CN113568156A - 一种光谱显微成像装置及实现方法 - Google Patents

一种光谱显微成像装置及实现方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光谱显微成像装置及实现方法，包括依次设置的照明光源、载物台、显微物镜、视场光阑、闪耀光栅、带通滤波器、4F中继透镜、微透镜阵列、平移台、掩膜和CCD阵列；所述的4F中继透镜共有两组，分别设置在带通滤波器和微透镜阵列之间以及平移台和CCD阵列之间；本发明装置通过光路设计，达到多次曝光并通过算法即可得到清晰样本多路连续光谱通道的目的，可以获得观察样本多维清晰图像信息。去除了其中的一组不必要的4F中继透镜，使得结构更紧凑，光通量更大，像差变好。增加了平移台和掩膜，有效弥补了由于将图像升维之后降采样引起的像素降低问题。

Description

一种光谱显微成像装置及实现方法
技术领域
本发明涉及光谱成像领域，具体涉及一种多重光谱显微成像装置。
背景技术
相比于传统的成像技术，光谱成像技术在拍摄场景二维图像并进行升维的同时，利用掩膜和算法不仅能够记录下多维的光谱信息、增加记录信息的丰富程度，还弥补了升维之后像素降低的缺陷，有利于后期分析与处理。由于微透镜阵列可以让光源沿着子像素中间展开一条不同光谱波长的线以单独采集每个光谱的信息之后，会造成图像的降采样，而基于掩膜的PIE技术可以实现超分辨率技术，将降采样造成的像素低的问题进行有效地弥补。光谱成像技术初期，使用传统的方法获取光谱信息，再通过PIE进行像素的弥补，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之后利用掩膜和算法得到更清晰的图像。该方法精度高，易于实现，优点是可以在获取多个光谱通道的同时，也保证图像的清晰度。
快速光谱显微成像技术可以实现弥补对几个光谱通道的获取之后仍然保证图像的清晰度，因此光谱数据更加丰富、像素更加有保证。因此，快速光谱显微成像技术可以有效地解决将图像升维后像素降低的问题。
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的同时，对由于图像升维后像素降低的缺陷进行弥补。
一种光谱显微成像装置，包括依次设置的照明光源(1)、载物台(2)、显微物镜(3)、视场光阑(4)、闪耀光栅(6)、带通滤波器(7)、4F中继透镜(5)、微透镜阵列(8)、平移台(12)、掩膜(13)和CCD阵列(9)。所述的4F中继透镜(5)共有两组，分别设置在带通滤波器(7)和微透镜阵列(8)之间以及平移台(12)和CCD阵列(9)之间；
照明光源(1)照射到载物台(2)上，在显微物镜(3)成像镜头中获取载物台上样本的二维图像信息并成像在视场光阑(4)所在平面，照射到闪耀光栅(6)的表面。闪耀光栅(6)将不同光谱波长下的透射光色散到不同角度上，带通滤波器(7)使得闪耀光栅亮度最高的+1级中待记录的光谱波段单独通过，并屏蔽其它波段以及其它光栅级上的光线。此时光栅色散后的光线经过4F中继透镜(5)重新汇聚在微透镜阵列(8)所在平面，不同波长的光线在微透镜阵列(8)后方微透镜焦平面上聚焦，并且连续光谱延光栅色散方向一字展开，展开的像经过第二个4F中继透镜(5)，投射到CCD阵列(9)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(8)上的光与微透镜阵列(8)本身的数值孔径大小差异不能超过设置阈值，并且尽量接近，以免产生图像重叠混淆。所述的平移台(12)和掩膜(13)，用于将得到的降采样后不清晰的图像清晰化。
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，达到多次曝光并通过算法即可得到清晰样本多路连续光谱通道的目的，可以获得观察样本多维清晰图像信息。去除了其中的一组不必要的4F中继透镜，使得结构更紧凑，光通量更大，像差变好。增加了平移台12和掩膜13，有效弥补了由于将图像升维之后降采样引起的像素降低问题。
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，CCD阵列9，微透镜焦平面10，子像素11，平移台12，掩膜13。
具体实施方式
