CN109596587A - 双层同时成像的光学系统及其图像处理方法、设备、介质 - Google Patents

Abstract

本发明提供双层同时成像的光学系统，包括激光器、耦合器、平面反光镜、第一透镜、二向色镜、显微物镜、分光板、第二透镜、第一CCD相机、第三透镜、第二CCD相机。本发明还涉及双层同时成像的光学系统的图像处理方法、存储介质、电子设备。本发明通过激光器激被测物上荧光剂的碱基发出不同波段的荧光，经过光学系统调制后在两个CCD相机上同时对双层被测物成像。本发明能够对带有两层微流道结构的生物芯片双层同时成像，缩短了成像周期，提高了成像效率，光学系统的整体结构简单且易于搭建，并能够根据CCD相机捕获的图像恢复所测物面图像，确保了成像结果的质量。

Description

双层同时成像的光学系统及其图像处理方法、设备、介质

技术领域

本发明属于微流道生物芯片的光学成像技术领域，是一种对带有两层微流道结构的生物芯片双层同时成像的光学系统及其图像处理方法。

背景技术

目前，微流道生物芯片技术广泛应用于对微生物、微细胞的成像以及基因测序等领域。通过与相应的光学系统组合，此技术可以快速测量、存贮、显示流经微流道中的微小探测物的一系列重要的生物物理、生物化学方面的特征参量，并可以根据预选的参量把选定的被测物显示出来。但现有的光学系统仅能对微流道生物芯片单层成像，无法实现对带有两层微流道结构的生物芯片双层同时成像，成像周期长，工作效率低，且现有的光学系统结构复杂，不易于搭建。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提出的一种目标区域最优影像选择方法，解决了现有的光学系统仅能对微流道生物芯片单层成像，无法实现对带有两层微流道结构的生物芯片双层同时成像，成像周期长，工作效率低，且现有的光学系统结构复杂，不易于搭建的问题。

本发明提供双层同时成像的光学系统，包括激光器、耦合器、平面反光镜、第一透镜、二向色镜、显微物镜、分光板、第二透镜、第一CCD相机、第三透镜、第二CCD相机；其中，

所述激光器用于发射激发设有双层微流道结构的生物芯片上被测物的激光，所述被测物采用若干种荧光剂标记；

所述耦合器用于准直所述激光器发射的激光，形成激光光路；

所述平面反光镜用于改变所述激光光路的方向，形成折转光路；

所述第一透镜用于将所述折转光路的激光进行扩束；

所述二向色镜用于反射经所述第一透镜扩束后的激光并透射所述被测物产生的荧光信号；

所述显微物镜用于将由所述二向色镜反射后的激光准直成平行光束垂直入射到所述生物芯片上第一层被测物和第二层被测物上，并汇聚由所述第一层被测物和所述第二层被测物发出的荧光信号；

