CN111521561A - 一种多模式显微高光谱成像仪 - Google Patents
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Abstract
本发明专利公开了一种多模式显微高光谱成像仪，包括照明模块及高光谱探测模块；应用落射式照明和透射式照明两种照明方式，将照明光源与探测模块集成至同轴，保证视场范围内照明的均匀性。通过切换照明模式、更换不同类型的光源，多模式显微高光谱成像仪可以工作于反射成像、透射成像及荧光探测三种工作模式，对不同特性的样品，如非透明样品、半透明/透明样品及荧光样品进行多模态高光谱成像及探测。
Description
技术领域
本发明涉及一种多模式（反射成像、透射成像、荧光探测）显微高光谱成像仪。
背景技术
高光谱成像技术因能获取高光谱立方数据集，同时包含待测样品的二维图像信息及一维光谱信息，被广泛应用于环境原位监测、食品安全检测、真伪判断等场景。当高光谱成像技术用于显微探测时，由于高倍显微物镜极短的工作距（亚毫米级），传统的外置光源可能导致显微物镜下表面出现阴影，从而无法实现待测表面均匀照明，这将极大影响样品成像及光谱探测的信噪比和准确率。另外，商用式高光谱成像仪大多只能工作于单一探测模式，难以用于不同特性样品的多模式探测；
本发明专利考虑到显微探测下高光谱成像可能存在的系统性能不足之处，提出一种多模式显微高光谱成像仪。通过设计落射式照明和透射式照明两种照明方式，将光源集成至与探测光路同轴，保证待测样品所在平面均匀照明，有效避免外置光源带来的阴影等问题。另外，只需切换照明模块，系统即可实现反射式成像、透射式成像及荧光探测，实现不同特性样品的多模式探测。该套系统结构简单，成本低，有望用于原位微生物探测、工业样品微结构检测等测量领域。
发明内容
为克服显微高光谱探测情况下，高倍率显微物镜的短工作距可能造成外置光源在物镜焦平面出现的阴影及照明不均匀，以及当前商用高光谱成像仪探测模式单一等问题，本发明的目的是提供一种多模式显微高光谱成像仪。
一种多模式显微高光谱成像仪，包括照明模块及高光谱探测模块；
所述的照明模块包括：观察样品吸收特性所用的宽带光源/激发样品特征荧光的蓝紫光源，用于耦合光源的单模光纤，准直光源的准直器，用于会聚准直光的长焦透镜，转折光路的半透半反镜，以及用于准直均匀的显微物镜。照明模块将光源集成至与探测模块同轴，实现待测样品表面均匀照明；
所述的高光谱探测模块包括：采集样品表面出射信号的显微物镜，滤除激发光/杂散光的长通滤波片，成像用的成像透镜，线区域选择的狭缝，准直发散光的会聚透镜，分光用的棱镜光栅对，会聚散开信号的管透镜，以及成像用的CMOS相机。高光谱探测模块用于捕获待测样品的二维图像信息及光谱信息，实现高光谱成像。
对于落射式照明，宽带光源/蓝紫光源发出激光，经过单模光纤耦合至准直器后成为准直光斑，通过长焦透镜会聚，同时经过半透半反镜转折光路，最终于显微物镜的后焦面会聚成一点，该点同时可以理解为点光源；从显微物镜后焦点出射的点光源，经过显微物镜后，准直成为平行光，均匀入射到待测样品处，从而实现视场范围内均匀照明，可有效避免阴影的出现。
另一方面，被照亮的样品同样位于显微物镜的焦平面，从焦平面处样品出射的散射光/荧光被同一显微物镜捕获，会聚为平行光透过半透半反镜及长通滤光片进入高光谱探测模块，长通滤波片用于滤除激发光和部分杂散光；光信号首先经过成像透镜，会聚到狭缝上，狭缝起到线扫描区域选择的作用，经狭缝选择后光信号出射到会聚透镜上，经会聚后平行入射到随后的棱镜光栅对结构中。棱镜、光栅、棱镜三个光学元件共同作用实现对捕获信号的分光；分散的多波段光信号经过管透镜会聚到CMOS相机上，最终相机相面上将包含展宽的光谱信息，以及狭缝选择的相应线区域的空间信息。在落射式照明的情况下，所述的多模式显微高光谱成像仪可用于反射式探测及荧光探测。
对于透射式照明，宽带光源发出的光经过单模光纤耦合至准直器后成为准直光斑，直接从样品下方入射到待测样品上，透射光经上述同样的信号采集方式，被高光谱探测模块所捕获。在透射式照明的情况下，所述的多模式显微高光谱成像仪可用于透射式探测。
