜、分光元件、成像镜在面阵探测器上得到狭缝条带视场目标的一维空间信息与光谱信息；
3)通过上位机控制驱动装置工作，使直线位移台移动，从而实现对待观察目标另外一维空间信息的获取；
4)对待观察目标的图像与光谱数据进行分析与处理。
进一步地，步骤2)中的分光元件为光栅、棱镜或光栅与棱镜的组合。
进一步地，步骤2)中的面阵探测器为面阵CCD相机。
本发明与现有技术相比，具有以下技术效果：
1.本发明在设计分光模块时做到与显微物镜数值孔径的完全匹配，降低了杂散光对成像质量的影响，大大提高了系统成像的清晰度。
2.本发明系统具有系统集成度高、结构简单的特点，与显微镜连接时只需要通过一个转接口即可实现与现有显微成像系统集成，可快速实现系统的安装、调试与拆卸，同时该内置扫描光谱成像仪具有便携性的技术特点。
3.本发明提供一种新型空间扫描型的显微光谱成像技术，系统采用内置扫描原理，可得到待观察目标的光谱信息与图像信息。
附图说明
图1为本发明高光谱显微成像系统结构示意图；
图2为本发明中内置扫描光谱成像仪内部各部件安装及连接方式示意图；
图3为本发明中高光谱成像仪工作原理示意图；
图4为本发明中电控直线位移台工作原理示意图。
附图标记：1-显微成像系统，2-内置扫描光谱成像仪，3-数据传输线，4-上位机，5-转接口，11-照明光源，12-载物台，13-显微物镜，14-目镜，21-高光谱成像仪，22-第一固定座，23-直线位移台，24-充电电源，25-第二固定座，26-驱动装置，27-箱体，28-驱动控制板，29-电源开关，211-狭缝，212-准直镜，213-分光元件，214-成像镜，215-面阵探测器。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述。
本发明提供一种新型的空间扫描型的显微光谱成像技术，系统采用内置扫描原理，光谱信息与图像信息同时获取。该技术路线具有光谱范围宽、成像清晰度高、系统能量利用率高、系统集成度高、结构简单等优点，同时，该套系统只需要通过一个简单的转接口即可实现与现有显微成像系统的系统集成，并且具有便携性的技术优势。
如图1所示，本发明系统由显微成像系统1、内置扫描光谱成像仪2、上位机4、数据传输线3和转接口5组成，内置扫描光谱成像仪2通过转接口5与显微成像系统1连接，转接口5具体可采用标准C接口，上位机4通过数据传输线3与内置扫描光谱成像仪2连接，进行数据信号的传输。显微成像系统1为现有系统，包括依次设置的照明光源11、载物台12、显微物镜13、目镜14。
如图2所示，内置扫描光谱成像仪2主要由箱体27和均设置在箱体27内的高光谱成像仪21、第一固定座22、直线位移台23、驱动装置26、驱动控制板28、充电电源24、第二固定座25、电源开关29组成。直线位移台23具体为电控直线位移台23，驱动装置26具体可采用步进电机。高光谱成像仪21包括依次设置的狭缝211、准直镜212、分光元件213、成像镜214和面阵探测器215。分光元件213具体可为光栅、棱镜或光栅与棱镜的组合，面阵探测器215具体可为面阵CCD相机。
高光谱成像仪21通过第一固定座22安装在直线位移台23上，并安装于高光谱成像仪的箱体27内，且通过转接口5与显微成像系统1连接，直线位移台23通过驱动装置26驱动；驱动装置26具体的可通过蜗轮蜗杆或齿轮齿条等装置驱动直线位移台23移动，即采用将旋转运动转变为直线运动的装置均可。上位机4通过驱动控制板28实现对驱动装置26的运动控制及图像数据的采集与分析。充电电源24通过第二固定座25设置在箱体27内，为系统的其它装置提供电源，电源开关29安装于高光谱成像仪箱体27后面板之上，用于控制内置扫描光谱成像仪2的开关机。
高光谱成像仪工作原理示意图如图3所示，电控直线位移台工作原理如图4所示，上位机4实现对步进电机运动速度、运动方向的控制以及面阵CCD相机图像数据的采集与分析。