所述分光板用于将所述显微物镜汇聚的荧光信号的一部分反射至所述第二透镜，形成第一光路，将所述显微物镜汇聚的荧光信号的另一部分透射至所述第三透镜，形成第二光路；

所述第二透镜用于与物镜配合汇聚所述分光板反射的荧光信号，对所述生物芯片上第一层被测物产生的荧光信号进行成像；

所述第一CCD相机用于拍摄由所述第二透镜所成的像；

所述第三透镜用于与物镜配合汇聚所述分光板透射的荧光信号，对所述生物芯片上第二层被测物产生的荧光信号进行成像；

所述第二CCD相机用于拍摄由所述第三透镜所成的像。

进一步地，还包括针孔光阑，所述针孔光阑用于过滤经所述第一透镜扩束后的激光中的离轴激光。

进一步地，所述分光板表面镀有半反半透膜，所述分光板将所述显微物镜汇聚的荧光信号的一半反射至所述第二透镜，将所述显微物镜汇聚的荧光信号的另一半透射至所述第三透镜。

进一步地，所述分光板相对于所述生物芯片成45°角。

进一步地，所述第二透镜与所述第三透镜相对于所述分光板对称。

进一步地，所述第一光路与所述第二光路的光强相等，所述第一光路与所述第二光路之间的夹角为90°。

进一步地，所述第一CCD相机位于所述第一层被测物产生的荧光信号聚焦点位置处；所述第二CCD相机位于所述第二层被测物产生的荧光信号聚焦点位置处。

双层同时成像的光学系统的图像处理方法，包括以下步骤：

S0、获取图像函数，获取第一CCD相机接收到的图像函数，记为第一图像函数，获取第二CCD相机接收到的图像函数，记为第二图像函数，图像函数具体公式如下：

其中，g₁(x,y)为第一图像函数，f₁(x,y)为生物芯片上第一层被测物的图像函数，g₂(x,y)为第二图像函数，f₂(x,y)为所述生物芯片上第二层被测物的图像函数，H(x,y)为点扩散函数psf(x,y)；

S1、重复迭代图像函数，设定无限小，则所述第一图像函数为：

g₁(x,y)＝f₁(x,y)

将g₁(x,y)＝f₁(x,y)代入所述第二图像函数中，得到新的生物芯片上第二层被测物的图像函数为：

将代入所述第一图像函数中，得到新的生物芯片上第一层被测物的图像函数为：

通过新的生物芯片上第一层被测物的图像函数和新的生物芯片上第二层被测物的图像函数重复迭代所述第一图像函数和所述第二图像函数，直至f₁ ⁽ⁿ⁾＝f₁ ^(n-1)、f₂ ⁽ⁿ⁾＝f₂ ^(n-1)，所述f₁ ⁽ⁿ⁾为最终所需要的生物芯片上第一层被测物像面函数，所述f₂ ⁽ⁿ⁾为最终所需要的生物芯片上第二层被测物像面函数。

一种电子设备，包括：处理器；

存储器；以及程序，其中所述程序被存储在所述存储器中，并且被配置成由处理器执行，所述程序包括用于执行双层同时成像的光学系统的图像处理方法。

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行双层同时成像的光学系统的图像处理方法。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：

本发明提供双层同时成像的光学系统，包括激光器、耦合器、平面反光镜、第一透镜、二向色镜、显微物镜、分光板、第二透镜、第一CCD相机、第三透镜、第二CCD相机。本发明还涉及双层同时成像的光学系统的图像处理方法、存储介质、电子设备。本发明通过激光器激被测物上荧光剂的碱基发出不同波段的荧光，经过光学系统调制后在两个CCD相机上同时对双层被测物成像。本发明能够对带有两层微流道结构的生物芯片双层同时成像，缩短了成像周期，提高了成像效率，光学系统的整体结构简单且易于搭建，并能够根据CCD相机捕获的图像恢复所测物面图像，确保了成像结果的质量。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明的双层同时成像的光学系统结构示意图；

图2为本发明的双层同时成像的光学系统的图像处理方法流程图。

图中：1、生物芯片；2、激光器；3、耦合器；4、平面反光镜；5、第一透镜；6、针孔光阑；7、二向色镜；8、显微物镜；9、分光板；10、第二透镜；11、第一CCD相机；12、第三透镜；13、第二CCD相机。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。

双层同时成像的光学系统，如图1所示，包括激光器、耦合器、平面反光镜、第一透镜、二向色镜、显微物镜、分光板、第二透镜、第一CCD相机、第三透镜、第二CCD相机；其中，

激光器用于发射激发设有双层微流道结构的生物芯片上被测物的激光，被测物采用若干种荧光剂标记；本实施例，生物芯片为基因测序芯片，基因测序芯片的正反两面带有微流道结构，此处双层微流道结构即为基因测序芯片正反两面的微流道结构，正面的微流道结构为第一层被测物，反面的微流道结构为第二层被测物，或反面的微流道结构为第一层被测物，正面的微流道结构为第二层被测物，可根据实际情况确定，第一层被测物、第二层被测物采用采用四种荧光剂进行标记，每种A、G、C、T四种碱基分别只与其中一种进行结合，结合后的第一层被测物、第二层被测物被系统中的激光器发射的激光激发，产生不同波段的荧光信号。

