CN112097905B - 一种光谱显微成像装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种光谱显微成像装置，包括照明光源，载物台，显微物镜，视场光阑，4F中继透镜，闪耀光栅，带通滤波器，微透镜阵列和灰度相机，且自左向右依次设置；所述的4F中继透镜共有三组，分别设置在视场光阑和闪耀光栅之间、带通滤波器和微透镜阵列之间以及微透镜阵列和灰度相机之间。本发明装置通过光路设计，达到单次曝光即可同时获得观测样本多路连续光谱通道的目的，可以实时获得观察样本视频信息，无时间延时，无计算耗时。
Description
技术领域
本发明涉及光谱成像领域，具体涉及一种快速光谱显微成像装置。
背景技术
相比于传统的成像技术，光谱成像在拍摄场景二维图像的同时，记录其光谱信息，将二维空间与一维光谱信息记录下来。光谱成像技术可以增加记录信息的丰富程度，有利于后期分析与处理。光谱成像技术初期，使用的是传统的方法获取光谱信息，即通过窄带滤光片来记录对应波长处的二维空间信息与光谱信息。该方法精度高，易于实现，缺点是只能够获取有限多个光谱通道信息，且光谱信息不连贯。同时，此方法无法同时记录不同光谱通道上的光谱信息，因此只能实现静态场景的光谱成像。
快速光谱显微成像技术可以实现几个光谱通道的获取，因此光谱数据更加丰富。因此，快速光谱显微成像技术可以有效地解决早期光谱成像技术中光谱通道少，无法处理动态场景图像获取的问题。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提出一种光谱显微成像装置。该方法可以记录连续多个光谱通道信息，并且可以用于记录动态场景的光谱显微成像。
一种用于光谱显微成像的光路装置，包括宽光谱白光光源，载物台，显微物镜，闪耀光栅，视场光阑，带通滤波器，4F中继透镜，微透镜阵列和灰度相机。显微物镜成像镜头用来获取载物台上样本的二维图像信息并成像在视场光阑所在平面，再通过第一个4F中继透镜中继到闪耀光栅表面。闪耀光栅会将场景不同光谱波长下的透射光色散到不同角度上，带通滤波器将闪耀光栅亮度最高的+1级中待记录的光谱波段单独通过，并将其它波段以及其它光栅级上的光线屏蔽掉。此时光栅色散后的光线经过第二个4F中继透镜重新汇聚在微透镜阵列所在平面，不同波长的光线在微透镜阵列后方微透镜焦距f距离处聚焦，并且连续光谱延光栅色散方向一字展开，展开的像经过第三个4F中继透镜，重新成像在灰度相机的传感器阵列上。整个光路系统前后需要数值孔径匹配，即投射到微透镜阵列上的光与微透镜阵列本身的数值孔径大小不能差异过大，并且尽量接近，以免产生图像重叠混淆。
通过采用上述结构，由于微透镜阵列对视场内成像进行了采样分割，因此不同光谱通道的成像会聚焦在不同的像素坐标中，选取子像素中对应位置的像素重新组合即可得到对应光谱信息。
本发明有益效果如下：
本发明装置通过光路设计，达到单次曝光即可同时获得观测样本多路连续光谱通道的目的，可以实时获得观察样本视频信息，无时间延时，无计算耗时。
附图说明
图1为本发明光谱显微成像装置结构示意图。
附图标记：照明光源1，载物台2，显微物镜3，视场光阑4，4F中继透镜5，闪耀光栅6，带通滤波器7，微透镜阵列8，灰度相机9，微透镜焦平面10，子像素11。
具体实施方式
一种光谱显微成像装置，本发明特征在于单次曝光获取生物样本连续多个光谱信息，包括以下步骤：
参看图1，一种光谱显微成像装置包括：照明光源1，载物台2，显微物镜3，视场光阑4，4F中继透镜5，闪耀光栅6，带通滤波器7，微透镜阵列8和灰度相机9，且自左向右依次设置；所述的4F中继透镜5共有三组，分别设置在视场光阑4和闪耀光栅6之间、带通滤波器7和微透镜阵列8之间以及微透镜阵列8和灰度相机9之间；
照明光源1将载物台2上的观测物体照亮，显微物镜3的成像镜头将观测物体的实像成像在视场光阑4所在平面，经过4F中继透镜5映射在闪耀光栅6表面，此时，观测物体的实像与闪耀光栅6的刻线面重合。
映射在闪耀光栅6表面的观测物体的实像发生色散，带通滤波器7将闪耀光栅亮度最高的+1级中待记录的光谱波段单独通过，经过4F中继透镜5重新汇聚到微透镜阵列8上。然后在微透镜焦平面10上沿着一个维度发生色散，观测物体色散后的实像经过4F中继透镜5成像在灰度相机9的像素阵列上。
