CN112098378A - 一种滤光器、滤光方法及多光谱成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种工作波段任意可调谐的滤光器、滤光方法以及相应的多光谱成像系统，所述滤光器包括色散单元、用于将经过色散单元色散的入射光信号准直的准直单元、接收准直单元准直后的入射光信号并将部分光信号作为反射光信号反射回所述准直单元的数字微镜器件、将反射光信号反射至探测光路中的反射镜；其中，所述经过准直单元准直的入射光信号的光轴与所述数字微镜器件反射的反射光信号的光轴不重合。相对于现有技术来说，本发明的滤光器以及滤光方法不仅能够实现任意多波段多通道的滤波，而且滤波速度极快，不会出现由于机械运动精度不够而产生的实际波长与标定波长不同的问题，因此，能够大大提升多光谱成像系统的多光谱成像性能。

Description

一种滤光器、滤光方法及多光谱成像系统

技术领域

本发明涉及光学技术领域，尤其是一种滤光器、相应的滤光方法，以及使用该滤光器的多光谱成像系统。

背景技术

共聚焦显微镜是一种使用激光光束逐点扫描激发样品，并利用针孔对荧光信号进行空间滤波去除非焦平面杂散光的一种显微成像技术，也是一种常见的多光谱成像系统。其中“共聚焦”一词的含义是：光源处的小孔、样品中的焦点和探测器前面的小孔是相互共轭的。相比于宽场显微镜，共聚焦显微镜具有良好的光学分辨率和信噪比。一般而言，荧光的中心波长与激光的波长是不同的，为了可以获得正确、良好的荧光图像，需要利用滤光片去滤除激发光和杂散光。在很多情况下，观测生物组织样品中的不同结构成分是非常有意义的，但是不同结构成分发出的荧光在波长上也是不同的，因此需要采取某些方法保证探测器能接收到不同结构成分发出的正确荧光，即实现多色或多光谱成像。

实际上多色或多光谱成像并不是共聚焦显微镜独有的要求，除了共聚焦显微镜以外，其它类型的荧光显微镜以及多光谱成像仪等许多成像系统都需要分时或者同时处理多个不同波段的光信号。目前，实现包括共聚焦显微镜在内的此类设备多光谱成像的常规办法就是安装滤光轮、滤光片组等，即，需要使用滤光片来得到对应波段的荧光信号，但是光学滤光片的滤光波段都是固定的，为了能实现多光谱成像，必须安装多个滤光片或一个多带宽滤光片来匹配不同的荧光，这种方法不仅成本高、速度慢，而且光谱分辨率低、任意多波段调谐功能差，成像带宽也完全取决于滤光片的生产厂商。

以共聚焦显微镜为例，现有技术中也开发出了一些具有可调滤光功能的设备，商用的能实现可调滤光功能的共聚焦系统有Leica(莱卡)的TCS SP5、Nikon(尼康)的C1si等。参见说明书附图1所示，是一种具有代表性的现有技术。该系统主要包括激发光模块A、共聚焦成像模块B以及多通道光谱成像模块C。

其中，激发光模块A中有不同波长的激光器、二向色镜1-5、反射镜6和声光可调谐滤波器7；共聚焦成像模块B包括二向色镜8、X-Y振镜9和10、扫描透镜11、筒镜12、物镜13、样品14、聚焦透镜15和小孔16；多通道光谱成像模块C由准直透镜17、分光棱镜18、第一、第二和第三聚焦透镜19、22和25、第一、第二和第三可变狭缝20、23和26以及第一、第二和第三探测器21、24和27组成。

该可调滤光器-共聚焦系统的工作原理如下：在激发光模块A中，波长不同的激光经过对应的二向色镜后整合在一条光路上，然后射入声光可调谐滤波器中。调节声光可调谐滤波器的相应参数可以改变出射光的波长和强度。在共聚焦成像模块B中，从A中射出的激光先被二向色镜8反射进入两个X-Y振镜后依次经过扫描透镜11、筒镜12和物镜13后，光束聚焦在样品14上。因为两个X-Y振镜可以改变激发光在样品上的位置，因此让聚焦光束扫描样品上的某个区域后可获得该区域的图像。荧光沿着相同的光路返回并被二向色镜8滤除激发光，最后被透镜15聚焦到小孔16上。小孔滤波后的荧光直接进入多通道光谱成像模块C。首先被准直透镜17准直后进入分光棱镜18中，分光棱镜色散荧光使其光谱在空间上展开，然后被第一聚焦透镜19聚焦成一个含有光谱信息的条纹。随后在条纹处安装一个第一可变狭缝20，狭缝的位置和间距是可变的，确定了狭缝的位置与波长的关系后系统才可以实现可调滤波。被滤除的荧光还可以被第一可变狭缝20上的反射镜反射到其余两个狭缝23和26上，再次滤波后进入第二和第三探测器24和27。

如上述所提到的具有可调滤光功能的设备，虽然改变狭缝的位置和间距可以改变透射荧光的中心波长和带宽，但是狭缝的移动是由电机驱动的，所以速度受限。而且机械装置的移动必然会带来精度问题，这会导致实际值与标定值之间有一定的误差。更重要的一点是由于空间大小问题，狭缝的数量是有限的，所以通常最多只能达到三通道滤波。因此，上述现有技术实际上并不能实现任意可调滤光(任意中心波长、任意带宽)，这也影响了包括共聚焦显微镜在内的许多成像系统的多光谱成像能力。

