CN111721720A - 一种光谱成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种光谱成像系统，包括光源设备、激发光会聚透镜组、反射光汇聚透镜组、滤光片、数字微镜器、光谱仪、光纤准直器、处理器和光纤；处理器根据外部输入的图像采集指令向光源设备发送照射启动指令；光源设备发出照射光；待成像目标物吸收照射光，并发出激发光；激发光通过激发光会聚透镜组和滤光片后生成滤光处理光；再经数字微镜器反射后生成反射光；光纤准直器通过反射光会聚透镜组收集反射光；并进行准直处理生成第一数量个准直光信号，经光纤传输到光谱仪进行光谱测量得到第一数量个第一光谱数据；再由处理器对其进行图像重建处理得到第二数量个重建图像数据，之后对多个重建图像数据进行融合处理，得到待成像目标物的图像数据。

Description

一种光谱成像系统

技术领域

本发明涉数据处理领域，尤其涉及一种光谱成像系统。

背景技术

光谱成像是基础和应用科学研究中常用的方法，用于用显微镜分析特殊的化学组成和物理结构。光谱成像通常可以定义为空间和光谱信息的组合采集。成像光谱仪也安装在空中和卫星上，用于遥感和天文观测。光谱信息可以用于许多领域的物质分析。在生物医学研究中，广泛的应用，如蛋白质定位和相互作用的研究，需要定量方法同时分析同一样品中的几个不同的荧光分子。事实上，随着发射范围从紫外到远红外的各种荧光染料和蛋白质的出现，这些应用变得越来越普遍。荧光光谱成像技术确实已经成为科学研究的基本工具。

然而，传统的光谱成像存在一些缺点。在大多数当前的光谱成像技术中，空间信息是通过使用分光计逐点机械扫描样品而获得的。不可避免地，机械运动将在空间域产生误差，潜在地需要重复测量，这浪费了资源。

发明内容

针对现有技术缺陷，本发明实施例提供一种光谱成像系统，其基于光谱成像具有大量数据，且其通常是高度可压缩的显著特征，将光谱仪和空间光调制方法进行结合，能够完成无需机械扫描即可同时获得光谱和空间信息，从而完成对待成像目标物进行成像。

