CN113495353A - 一种用于显微系统的可调多波长数据采集系统 - Google Patents

一种用于显微系统的可调多波长数据采集系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种用于显微系统的可调多波长数据采集系统，包括下层圆环底座、上层圆环支撑架、固定在下层圆环底座和上层圆环支撑架上的自动伸缩支撑杆、固定在上层圆环支撑架上的杆状传动装置、安装在杆状传动装置上的滤光片、固定在下层圆环底座上的信号接收装置以及与信号接收装置信号连接的控制装置。本发明采用双层圆环架空结构，可以在正置/倒置显微系统下使用，具有轻便、小巧、适用范围广的特点；本发明能够在不进行机械移动的前提下，快速精准地在显微系统下采集不同波长下的多幅强度图像，为后续利用采集到的数据进行多波长条件下的相位恢复提供了基础。

Description

一种用于显微系统的可调多波长数据采集系统
技术领域
本发明涉及生物显微成像技术领域，具体是一种用于显微系统的可调多波长数据采集系统。
背景技术
显微光学成像，是可见光透过样品后通过一个或多个透镜之后放大微小样品图像的技术。所得图像可以通过目镜直接观察，或者可以用感光板、数字化图像探测器(CCD)进行记录，还可以在计算机上进行显示与图像处理。
在显微成像中，大多样品都是无色透明的生物样品，当光波透过后，样品的强度信息和相位信息都会包含在透射光线中。研究表明，四分之三左右的信息储存在相位当中，而振幅中储存的信息仅有四分之一。因此，由样品的强度分布来估算(恢复)相位，即相位恢复问题引起了广泛关注。
物光波的振幅可以通过摄像机直接获取，但是相位不能被直接探测。最经典的相位测量方法是干涉测量法，然而该方法存在以下缺点：
(1)光波沿着不同的独立路径进入传感器区域，测量结果会受到振动的影响而严重损坏(环境干扰造成的)；
(2)光源的时间相干要求很高，从而需要较为复杂的干涉装置等。
另一类非常重要的非干涉相位测量技术称为相位恢复技术。基于强度传输方程的相位恢复方法是其中的一种典型方法，该方法仅需要测量待测光波在不同传输距离上的光强分布即可通过求解该方程恢复相位信息。方程形式如下：
Figure BDA0003145414610000021
其中光波沿着z方向传播，λ代表光波长，I和
Figure BDA0003145414610000022
分别表示z0位置的强度和相位。该方程中，强度在z方向上的偏导数难以计算，通常采用的是采集多幅强度图像来近似获得。例如，可以使用z0+Δz和z0位置的强度信息通过如下差分计算公式获得：
Figure BDA0003145414610000023
但是基于强度传输方程的非干涉相位恢复技术只适用于单波长条件下近距离传播时的相位求解，目前有一种多波长条件下的相位恢复算法克服了近距离传播与单波长条件的局限，该算法在求解过程中考虑多个波长下相位间的相关约束，并引入了合成波长与合成相位的概念。首先利用TIE算法分别得到多个不同波长条件下的相位分布，然后考虑两个波长间相位的相关约束，结合合成波长的思想重构记录面的相位分布，最后利用角谱法反向传输至物面后即可得到恢复的物面相位。
求得单个波长下的相位分布后，可以用多波长的方法求得合成波长的相位分布。双波长时的合成相位分布为：
Figure BDA0003145414610000024
Figure BDA0003145414610000031
其中，h表示光经过被测物体时的光程差，
Figure BDA0003145414610000032
表示为两个波长时的等效波长，其值大于其中的任一波长。
三波长时合成的相位分布为：
Figure BDA0003145414610000033