发明内容

有鉴于此，为了克服上述现有技术的缺陷，本发明提出了一个工作波段任意可调谐的滤光器、滤光方法以及相应的多光谱成像系统，通过使用色散单元色散光信号，配合准直单元准直色散后的光信号，并结合控制数字微镜器件DMD来实现滤光技术中任意中心波长、(多)带宽的调谐。从而，相对于现有技术来说，本发明的滤光器以及滤光方法能够显著提高以共聚焦显微镜为例的多种多光谱成像系统的成像能力。

具体地，本发明的滤光器包括用于使包含多个波段的入射光信号进行色散的色散单元；以及准直单元，用于将经过色散单元色散的入射光信号准直；数字微镜器件，其接收准直单元准直后的入射光信号；所述数字微镜器件经过控制单元的控制将所述入射光信号中的部分光信号作为反射光信号反射回所述准直单元；反射镜，所述反射光信号经过所述准直单元和所述色散单元之后入射到所述反射镜上，并被反射镜反射到探测光路中；其中，所述经过准直单元准直的入射光信号的光轴与所述数字微镜器件反射的反射光信号的光轴不重合。

其中，所述控制单元包括图案生成单元和图案加载单元；所述图案生成单元能够生成加载图案，所述加载图案由一个或多个基础图案组合而成；所述图案加载单元将所述加载图案加载到所述数字微镜器件中，从而实现将所述入射光信号中的部分光信号作为反射光信号反射回所述准直单元。

具体地，所述图案生成单元能够生成多个所述基础图案，所述基础图案由该图案中斜边与所述数字微镜器件靶面上边缘之间的角度，以及该图案于所述数字微镜器件靶面上边缘和/或下边缘的长度来确定；所述多个基础图案具有相同的所述角度，并且具有不同的所述长度。

优选地，所述色散单元是第一色散棱镜，所述准直单元是第二色散棱镜；其中，所述第一色散棱镜的光出射面平行于所述第二色散棱镜的光入射面。进一步，所述第一色散棱镜与所述第二色散棱镜结构相同。从而，通过双棱镜结构来实现色散单元和准直单元的功能。

相应地，本发明还提出一种滤光方法，其包括如下步骤：将包含多个波段的入射光信号进行色散；对经过色散的入射光信号进行准直；使用数字微镜器件接收所述准直后的入射光信号；控制所述数字微镜器件以将所述入射光信号中的部分光信号作为反射光信号反射；使用反射镜将所述反射光信号反射到探测光路中；其中，所述经过准直的入射光信号的光轴与所述数字微镜器件反射的反射光信号的光轴不重合。

所述控制所述数字微镜器件以将所述入射光信号中的部分光信号作为反射光信号反射的操作具体是通过将加载图案加载到所述数字微镜器件中来实现的；其中所述加载图案通过如下步骤生成：

S1、构建多个基础图案；

S2、将所述多个基础图案分别加载到所述数字微镜器件中，获得每个基础图案对应的光谱数据，并将这些光谱数据作为预采集数据；

S3、根据滤光的需求和所述预采集数据，选择一个或多个所述基础图案组合形成所述加载图案。

进一步，所述基础图案由该图案中斜边与所述数字微镜器件靶面上边缘之间的角度，以及该图案于所述数字微镜器件靶面上边缘和/或下边缘的长度来确定；所述步骤S1中的多个基础图案具有相同的所述角度，并且具有不同的所述长度。

优选地，使用第一色散棱镜对所述包含多个波段的入射光信号进行色散，使用第二色散棱镜对经过色散的入射光信号进行准直。所述第一色散棱镜与所述第二色散棱镜结构可以相同。从而，通过使用双棱镜结构来实现色散和准直的功能。

本发明还提出了一种多光谱成像系统，其包括上述滤光器，以及光信号生成单元。所述光信号生成单元例如可以是共聚焦显微镜。其中，所述共聚焦显微镜与所述滤光器之间通过光纤传输或者空间传输的方式传输光信号。

本发明的滤光器、滤光方法以及相应的多光谱成像系统可以很方便的通过操控数字微镜器件DMD加载的图案，来调节滤光器的滤光性能，不仅能够实现单一波段的滤波还能实现任意多波段多通道的滤波。由于数字微镜器件DMD的调谐速度极快，可以到达10kHz，甚至几十kHz，因此本发明的滤光器的速度不会对原有的共聚焦等成像系统造成影响，应此可以实现所述成像系统速度极快的多光谱成像。而且，系统中的数字微镜器件DMD在成像过程中是固定的，无需任何机械运动，所以不会产生现有技术中由于机械运动精度不够而产生的实际波长与标定波长不同的问题。从而，本发明的技术方案能够大大提升多光谱成像系统的多光谱成像性能。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中具有可调滤光功能的共聚焦显微镜结构示意图；