一种光谱显微成像装置，本发明特征在于多次曝光获取生物样本连续多个光谱信息并获得清晰图像，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，闪耀光栅6，带通滤波器7，4F中继透镜5，微透镜阵列8、平移台12、掩膜13和CCD阵列9，且自左向右依次设置；所述的4F中继透镜5共有两组，分别设置在带通滤波器7和微透镜阵列8之间以及平移台12和CCD阵列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，再映射在闪耀光栅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使得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CCD阵列9 的像素阵列上。所述的微透镜阵列8和CCD阵列9之间设置有平移台12和掩膜13，用于将得到的降采样后不清晰的图像清晰化。
一种光谱显微成像装置的实现方法，包括如下步骤：
步骤一：光从照明光源1出发，照射到载物台2上，载物台2上的观测物体被照亮。再由显微物镜3的成像镜头将观测物体的实像投在视场光阑4所在的平面，亦即投射在了闪耀光栅6上。此时，观测物体的实像与闪耀光栅6的刻线面重合，闪耀光栅6表面的观测物体的实像发生色散。
步骤二：由于带通滤波器7的带通特性，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表面的观测物体实像的色散角度不同，不同波长的光重新汇聚在微透镜阵列8上实像不仅会有不同的出射角，还会在微透镜焦平面10上沿着一个维度发生色散，光透过不规则的掩膜，形成掩膜和物象相叠加的图像，观测到物体色散后的实像经过4F 中继透镜5成像在CCD阵列9的像素阵列上，并通过相机获取图像信息。
步骤四：CCD阵列9的像素阵列中具体某一块的子像素11区域在微透镜阵列8中每一个微透镜都有对应，子像素11大小为N×N个像素，其中N 为奇数，且3＜N＜13，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。记录下图像信息。
步骤五：利用平移台12将掩膜13在掩膜平面内移动，共移动k*k次，每次移动1微米，采用步骤四的方法记录下图像信息，一共重复k*k次，记录下k*k张图像信息。
步骤六：得到N组k*k的图像，对于每一组单波长图像进行如下操作，具体如下：
输入为J(J＝k*k)张原始图像，在迭代开始赋予物体和照明光的初始猜测Oj，Pj，其中，初始猜测照明光为P1(x0，y0)，j∈[1，J]：
(1)根据移动的x，y信息，用P和移动值xj、yj来表示移动后的掩膜信息Pj＝P(x0-xj，y0-yj)；利用公式
Figure BDA0003139167130000041
计算出仿真的叠加后的图像，其中，
Figure BDA0003139167130000042
表示叠加后的图像，Oj表示第j张图像所对应的物体图像，Pj为移动后的掩膜信息；
(2)获得相机到像面的距离d，利用点扩散函数PSF和公式ψj(x，y) ＝PSF(d)＊(x，y)算出仿真的波前，其中ψj表示仿真出的波前，φj表示叠加后的图像；
(3)根据光强度等于振幅的平方算出仿真的光强度Intensity， Intensity＝|ψj(x，y)|2；
(4)用仿真的光强度去和真实的图像进行上采样(update)并将像素扩大为m*m倍；
(5)利用公式
Figure BDA0003139167130000051
计算出把图像转换成m*m倍图像的波前，其中ψj’为更新的仿真波前；
(6)根据相机到像面的距离d，利用点扩散函数PSF和公式
Figure BDA0003139167130000052
Figure BDA0003139167130000053
进行相当于(3)的逆变换，得出新的真实的波前；
(7)代入公式
Figure BDA0003139167130000054
Figure BDA0003139167130000055
更新物体O的数据，其中，conj为共轭，αobj为rPIE 中的算法权值；
(8)代入公式
Figure BDA0003139167130000056
Figure BDA0003139167130000057
更新照明光P的数据，其中，αp为rPIE中的算法权值；
(9)重复(1)～(9)的步骤，并每次将j加一处理，直到j＝J；
(10)重复(1)～(11)的步骤n次，直到
Figure BDA0003139167130000058
足够小。
(11)将最后优化得到的物体0作为分辨率提升的图像复振幅，则重建图像为I＝|O|2。
步骤七：对于步骤六中每一组单波长图像，均求得其分辨率提升后的图片Ii作为当前波长的图像。
进一步的，αobj＝αp＝1，n＝6。

Claims (3)

