CN110927947B - 相衬显微成像系统及其成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种结构简单的相衬显微成像系统，其包括具有光轴的显微镜、光源阵列、图像获取模块及计算模块，显微镜包括物镜，光源阵列包括具有通孔的固定物及环绕通孔设置的两个光源组，两个光源组发射关于所述光轴轴对称设置的第一光束和第二光束以照射样品，光束进入样品发生散射且倾斜穿透所述样品透射而出，并通过通孔后被显微镜收集；图像获取模块在显微镜的像侧获取对应第一光束的第一图像和对应第二光束的第二图像；计算模块用于恢复第一图像的原色分量和第二图像的原色分量并将第一图像获得的原色分量与第二图像获得的原色分量相减以获得相衬图像。本发明提供一种简单且易操作的相衬显微成像系统的成像方法。

Description

相衬显微成像系统及其成像方法

【技术领域】

本发明涉及显微成像技术领域，具体涉及一种相衬显微成像系统及其成像方法。

【背景技术】

显微成像技术的发展，把一个全新的世界展现在人类的视野里，人们可以看到数以百计的“新的”微小动物和植物，以及从人体到植物纤维等各种东西的内部构造，有助于科学家发现新物种，有利于医生治疗疾病。

相衬显微技术用于观察未染色标本。由于光波通过活细胞和未染色的生物标本，其波长和振幅并不发生变化，人眼无法观察，但是其相位发生改变。相衬显微技术通过改变相位差，并利用光的衍射和干涉现象，把相位差变为振幅差来观察活细胞和未染色的标本。同普通光学显微镜和暗视野显微镜相比，能够比较清楚的观察到活细胞以及细胞内的某些细微结构，因而在生物、医学诊断、科研、生命科学等领域都有广泛应用。

目前，相衬显微成像技术已经很成熟，主要以透射方式为主，利用物体不同结构成分之间的折射率和厚度的差别，把通过物体不同部分的光程差转变为振幅的差别，经过带有环状光阑的聚光镜和带有相位片的相差物镜实现对微小生物组织的观察。结构上增加了环形光阑和相位板，观察时样品一定要盖上盖玻片，否则环状光阑和相板的暗环很难重合，对载玻片和盖玻片的玻璃质量有较高要求。现有相衬显微技术只能观察样品厚度为微米量级的切片，对厚度要求较高，不能实现对较厚的样品组织(毫米量级)观察，在人体活检方面没有在真正意义上的应用。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种相衬显微成像系统及其成像方法，该相衬显微成像系统结构简单且成本低廉，该相衬显微成像系统的成像方法简单易操作。

本发明的技术方案如下：

一种相衬显微成像系统包括具有光轴的显微镜，所述显微镜包括物镜，所述相衬显微成像系统还包括：

光源阵列，包括固设在所述物镜物侧并具有通孔的固定物及固设于所述固定物远离所述物镜一侧并环绕所述通孔设置的两个光源组，所述两个光源组分别用于发射关于所述光轴轴对称设置的第一光束和第二光束以照射样品，所述第一光束和所述第二光束进入样品发生散射且倾斜穿透所述样品，并通过所述通孔后被所述显微镜收集，所述样品位于所述光源阵列远离所述物镜的一侧，且所述光源阵列在照射样品时紧贴样品；

图像获取模块，设置在所述显微镜的像侧，并用于获取对应所述第一光束的第一图像和对应所述第二光束的第二图像；

计算模块，用于恢复所述第一图像的原色分量和所述第二图像的原色分量并将所述第一图像获得的原色分量与所述第二图像获得的原色分量相减以获得相衬图像。

优选地，所述通孔的大小不大于所述物镜的视野。

优选地，所述固定物为电路板，所述两个光源组通过所述电路板供电。

优选地，所述光源组包括发光光源，一所述光源组中的所述发光光源与另一所述光源组中的所述发光光源关于所述光轴轴对称设置。

优选地，在两个对称的发光光源为单色光发光光源的基础上，所述光源组的其他发光光源为可见光发光光源或单色光发光光源，且在不同光源组中处于轴对称位置的发光光源相同。

优选地，所述两个对称的单色光发光光源为同色单色光发光光源或不同色单色光发光光源；在所述对称的单色光发光光源为同色单色光发光光源时，两个光源组依次发射第一光束和第二光束；在所述对称的单色光发光光源为不同色单色光发光光源时，两个光源组可同时或依次发射第一光束和第二光束。