耦合器用于准直激光器发射的激光，形成激光光路；

平面反光镜用于改变激光光路的方向，形成折转光路；

第一透镜用于将折转光路的激光进行扩束；

二向色镜用于反射经第一透镜扩束后的激光并透射被测物产生的荧光信号；

显微物镜用于将由二向色镜反射后的激光准直成平行光束垂直入射到生物芯片上第一层被测物和第二层被测物上，并汇聚由第一层被测物和第二层被测物发出的荧光信号；

分光板用于将显微物镜汇聚的荧光信号的一部分反射至第二透镜，形成第一光路，将显微物镜汇聚的荧光信号的另一部分透射至第三透镜，形成第二光路；

第二透镜用于与物镜配合汇聚分光板反射的荧光信号，对生物芯片上第一层被测物产生的荧光信号进行成像；

第一CCD相机用于拍摄由第二透镜所成的像；

第三透镜用于与物镜配合汇聚分光板透射的荧光信号，对生物芯片上第二层被测物产生的荧光信号进行成像；

第二CCD相机用于拍摄由第三透镜所成的像。在第一CCD相机和第二CCD相机上同时对基因测序芯片正反两面的被测物成测序像，实现了高效、快速的测序目的。

为了滤掉对系统无用的光波，优选地，还包括针孔光阑，针孔光阑用于过滤经第一透镜扩束后的激光中的离轴激光。二向色镜用于反射经针孔光阑过滤后的激光并透射被测物产生的荧光信号。

应当说明的是，由于基因测序芯片有一定的厚度且存在着较大的折射率，因此基因测序芯片两面上被荧光剂标记的被测物所发出的荧光信号间存在光程差，即两面被测物所发出的荧光信号经系统会聚焦在不同位置。优选地，分光板将光路分成两束且分光板相对于生物芯片成45°角，分光板表面镀有半反半透膜，分光板将显微物镜汇聚的荧光信号的一半反射至第二透镜，将显微物镜汇聚的荧光信号的另一半透射至第三透镜，第一光路与第二光路的光强相等，第一光路与第二光路之间的夹角为90°。优选地，第二透镜与第三透镜相对于分光板对称，即第二透镜顺时针旋转90°与第三透镜空间位置重合，为了消除由若干中荧光信号混合产生的色差，优选地，第二透镜和第三透镜均为消色差透镜，第二透镜消除由第一层被测物产生的若干种荧光信号混合产生的色差，第三透镜消除由第二层被测物产生的若干种荧光信号混合产生的色差。优选地，第一CCD相机位于第一层被测物产生的荧光信号聚焦点位置处；第二CCD相机位于第二层被测物产生的荧光信号聚焦点位置处，便可对两面被测物同时成像。应当注意的是，上表面被测物产生的荧光信号的像于第二CCD相机放置处为弥散斑，不会被第二CCD相机取像，同理，下表面被测物产生的荧光信号的像于第一CCD相机放置处为弥散斑，不会被第一CCD相机取像。

上述双层同时成像的光学系统的工作过程为：激光器发射出激光，经耦合器准直，平面反射镜折转光路后，经第一透镜扩束后，通过针孔光阑进行滤波，滤掉不需要的离轴激光，然后射向二向色镜，经二向色镜反射至显微物镜，由显微物镜准直成平行光束垂直入射到生物芯片上，生物芯片正反两面上的荧光剂标记的被测物受激发而发射出特定的荧光信号，被平行激光照射部分的荧光标记的被测物发射的荧光信号射向显微物镜，由显微物镜聚焦后射向二向色镜，由于二向色镜允许荧光信号通过，荧光信号透过二向色镜射向分光板，荧光信号一半直接透射，另一半经分光板反射，即荧光信号被分为互成90°的两光路，对于由第一光路透射过来的荧光信号经第二透镜聚焦成像，第一CCD相机放置于上表面发射的荧光信号焦点处，拍摄由第二透镜所成的像；对于由第二光路透射过来的荧光信号经第三透镜聚焦成像，第二CCD相机放置于下表面发射的荧光信号焦点处，拍摄由第三透镜所成的像。