为解决上述问题，本发明提供了一种光谱成像系统，所述系统包括：光源设备、激发光会聚透镜组、反射光汇聚透镜组、滤光片、数字微镜器、光谱仪、光纤准直器、处理器和光纤；

所述处理器与所述光源设备通信链接，接收外部输入的图像采集指令，并根据所述图像采集指令向所述光源设备发送照射启动指令；

所述光源设备接收所述处理器发送的所述照射启动指令，向待成像目标物发出照射光；

所述激发光会聚透镜组距离所述待成像目标物第一预设距离，接收待成像目标物吸收所述照射光后发出的激发光，并对所述激发光进行光路改变处理；

所述滤光片对接收到的所述激发光进行滤光处理，得到滤光处理光；

所述数字微镜器，接收所述处理器发送的随机矩阵数据，并根据所述随机矩阵数据对接收到的所述滤光处理光进行反射处理,生成反射光；

所述反射光汇聚透镜组设置在所述光纤准直器与所述数字微镜器之间，接收所述反射光，并对所述反射光进行光路改变处理；

所述光纤准直器通过所述反射光汇聚透镜组收集所述反射光，并对所述反射光进行准直处理，生成准直光信号；

所述光纤与所述光纤准直器和所述光谱仪分别连接，将所述光纤准直器处理后的所述准直光信号传送给所述光谱仪；

所述光谱仪与所述处理器通信连接，对接收到的准直光信号进行光谱测量处理，得到第一光谱数据，并发送给处理器；

所述处理器接收第一光谱数据，并调用预设压缩感知算法对接收到的第一数量个第一光谱数据进行图像重建处理，得到第二数量个重建图像数据；

所述处理器根据所述第二数量个重建图像数据得到所述待成像目标物的图像数据。

优选的，所述成像系统还包括显示设备；

所述显示设备与处理器通信连接，接收所述处理器发送的所述待成像目标物的图像数据，并根据所述图像数据显示图像。

优选的，所述激发光会聚透镜组包括第一透镜和第二透镜；

所述第一透镜与所述第二透镜具有相同的焦距f，且所述第一透镜与所述第二透镜的主光轴延长线重合；

所述第一透镜与所述第二透镜间的距离l1满足条件f＜l＜2f。

进一步优选的，所述成像系统还包括狭缝装置；

所述狭缝装置设置在所述第一透镜与所述第二透镜之间，距离所述第一透镜一倍焦距，且所述第一透镜的主光轴延长线穿过所述狭缝装置的狭缝；

所述狭缝装置接收所述第一透镜对所述激发光进行聚集处理后得到的聚集光，并根据预设光通量对通过的所述聚集光进行光通量调节处理。

优选的，所述反射光汇聚透镜组包括第三透镜和第四透镜，所述反射光汇聚透镜组设置在所述光纤准直器与所述数字微镜器之间具体为：

所述第三透镜的焦距为f3，所述第四透镜的焦距为f4；

所述第三透镜的主光轴平行于所述数字微镜器生成的所述反射光的传播方向，且接收所有反射光；

所述第三透镜与所述第四透镜的主光轴延长线重合，且所述第四透镜与所述第三透镜的距离l2满足条件f3＜l2≤f3+f4；

所述光纤准直器设置在距离所述第四透镜第二预设距离的位置。

优选的，所述处理器接收第一光谱数据，并调用预设压缩感知算法对接收到的第一数量个第一光谱数据进行图像重建处理，得到第二数量个重建图像数据具体包括：

所述处理器对接收所述光谱仪发送的第一数量个所述第一光谱数据；其中，所述第一光谱数据包括第二数量个峰值数据；

所述处理器根据所述第一数量个第一光谱数据中的第二数量个峰值数据确定第二数量组垂直数据；

处理器调用预设压缩感知算法对所述第二数量组垂直数据进行图像重建处理，得到第二数量个重建图像数据。

进一步优选的，处理器调用预设压缩感知算法对所述第二数量组垂直数据进行图像重建处理，得到第二数量个重建图像数据具体为：

所述处理器调用TVAL3算法对所述第二数量组垂直数据的每一组垂直数据分别进行图像重建处理，得到第二数量个不同的重建图像数据。

优选的，所述处理器根据所述第二数量个重建图像数据得到所述待成像目标物的图像数据具体包括：

所述处理器对所述第二数量个重建图像数据进行融合处理，生成所述待成像目标物的图像数据。

进一步优选的，所述处理器对所述第二数量个重建图像数据进行融合处理，生成所述待成像目标物的图像数据具体为：

所述处理器确定所述重建图像中的第一像素点；

所述处理器获取所述第二数量个所述重建图像中第一像素点的第一像素值，得到第二数量个第一像素值；

所述处理器将第二数量个所述第一像素值相加得到所述第一像素点对应的第一融合像素值；

所述处理器根据每个第一像素点对应的第一融合像素值生成所述待成像目标物的图像数据。

本发明实施例提供的一种光谱成像系统，该系统包括：光源设备、激发光会聚透镜组、反射光汇聚透镜组、滤光片、数字微镜器、光谱仪、光纤准直器、处理器和光纤，其通过利用光谱成像的大量数据通常是高度可压缩的显著特征，使用光谱仪和空间光调制，在无需机械扫描的情况下，即可同时获得光谱仪波长范围内的光谱数据和空间信息，处理器通过预设压缩感知重建方法对第一数量个包括第二数量个峰值的光谱数据进行图像重建处理，并完成对多个重建图像数据进行融合处理，最终得到待成像目标物的图像数据，并在相应的显示设备上进行图像显示。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种光谱成像系统示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。本发明提供的示意图为仅仅用于对系统进行说明的示意，并对指示具体的数值进行限定，也不对各设备间的具体位置做限定。