式中i、j、k分别是三种不同的波长，
Figure BDA0003145414610000034
传统实验中，如果需要采用多波长条件下的相位恢复算法来求解相位，需要分别采集不同波长下对应的强度图像，而为了采集不同波长下的强度图像，在更换滤光片的过程中会造成机械移动，从而会影响到最终的相位恢复结果。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种用于显微系统的可调多波长数据采集系统，该系统能够在不进行机械移动的前提下，采集不同波长下的多幅强度图像。
本发明的技术方案为：
一种用于显微系统的可调多波长数据采集系统，该系统包括下层圆环底座、上层圆环支撑架、自动伸缩支撑杆、杆状传动装置、滤光片、信号接收装置和控制装置；
所述上层圆环支撑架与下层圆环底座平行设置且位于下层圆环底座的正上方；所述自动伸缩支撑杆至少有两个，其一端固定在下层圆环底座上，另一端固定在上层圆环支撑架上；
所述杆状传动装置的一端固定在上层圆环支撑架上，另一端延伸至上层圆环支撑架的中心处；所述滤光片与上层圆环支撑架平行设置，采用圆形旋转式多波段滤光片，其圆心位置固定在杆状传动装置延伸至上层圆环支撑架的中心处的一端；
所述信号接收装置固定在下层圆环底座上，用于根据控制装置发出的指令，控制自动伸缩支撑杆的伸缩以及控制滤光片的旋转；
所述控制装置，用于向信号接收装置发出控制自动伸缩支撑杆伸缩的指令以及控制滤光片旋转的指令。
所述的用于显微系统的可调多波长数据采集系统，所述自动伸缩支撑杆有四个，两个相邻自动伸缩支撑杆之间的圆心角为90°。
所述的用于显微系统的可调多波长数据采集系统，所述杆状传动装置由向下弯折部和直线部一体连接构成，所述向下弯折部的一端固定在上层圆环支撑架上，另一端与直线部的一端连接，所述直线部的另一端延伸至上层圆环支撑架的中心处。
所述的用于显微系统的可调多波长数据采集系统，所述下层圆环底座和上层圆环支撑架的外径均为10cm，内径均为9cm，厚度均为0.5cm；所述自动伸缩支撑杆的调节范围为2cm～4cm；所述信号接收装置为长方体状，其长宽高尺寸为0.5cm*0.5cm*1.5cm。
所述的用于显微系统的可调多波长数据采集系统，所述下层圆环底座、上层圆环支撑架、自动伸缩支撑杆、杆状传动装置和信号接收装置的内部均为空心结构且在连接处互通，用于放置导线；
所述自动伸缩支撑杆的内部以及杆状传动装置延伸至上层圆环支撑架的中心处的一端均设有微型电机；
所述信号接收装置的内部设有信号接收器，所述信号接收器的底座内安装有纽扣电池作为电源，所述信号接收器的输入端与控制装置的输出端连接，所述信号接收器的输出端通过导线与各个微型电机的正负极连接。
所述的用于显微系统的可调多波长数据采集系统，所述控制装置采用计算机。
由上述技术方案可知，本发明采用双层圆环架空结构，可以在正置/倒置显微系统下使用，具有轻便、小巧、适用范围广的特点；本发明能够在不进行机械移动的前提下，快速精准地在显微系统下采集不同波长下的多幅强度图像，为后续利用采集到的数据进行多波长条件下的相位恢复提供了基础。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
如图1所示，一种用于显微系统的可调多波长数据采集系统，包括下层圆环底座1、上层圆环支撑架2、四个自动伸缩支撑杆31、32、33和34、杆状传动装置4、滤光片5、信号接收装置6和控制装置7。
上层圆环支撑架2与下层圆环底座1平行设置且位于下层圆环底座1的正上方。
四个自动伸缩支撑杆31、32、33和34的规格完全相同并且伸缩长度会保持完全一致，其一端固定在下层圆环底座1上，另一端固定在上层圆环支撑架2上。两个相邻自动伸缩支撑杆之间的圆心角为90°。
