CN112730239A - 多色远心成像装置及其细胞分析系统 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供多色远心成像装置，包括第一平行光源；第一透镜组；设置于第一透镜组的后焦平面的光阑；与第一透镜组同光轴的第二透镜组；设置于第二透镜组的后焦平面的光学传感器；第二平行光源，第二平行光源发出的平行光垂直于第一透镜组的光轴；以及设置于第一透镜组和第二透镜组之间的镜片组；第一平行光源发出的平行光照射位于第一透镜组的前焦平面的目标物后得到第一发射光，经过第一透镜组、光阑和第二透镜组成像于光学传感器上；第二平行光源发出的平行光经镜片组反射后照射目标物，得到的第二发射光经过同样的光学器件成像于光学传感器上。在不需移动硬件的情况下实现了多种光源对细胞样本进行远心成像，提高了实时分析能力。
Description
技术领域
本发明涉及光学成像技术领域，尤其涉及一种多色远心成像装置及其细胞分析系统。
背景技术
目前细胞分析系统主要是通过对计数板内的细胞样本进行显微镜成像后计数。容纳于计数板内的细胞通常处于不同的平面，沿光轴方向的位置不一致。处于不同平面的相同直径的细胞，采用普通显微镜成像会出现近大远小的问题，从而影响细胞直径的测量。
现有技术对处于不同平面的细胞进行成像的其中一种方法是采用普通显微镜多层扫描得到多幅细胞图像，然后进行多幅细胞图像的融合。这种方法虽然可以有效地对处于不同平面的细胞进行成像，但多层扫描需要耗费较多的时间。另一种方法是采用工业上常用的远心成像系统。
在细胞研究领域，除细胞（包括死细胞和活细胞）计数外，复杂细胞样本分析越来越多地被提出。例如，采用不同的染料分别对细胞膜和细胞核做染色，然后使用两种不同的荧光作为激发光光源激发，成像后的细胞图像中以不同的颜色标记每个细胞的细胞膜和细胞核，让实验人员能够直观地了解到细胞的数量、形态、状态和结构分布等。而上述两种方法都只能使用单一光源成像，若需使用多种光源，则需频繁地移动和切换光源。这样的硬件移动需要耗费较多时间，有时候甚至比算法处理的时间高出一个数量级，导致实时分析能力较差，实验效率低。
发明内容
本发明实施例提供一种多色远心成像装置及其细胞分析系统，旨在解决现有技术中使用多种光源对细胞样本进行成像的情况下实时分析能力差的问题。
第一方面，提供一种多色远心成像装置，包括：
第一平行光源（1）；
第一透镜组（2），第一透镜组（2）的光轴与第一平行光源（1）发出的平行光平行；
设置于第一透镜组（2）的后焦平面的光阑（3）；
与第一透镜组（2）同光轴的第二透镜组（4）；
用于采集图像信号的光学传感器（5），光学传感器（5）设置于第二透镜组（4）的后焦平面；
第二平行光源（6），第二平行光源（6）发出的平行光垂直于第一透镜组（2）的光轴；以及
设置于第一透镜组（2）和第二透镜组（4）之间的镜片组（7）；
其中，第一平行光源（1）发出的平行光照射位于第一透镜组（2）的前焦平面的目标物（8）后得到第一发射光，第一发射光经过第一透镜组（2）、光阑（3）和第二透镜组（4）成像于光学传感器（5）上；第二平行光源（6）发出的平行光经镜片组（7）反射后照射目标物（8），得到的第二发射光经过第一透镜组（2）、光阑（3）和第二透镜组（4）成像于光学传感器（5）上。
第二方面，提供一种细胞分析系统，包括处理器（9）和如上述描述的多色远心成像装置；处理器（9）处理光学传感器（5）传送的图像信号。
本发明实施例由同光轴的第一透镜组、设置于第一透镜组的后焦平面的光阑、第二透镜组和设置于第二透镜组的后焦平面的光学传感器完成第一平行光源的远心成像，在第一透镜组和第二透镜组之间插入镜片组，使得第二平行光源发出的平行光经镜片组反射后同样由第一透镜组、光阑、第二透镜组、光学传感器完成远心成像，在不需移动硬件的情况下实现了使用多种光源对细胞样本进行远心成像，提高了实时分析能力。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本发明实施例一提供的多色远心成像装置的结构示意图；
图2是本发明实施例一提供的第一平行光源的结构示意图；
图3是本发明实施例一提供的第二平行光源的结构示意图；