本发明的一种光谱成像系统，其用于完成对待成像目标物进行光谱成像。图1为本发明实施例提供的一种光谱成像系统示意图，如图所示，该系统包括：光源设备1，激发光会聚透镜组2，滤光片5，数字微镜器6，反射光会聚透镜组7，光纤准直器8，光谱仪9、处理器10和光纤(图中未示出)。

光源设备1，用于产生照射光，照射到待成像目标物2。

本发明的一个优选实施例中，光源设备1为发射波长为402纳米激光的激光发射装置，其具有通信器件，与处理器10进行通信连接(图中的虚线示出)，例如，有线连接或者无线连接。处理器10接收外部输入的图像采集指令，并根据所述图像采集指令向所述光源设备1发送照射启动指令。光源设备1接收处理器10发送的照射启动指令，当接收到照射启动指令后向待成像目标物3发出照射光。其中，本发明实施例的待成像目标物为由荧光材料组成的物体或者使用荧光材料装饰的物体。当光源设备1产生的照射光照射到待成像目标物3后，待成像目标物3吸收照射光，发出激发光。需要说明的是，图中的箭头指示的方向仅仅代表光线传播方向的示意，并不代表具体方向，图中箭头所指示的也不是代表具体的光束，仅仅是一种示意。需要特别说明的是，图中虚线指示仅仅表示装置间具有通信连接，包括有线连接或者无线连接。

激发光会聚透镜组2，用于接收待成像目标物3发出的激发光，并对激发光进行光路改变处理。

本发明的优选实施例的一个具体例子中，激发光会聚透镜组2包括第一透镜L1和第二透镜L2,第一透镜L1与第二透镜L2具有相同的焦距f，并且第一透镜L1与第二透镜L2的在主光轴延长线重合，第一透镜与第二透镜间的距离为l1，其中，f＜l＜2f。当在对待成像目标物进行成像时，待成像目标物放置在第一透镜L1前，第一透镜接收待成像目标物发出的类似平行光的激发光，并将其会聚于焦点处，第二透镜接收经过第一透镜进行光路改变后的激发光，再一次对激发光进行光路改变，得到的会聚后的类似平行光。由透镜的原理我们可知，由激发光会聚透镜组进行光路改变处理后的激发光更聚集。

本发明实施例一个更优的例子中，成像系统还包括狭缝装置4；狭缝装置4设置在第一透镜L1与第二透镜L2之间，距离第一透镜一倍焦距处，且第一透镜的主光轴延长线穿过狭缝装置的狭缝；狭缝装置接收第一透镜L1对激发光进行聚集处理后得到的聚集光，并根据预设光通量对狭缝的大小进行调节，实现对通过狭缝的聚集光进行光通量调节。

滤光片5，接收由激发光会聚透镜组2进行光路改变后的激发，并对接收的激发光进行滤光处理，得到滤光处理光。

本发明的一个优选实施例中，滤光片5采用长波通滤光片，长波通滤波片选用与光源装置发出的照射光波长相对应。选用滤光片的理由是：由于在待测目标物发出激发光的同时也伴随着其对照射光的反射，选用能够滤除光源装置发出的照射光的长波通滤波片，其作用就是滤除激发光中携带的照射光和照射光被待成像目标物反射后的反射光。

本发明的一个优选实施例的中，选用能够滤除波长为405纳米的激光的长波通滤光片，用于滤除光源装置发出的405纳米的照射光和待成像目标物对其进行反射后生成的波长为405纳米反射光。激发光通过长波通滤光片进行滤光处理光后生成滤光处理光。