图2为本发明共聚焦显微镜系统结构示意图；

图3为本发明滤光器结构示意图；

图4为本发明第一和第二色散棱镜准直色散光束的原理示意图；

图5a为本发明滤光器荧光光束分离示意图；

图5b为本发明DMD控制单元示意图；

图6为本发明实验LED光源的光谱图；

图7为本发明色散条纹示意图；

图8为本发明DMD使用状态图；

图9为本发明DMD图案示意图；

图10为本发明一系列基础图案示意图；

图11为本发明另一系列基础图案示意图；

图12为本发明另一种基础图案示意图；

图13为本发明对LED光源光谱进行滤光的实验结果一；

图14为本发明对LED光源光谱进行滤光的实验结果二；

图15为本发明对LED光源光谱进行滤光的实验结果三；

图16为本发明对LED光源光谱进行滤光的实验结果四；

图17为本发明对LED光源光谱进行滤光的实验结果五；

图18为本发明对LED光源光谱进行滤光的实验结果六；

图19为本发明对LED光源光谱进行滤光的分别率测试图；

图20为本发明方向不同的一系列基础图案示意图；

图21为本发明方向不同的另一系列基础图案示意图；

图22为本发明共聚焦显微镜系统另一实施例结构示意图。

附图标记：

现有技术附图：1-5-二向色镜，6-反射镜，7-声光可调谐滤波器，8-二向色镜，9-X-Y振镜，10-X-Y振镜，11-扫描透镜，12-筒镜，13-物镜，14-样品，15-聚焦透镜，16-小孔，17-准直透镜，18-分光棱镜，19-第一聚焦透镜，20-第一可变狭缝，21-第一探测器，22-第二聚焦透镜，23-第二可变狭缝，24-第二探测器，25-第三聚焦透镜，26-第三可变狭缝，27-第三探测器。

实施例附图：201-激光器，202-准直透镜，203-二向色镜，204-振镜，205-扫描透镜，206-筒镜，207-物镜，208-样品，209-聚焦透镜，210-小孔，211-光纤，212-滤光器，301-滤光器准直透镜，302-反射镜，303-第一色散棱镜，304-第二色散棱镜，305-数字微镜器件，306-滤光狭缝，307-滤光器聚焦透镜，308-探测器。

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，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，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。

在本具体实施方式中，以下以共聚焦显微镜为例，来说明本发明的滤光器、滤光方法以及相应的成像系统。其中共聚焦显微镜是一种常规的多光谱成像系统，其一般包括激光器、小孔、振镜、物镜、二向色镜以及准直透镜，例如参见说明书附图1所示的系统结构，其能够生成待测样品的荧光信号，在后文中，该部分也被称为光信号生成单元，以和滤光器进行区分。在上述荧光信号生成部分或者光信号生成单元中，从激光器出来的光束经扩束后分别到达二向色镜、振镜、扫描透镜、筒镜和物镜。激发产生的荧光原路返回经过物镜、筒镜、扫描透镜、振镜后被二向色镜滤除激光和一些杂散光，然后被小孔滤波后耦合进入光纤。荧光信号在光纤中传输，而光纤的另一端则是滤光器。本发明的滤光器例如包括光纤入射端口、滤光器准直透镜、色散单元(例如由第一色散棱镜构成)、准直单元(例如由第二色散棱镜构成)、一个数字微镜器件(DMD)、反射镜、狭缝、聚焦透镜以及探测器。滤光器准直透镜例如光纤准直镜把光纤端口处的荧光信号准直后射向色散单元，不同波长的荧光信号在空间中平行展开，色散展开的荧光信号经过准直单元后照射在DMD上，通过调整DMD靶面上镜片的翻转角度，可以将特定波长的荧光信号反射偏离原光路并被探测器接收。

首先，以共聚焦显微镜为例说明光信号生成单元能够生成怎样的光信号。参见说明书附图2所示，为本发明共聚焦显微镜系统结构示意图。其中，激光器201、准直透镜202、二向色镜203、振镜204、扫描透镜205、筒镜206、物镜207、聚焦透镜209和小孔210组成一个激光扫描共聚焦显微镜。共聚焦显微镜经过光纤211和滤光器212相连。

激光扫描共聚焦显微镜的光路结构为：激光从激光器201出射，经过准直透镜202后被准直成光斑大小合适的激光光束，选择对应的二向色镜203后使得光束可以从203透射过去。从二向色镜203透射过去的准直光束依次经过振镜204、扫描透镜205、筒镜206和物镜207，最后光束聚焦在样品208上。激发样品208产生的荧光原路返回并被二向色镜203反射到聚焦透镜209上，聚焦透镜209将光束聚焦在小孔210上，小孔210对荧光进行空间滤波，滤除焦点之外的杂散光。

上述滤除了杂散光的荧光经过光纤211传输到滤光器212中。本发明的滤光器212的结构参见说明书附图3所示。滤光器212包括滤光器准直透镜301、反射镜302、色散单元303、准直单元304、数字微镜器件(DMD)305、滤光狭缝306、聚焦透镜307和探测器308。其中，色散单元303的作用为将不同波段的光信号在空间中展开，而准直单元304的作用为对色散后的光信号进行准直，保证后续滤光过程的实现，此部分在后续再进行阐述。优选地，在本实施例中，所述色散单元303例如为第一色散棱镜，准直单元304例如为第二色散棱镜，其中第一色散棱镜和第二色散棱镜可以为相同的色散棱镜。但是本领域技术人员可以知晓，只要能实现上述功能的变形都属于本发明的范围。

