CN111561999A - 模块化快速显微高光谱成像检测仪技术领域 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种模块化快速显微高光谱成像检测仪，它将快速显微聚焦技术和高光谱成像技术结合起来，可以实现对诸如海洋生物的原位检测。检测仪包括：物镜、照明光源、电可调透镜、步进马达、分光镜、面阵相机、测距模块以及成像光谱仪。照明光源照明样品，反射光或者激发光，依次经过物镜，电可调透镜，然后由分光镜分为两路，一路被面阵相机接收，一路由成像光谱仪接收。由测距模块测量物体距离面阵相机的距离，调节电可调透镜或者步进马达使物体能够在面阵相机上清晰成像。该检测仪可以同时原位得到样品的图像和光谱信息，可以提高检测的速度和精确度。
Description
说明书
本发明涉及的是成像技术检测技术领域，通过改进传统相机结构，结合自动对焦显微成像技术与高光谱成像技术，提升了检测如海洋浮游生物时的便捷性与准确度，同时，进行了模块化的系统设计，方便调试和组装。
背景技术
海洋浮游生物悬浮在水层中常随水流移动的海洋生物。这类生物缺乏发达的运动器官，没有或仅有微弱的游动能力；绝大多数个体很小，须在显微镜下才能看清其构造，只有个别种的个体甚大；种类繁多，数量大，分布广，几乎世界各海域都有，是海洋生物的主要成员。
其研究对渔业生产和海洋科学基础理论都有重要意义。它们是经济鱼类的饵料基础，某些种(如桡足类的哲水蚤)的数量分布可提示鱼类(如鲱形鱼类)索饵洄游的路线，有助于寻找渔场、确定渔期。此外，一些狭温、狭盐性浮游生物，可作为不同海流的指示种。同时一些浮游植物，特别是甲藻和蓝藻，当海域富营养化时会发生过度繁殖，使局部水域变色，形成赤潮，对鱼、虾、贝类及其他经济海产动物危害很大。
传统的数字显微镜成像装置只能提供单一方向上的浮游生物图像，并且浮游生物在水体空间所处随机，同时沿海的浮游生物多达几百种，要获取这些浮游的各个角度图像并确定这些浮游生物的种类将需要耗费大量的人员、时间和财力。因此，传统的单面显微镜成像技术难以满足海洋浮游生物检测的智能化和自动化发展要求。
发明内容
为了解决如上述等问题，本发明公开了一种模块化快速显微高光谱成像检测仪，该检测仪借助高速相机能快速获取如桡足动物与藻类的相互作用等，同时能自动调焦以拍摄不同大小的浮游生物等图像，并借助高光谱检测技术对浮游生物等进行分类。
本发明所采用的技术方案：
本发明提出了一种模块化快速显微高光谱成像检测仪，可以应用在海洋生物原位检测等方面，它包括：物镜、照明光源、电可调透镜、步进马达、分光镜、面阵相机与测距模块以及成像光谱仪。照明光源发出光经物体反射，通过透镜以及电可调透镜到达分光镜，然后一束光到达面阵相机，另一束光到达成像光谱仪。
为了降低成本，便于组装，所述的分光镜为可拆卸设置。
更进一步具体实施方式中，通过测距模块测得物距，并使用步进马达进行快速调焦，从而能够在高速相机上成清晰的像。
更进一步具体实施方式中，所述的分光镜使用半透半反镜。
更进一步具体实施方式中，所述的高光谱图谱仪模块依次同轴设置透镜、狭缝、第一非球面消色差透镜、分光模块、第二非球面消色差透镜、面阵CMOS相机。由分光镜反射过来的光束经透镜成像聚焦到狭缝上，狭缝经第一非球面消色差透镜准直，然后经过分光模块进行分光，最后，经过第二非球面消色差透镜，聚焦到面阵CMOS相机上。
更进一步具体实施方式中，高光谱图谱仪的分光模块由第一楔形棱镜、透射光栅和第二楔形棱镜，同轴设置依次排列组成。
更进一步具体实施方式中，所述的分光模块组装所采用的结构如下：所述的分光模块包括棱镜固定装置、固定装置，所述的棱镜固定装置和固定装置都为圆柱形装置，通过法兰相对固定，其两者相对的内部设有与方形投射光栅相匹配的凹槽用于固定方形透射光栅，外部端分别设置与圆形第一楔形棱镜、第二楔形棱镜向匹配的凹槽用于固定第一楔形棱镜、第二楔形棱镜。
本发明相比现有技术而言，具有以下显著的优点：
1.本发明中加入测距模块，电可调透镜以及步进马达，能够实现快速调焦，从而方便观察不同大小的海洋浮游生物。
2.本发明中加入成像光谱仪，能够快速检测并识别如海洋浮游生物种类。
3.本发明采用模块化设计，方便调节和组装。