本发明实施例的优选方案中，激发光通过激发光会聚透镜组2和狭缝装置4后照射到长波通滤光片5，长波通滤光片5对其进行滤波生成滤光处理光的方法具体为：

首先，第一透镜对通过的激发光进行聚焦处理，得到聚焦在狭缝装置的狭缝处的聚焦光。

其次，狭缝装置根据预设光通量对通过的聚焦光进行光通量调节，得到光通量调节光。

然后，第二透镜对接收到的光通量调节光进行光路调节处理后照射到长波通滤光片。

最后，长波通滤光片对接收到的激发光进行滤光处理后生成滤光处理光。

数字微镜器6，与处理器通信连接，接收处理器10发送的随机矩阵数据，并根据随机矩阵数据对接收到的滤光处理光进行反射处理,生成反射光。

本发明的一个优选实施例中，，数字微镜器由1024×768个微镜组成。这些微镜独立地将光反射到两个方向“0”和“1”,其中“0”和“1”分别出现在微镜的-12°和+12°。处理器10在接收到图像采集指令后，从其存储单元中获取与数字微镜器相应的第一数量个“0-1”随机矩阵数据并按照预设时间间隔依次顺序发送给数字微镜器6。数字微镜器6根据接收到的随机矩阵数据进行微镜调整，使其在“1”的方向上生成反射光。由于处理器顺序发送的第一数量个随机矩阵不同，所以数字微镜器6依照接收到的不同的随机矩阵数据依次顺序生成第一数量个不同的反射光。

反射光汇聚透镜组7，设置在光纤准直器8与数字微镜器6之间，用于接收反射光，并对反射光进行光路改变处理。

本发明的一个优选实施例中，，反射光汇聚透镜组包括第三透镜L3和第四透镜L4，第三透镜的焦距为f3，第四透镜的焦距为f4,第三透镜L3的主光轴平行于数字微镜器生成的反射光的传播方向，且能够接收所有反射光；第三透镜L3与第四透镜L4的主光轴延长线重合，且第四透镜L4与第三透镜L3的距离l2满足条件f3＜l2≤f3+f4，具体的距离值由在对待成像目标物成像前根据实验数据进行调节。由数字微镜器6反射生成的反射光通过反射光会聚透镜组7进行收集，会聚到光纤准直器8中。其中，反射光为由数字微镜器6反射后得到的光，其可以看作是类似平行光束，在经过反射光会聚透镜组7后，生成能够全部由光纤准直器接收到的类似平行光束。

光纤准直器8，设置在距离第四透镜L4第二预设距离的位置。光纤准直器8对接收到的反射光进行准直处理，生成准直光信号。由于光纤准直器8会依次不断地接收到反射光，其也会不断地对接收到地反射光进行准直处理，依次连续向光纤输出准直光信号。之后，准直光信号通过光纤(图中未示出)传输到光谱仪9。其中，光纤(图中未示出)与光纤准直器8和光谱仪9分别连接，将光纤准直器8处理后的准直光信号传送给光谱仪9。

光谱仪9，与处理器10通信连接，对接收到的准直光信号进行光谱测量处理，得到第一光谱数据，并发送给处理器10。

本发明的一个优选实施例中，光谱仪9的光谱范围为200-1100纳米，光谱分辨率为1.4纳米，最小积分时间为10μs。

处理器10，接收第一光谱数据，并调用预设压缩感知算法对接收到的第一数量个第一光谱数据进行图像重建处理，得到第二数量个重建图像数据。

本发明的一个优选实施例中，，处理器10对接收光谱仪9发送的第一数量个第一光谱数据；其中，由于待成像目标物3是由第二数量中荧光材料组成或使用第二数量种荧光材料装饰过，所以光谱仪9接对接收到的准直光进行光谱测量后得到的第一光谱数据包括第二数量峰值；处理器10根据第一数量个第一光谱数据中的第二数量个峰值数据确定第二数量组垂直数据，例如，第二数量为2，第一光谱数据出现峰值的波长位置分别为468纳米和636纳米处，那么确定的2组垂直数据分别为由第一数量个波长在468纳米处光谱数据值组成的数据组和第一数量个波长在636纳米处的光谱数据值组成的数据组。