滤光器212的基本光路结构为：经过小孔210滤波后的荧光信号被耦合进了光纤211中传输，当荧光从光纤211另一端出来后被滤光器准直透镜301准直，然后以一个特定的入射角入射到第一色散棱镜，即色散单元303上，第一色散棱镜会色散光信号并空间展开其光谱。光谱展开的色散光再以一个特定的入射角入射到第二色散棱镜，即准直单元304上，第二色散棱镜会对色散光进行准直，准直后的色散光最终照射在数字微镜器件(DMD)305上。通过设定，需要保留的波段对应的光信号经DMD反射后，光束稍微偏离原光路返回，即再次经过第二色散棱镜、第一色散棱镜后照射在反射镜302上，反射镜302改变光束方向使其被滤光器聚焦透镜307聚焦。在滤光器聚焦透镜307前面还可以放置一个固定的狭缝306用于滤除光路中的杂散光。最终，需要的荧光信号被探测器308接收。

说明书附图4展示了色散单元303(第一色散棱镜)和准直单元304(第二色散棱镜)准直色散光束的原理示意图。因为色散棱镜一般在最小偏向角下使用时可以实现最大的通光孔径，所以优选经过滤光器准直透镜301准直后的荧光以最小偏向角入射到第一色散棱镜中。棱镜的摆放如说明书附图4所示，第一色散棱镜和第二色散棱镜需要平行放置，即第一色散棱镜的出光面与第二色散棱镜的入光面两者平行。准直光束经过第一色散棱镜后被光谱展开并形成一个色散条纹。

色散条纹经过第二色散棱镜后成为一束准直的色散光，即条纹在展开方向上的长度不会因观察距离而变化，实现了不同波长成分的光束在空间位置上虽然不同但却相互平行。准直的色散光可以保证光束原路返回后也是一束准直光，不会再被色散展开。这里要保证经过第二色散棱镜准直后的色散光光斑大小不能超过数字微镜器件(DMD)305的靶面尺寸，这样才能保证色散光的每个波段都可以被数字微镜器件(DMD)305进行调制。

进一步，参见说明书附图5a所示，显示了如何将原路返回的光束与入射光分离。数字微镜器件(DMD)305可以经如说明书附图5b所示的控制单元通过加载特定的图案从而将需要保留的波段所对应的光束反射回去，具体图案的生成和加载参见后文。在正常情况下如果入射光垂直入射DMD中的各个微镜，则反射光会与入射光重合，因而不容易准确挑选出经过DMD选择的波段，所以需要对某些器件做一些微小的调整使得反射光可以与入射光分离。在本实施例中采用的方法是微调DMD305的角度，例如可以在垂直方向和/或水平方向微调DMD305中特定波段(选择保留的波段)所对应的微镜的反射方向，使得DMD部分所选择保留的反射光与入射光有一个很小的偏差，这将导致这部分原路返回的反射光与滤光器准直透镜301的光轴不重合。因此，可以在滤光器准直透镜301与色散单元303之间放置一个很小的反射镜302，从而将所选择保留的原路返回的反射光反射到其他的方向，以便于后续的探测。

在以下的具体实施例中，以滤光器应用在共聚焦显微镜中为例说明各组成部分的选用情况。荧光从共聚焦显微镜的小孔出射，一般情况下，该小孔的尺寸在十几个微米到几十个微米之间，为了实现更好的匹配，光纤211纤径的大小最好也可以在上述这个范围之内，优选地光纤211纤径略大于小孔的直径，这样可以保证小孔过来的光都可以被光纤211接收。在具体实施例中，光纤211具体可以为瀚宇光纤通信的跳线MM62.5/125。

因为单个透镜并不能准直光纤出射的光束，因此滤光器准直透镜301优先选择物镜，其中还要保证物镜的NA大于光纤的NA，这样物镜才可以很好的收集到光纤出射的光束，在本申请中，滤光器准直透镜301为尼康的透镜。

关于色散单元303，本申请使用色散棱镜。首先要确定的两个参数就是波长适用范围和阿贝数。波长适用范围要与荧光信号匹配，而阿贝数体现的是棱镜的色散能力，阿贝数越小，色散能力越大，即分光效果越明显。对于在可见光范围内成像的共聚焦显微镜来说，需要选取波长范围400nm～700nm的色散棱镜以匹配相应的荧光信号，然后再选择阿贝数较低的棱镜。此外，在实际系统设计中还需要考虑棱镜的尺寸，尺寸太大则不容易选配合适的棱镜架，尺寸太小则会导致入射光不能完全照在棱镜上。在本实施例中，准直单元304也可以选择相同的棱镜，即，色散单元303和准直单元304的第一色散棱镜和第二色散棱镜为Thorlabs的N-SF11等边色散棱镜，具体型号为PS853。