图4是本发明实施例二提供的细胞分析系统的结构示意图；
图5是本发明实施例三提供的细胞分析系统的结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的模块或具有相同或类似功能的模块。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。相反，本发明的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。
从结构上划分，细胞包括细胞膜、细胞质、细胞核、细胞器。细胞器又包括线粒体、叶绿体、中心体、液泡等。这些结构执行着不同的功能，共同完成细胞的生命活动。在细胞研究领域，除细胞（包括死细胞和活细胞）计数外，复杂细胞样本分析越来越多地被提出，即采用不同的染料分别对需求的细胞结构做染色，然后使用不同的荧光作为激发光光源激发，成像后的细胞图像中以不同的颜色标记出来。复杂细胞样本分析过程需要使用到多种光源、采集多幅细胞图像以及细胞图像合成。而由于细胞实验的步骤较为复杂，细胞样本分析作为其中的一个环节，实验人员对其分析结果的实时性有一定的要求。
实施例一
图1是本发明实施例一提供的多色远心成像装置的结构示意图。如图1所示，该装置包括第一平行光源1、第一透镜组2、光阑3、第二透镜组4、光学传感器5、第二平行光源6、镜片组7。在本发明实施例中，第一透镜组2、光阑3、第二透镜组4同光轴，该光轴与第一平行光源1发出的平行光平行，光阑3设置于第一透镜组2的后焦平面，光学传感器5设置于第二透镜组4的后焦平面，用于采集图像信号。光学传感器5可以为阵列光电传感器，如电荷耦合元件（CCD，charge couple device）图像传感器、互补金属氧化物半导体（CMOS，complementary metal-oxide-semiconductor）图像传感器或者电子倍增CCD（EMCCD，electron-multiplying CCD）图像传感器。
目标物8，即计数板内的细胞样本，放置于第一透镜组2的前焦平面；或者第一透镜组2和光阑3与传动机构相连，可以轴向移动，对目标物8进行对焦。第一平行光源1发出的平行光照射目标物8，其照射面完全覆盖目标物8，照明区域不小于目标物8的有效视场。得到的第一发射光经过第一透镜组2、光阑3和第二透镜组4成像于光学传感器5上。
在本发明实施例中，同一物点发出的光线经过第一透镜组2后均出射平行光，即第一透镜组2和第二透镜组4之间为平行光。将镜片组7设置于第一透镜组2和第二透镜组4之间，即使镜片组7发生角度偏移，也不会导致该物点在光学传感器5上的图像发生径向偏移，无需算法配准细胞图像。优选地，镜片组7设置于光阑3和第二透镜组4之间，为镜片组7的布置提供较多的空间余量。
第二平行光源6发出的平行光垂直于第一透镜组2的光轴，第二平行光源6发出的平行光经镜片组7反射后仍然为平行光，照射到目标物8。同样，其照射面完全覆盖目标物8，照明区域不小于目标物8的有效视场。得到的第二发射光经过第一透镜组2、光阑3和第二透镜组4成像于光学传感器5上。第一发射光和第二发射光经过相同的光学器件完成像方远心成像。
实际上，第一发射光和第二发射光也会经过镜片组7。优选地，镜片组7包括滤光片，使其能够透过第一发射光和第二发射光。作为本发明的一个实施例，第一平行光源1和第二平行光源6均为荧光，同时开启同时成像。镜片组7的滤光片使得第一发射光和第二发射光通过。作为本发明的另一实施例，第一平行光源1为白光、第二平行光源6为荧光，轮流开启分别成像。镜片组7的滤光片使得第二发射光中能量较高波段相对较窄的荧光通过，降低成像时的背景噪声。由于白光为全波段光波分布，第一发射光中该波段的光也会通过，所以相对来说不会对第一发射光的通过产生影响。
作为本发明的一个实施例，如图2所示，第一平行光源1包括第一光源101和第一准直镜102，第一光源101的发光面在第一准直镜102的焦平面处，经第一准直镜102后出射平行光。同样，如图3所示，第二平行光源6包括第二光源601和第二准直镜602，第二光源601的发光面在第二准直镜602的焦平面处，经第二准直镜602后出射平行光。