处理器10调用预设压缩感知算法对第二数量组垂直数据进行图像重建处理，得到第二数量个重建图像数据。本发明实施例优选方案的一个具体例子中，处理器10调用全变分增广拉格朗日交替方向(Total variation Augmented Lagrangian AlternatingDirection Algorithm，TVAL3)算法对所述第二数量组垂直数据的每一组垂直数据分别进行图像重建处理，得到第二数量个不同的重建图像数据。本发明实施例优选方案的另一个具体例子中，处理器10调用正交匹配追踪(Orthogonal Matching Pursuit,OMP)算法对所述第二数量组垂直数据的每一组垂直数据分别进行图像重建处理，得到第二数量个不同的重建图像数据，重建一个64×64的图像大约需要1-2秒。

处理器10，还用于根据第二数量个重建图像数据得到待成像目标物的图像数据。

本发明的一个优选实施例中，处理器对第二数量个重建图像数据进行融合处理，生成待成像目标物的图像数据具体为：

首先，处理器根据第二数量个重建图数据中每一个重建图像数据的第一像素点的像素值得到第二数量个第一像素值。

其次，处理器将第二数量个第一像素值相加得到第一像素点对应的第一融合像素值。

最后，处理器根据每个第一像素点对应的第一融合像素值生成待成像目标物的图像数据。

在发明的光谱成像系统中，处理器10用于控制整个系统，包括接收外界输入的图像采集指令，根据接收到图像采集指令生成照射启动指令并将其发送给光源设备1，并根据图像采集指令从存储设备中获取随机矩阵数据，将随机矩阵数据发送给数字微镜器6，并对接收到的光谱数据进行重建生成重建图像数据，并对生成的多个重建图像数据进行融合处理，得到待成像目标物的图像数据。

在本发明更优的一个实施例中，光谱成像系统还包括显示设备(图中未示出)，显示设备与处理器10通信连接，接收处理器10发送的待成像目标物3的图像数据，并根据图像数据显示图像。

本发明实施例提供的一种光谱成像系统，该系统包括：光源设备、激发光会聚透镜组、反射光汇聚透镜组、滤光片、数字微镜器、光谱仪、光纤准直器、处理器和光纤，其通过利用光谱成像的大量数据通常是高度可压缩的显著特征，使用光谱仪和空间光调制，在无需机械扫描的情况下，即可同时获得光谱仪波长范围内的光谱数据和空间信息，处理器通过预设压缩感知重建方法对第一数量个包括第二数量个峰值的光谱数据进行图像重建处理，并完成对多个重建图像数据进行融合处理，最终得到待成像目标物的图像数据，并在相应的显示设备上进行图像显示。

专业人员应该还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

以上的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种光谱成像系统，其特征在于，所述成像系统包括：光源设备、激发光会聚透镜组、反射光汇聚透镜组、滤光片、数字微镜器、光谱仪、光纤准直器、处理器和光纤；