一种光谱显微成像装置的实现方法，包括如下步骤：
步骤一：照明光源1将载物台2上的观测物体照亮，显微物镜3的成像镜头将观测物体的实像成像在视场光阑4所在平面，经过4F中继透镜5映射在闪耀光栅6表面，此时，观测物体的实像与闪耀光栅6的刻线面重合。
步骤二：映射在闪耀光栅6表面的观测物体的实像发生色散，带通滤波器7将闪耀光栅亮度最高的+1级中待记录的光谱波段L1至Ln单独通过，经过4F中继透镜5重新汇聚到微透镜阵列8上。
步骤三：由于映射在闪耀光栅6表面的观测物体的实像存在色散角度，因此不同波长的光重新汇聚在微透镜阵列8上实像存在不同的出射角，并且在微透镜焦平面10上沿着一个维度发生色散，观测物体色散后的实像经过4F中继透镜5成像在灰度相机9的像素阵列上。
步骤四：微透镜阵列8中每一个微透镜对应灰度相机9的像素阵列中的一块子像素11区域，子像素11大小为N×N个像素，其中N为奇数，并且经过该微透镜的出射光会投射到子像素11的中间一行像素上，此时，将子像素11中中间一行对应位置的像素重新组合，组合方式为，将每个微透镜对应的子像素11中的第(N+1)/2行的第i个像素按照微透镜位置排序组合为第i张图像Ai，其中i＝1,2……N，即可得到载物台2上观测物体在λi波长下对应的光谱图像Ai，其中λi＝L1+(i-0.5)×(Ln-L1)/N。
进一步的，子像素(11)大小为N×N个像素，其中N为奇数,且，3<N<13。
Claims (1)
1.一种光谱显微成像装置的实现方法，其特征在于，光谱显微成像装置包括：照明光源(1)，载物台(2)，显微物镜(3)，视场光阑(4)，4F中继透镜(5)，闪耀光栅(6)，带通滤波器(7)，微透镜阵列(8)和灰度相机(9)，且自左向右依次设置；所述的4F中继透镜(5)共有三组，分别设置在视场光阑(4)和闪耀光栅(6)之间、带通滤波器(7)和微透镜阵列(8)之间以及微透镜阵列(8)和灰度相机(9)之间；
照明光源(1)将载物台(2)上的观测物体照亮，显微物镜(3)的成像镜头将观测物体的实像成像在视场光阑(4)所在平面，经过4F中继透镜(5)映射在闪耀光栅(6)表面，此时，观测物体的实像与闪耀光栅(6)的刻线面重合；
映射在闪耀光栅(6)表面的观测物体的实像发生色散，带通滤波器(7)将闪耀光栅亮度最高的+1级中待记录的光谱波段单独通过，经过4F中继透镜(5)重新汇聚到微透镜阵列(8)上；然后在微透镜焦平面(10)上沿着一个维度发生色散，观测物体色散后的实像经过4F中继透镜(5)成像在灰度相机(9)的像素阵列上；
光谱显微成像装置的实现方法，包括如下步骤：
步骤一：照明光源(1)将载物台(2)上的观测物体照亮，显微物镜(3)的成像镜头将观测物体的实像成像在视场光阑(4)所在平面，经过4F中继透镜(5)映射在闪耀光栅(6)表面，此时，观测物体的实像与闪耀光栅(6)的刻线面重合；
步骤二：映射在闪耀光栅(6)表面的观测物体的实像发生色散，带通滤波器(7)将闪耀光栅亮度最高的+1级中待记录的光谱波段L1至Ln单独通过，经过4F中继透镜(5)重新汇聚到微透镜阵列(8)上；
步骤三：由于映射在闪耀光栅(6)表面的观测物体的实像存在色散角度，因此不同波长的光重新汇聚在微透镜阵列(8)上实像存在不同的出射角，并且在微透镜焦平面(10)上沿着一个维度发生色散，观测物体色散后的实像经过4F中继透镜(5)成像在灰度相机(9)的像素阵列上；
步骤四：微透镜阵列(8)中每一个微透镜对应灰度相机(9)的像素阵列中的一块子像素(11)区域，子像素(11)大小为N×N个像素，其中N为奇数，并且经过该微透镜的出射光会投射到子像素(11)的中间一行像素上，此时，将子像素(11)中中间一行对应位置的像素重新组合，组合方式为，将每个微透镜对应的子像素(11)中的第(N+1)/2行的第i个像素按照微透镜位置排序组合为第i张图像Ai，其中i＝1,2……N，即可得到载物台(2)上观测物体在λi波长下对应的光谱图像Ai，其中λi＝L1+(i-0.5)×(Ln-L1)/N；
子像素(11)大小为N×N个像素，其中N为奇数,且，3<N<13。
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