承载待测样品的位移平台控制样品的均匀移动，实现狭缝所选线区域的线扫描，最终覆盖整个待测样品平面。若位移平台具备二维扫描功能，则所述的多模式显微高光谱成像仪有潜力用于更大范围的待测样品。
本发明的有益效果：
本发明提出落射式照明与透射式照明两种照明方式，实现了照明光与高光谱探测处于同轴，保证探测区域内待测样品的均匀照明，有效避免了传统高光谱成像仪外置光源可能在显微探测中出现的阴影及照明不均匀等问题。另外，更换光源及照明方式，系统可实现对不同特性样品的不同模式探测，改善了商用高光谱成像仪探测模式单一的不足。显微探测可以保证高空间分辨率，本发明有望应用于原位微生物探测、工业样品微结构检测等测量领域。
附图说明
图1是本发明专利中多模式显微高光谱成像仪的示意图；
其中包括：与光源直接连接的单模光纤（1）、准直器（2）、长焦透镜（3）、半透半反镜（4）；所述的高光谱探测模块包括：长通滤波片（5）、显微物镜（6）、待测样品及位移平台（7）、成像透镜（8）、狭缝（9）、会聚透镜（10）、棱镜（11）、光栅（12）、棱镜（13）、管透镜（14）、CMOS相机（15）。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步阐述。
如图1所示，对于落射式照明，宽带光源/蓝紫光源发出激光，经过单模光纤1耦合至准直器2后成为准直光斑，通过焦距75mm的长焦透镜3会聚，同时经过半透半反镜4转折光路，最终于显微物镜6的后焦面会聚成一点，该点同时可以理解为点光源；从显微物镜6后焦点出射的点光源，经过显微物镜6后，准直成为平行光，均匀入射到待测样品7处，从而实现视场范围内均匀照明，有效避免阴影的出现。
另一方面，被照亮的样品7同样位于显微物镜6的焦平面，从焦平面处样品出射的散射光/荧光被同一显微物镜6捕获，会聚为平行光透过半透半反镜4及450nm长通滤光片5进入高光谱探测模块；首先经过焦距50mm的成像透镜8，会聚到10μm缝宽的狭缝9上，狭缝9起到线扫描区域选择的作用，经狭缝9后光信号出射到焦距50mm的会聚透镜10上，经会聚后平行入射到随后的棱镜光栅对结构中。楔角为10°的棱镜11、光栅线对数300lp/mm的光栅12以及楔角为10°的棱镜13共同作用实现对捕获信号的分光；分散的多波段光信号经过焦距50mm管透镜14会聚到CMOS相机15上，最终相机相面上将包含展宽的光谱信息，以及狭缝选择的相应线区域的空间信息。在落射式照明的情况下，所述的多模式显微高光谱成像仪可用于反射式探测及荧光探测。
对于透射式照明，宽带光源发出的光经过单模光纤1耦合至准直器2后成为准直光斑，直接从样品下方入射到待测样品7上，透射光经上述同样的信号采集方式，被高光谱探测模块所捕获。在透射式照明的情况下，所述的多模式显微高光谱成像仪可用于透射式探测。
承载待测样品的位移平台7控制样品的均匀移动，实现狭缝所选线区域的线扫描，最终覆盖整个待测样品平面。若位移平台具备二维扫描功能，则所述的多模式显微高光谱成像仪有潜力用于更大范围的待测样品。
在本发明专利的实施案例中，由于照明光源与高光谱探测模块集成至同轴，整个待测平面照明均匀，不存在可能的阴影；故可以更换不同倍率显微物镜，以适应不同视场大小及空间分辨率的需求。大大增加本发明的广泛应用性。
作为本发明专利的扩展，该套竖直结构的多模式显微高光谱成像仪同样可以水平结构搭建于光学平台上，该套系统同样适用于多模式的显微高光谱探测。
上述描述中的实施方案可以进一步组合或者替换，且实施方案仅仅是对本发明专利的优选实施例进行描述，并非对本发明专利的构思和范围进行限定，在不脱离本发明专利设计思想的前提下，本领域中专业技术人员对本发明专利的技术方案做出的各种变化和改进，均属于本发明的保护范围。本发明的保护范围由所附权利要求及其任何等同物给出。
Claims (6)