优选地，所述两个对称的单色光发光光源中的其中一方为红色原色光发光光源，另一方为蓝色原色光发光光源。

优选地，所述两个对称的单色光发光光源中的其中一方为蓝色原色光发光光源，另一方为绿色原色光发光光源。

本发明还提供一种上述中任一项所述的相衬显微成像系统的成像方法，所述成像方法包括以下步骤：

两个光源组分别发射关于所述光轴轴对称设置的第一光束和第二光束以照射样品，所述第一光束和所述第二光束进入样品发生散射且倾斜穿透所述样品透射而出，并通过通孔后被显微镜收集；

图像获取模块在所述显微镜的像侧获取对应所述第一光束的第一图像和对应所述第二光束的第二图像；

计算模块恢复所述第一图像的原色分量和所述第二图像的原色分量并将所述第一图像获得的原色分量与所述第二图像获得的原色分量相减以获得相衬图像。

与相关技术相比，本发明提供的相衬显微成像系统及其成像方法的有益效果在于：两个光源组分别发射关于所述光轴轴对称设置的第一光束和第二光束以照射样品，所述第一光束和所述第二光束进入样品发生散射且倾斜穿透所述样品透射而出，并通过通孔后被显微镜收集，而所述第一光束和所述第二光束透过样品后会发生相位变化，相位变化会引起传播方向的局部变化，由于所述第一光束和所述第二光束以所述光轴轴对称设置，因此所述第一光束和所述第二光束成像后存在对称的相位梯度，因此，通过所述图像获取模块在所述显微镜的像侧获取对应所述第一光束的第一图像和对应所述第二光束的第二图像，并通过所述计算模块恢复所述第一图像的原色分量和第二图像的原色分量并将所述第一图像获得的原色分量与所述第二图像获得的原色分量相减以获得相衬图像。这样的相衬显微成像系统不要载玻片和盖玻片，对样品厚度要求不高，能够对较厚组织和活体组织进行观察；避免了使用环状光阑和相位板，结构简单，同时使用该相衬显微成像系统的成像方法简单易操作。

【附图说明】

图1为本发明提供的相衬显微成像系统的结构框图；

图2为本发明提供的相衬显微成像系统观察样品时的结构示意图；

图3为图2所示的相衬显微成像系统中光源阵列的结构示意图；

图4为本发明提供的成像方法的步骤流程图。

【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份实施例，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。

请结合参阅图1至图3，所述相衬显微成像系统100包括具有光轴1A的显微镜1、光源阵列3、图像获取模块5及计算模块7。

所述显微镜1包括物镜11。

所述光源阵列3包括固设在所述物镜11物侧并具有通孔3A的固定物31及固设于所述固定物31远离所述物镜11一侧并环绕所述通孔3A设置的两个光源组。所述两个光源组分别用于发射关于所述光轴1A轴对称设置的第一光束和第二光束以照射样品200，所述第一光束和所述第二光束进入样品发生散射且倾斜穿透所述样品200透射而出，并通过所述通孔3A后被所述显微镜1收集。所述第一光束和所述第二光束可为不同波长的三原色光光束。在本实施例中，所述固定物31为电路板，所述两个光源组通过所述电路板31供电。

在本实施例中，所述样品200位于所述光源阵列3远离所述物镜11的一侧。所述光源阵列3与所述样品之间的距离越小，成像质量越好，在紧贴状况下，成像质量最佳。在本实施例中，在照射样品时，所述光源阵列3紧贴样品。在其他实施例中，所述光源阵列3与样品之间的距离小于0.01mm、0.1mm、0.2mm、0.5mm或1mm。所述样品为待观察的厚组织(毫米量级)或活体组织。

具体地，所述光源组包括发光光源，一所述光源组中的所述发光光源与另一所述光源组中的所述发光光源关于所述光轴轴对称设置。为了使本领域技术人员清楚的理解所述光源阵列3的设置方式，特定义所述两个光源组分别为第一光源组33和第二光源组35。如图3所示，所述第一光源组33包括两个发光光源331、333，所述第二光源组35包括两个发光光源351、353，其中、发光光源331与发光光源351对称，发光光源333与发光光源353对称。可以理解的是，所述光源组也可以包括一个发光光源、三个发光光源、四个发光光源或者五个发光光源等。