关于数字微镜器件305的选择，应当考虑DMD靶面大小(对角线长度)、分辨率(对应微镜的数量)、光谱范围以及效率。一般情况下，兼顾价格成本的考虑，对角线长度在0.65～0.9英寸的DMD都是可以的，靶面更大的DMD当然更能满足要求，不过价格也会相应的增加。分辨率的最基低标准就是1024*768，当然也可以选择1920*1080的DMD，只不过后者的价格会比前者贵。光谱范围要与待滤波的光信号匹配，例如对于可见光区间成像的共聚焦显微镜来说，光谱范围为400nm～700nm。因为DMD是许多微镜组合在一起的，类似于一个二维光栅，会产生多缝衍射效应，所以需要选取衍射效率较高的DMD。在具体实施例中，数字微镜器件305可以为TI的DLP discovery 4100 development kit(分辨率1024*768)。

此外，反射镜302选择在对应待滤波信号波段具有较高反射率的反射镜，形状例如可以是矩形以有利于返回光的接收。在具体实施例中，可以选择恒洋光学的GMEH-30*30-AL。滤光狭缝306可以是自制的狭缝，具体可以为形状与返回光形状匹配的矩形滤光狭缝。滤光器聚焦透镜307选择在对应待滤波信号波段具有较高透射率的双胶合消色差透镜，透镜直径优选稍微大一点，如30毫米，如此有利于后面探测器的接收，具体例如为恒洋光学的GLH31-030-050-VIS。在验证或检验模式中可以选择探测范围大、分辨率高的光谱仪，例如Princeton Instruments的光谱仪作为探测器308来查看滤光器的滤光性能，而在具体成像模式中，探测器308为相应波段探测效率高的PMT，例如北京滨松光子的PMT(型号为CH345)。

为了展示本发明滤光器的具体效果，并进一步阐述本发明的滤光器和滤光方法，以对LED光源进行滤光为例做进一步说明。参见说明书附图6所示，为实验LED光源的光谱图，其中，图6a为LED光源的理想光谱，但实际实验中LED光源的光谱图为图6b所示，其也是后续实验滤光的对象。

对于LED这样的复合光源，其所发出的复合光经过色散单元后不同波段的光信号将沿着一个方向展开，如图7所示，其中①、②、③、④示意性地代表不同波段的光信号，例如①：400～500nm；②：500～600nm；③：600～700nm；④：700～750nm，因此在视觉上可以看到不同波段的光信号占据不同的位置，即在一个方向上实现了展开。

如果复合光只经过色散单元的话，例如只经过单个棱镜，因为不同波段的光信号具有不同的出射角，因此色散条纹在展开方向上的长度会随着观察距离的不同而发生变化。但在本发明的实施例中，色散单元后还有准直单元，当两者都使用棱镜的情况下构成双棱镜结构，因此当复合光经过双棱镜后会形成图7所示的条纹，并且由于色散后的光信号还经过准直，因此色散条纹在展开方向上不会发生变化。

此外，由于本实施例中使用了色散棱镜，棱镜的色散具有非线性的特点，因此，不同波段的光信号的色散程度不同，反应在图中即不同波段的光信号沿着色散展开的方向具有不同的长度。但如果使用光栅作为色散单元，由于光栅是线性色散的，因此不同波段的光信号将有相同的色散程度，也就是说不同波段的光信号沿着色散展开的方向会具有相同的长度。

对于滤波器来说，最好的滤波效果就是能够精确的分离出不同波段的光信号。参见图7所示，虚线1、虚线2和虚线3分别代表不同情况下，DMD中微镜具有能够将光信号反射回探测光路和不能将光信号反射回探测光路两种状态的分界线。为了得到最优的滤光效果，上述分界线最好可以达到图中虚线2的状态，即分界线与色散条纹是垂直的，如此便可以精确地分离不同波段的光信号。但是虚线1或者虚线3，由于其与条纹不垂直，因此在这两种情况下滤出来的光会夹杂着其他波段的光或者丢失需要的波段的光，这将造成滤光不纯或滤光效率低等一系列的问题，最后还会导致光谱分辨率的降低。因此，在后文描述的加载到DMD中的图案需要使得所述能够将光信号反射回探测光路和不能将光信号反射回探测光路两种微镜状态的分界线垂直于光信号展开的方向(即色散条纹的长度方向，或者色散条纹的展开方向)。

参见图8所示，虚线代表水平面，点线代表DMD靶面的对角线。在本实施例中，DMD是需要遵循靶面的某个对角线与水平面是平行的要求，如此，能够充分地使用DMD的靶面。如果光路调试正确的话，棱镜出来的色散条纹也是和水平面平行的，因此，色散条纹与靶面对角线也是成平行关系的。在一般情况下，使色散条纹与DMD靶面的某条对角线重合即可，这样使用尺寸最长的对角线部分来对应色散条纹，可以降低对DMD的要求。为了形成图7中所述虚线2代表的状态，需要找到特定的加载到DMD上的图案，下文可称为加载图案。一旦找到了合适的加载图案，便可通过控制单元中的图案加载单元将其加载到DMD中以满足特定的滤波需求。