1.一种多模式显微高光谱成像仪，其特征在于：包括照明模块及高光谱探测模块；所述的照明模块应用落射式照明及透射式照明两种照明方式，将光源集成至与探测模块同轴，保证照明光以垂直于样品的方向均匀出射，实现待测样品表面均匀照明，有效避免因显微物镜的短工作距带来的外置光源照明条件下样品面出现潜在阴影及照明不均匀等问题，极大提高探测信号的收集效率及信噪比；所述的高光谱探测模块同样位于垂直样品的方向，用于捕获位于焦平面的待测样品的非弹性散射信号，采集二维图像信息及光谱信息，实现显微高光谱成像；结合位移平台扫描运动，改变照明光源及照明方式，系统可以对大尺度样品实现推扫式多模态显微高光谱探测，有效解决当前商用高光谱成像仪探测模式单一、测量范围小等不足。
2.根据权利要求1所述的一种多模式显微高光谱成像仪，其特征在于：所述的照明模块包括：与光源直接连接的单模光纤（1）、准直器（2）、长焦透镜（3）、半透半反镜（4）；所述的高光谱探测模块包括：长通滤波片（5）、显微物镜（6）、待测样品及位移平台（7）、成像透镜（8）、狭缝（9）、会聚透镜（10）、棱镜（11）、光栅（12）、棱镜（13）、管透镜（14）、CMOS相机（15）；所述的照明模块用于将照明光集成至与探测模块同轴，在待测样品表面产生均匀的照明光；所述的高光谱探测模块用于采集样品表面发出的非弹性散射信号，实现高光谱探测；所述的落射式照明：照明光从样品上方向下出射，垂直照射在样品上，反射光被采集；所述的透射式照明：照明光从样品下方向上出射，垂直照射在样品上，透射光被采集。
3.根据权利要求1所述的一种多模式显微高光谱成像仪，其特征在于：所述的落射式照明实现方式：光源经过单模光纤（1）耦合至准直器（2）中，平行出射至长焦透镜（3），同时经过半透半反镜（4）转折光路，最终会聚于显微物镜（6）的后焦面；会聚光斑可等效为位于显微物镜（6）后焦点处的点光源，出射后经显微物镜（6）准直为平行光，均匀出射到待测样品表面上；所述的透射式照明实现方式：光源经过单模光纤（1）耦合至准直器（2）中，准直光直接均匀出射透过待测样品；所述的高光谱探测模块：位于显微物镜（6）焦平面处的样品（7），发出的散射光信号，被显微物镜（6）捕获，准直为平行光向后出射，经过半透半反镜（4）和长通滤波器（5），入射到成像透镜（8）上，会聚到狭缝（9），狭缝（9）起到线扫描区域选择的作用；经狭缝（9）出射的光经会聚透镜（10）再度准直为平行光，入射到棱镜光栅对（PGP）结构上；棱镜光栅对结构包括棱镜（11）、光栅（12）及棱镜（13），起到将复色光分光的作用；被棱镜光栅对分散的光经过管透镜（14），最终会聚到CMOS相机（15）上，可在相机上看见复色光沿某方向展开，同时包含测量区域样品的空间信息。
4.根据权利要求1所述的一种多模式显微高光谱成像仪，其特征在于：通过选择不同的光源及照明方式，可以实现不同模式对不同特性样品的探测；包括：落射式照明情况下，采用宽带光源，可以测量非透明样品的反射信号；落射式照明情况下，采用蓝紫光光源，可以测量荧光样品的荧光信号；透射式照明情况下，采用宽带光源，可以测量透明/半透明样品的透射信号。
5.根据权利要求1所述的一种多模式显微高光谱成像仪，其特征在于：由于照明光源与探测光路同轴，无需担心外置光源的可能导致的焦平面出现阴影或照明不均匀等问题，所以可以根据探测视场大小及探测分辨率等需求更换不同放大倍率的显微物镜。
6.根据权利要求1所述的一种多模式显微高光谱成像仪，其特征在于：装载待测样品的位移平台（7）可控制样品均匀步进移动，从而实现狭缝（9）所选线区域的线扫描，最终覆盖整个待测样品平面。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116026464A (zh) * | 2023-03-29 | 2023-04-28 | 合肥中科红外精密仪器有限公司 | 基于分切镜的快照式红外高光谱成像系统及方法 |
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2020
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| CN116026464A (zh) * | 2023-03-29 | 2023-04-28 | 合肥中科红外精密仪器有限公司 | 基于分切镜的快照式红外高光谱成像系统及方法 |
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