双层同时成像的光学系统的图像处理方法，通过上述第一CCD相机和第二CCD相机上的图像函数分别恢复出所测生物芯片正反两面被测物的图像函数，从而最终完成测序目的，如图2所示，包括以下步骤：

S0、获取图像函数，获取第一CCD相机接收到的图像函数，记为第一图像函数，获取第二CCD相机接收到的图像函数，记为第二图像函数，图像函数具体公式如下：

其中，g₁(x,y)为第一图像函数，f₁(x,y)为生物芯片上第一层被测物的图像函数，g₂(x,y)为第二图像函数，f₂(x,y)为生物芯片上第二层被测物的图像函数，H(x,y)为点扩散函数psf(x,y)，且H(x,y)为已知函数。

S1、重复迭代图像函数，设定无限小，则第一图像函数为：

g₁(x,y)＝f₁(x,y)

将g₁(x,y)＝f₁(x,y)代入第二图像函数中，得到新的生物芯片上第二层被测物的图像函数为：

将代入第一图像函数中，得到新的生物芯片上第一层被测物的图像函数为：

通过新的生物芯片上第一层被测物的图像函数和新的生物芯片上第二层被测物的图像函数重复迭代第一图像函数和第二图像函数，直至第n次，f₁ ⁽ⁿ⁾＝f₁ ^(n-1)、f₂ ⁽ⁿ⁾＝f₂ ^(n-1)停止迭代，f₁ ⁽ⁿ⁾为最终所需要的生物芯片上第一层被测物像面函数，f₂ ⁽ⁿ⁾为最终所需要的生物芯片上第二层被测物像面函数。根据第一CCD相机和第二CCD相机捕获的图像恢复所测物面图像，确保了成像结果的质量。

一种电子设备，包括：处理器；

存储器；以及程序，其中程序被存储在存储器中，并且被配置成由处理器执行，程序包括用于执行双层同时成像的光学系统的图像处理方法。

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行双层同时成像的光学系统的图像处理方法。

本发明提供双层同时成像的光学系统，包括激光器、耦合器、平面反光镜、第一透镜、二向色镜、显微物镜、分光板、第二透镜、第一CCD相机、第三透镜、第二CCD相机。本发明还涉及双层同时成像的光学系统的图像处理方法、存储介质、电子设备。本发明通过激光器激被测物上荧光剂的碱基发出不同波段的荧光，经过光学系统调制后在两个CCD相机上同时对双层被测物成像。本发明能够对带有两层微流道结构的生物芯片双层同时成像，缩短了成像周期，提高了成像效率，光学系统的整体结构简单且易于搭建，并能够根据CCD相机捕获的图像恢复所测物面图像，确保了成像结果的质量。

以上，仅为本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制；凡本行业的普通技术人员均可按说明书附图所示和以上而顺畅地实施本发明；但是,凡熟悉本专业的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时,凡依据本发明的实质技术对以上实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变等，均仍属于本发明的技术方案的保护范围之内。

Claims (10)

1.双层同时成像的光学系统，其特征在于：包括激光器、耦合器、平面反光镜、第一透镜、二向色镜、显微物镜、分光板、第二透镜、第一CCD相机、第三透镜、第二CCD相机；其中，