DMD的像素数较多，所以能够加载到DMD上面的图案也会是很多的，为了能很好的标记每一张图案，需要某些参数来限定这些图案，在本发明中，使用的参数是图案斜边的角度和上边长长度。参见图9a所示，为一个能够加载到DMD上的图案，虚点线表示靶面的对角线。本实施例中，图案可以理解为黑色的部分。黑色和白色分别代表的是DMD微镜的两种状态，黑色表示DMD的微镜偏转到-12度，白色表示DMD的微镜偏转到12度。因为色散条纹是打在DMD上面的，所以这里设定DMD靶面上的黑色区域是可以将该区域的光谱反射回去并被探测器308探测到的，而白色表示DMD靶面上该区域的光谱是无法反射回到探测器308的，即被滤除了。具体地，图案中黑色部分有一个斜边，这个斜边与整个靶面上边缘的锐角夹角就是斜边的角度这个参数，黑色图案部分在靶面上边缘的长度就是上边缘长度，使用这两个参数就可以确定每一个图案。图9b是示意了将图9a的图案加载到DMD上的效果。加载到DMD上后的效果图相当于图9a原图像顺时针旋转了一定的角度。通过改变角度，黑色部分的斜边将可以垂直于靶面对角线，即也垂直于色散条纹，因而可以实现图7中所述虚线2的效果。

通过改变黑色图案斜边的角度和上边缘长度就可以实现不同的滤波效果。因此，要实现特定波段的滤波就需要确定图案的上述两个参数。在本发明中，斜边的角度最优为40～50度之间，不同的角度将具有不同的光谱分辨率，而不同的上边缘长度将对应不同的滤出波段。图10a至图10c为上边缘长度相同为510个像素，但是斜边的角度不同的图案示例，斜边的角度分别为40度、45度和50度。图11a至图11c为斜边的角度相同都为42度，但是上边缘长度分别为100个像素、200个像素和600个像素的图案示例。这些图案都对应有不同的光谱分辨率和不同的滤光波段，也就是说这些图案加载到DMD上后具有不同的滤波性能。

在本实施例中，通过对光谱分辨率的要求确定合适的斜边的角度。然后，在固定斜边的角度情况下，改变上边缘长度这个参数，获得一系列的图案，将这些图案作为基础图案，并对这些基础图案的滤波波段进行分析。上述改变上边缘长度，可以是以固定间隔的步长进行改变。例如间隔的步长可以为1个DMD像素，因而基础图案会包括固定斜边的角度下，上边缘长度为1个DMD像素、2个DMD像素、3个DMD像素、4个DMD像素……。间隔的步长也可以为10个DMD像素，因而基础图案会包括固定斜边的角度下，上边缘长度为10个DMD像素、20个DMD像素、30个DMD像素、40个DMD像素……。随着上边缘长度的增加，黑色图案将会充满整个DMD靶面。

可以预见，随着上边缘长度的增长，黑色图案有可能呈现出两种形状，一种就是如图10和11中所示的三角形，另外一种为如图12所示的梯形，其中，图12为斜边的角度为46度，而上边缘长度为1000个像素的情况。出现这种情况是因为在特定的角度和上边缘长度的情况下，可能会出现某些边的长度大于靶面的长度，例如图12中黑色三角形图案的左侧竖边超过了靶面的左边长，因而呈现出梯形。

为了保证黑色区域可以按照规律填充满整个靶面，在图案生成程序中设置如下的处理方法：在角度确定时，当基础图案的黑色区域的边长没有大于靶面的边长时，所述基础图案黑色区域的增长规律是以上边缘长度为参考进行固定步长的增加；但当所述基础图案黑色区域的某个边长大于靶面的某个边长时，就需要用下边缘和上边缘一起作为参考来满足图案的增长规律。在本实施例中，例如当出现黑色三角形图案的左侧竖边超过了靶面的左边长时，以图案在DMD靶面下边缘的长度为参考进行固定步长(例如10个像素)的增加。

上述这些基础图案的生成是由控制单元中的图案生成单元通过图案生成程序来获得的，设置好相关参数后，所述图案生成程序就会生成很多图案。例如以斜边的角度为44度、上边缘长度每次增加1个DMD像素为例，最后可以生成1801个三角形或者梯形的基础图案，这1801个图案角度相同，但上边缘或下边缘长度都是以1个DMD像素值递增的。获得这些基础图案后，依次把这些图案化的图片加载到DMD中，便可以测出每一个图案所对应的光谱曲线，从而将这些采集到的对应基础图案的光谱数据作为预采集数据。随后，通过分析及特定的算法，根据上述预采集数据，使用上述基础图案获得满足特定滤波需求的加载图案，加载图案的生成也是通过图案生成单元来实现的。最后，通过控制单元的图案加载单元将所述生成好的加载图案加载到DMD上并利用光谱仪进行测试，以确认可以达到预期的滤波效果。

说明书附图13-18为使用本发明的滤光器对如图6b所示的光谱进行滤光的实验结果示意图。在上述实验结果示意图中，左边附图为在数字微镜器件305加载的图片，对应地，右边附图为相应的经过滤光器滤光后的光谱图。通过说明书附图13-18可以看出，通过为数字微镜器件305加载不同的图片，能够方便地过滤留下不同波段的光谱信号。以图15为例，图15显示的是524nm～600nm这个波段。其中，给DMD加载如图15(c)中左侧的两个图案，分别可以得到图15c右边的光谱。经过计算可知，图15(c)右侧下面的光谱减上面的光谱就可以得到所需求的与图15(b)差不多的光谱，所以面对所需求的图15(b)的光谱，将图15(c)左侧下面的图案减去左侧上面的图案，即得到图15(a)对应的图案作为加载图案。