为白光的第一光源101可以是卤素灯、氙灯、白光LED或者多波段光组合光源。为荧光的第二光源601可以是单色LED或者激光器。在本发明实施例中，第一光源101为荧光粉方式实现的白光LED，该荧光粉会被对应的激发光激发出荧光。此时若第二光源601为荧光并且开启，第一光源101可能会被激发出荧光，增加第二发射光成像时不必要的背景噪声。如图2所示，在第一准直镜102和目标物8之间设置光衰减片，阻止第二光源601激发第一光源101。光衰减片可以是中性密度滤光片或者是针对对应波长的滤光片，有效降低为荧光的第二光源601进入白光LED，同时也有效滤除由第二光源601激发白光LED产生的荧光。另一实施例中，可以增加机械式快门，在为荧光的第二光源601开启进行荧光成像时，关闭第一光源101；在第二光源601关闭时，开启第一光源101进行明场成像。
在本发明实施例中，光阑3的孔径为固定或者为可调节。调节较小的孔径可提高成像景深。
本发明实施例由同光轴的第一透镜组、设置于第一透镜组的后焦平面的光阑、第二透镜组和设置于第二透镜组的后焦平面的光学传感器完成第一平行光源的远心成像，在第一透镜组和第二透镜组之间插入镜片组，使得第二平行光源发出的平行光经镜片组反射后同样由第一透镜组、光阑、第二透镜组、光学传感器完成远心成像，在不需移动硬件的情况下实现了使用多种光源对细胞样本进行远心成像，提高了实时分析能力。
实施例二
图4是本发明实施例二提供的细胞分析系统的结构示意图。如图4所示，该系统包括处理器9和实施例一描述的多色远心成像装置，处理器9处理光学传感器5传送的图像信号。
在本发明实施例中，与实施例一相同的各部件沿用与实施例一相同的标号，包括在实施例一中描述的全部特征，在此不再赘述。
观察荧光细胞图像时，通常需要与明场细胞图像同步叠加观察。优选地，第一平行光源1为白光，第二平行光源6为荧光。由于白光的强度较荧光强很多，为了避免白光影响荧光，在本发明实施例中，开启第一平行光源1时关闭第二平行光源6，或者关闭第一平行光源1时开启第二平行光源6，光学传感器5分时采集荧光的图像信号和明场的图像信号，然后由处理器合成细胞图像。
本发明实施例由同光轴的第一透镜组、设置于第一透镜组的后焦平面的光阑、第二透镜组和设置于第二透镜组的后焦平面的光学传感器完成第一平行光源的远心成像，在第一透镜组和第二透镜组之间插入镜片组，使得第二平行光源发出的平行光经镜片组反射后同样由第一透镜组、光阑、第二透镜组、光学传感器完成远心成像，在不需移动硬件的情况下实现了使用多种光源对细胞样本进行远心成像，提高了实时分析能力。
实施例三
图5是本发明实施例三提供的细胞分析系统的结构示意图。在本发明实施例中，与实施例二相同的各部件沿用与实施例二相同的标号，包括在实施例二中描述的全部特征，在此不再赘述。
如图5所示，该系统包括处理器9、传动机构和实施例一描述的多色远心成像装置。作为本发明的一个实施例，第二平行光源6和镜片组7为一体的荧光模块10。荧光模块10包括第一荧光模块1001和第二荧光模块1002，两者的荧光颜色不同，镜片组7中滤光片的透射波段也不同。根据用户设置的实验需求，传动机构切换第一荧光模块1001和第二荧光模块1002，以使在光学传感器5上分别成像第一荧光细胞图像和第二细胞荧光图像。处理器9将光学传感器5传送的第一荧光细胞图像和第二荧光细胞图像合成为多色荧光细胞图像。同时，第一平行光源为白光，由于白光为全波段光波分布，切换任何颜色的荧光模块，第一发射光在荧光模块滤光片的透射波段都可以通过，所以相对来说不会对第一发射光的通过产生影响。荧光模块10还可以包括更多的荧光模块，在此不做限定。
在本发明实施例中，同一物点发出的光线经过第一透镜组2后均出射平行光，即第一透镜组2和第二透镜组4之间为平行光，镜片组7设置于第一透镜组2和第二透镜组4之间，即使荧光模块10的移动存在误差导致镜片组7发生角度偏移，也不会导致该物点在光学传感器5上的图像发生径向偏移，无需算法配准细胞图像。此外，省去荧光模块10，也不会影响第一发射光在光学传感器5上的成像。这样的光路和结构设置综合考虑了细胞分析系统的结构复杂度和实时分析能力，实现了多种光源模块化，使得对细胞样本进行远心成像时多种光源的选择方案更灵活，可适应复杂的实验要求。