在两个对称的发光光源为单色光发光光源的基础上(下称“基础对称发光光源”)，所述光源组的其他发光光源为可见光发光光源或单色光发光光源，且在不同光源组中处于轴对称位置的发光光源相同。所述单色光选自R、G、B三原色光。所述基础对称的发光光源可为同色单色光发光光源或不同色单色光发光光源；在所述基础对称发光光源为同色单色光发光光源时，两个光源组依次发射第一光束和第二光束；在所述基础对称发光光源为不同色单色光发光光源时，两个光源组可同时或依次发射第一光束和第二光束，优选，同时发射第一光束和第二光束。例如，发光光源331及发光光源351为单色光发光光源，发光光源333与发光光源353均为同种单色光发光光源或同种可见光发光光源。

在本实施例中，所述发光光源331及发光光源351一方为红色原色光发光光源，另一方为蓝色原色光发光光源，所述发光光源333与发光光源353均为绿色原色光发光光源。相较于其他原色光发光光源的组合，这样可以获得更好的相衬图像，且所述图像获取模块5可获得彩色图像，所述相衬显微成像系统100可同时作为相衬显微镜及普通显微镜使用。在其他实施例中，所述发光光源331及发光光源351一方为红色原色光发光光源，另一方为蓝色原色光发光光源，所述发光光源333与发光光源353均为白光发光光源。在其他实施例中，所述发光光源331及发光光源351一方为蓝色原色光发光光源，另一方为绿色原色光发光光源，所述发光光源333与发光光源353均为白光发光光源。

所述发光光源可以采用LED灯，也可以采用OLED灯，对此本发明不作具体限定。

所述图像获取模块5设置在所述显微镜1的像侧，并用于获取对应所述第一光束的第一图像和对应所述第二光束的第二图像。其中，所述图像获取模块5可以选择为CMOS相机或CCD相机。在本实施例中，在两个光源组同时发射第一光束和第二光束时，所述图像获取模块5用于拍摄一张图像，并从该图像中获取对应所述第一光束的第一图像和对应所述第二光束的第二图像；在两个光源组依次发射第一光束和第二光束时，所述图像获取模块5用于对应第一光束拍摄一张图像，并获取对应所述第一光束的第一图像；及对应第二光束拍摄一张图像，并获取对应所述第二光束的第二图像。

所述计算模块7用于恢复所述第一图像的原色分量和第二图像的原色分量，并将所述第一图像获得的原色分量与所述第二图像获得的原色分量相减以获得相衬图像。所述原色分量为基础对称发光光源的单色光颜色分量。例如，所述发光光源331及发光光源351为基础对称发光光源，所述发光光源331为红色原色光发光光源及所述发光光源351为蓝色原色光发光光源，则所述计算模块7恢复所述第一图像的红色分量及恢复所述第二图像的蓝色分量，并将该红色分量与蓝色分量相减以获得相衬图像。

所述计算模块7可设置于显微镜1中，也可设置于与显微镜1连接的电子设备中，该电子设备可为计算机、平板电脑、手机等设备。在本较佳实施例中，所述计算模块7设置于显微镜1中。所述计算模块7存储于显微镜1的存储器中，并被显微镜1的处理器执行，以获得相衬图像。

需要说明的是，所述计算模块7恢复所述第一图像的原色分量和第二图像的原色分量的算法为现有技术中的常用技术手段，对此恢复原色分量的算法不作具体说明。具体可以选择如下方法：最邻近插值方法、双线性插值算法、三次样条插值算法、平滑色相插值算法等。

由于所述通孔3A的大小与所述显微镜1的所述物镜11的视野越接近，成像质量越好。在本实施例中，所述通孔3A的大小不大于所述物镜11的视野，优选，所述通孔3A的大小等于所述物镜11的视野。在其他实施例中，在所述通孔3A小于所述物镜11的视野的距离时，所述通孔3A与所述物镜11的视野之间的距离小于0.01mm、0.1mm、0.2mm、0.5mm或1mm。

请参阅图4，本发明还提供一种所述的相衬显微成像系统的成像方法，所述成像方法包括以下步骤：

S1、两个光源组分别发射关于所述光轴1A轴对称设置的第一光束和第二光束以照射样品，所述第一光束和所述第二光束进入样品发生散射且倾斜穿透所述样品透射而出，并通过通孔后被显微镜1收集。所述第一光束和所述第二光束可为不同波长的三原色光。