4.本发明中高光谱图谱仪模块采用非球面消色差透镜作为准直透镜和聚焦透镜，简化了系统结构，同时保证系统具有较好的色差表现。
5.本发明中采用CMOS相机作为感光元件，具有较低功耗和较高帧率。
附图说明
图1为系统的整体结构图
图2为高光谱图谱仪光路结构图
图3为高光谱图谱仪分光模块原理图。
图4为内窥式高光谱图谱仪结构图。
物镜1，照明光源2，电可调透镜3，测距模块4，分光镜5，面阵相机6，高光谱图谱仪7，透镜8，狭缝9，第一非球面消色差透镜10，分光模块11，第二非球面消色差透镜12，面阵CMOS相机13，传像光纤14，准直器15，内窥模块16。
具体实施方式
实例1：
下面结合附图1-3以及具体实例对本发明进行说明。
如图1所示，一种模块化快速显微高光谱成像检测仪，由物镜、照明光源、电可调透镜、测距模块、分光镜、面阵相机以及成像光谱仪构成。照明光源发出光经物体反射，通过透镜以及电可调透镜到达分光镜，一束光到达面阵相机，另一束光到达成像光谱仪。针对海洋桡足等小动物运动快的特点，我们可以通过测距模块检测距离，然年快速调整电可调透镜的焦距，从而捕捉到海洋桡足等小动物与藻类相互作用的画面，同时借助成像光谱仪，快速检测，识别出海洋生物的种类。
被测物反射透明光源发出的光，光线经物镜以及电可调透镜呈平行光出射，与分光镜呈45度角入射到分光镜上。光线经分光镜，分为两束光，一束光入射到面阵相机，另一束光入射到成像光谱仪中。
光线入射到高光谱图谱仪时，经透镜8汇聚到狭缝9上，狭缝经第一非球面消色差透镜10准直，然后经过分光模块11进行分光，最后，经过第二非球面消色差透镜12聚焦到面阵CMOS相机13上。分光模块可拆卸设置，由第一楔形棱镜、透射光栅和第二楔形棱镜，同轴设置依次排列组成。可以通过改变楔形棱镜的楔角来调整相机上的光谱范围，其原理如图3所示。经过第一非球面消色差透镜准直后的光线平行入射到楔形棱镜上，棱镜的楔角为a，光线经过棱镜后发生折射，设其折射角为b，空气的折射率为n1，棱镜的折射率为n2，折射满足斯涅耳定律：
n1×sin(a)＝n2×sin(b)
之后光线经过投射光栅分光，光线路径满足：
d×(sin(b)-sin(c))＝mλ
其中d为光栅常数，c为从光栅出射的阶次为m的光线的出射角度。
由以上公式可以看出，通过改变楔形棱镜的楔角，可以调整面阵相机的光谱范围，泳衣适应不同种类的相机。
与传统的成像光谱仪相比，本系统所使用的成像光谱仪采用了非球面消色差透镜来代替非球面透或者透镜组，在准直的同时，对系统的色差进行了校正，具有结构紧凑，色差小的特点。此外使用CMOS相机作为感光元件，降低了系统的功耗。
实例2：
在实例1的基础上，将图4所示的内窥模块中的内窥光源14，探头15深入到泥土中，传像光纤16的后端与物镜的聚焦面重合，可以实现对海底泥土中微生物的检测。
本发明，结合自动对焦显微成像技术与高光谱成像技术，提升了检测海洋浮游生物等时的便捷性与准确度，同时，进行了模块化的系统设计，方便调试和组装。以上实施方式只是对本发明专利的优选实施进行例行描述，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。
Claims (6)
1.一种结合面阵相机、自动对焦显微成像技术与高光谱成像技术的快速显微高光谱成像检测仪，包括物镜(1)，照明光源(2)，电可调透镜(3)，测距模块(4)，分光镜(5)，面阵相机(6)，成像光谱仪(7)。
2.根据权利要求1所述的快速高光谱成像检测仪，其特征在于：使用步进马达与电可调透镜实现快速调焦。
3.根据权利要求1所述的快速高光谱成像检测仪，其特征在于：使用高速相机快速捕捉海洋浮游生物的画面。
4.根据权利要求1所述的快速高光谱成像检测仪，其特征在于：加入分光镜，同时获得画面以及光谱信息。
5.根据权利要求1所述的快速高光谱成像检测仪，其特征在于：加入高光谱图谱仪，获得图片光谱分布并检测。
6.根据权利要求1所述的快速高光谱成像检测仪，其特征在于：可以内窥模块(包括照明光源，探头，传像光纤)结合，实现对深海泥土生物等的内窥成像。
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