本发明实施例由同光轴的第一透镜组、设置于第一透镜组的后焦平面的光阑、第二透镜组和设置于第二透镜组的后焦平面的光学传感器完成第一平行光源的远心成像，在第一透镜组和第二透镜组之间插入镜片组，使得第二平行光源发出的平行光经镜片组反射后同样由第一透镜组、光阑、第二透镜组、光学传感器完成远心成像，第二平行光源和镜片组为一体的模块，由传动机构切换，在较少移动硬件的情况下实现了使用多种光源对细胞样本进行远心成像，提高了实时分析能力。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种多色远心成像装置，其特征在于，包括：
第一平行光源（1）；
第一透镜组（2），所述第一透镜组（2）的光轴与所述第一平行光源（1）发出的平行光平行；
设置于所述第一透镜组（2）的后焦平面的光阑（3）；
与所述第一透镜组（2）同光轴的第二透镜组（4）；
用于采集图像信号的光学传感器（5），所述光学传感器（5）设置于所述第二透镜组（4）的后焦平面；
第二平行光源（6），所述第二平行光源（6）发出的平行光垂直于所述第一透镜组（2）的光轴；以及
设置于所述第一透镜组（2）和所述第二透镜组（4）之间的镜片组（7）；
其中，所述第一平行光源（1）发出的平行光照射位于所述第一透镜组（2）的前焦平面的目标物（8）后得到第一发射光，所述第一发射光经过所述第一透镜组（2）、所述光阑（3）和所述第二透镜组（4）成像于所述光学传感器（5）上；所述第二平行光源（6）发出的平行光经所述镜片组（7）反射后照射所述目标物（8），得到的第二发射光经过所述第一透镜组（2）、所述光阑（3）和所述第二透镜组（4）成像于所述光学传感器（5）上。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一平行光源（1）包括第一光源（101）和第一准直镜（102），和/或所述第二平行光源（6）包括第二光源（601）和第二准直镜（602）。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，当所述第一光源（101）为荧光粉方式实现的白光LED，所述第二光源（601）为荧光时，在所述第一准直镜（102）和所述目标物（8）之间设置光衰减片。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述镜片组（7）包括滤光片。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光阑（3）的孔径可调节。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述镜片组（7）设置于所述光阑（3）和所述第二透镜组（4）之间。
7.一种细胞分析系统，其特征在于，包括处理器（9）和如权利要求1-6任一项所述的多色远心成像装置；
所述处理器（9）处理所述光学传感器（5）传送的图像信号。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述第一平行光源（1）为白光，所述第二平行光源（6）为荧光，开启所述第一平行光源（1）时关闭所述第二平行光源（6），或者关闭所述第一平行光源（1）时开启所述第二平行光源（6）。
9.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述第二平行光源（6）和所述镜片组（7）为一体的荧光模块（10）。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，还包括传动机构，所述荧光模块（10）包括第一荧光模块（1001）和第二荧光模块（1002）；
所述传动机构切换所述第一荧光模块（1001）和所述第二荧光模块（1002），以使在所述光学传感器（5）上分别成像第一荧光细胞图像和第二细胞荧光图像；
所述处理器（9）处理所述光学传感器（5）传送的图像信号包括：
所述处理器（9）将所述光学传感器（5）传送的所述第一荧光细胞图像和所述第二荧光细胞图像合成为多色荧光细胞图像。
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