图13～图17对应的光谱曲线示例只是单通道的结果，多通道的情况则需要把单通道的图案融合在一个图片里，然后加载到DMD并测出其光谱结果。即当找到几个单通道后，选取几个光谱没有重叠的单通道，然后把这些个单通道的图案融合在一幅图案里，作为所需求的多通道光谱滤波的加载图案。说明书附图18展示了，使用本发明的滤光器如何简便地实现五通道的滤波调制，该加载图案来源于图13、图15、图16和图17的融合，当然为了获得较好的结果，会对图案做一些细微的调整，从而可以达到图18(b)的结果，该结果可以从入射光谱图中选择424～450nm、450～500nm、525～600nm、600～670nm以及660nm～747nm五个波段。为了防止通道交叠，在做单通道实验时就需要保证每个通道之间是不会有重叠的。此外，单通道的数量和带宽是可以改变的，在可见光区域中，可以设置5个不重叠的单通道。

在获得所需要的图片后，便可以将图片加载到DMD中，所述最终加载的图片是根据DMD的像素数生成的像素相同的图片，例如本实施例中使用的DMD是1024*768像素的，因此需要用软件Matlab生成1024*768像素的图片。DMD为德州仪器(TI)的DLP discovery 4100development kit，该型号的DMD可以使用TI自己开发的软件给DMD加载图片，当然也可以使用软件Labview给DMD加载图片，两种加载方式的原理都差不多，因为完整的DMD是由FPGA和DMD靶面组成的，所以都是通过FPGA来控制DMD的微镜。利用DMD的控制软件给DMD载入图片时需要将预载入的图片放在一个文件夹中，操作该软件并从电脑中找到需要的图片先加载到FPGA的缓存中，然后再运行FPGA，FPGA依据某个传输协议先将图片转化为DMD可以接受的数字信号，最后DMD依据传输过来的数字信号来改变每个微镜的状态。如果需要加载另一张图片的时，需要操作软件先将暂停FPGA和DMD之间的通信，然后再清空FPGA的缓存并加载下一张图片，最后就是运行FPGA控制DMD。

综上，首先需要根据条纹的角度和多个上边缘长度生成一系列的基础图案，将这些基础图案依次加载到DMD上，同时测出每幅图案对应的光谱。根据上述步骤所获得的数据得到图13～图17对应的加载图案，再利用光谱仪得到区间不重叠的单通道示意图。多通道的结果就是把单通道的加载图案融合在一起后，再利用光谱仪测出来。简单的说，只要得到不重叠的单通道结果，就可以将单通道对应的加载图案加在一起然后实现多通道。

说明书附图19展示了本实施例中滤光器的光谱分辨率。对于色散单元来说，无论是色散棱镜还是光栅，其色散能力都是有极限的，棱镜的阿贝数、光栅的刻线数都能够反映各自色散能力的大小。而且，DMD的微镜也是有尺寸大小的，并不是无限精细。因此，色散单元的色散能力以及DMD微镜的尺寸大小这两个参数就限制了可调滤光器的光谱分辨率，也就是能分辨开两个波长的最小波长差。此外，因为色散棱镜是非线性色散的，即在整个工作波长内的不同波段色散程度是不一样的，所以为了评估本实施例中滤光器的分辨率，需要在工作波段范围内测几个分辨率值。例如，在对上述LED光源进行滤光的实施例中，分别使用图19中的a、b、c、d四幅图来展示440-460nm、510-550nm、580nm、660nm四个不同工作波段的光谱分辨率，分别为3.4131、7.3065、9.6063和11.6618，具有能够适用大多数场景的良好性能。

在其他的实施例中，黑色区域的斜角边也是可以改变方向的。图20展示的就是像素数为1920*1080的DMD，该DMD的摆放方式与上文中的DMD不一样，所以可以采用不同的图案形式。图20a至图20c分别为斜边的角度为45度，上边缘长度为300个像素、600个像素和1200个像素的情况。同样的，斜边的角度也可以是其它角度。在一些情况下，该斜边的角度也可以为90度，如图21a至图21c所示。

通过上述实验可见，使用本发明的滤光器可以很方便的通过操控数字微镜器件305加载的图案，来调节滤光器的滤光性能，不仅能够实现单一波段的滤波还能实现任意多波段多通道的滤波。由于数字微镜器件305的调谐速度极快，可以到达10kHz，甚至几十kHz，因此本发明的滤光器的速度不会对原有的共聚焦等成像系统造成影响，应此可以实现所述成像系统速度极快的多光谱成像。而且，系统中的数字微镜器件305在成像过程中是固定的，无需任何机械运动，所以不会产生现有技术中由于机械运动精度不够而产生的实际波长与标定波长不同的问题。