杆状传动装置4由向下弯折部和直线部一体连接构成，向下弯折部的一端固定在上层圆环支撑架2上，另一端与直线部的一端连接，直线部的另一端延伸至上层圆环支撑架2的中心处。
滤光片5与上层圆环支撑架2平行设置，采用圆形旋转式多波段滤光片，其圆心位置固定在杆状传动装置4延伸至上层圆环支撑架2的中心处的一端，通过杆状传动装置4来控制滤光片5的旋转。图1中的wb1、wb2和wb3代表了不同的三个波段，实际实验过程中可以根据需要自由更换滤光片以获取不同波段的光波以及添加或者减少波段的数量。
信号接收装置6为长方体状，固定在下层圆环底座1上，用于根据控制装置7发出的指令，控制自动伸缩支撑杆31、32、33和34的伸缩以及控制滤光片5的旋转。
控制装置7采用计算机，用于向信号接收装置6发出控制自动伸缩支撑杆31、32、33和34伸缩的指令以及控制滤光片5旋转的指令。
下层圆环底座1、上层圆环支撑架2、自动伸缩支撑杆31、32、33和34、杆状传动装置4和信号接收装置6的内部均为空心结构且在连接处互通，用于放置导线。自动伸缩支撑杆31、32、33和34的内部以及杆状传动装置4延伸至上层圆环支撑架2的中心处的一端均设有微型电机。
信号接收装置6的内部设有信号接收器，信号接收器的底座内安装有纽扣电池作为电源，信号接收器的输入端与控制装置7的输出端连接，接收控制装置7发出的指令信号，信号接收器的输出端通过十根导线与五个微型电机的正负极连接，以控制四个自动伸缩支撑杆31、32、33和34以及杆状传动装置4。
下面以自动伸缩支撑杆31为例，详细说明对自动伸缩支撑杆31、32、33和34的控制：
当接收到来自控制装置7的拉伸指令信号后，信号接收器正向接通自动伸缩支撑杆31内部的微型电机，自动伸缩支撑杆31自动拉伸，当接收到停止指令信号后，信号接收器切断回路，自动伸缩支撑杆31停止拉伸；如果达到可调节的最大范围时，控制装置7仍然没有发出停止指令信号，则信号接收器会自动切断回路。如果控制装置7发出的是收缩指令信号，信号接收器会将电极反转，微型电机将会反转，以完成自动伸缩支撑杆31收缩的操作。在实际操作中，只要接收到了来自控制装置7的指令信号，自动伸缩支撑杆31、32、33和34内部的微型电机会同时工作，同时完成高度调节。
接下来详细说明对杆状传动装置4的控制：
前面已经说明了下层圆环底座1、上层圆环支撑架2、自动伸缩支撑杆31、32、33和34、杆状传动装置4和信号接收装置6的内部均为空心结构且在连接处互通，用于放置导线，其中有两根导线用于控制杆状传动装置4以完成滤光片5的旋转，这两根导线穿过下层圆环底座1、自动伸缩支撑杆31和34以及上层圆环支撑架2的内部，直接接到杆状传动装置4右端的微型电机的正负极上，滤光片5直接安装在该微型电机的输出端上。当接收到来自控制装置7的控制滤光片5顺时针旋转的指令信号后，信号接收器控制该微型电机的旋转方向，以带动滤光片5正向旋转，反之则对其电极反转，以实现滤光片5的反向旋转。
为便于描述，将由下层圆环底座1、上层圆环支撑架2、四个自动伸缩支撑杆31、32、33和34、杆状传动装置4、滤光片5和信号接收装置6构成的双层圆环架空结构称为双层圆环装置。
由于实验条件的限制，设定整个双层圆环装置的外径为10cm，其中下层圆环底座1和上层圆环支撑架2的外径均为10cm，内径均为9cm，厚度均为0.5cm；自动伸缩支撑杆31、32、33和34的初始高度为3cm，可调节范围为2cm～4cm，调节速率为1mm/s；整个双层圆环装置的初始高度为4cm，整个双层圆环装置的高度可以在3cm～5cm之间调节以适应大部分实验条件，保证本发明的泛用性。信号接收装置6的尺寸为底面0.5cm*0.5cm，高1.5cm，保证当自动伸缩支撑杆31、32、33和34调节到最小高度时也不会影响到信号接收装置6。