所述激光器用于发射激发设有双层微流道结构的生物芯片上被测物的激光，所述被测物采用若干种荧光剂标记；

所述耦合器用于准直所述激光器发射的激光，形成激光光路；

所述平面反光镜用于改变所述激光光路的方向，形成折转光路；

所述第一透镜用于将所述折转光路的激光进行扩束；

所述二向色镜用于反射经所述第一透镜扩束后的激光并透射所述被测物产生的荧光信号；

所述显微物镜用于将由所述二向色镜反射后的激光准直成平行光束垂直入射到所述生物芯片上第一层被测物和第二层被测物上，并汇聚由所述第一层被测物和所述第二层被测物发出的荧光信号；

所述分光板用于将所述显微物镜汇聚的荧光信号的一部分反射至所述第二透镜，形成第一光路，将所述显微物镜汇聚的荧光信号的另一部分透射至所述第三透镜，形成第二光路；

所述第二透镜用于与物镜配合汇聚所述分光板反射的荧光信号，对所述生物芯片上第一层被测物产生的荧光信号进行成像；

所述第一CCD相机用于拍摄由所述第二透镜所成的像；

所述第三透镜用于与物镜配合汇聚所述分光板透射的荧光信号，对所述生物芯片上第二层被测物产生的荧光信号进行成像；

所述第二CCD相机用于拍摄由所述第三透镜所成的像。

2.如权利要求1所述的双层同时成像的光学系统，其特征在于：还包括针孔光阑，所述针孔光阑用于过滤经所述第一透镜扩束后的激光中的离轴激光。

3.如权利要求1所述的双层同时成像的光学系统，其特征在于：所述分光板表面镀有半反半透膜，所述分光板将所述显微物镜汇聚的荧光信号的一半反射至所述第二透镜，将所述显微物镜汇聚的荧光信号的另一半透射至所述第三透镜。

4.如权利要求3所述的双层同时成像的光学系统，其特征在于：所述分光板相对于所述生物芯片成45°角。

5.如权利要求4所述的双层同时成像的光学系统，其特征在于：所述第二透镜与所述第三透镜相对于所述分光板对称。

6.如权利要求5所述的双层同时成像的光学系统，其特征在于：所述第一光路与所述第二光路的光强相等，所述第一光路与所述第二光路之间的夹角为90°。

7.如权利要求1所述的双层同时成像的光学系统，其特征在于：所述第一CCD相机位于所述第一层被测物产生的荧光信号聚焦点位置处；所述第二CCD相机位于所述第二层被测物产生的荧光信号聚焦点位置处。

8.双层同时成像的光学系统的图像处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

S0、获取图像函数，获取第一CCD相机接收到的图像函数，记为第一图像函数，获取第二CCD相机接收到的图像函数，记为第二图像函数，图像函数具体公式如下：

其中，g₁(x,y)为第一图像函数，f₁(x,y)为生物芯片上第一层被测物的图像函数，g₂(x,y)为第二图像函数，f₂(x,y)为所述生物芯片上第二层被测物的图像函数，H(x,y)为点扩散函数psf(x,y)；

S1、重复迭代图像函数，设定无限小，则所述第一图像函数为：

g₁(x,y)＝f₁(x,y)

将g₁(x,y)＝f₁(x,y)代入所述第二图像函数中，得到新的生物芯片上第二层被测物的图像函数为：

将代入所述第一图像函数中，得到新的生物芯片上第一层被测物的图像函数为：

通过新的生物芯片上第一层被测物的图像函数和新的生物芯片上第二层被测物的图像函数重复迭代所述第一图像函数和所述第二图像函数，直至f₁ ⁽ⁿ⁾＝f₁ ^(n-1)、f₂ ⁽ⁿ⁾＝f₂ ^(n-1)，所述f₁ ⁽ⁿ⁾为最终所需要的生物芯片上第一层被测物像面函数，所述f₂ ⁽ⁿ⁾为最终所需要的生物芯片上第二层被测物像面函数。

9.一种电子设备，其特征在于包括：处理器；

存储器；以及程序，其中所述程序被存储在所述存储器中，并且被配置成由处理器执行，所述程序包括用于执行如权利要求8所述的方法。

10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于：所述计算机程序被处理器执行如权利要求8所述的方法。