除了以上实施例以外，还可以具有不同的变形例。例如，在滤光器中，将色散单元的棱镜换成光栅也是可行的，光栅的分光能量是要优于棱镜的，不过由于光栅只有在中心波长上效率才是最高的，其他波长下的效率较低，因而能量利用率没有使用棱镜的技术方案高。

此外，在将滤光器用于多光谱成像系统时，例如用于共聚焦显微镜时，参见说明书附图22所示，也可以不使用光纤211，经过小孔209后的荧光不再耦合进光纤中传输，而是直接采用空间传输，如此也可以起到一样的功能。

综上所述，本发明提出了一种工作波段任意可调谐的滤光器，其完全可以替换现有技术中的滤光片或者滤光片组。重点包括由于可以方便地控制数字微镜器件DMD，因此滤光器可以实现任意中心波长、(多)带宽的调谐，并且速度较快；采用色散单元配合准直单元的设计，对色散光进行了准直，不同波长的光束在空间上相互平行传播，从而可以保证每个波长或波段都可以与DMD的像素对应，使DMD的摆放距离不受空间的限制；DMD反射回去的光不会色散，即所有波长的光束都聚集在一起。从而，相对于现有技术来说，本发明的滤光器以及滤光方法能够显著提高以共聚焦显微镜为例的多种多光谱成像系统的成像能力。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种滤光器，包括用于使包含多个波段的入射光信号进行色散的色散单元，其特征在于，还包括：

准直单元，用于将经过色散单元色散的入射光信号准直；

数字微镜器件，接收所述准直单元准直后的入射光信号；所述数字微镜器件经过控制单元的控制将所述入射光信号中的部分光信号作为反射光信号反射回所述准直单元；

反射镜，所述反射光信号经过所述准直单元和所述色散单元之后入射到所述反射镜上，并被反射镜反射到探测光路中；

其中，所述经过准直单元准直的入射光信号的光轴与所述数字微镜器件反射的反射光信号的光轴不重合。

2.根据权利要求1所述的滤光器，其特征在于，

所述控制单元包括图案生成单元和图案加载单元；

所述图案生成单元能够生成加载图案，所述加载图案由一个或多个基础图案组合而成；

所述图案加载单元将所述加载图案加载到所述数字微镜器件中，从而实现将所述入射光信号中的部分光信号作为反射光信号反射回所述准直单元。

3.根据权利要求2所述的滤波器，其特征在于，

所述图案生成单元能够生成多个所述基础图案，所述基础图案由该图案中斜边与所述数字微镜器件靶面上边缘之间的角度，以及该图案于所述数字微镜器件靶面上边缘和/或下边缘的长度来确定；

所述多个基础图案具有相同的所述角度，并且具有不同的所述长度。

4.根据权利要求1-3任一项所述的滤光器，其特征在于，

所述色散单元是第一色散棱镜，所述准直单元是第二色散棱镜；其中，所述第一色散棱镜的光出射面平行于所述第二色散棱镜的光入射面。

5.根据权利要求4所述的滤光器，其特征在于，

所述第一色散棱镜与所述第二色散棱镜结构相同。

6.一种滤光方法，将包含多个波段的入射光信号进行色散，其特征在于，还包括如下步骤：

对经过色散的入射光信号进行准直；

使用数字微镜器件接收所述准直后的入射光信号；控制所述数字微镜器件以将所述入射光信号中的部分光信号作为反射光信号反射；

使用反射镜将所述反射光信号反射到探测光路中；

其中，所述经过准直的入射光信号的光轴与所述数字微镜器件反射的反射光信号的光轴不重合。

7.根据权利要求6所述的滤光方法，其特征在于，

所述控制所述数字微镜器件以将所述入射光信号中的部分光信号作为反射光信号反射的操作具体是通过将加载图案加载到所述数字微镜器件中来实现的；

其中所述加载图案通过如下步骤生成：

S1、构建多个基础图案；

S2、将所述多个基础图案分别加载到所述数字微镜器件中，获得每个基础图案对应的光谱数据，并将这些光谱数据作为预采集数据；

S3、根据滤光的需求和所述预采集数据，选择一个或多个所述基础图案组合形成所述加载图案。

8.根据权利要求7所述的滤波器，其特征在于，

所述基础图案由该图案中斜边与所述数字微镜器件靶面上边缘之间的角度，以及该图案于所述数字微镜器件靶面上边缘和/或下边缘的长度来确定；

所述步骤S1中的多个基础图案具有相同的所述角度，并且具有不同的所述长度。

9.根据权利要求6-8任一项所述的滤光方法，其特征在于，

使用第一色散棱镜对所述包含多个波段的入射光信号进行色散，使用第二色散棱镜对经过色散的入射光信号进行准直。

10.根据权利要求9所述的滤光方法，其特征在于，

所述第一色散棱镜与所述第二色散棱镜结构相同。

11.一种多光谱成像系统，其特征在于，包括权利要求1-5任一项所述的滤光器，以及光信号生成单元。

12.根据权利要求11所述的多光谱成像系统，其特征在于，

所述光信号生成单元是共聚焦显微镜。

13.根据权利要求12所述的多光谱成像系统，其特征在于，

所述共聚焦显微镜与所述滤光器之间通过光纤传输或者空间传输的方式传输光信号。

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