杆状传动装置4处于两个自动伸缩支撑杆31和34的中点处，考虑到滤光片5的厚度会影响整个双层圆环装置的高度，杆状传动装置4没有设计成向右笔直延伸的结构，而是在距离左端1cm处向下延伸0.5cm后再向右延伸3.5cm至圆心处，这样设计就避免了滤光片5的厚度影响整个双层圆环装置的高度。
由于滤光片5安装在杆状传动装置4的右端，滤光片5的左侧覆盖了杆状传动装置4，光束从滤光片5的右侧通过，光束自上而下或者自下而上都可以使用，滤光片5的直径在1cm～7cm之间都可以使用，极大地提升了本发明的泛用性。滤光片5的旋转由控制装置7控制，旋转速率控制为60s/r，可正向、逆向旋转并且暂停旋转。
本发明的工作原理：
先将控制装置7与双层圆环装置配对，再将整个双层圆环装置放在正置(或倒置)显微系统光路下，使其光路穿过滤光片5的右侧，然后调节自动伸缩支撑杆31、32、33和34到合适的高度以适应实验条件，控制滤光片5旋转以得到不同波长的光，并利用相机采集不同波长下的聚焦和散焦强度图像。采集完成之后，采用多波长条件下的相位恢复算法来求解相位。
以上所述实施方式仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种用于显微系统的可调多波长数据采集系统，其特征在于：该系统包括下层圆环底座、上层圆环支撑架、自动伸缩支撑杆、杆状传动装置、滤光片、信号接收装置和控制装置；
所述上层圆环支撑架与下层圆环底座平行设置且位于下层圆环底座的正上方；所述自动伸缩支撑杆至少有两个，其一端固定在下层圆环底座上，另一端固定在上层圆环支撑架上；
所述杆状传动装置的一端固定在上层圆环支撑架上，另一端延伸至上层圆环支撑架的中心处；所述滤光片与上层圆环支撑架平行设置，采用圆形旋转式多波段滤光片，其圆心位置固定在杆状传动装置延伸至上层圆环支撑架的中心处的一端；
所述信号接收装置固定在下层圆环底座上，用于根据控制装置发出的指令，控制自动伸缩支撑杆的伸缩以及控制滤光片的旋转；
所述控制装置，用于向信号接收装置发出控制自动伸缩支撑杆伸缩的指令以及控制滤光片旋转的指令。
2.根据权利要求1所述的用于显微系统的可调多波长数据采集系统，其特征在于：所述自动伸缩支撑杆有四个，两个相邻自动伸缩支撑杆之间的圆心角为90°。
3.根据权利要求1所述的用于显微系统的可调多波长数据采集系统，其特征在于：所述杆状传动装置由向下弯折部和直线部一体连接构成，所述向下弯折部的一端固定在上层圆环支撑架上，另一端与直线部的一端连接，所述直线部的另一端延伸至上层圆环支撑架的中心处。
4.根据权利要求1所述的用于显微系统的可调多波长数据采集系统，其特征在于：所述下层圆环底座和上层圆环支撑架的外径均为10cm，内径均为9cm，厚度均为0.5cm；所述自动伸缩支撑杆的调节范围为2cm～4cm；所述信号接收装置为长方体状，其长宽高尺寸为0.5cm*0.5cm*1.5cm。
5.根据权利要求1所述的用于显微系统的可调多波长数据采集系统，其特征在于：所述下层圆环底座、上层圆环支撑架、自动伸缩支撑杆、杆状传动装置和信号接收装置的内部均为空心结构且在连接处互通，用于放置导线；
所述自动伸缩支撑杆的内部以及杆状传动装置延伸至上层圆环支撑架的中心处的一端均设有微型电机；
所述信号接收装置的内部设有信号接收器，所述信号接收器的底座内安装有纽扣电池作为电源，所述信号接收器的输入端与控制装置的输出端连接，所述信号接收器的输出端通过导线与各个微型电机的正负极连接。
6.根据权利要求1所述的用于显微系统的可调多波长数据采集系统，其特征在于：所述控制装置采用计算机。
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