所述处理器与所述光源设备通信链接，接收外部输入的图像采集指令，并根据所述图像采集指令向所述光源设备发送照射启动指令；

所述光源设备接收所述处理器发送的所述照射启动指令，向待成像目标物发出照射光；

所述激发光会聚透镜组距离所述待成像目标物第一预设距离，接收待成像目标物吸收所述照射光后发出的激发光，并对所述激发光进行光路改变处理；

所述滤光片对接收到的所述激发光进行滤光处理，得到滤光处理光；

所述数字微镜器，接收所述处理器发送的随机矩阵数据，并根据所述随机矩阵数据对接收到的所述滤光处理光进行反射处理,生成反射光；

所述反射光汇聚透镜组设置在所述光纤准直器与所述数字微镜器之间，接收所述反射光，并对所述反射光进行光路改变处理；

所述光纤准直器通过所述反射光汇聚透镜组收集所述反射光，并对所述反射光进行准直处理，生成准直光信号；

所述光纤与所述光纤准直器和所述光谱仪分别连接，将所述光纤准直器处理后的所述准直光信号传送给所述光谱仪；

所述光谱仪与所述处理器通信连接，对接收到的准直光信号进行光谱测量处理，得到第一光谱数据，并发送给处理器；

所述处理器接收第一光谱数据，并调用预设压缩感知算法对接收到的第一数量个第一光谱数据进行图像重建处理，得到第二数量个重建图像数据；

所述处理器根据所述第二数量个重建图像数据得到所述待成像目标物的图像数据。

2.根据权利要求1所述光谱成像系统，其特征在于，所述成像系统还包括显示设备；

所述显示设备与处理器通信连接，接收所述处理器发送的所述待成像目标物的图像数据，并根据所述图像数据显示图像。

3.根据权利要求1所述光谱成像系统，其特征在于，所述激发光会聚透镜组包括第一透镜和第二透镜；

所述第一透镜与所述第二透镜具有相同的焦距f，且所述第一透镜与所述第二透镜的主光轴延长线重合；

所述第一透镜与所述第二透镜间的距离l1满足条件f＜l＜2f。

4.根据权利要求3所述光谱成像系统，其特征在于，所述成像系统还包括狭缝装置；

所述狭缝装置设置在所述第一透镜与所述第二透镜之间，距离所述第一透镜一倍焦距，且所述第一透镜的主光轴延长线穿过所述狭缝装置的狭缝；

所述狭缝装置接收所述第一透镜对所述激发光进行聚集处理后得到的聚集光，并根据预设光通量对通过的所述聚集光进行光通量调节处理。

5.根据权利要求1所述光谱成像系统，其特征在于，所述反射光汇聚透镜组包括第三透镜和第四透镜，所述反射光汇聚透镜组设置在所述光纤准直器与所述数字微镜器之间具体为：

所述第三透镜的焦距为f3，所述第四透镜的焦距为f4；

所述第三透镜的主光轴平行于所述数字微镜器生成的所述反射光的传播方向，且接收所有反射光；

所述第三透镜与所述第四透镜的主光轴延长线重合，且所述第四透镜与所述第三透镜的距离l2满足条件f3＜l2≤f3+f4；

所述光纤准直器设置在距离所述第四透镜第二预设距离的位置。

6.根据权利要求1所述光谱成像系统，其特征在于，所述处理器接收第一光谱数据，并调用预设压缩感知算法对接收到的第一数量个第一光谱数据进行图像重建处理，得到第二数量个重建图像数据具体包括：

所述处理器对接收所述光谱仪发送的第一数量个所述第一光谱数据；其中，所述第一光谱数据包括第二数量个峰值数据；

所述处理器根据所述第一数量个第一光谱数据中的第二数量个峰值数据确定第二数量组垂直数据；

处理器调用预设压缩感知算法对所述第二数量组垂直数据进行图像重建处理，得到第二数量个重建图像数据。

7.根据权利要求6所述光谱成像系统，其特征在于，处理器调用预设压缩感知算法对所述第二数量组垂直数据进行图像重建处理，得到第二数量个重建图像数据具体为：

所述处理器调用TVAL3算法对所述第二数量组垂直数据的每一组垂直数据分别进行图像重建处理，得到第二数量个不同的重建图像数据。

8.根据权利要求1所述光谱成像系统，其特征在于，所述处理器根据所述第二数量个重建图像数据得到所述待成像目标物的图像数据具体包括：

所述处理器对所述第二数量个重建图像数据进行融合处理，生成所述待成像目标物的图像数据。

9.根据权利要求8所述光谱成像系统，其特征在于，所述处理器对所述第二数量个重建图像数据进行融合处理，生成所述待成像目标物的图像数据具体为：

所述处理器确定所述重建图像中的第一像素点；

所述处理器获取所述第二数量个所述重建图像中第一像素点的第一像素值，得到第二数量个第一像素值；

所述处理器将第二数量个所述第一像素值相加得到所述第一像素点对应的第一融合像素值；

所述处理器根据每个第一像素点对应的第一融合像素值生成所述待成像目标物的图像数据。

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