S2、图像获取模块5在所述显微镜1的像侧获取对应所述第一光束的第一图像和对应所述第二光束的第二图像。

S3、计算模块7恢复所述第一图像的原色分量和第二图像的原色分量并将所述第一图像获得的原色分量与所述第二图像获得的原色分量相减以获得相衬图像。

本发明提供的相衬显微成像系统及其成像方法的有益效果在于：两个光源组分别发射关于所述光轴轴对称设置的第一光束和第二光束以照射样品，所述第一光束和所述第二光束进入样品发生散射且倾斜穿透所述样品透射而出，并通过通孔后被显微镜收集，而所述第一光束和所述第二光束透过样品后会发生相位变化，相位变化会引起传播方向的局部变化，由于所述第一光束和所述第二光束关于所述光轴轴对称设置，因此所述第一光束和所述第二光束成像后存在对称的相位梯度，因此，通过所述图像获取模块在所述显微镜的像侧获取对应所述第一光束的第一图像和对应所述第二光束的第二图像，并通过所述计算模块恢复所述第一图像的原色分量和第二图像的原色分量并将所述第一图像获得的原色分量与所述第二图像获得的原色分量相减以获得相衬图像。这样的相衬显微成像系统不要载玻片和盖玻片，对样品厚度要求不高，能够对较厚组织和活体组织进行观察；避免了使用环状光阑和相位板，结构简单，同时使用该相衬显微成像系统的成像方法简单易操作。

以上所述的仅是本发明的实施方式，在此应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出改进，但这些改进均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种相衬显微成像系统，包括具有光轴的显微镜，所述显微镜包括物镜，其特征在于，所述相衬显微成像系统还包括：

光源阵列，包括固设在所述物镜物侧并具有通孔的固定物及固设于所述固定物远离所述物镜一侧并环绕所述通孔设置的两个光源组，所述两个光源组分别用于发射关于所述光轴轴对称设置的第一光束和第二光束以照射样品，所述第一光束和所述第二光束进入样品发生散射且倾斜穿透所述样品透射而出，并通过所述通孔后被所述显微镜收集，所述样品位于所述光源阵列远离所述物镜的一侧，且所述光源阵列在照射所述样品时紧贴样品；

图像获取模块，设置在所述显微镜的像侧，并用于获取对应所述第一光束的第一图像和对应所述第二光束的第二图像；

计算模块，用于恢复所述第一图像的原色分量和所述第二图像的原色分量并将所述第一图像获得的原色分量与所述第二图像获得的原色分量相减以获得相衬图像。

2.根据权利要求1所述的相衬显微成像系统，其特征在于，所述通孔的大小不大于所述物镜的视野。

3.根据权利要求1所述的相衬显微成像系统，其特征在于，所述固定物为电路板，所述两个光源组通过所述电路板供电。

4.根据权利要求1所述的相衬显微成像系统，其特征在于，所述光源组包括发光光源，一所述光源组中的所述发光光源与另一所述光源组中的所述发光光源关于所述光轴轴对称设置。

5.根据权利要求4所述的相衬显微成像系统，其特征在于，在两个对称的发光光源为单色光发光光源的基础上，所述光源组的其他发光光源为可见光发光光源或单色光发光光源，且在不同光源组中处于轴对称位置的发光光源相同。

6.根据权利要求5所述的相衬显微成像系统，其特征在于，所述两个对称的单色光发光光源为同色单色光发光光源或不同色单色光发光光源；在所述对称的单色光发光光源为同色单色光发光光源时，两个光源组依次发射第一光束和第二光束；在所述对称的单色光发光光源为不同色单色光发光光源时，两个光源组可同时或依次发射第一光束和第二光束。

7.根据权利要求5所述的相衬显微成像系统，其特征在于，所述两个对称的单色光发光光源中的其中一方为红色原色光发光光源，另一方为蓝色原色光发光光源。

8.根据权利要求5所述的相衬显微成像系统，其特征在于，所述两个对称的单色光发光光源中的其中一方为蓝色原色光发光光源，另一方为绿色原色光发光光源。

9.一种利用权利要求1-8中任一项所述的相衬显微成像系统的成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

两个光源组分别发射关于所述光轴轴对称设置的第一光束和第二光束以照射样品，所述第一光束和所述第二光束进入样品发生散射且倾斜穿透所述样品透射而出，并通过通孔后被显微镜收集；

图像获取模块在所述显微镜的像侧获取对应所述第一光束的第一图像和对应所述第二光束的第二图像；

计算模块恢复所述第一图像的原色分量和所述第二图像的原色分量并将所述第一图像获得的原色分量与所述第二图像获得的原色分量相减以获得相衬图像。

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