内置扫描型显微高光谱成像系统工作原理：照明光源11将载物台12上待观察目标均匀照明，通过待观察目标的光束进入内置扫描光谱成像仪2，即依次通过狭缝211、准直镜212、分光元件213、成像镜214在面阵CCD相机上得到狭缝211条带视场目标的一维空间信息与光谱信息。通过上位机4发送指令给驱动控制板，驱动控制板控制步进电机转动从而带动直线位移台23移动，从而实现光谱成像仪另外一维空间信息的获取，同时通过上位机4光谱成像仪数据采集完成图像数据的采集，最后通过后端数据分析处理软件完成对观察目标图像与光谱数据的分析与处理。
本发明提供的一种内置扫描显微高光谱成像方法，包括以下步骤：
1)用显微镜照明光源将载物台上待观察目标照明；
2)通过待观察目标的光束进入内置扫描光谱成像仪，即依次通过狭缝、准直镜、分光元件、成像镜在面阵探测器上得到狭缝条带视场目标的一维空间信息与光谱信息；
3)通过上位机控制步进电机工作，直线位移台移动，从而实现对待观察目标另外一维空间信息的获取；
4)对待观察目标的图像与光谱数据进行分析与处理。
Claims (10)
1.一种内置扫描型显微高光谱成像系统，其特征在于：包括显微成像系统(1)、转接口(5)、内置扫描光谱成像仪(2)和上位机(4)；
所述内置扫描光谱成像仪(2)通过转接口(5)与显微成像系统(1)连接，内置扫描光谱成像仪(2)将信号传输给上位机(4)；
所述内置扫描光谱成像仪(2)包括箱体(27)和设置在箱体(27)内的高光谱成像仪(21)、直线位移台(23)、驱动装置(26)、驱动控制板(28)；
所述高光谱成像仪(21)安装在直线位移台(23)上，且通过转接口(5)与显微成像系统(1)连接，直线位移台(23)通过驱动装置(26)移动；
上位机(4)通过驱动控制板(28)实现对驱动装置(26)的运动控制及图像数据的采集与分析。
2.根据权利要求1所述的内置扫描型显微高光谱成像系统，其特征在于：所述高光谱成像仪(21)包括依次设置的狭缝(211)、准直镜(212)、分光元件(213)、成像镜(214)和面阵探测器(215)。
3.根据权利要求2所述的内置扫描型显微高光谱成像系统，其特征在于：所述分光元件(213)为光栅、棱镜或光栅与棱镜的组合，所述面阵探测器(215)为面阵CCD相机。
4.根据权利要求3所述的内置扫描型显微高光谱成像系统，其特征在于：所述高光谱成像仪(21)通过第一固定座(22)安装在直线位移台(23)上。
5.根据权利要求1至4任一所述的内置扫描型显微高光谱成像系统，其特征在于：所述显微成像系统(1)包括依次设置的照明光源(11)、载物台(12)、显微物镜(13)和目镜(14)。
6.根据权利要求5所述的内置扫描型显微高光谱成像系统，其特征在于：所述转接口(5)为标准C接口。
7.根据权利要求6所述的内置扫描型显微高光谱成像系统，其特征在于：所述上位机(4)通过数据传输线(3)与内置扫描光谱成像仪(2)传输信号。
8.一种基于权利要求1至7任一所述内置扫描型显微高光谱成像系统的成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)用显微成像系统的照明光源将载物台上待观察目标照明；
2)通过待观察目标的光束进入内置扫描光谱成像仪，依次通过狭缝、准直镜、分光元件、成像镜在面阵探测器上得到狭缝条带视场目标的一维空间信息与光谱信息；
3)通过上位机控制驱动装置工作，使直线位移台移动，从而实现对待观察目标另外一维空间信息的获取；
4)对待观察目标的图像与光谱数据进行分析与处理。
9.根据权利要求8所述的内置扫描型显微高光谱成像方法，其特征在于：步骤2)中所述的分光元件为光栅、棱镜或光栅与棱镜的组合。
10.根据权利要求8或9所述的内置扫描型显微高光谱成像方法，其特征在于：步骤2)中所述的面阵探测器为面阵CCD相机。
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