1.一种光谱显微成像装置，其特征在于，包括依次设置的照明光源(1)、载物台(2)、显微物镜(3)、视场光阑(4)、闪耀光栅(6)、带通滤波器(7)、4F中继透镜(5)、微透镜阵列(8)、平移台(12)、掩膜(13)和CCD阵列(9)；所述的4F中继透镜(5)共有两组，分别设置在带通滤波器(7)和微透镜阵列(8)之间以及平移台(12)和CCD阵列(9)之间；
照明光源(1)照射到载物台(2)上，在显微物镜(3)成像镜头中获取载物台上样本的二维图像信息并成像在视场光阑(4)所在平面，照射到闪耀光栅(6)的表面；闪耀光栅(6)将不同光谱波长下的透射光色散到不同角度上，带通滤波器(7)使得闪耀光栅亮度最高的+1级中待记录的光谱波段单独通过，并屏蔽其它波段以及其它光栅级上的光线；此时光栅色散后的光线经过4F中继透镜(5)重新汇聚在微透镜阵列(8)所在平面，不同波长的光线在微透镜阵列(8)后方微透镜焦平面上聚焦，并且连续光谱延光栅色散方向一字展开，展开的像经过第二个4F中继透镜(5)，投射到CCD阵列(9)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(8)上的光与微透镜阵列(8)本身的数值孔径大小差异不能超过设置阈值；所述的平移台(12)和掩膜(13)，用于将得到的降采样后不清晰的图像清晰化。
2.根据权利要求1所述的一种光谱显微成像装置的实现方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：光从照明光源(1)出发，照射到载物台(2)上，载物台(2)上的观测物体被照亮；再由显微物镜3的成像镜头将观测物体的实像投在视场光阑(4)所在的平面，亦即投射在了闪耀光栅6上；此时，观测物体的实像与闪耀光栅(6)的刻线面重合，闪耀光栅(6)表面的观测物体的实像发生色散；
步骤二：由于带通滤波器(7)的带通特性，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)表面的观测物体实像的色散角度不同，不同波长的光重新汇聚在微透镜阵列(8)上实像不仅会有不同的出射角，还会在微透镜焦平面(10)上沿着一个维度发生色散，光透过不规则的掩膜，形成掩膜和物象相叠加的图像，观测到物体色散后的实像经过4F中继透镜(5成像)在CCD阵列(9)的像素阵列上，并通过相机获取图像信息；
步骤四：CCD阵列(9)的像素阵列中的子像素(11)区域在微透镜阵列8中每一个微透镜都有对应，子像素(11)大小为N×N个像素，其中N为奇数，且3＜N＜13，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；记录下图像信息；
步骤五：利用平移台12将掩膜13在掩膜平面内移动，共移动k*k次，每次移动1微米，采用步骤四的方法记录下图像信息，一共重复k*k次，记录下k*k张图像信息；
步骤六：得到N组k*k的图像，对于每一组单波长图像进行如下操作，具体如下：
输入为J(J＝k*k)张原始图像，在迭代开始赋予物体和照明光的初始猜测Oj，Pj，其中，初始猜测照明光为P1(x0，y0)，j∈[1，J]：
(1)根据移动的x，y信息，用P和移动值xj、yj来表示移动后的掩膜信息Pj＝P(x0-xj，y0-yj)；利用公式
Figure FDA0003139167120000021
计算出仿真的叠加后的图像，其中，
Figure FDA0003139167120000022
表示叠加后的图像，Oj表示第j张图像所对应的物体图像，Pj为移动后的掩膜信息；
(2)获得相机到像面的距离d，利用点扩散函数PSF和公式ψj(x，y)＝PSF(d)*(x，y)算出仿真的波前，其中ψj表示仿真出的波前，φj表示叠加后的图像；
(3)根据光强度等于振幅的平方算出仿真的光强度Intensity，Intensity＝|ψj(x，y)|2；
(4)用仿真的光强度去和真实的图像进行上采样(update)并将像素扩大为m*m倍；
(5)利用公式
Figure FDA0003139167120000031
计算出把图像转换成m*m倍图像的波前，其中ψj′为更新的仿真波前；
(6)根据相机到像面的距离d，利用点扩散函数PSF和公式
Figure FDA0003139167120000032
Figure FDA0003139167120000033
进行相当于(3)的逆变换，得出新的真实的波前；
(7)代入公式
Figure FDA0003139167120000034
Figure FDA0003139167120000035
更新物体0的数据，其中，conj为共轭，αobj为rPIE中的算法权值；
(8)代入公式
Figure FDA0003139167120000036
Figure FDA0003139167120000037
更新照明光P的数据，其中，αp为rPIE中的算法权值；
(9)重复(1)～(9)的步骤，并每次将j加一处理，直到j＝J；
(10)重复(1)～(11)的步骤n次，直到
Figure FDA0003139167120000038
足够小。
(11)将最后优化得到的物体O作为分辨率提升的图像复振幅，则重建图像为I＝|O|2；
步骤七：对于步骤六中每一组单波长图像，均求得其分辨率提升后的图片Ii作为当前波长的图像。
3.根据权利要求2所述的一种光谱显微成像装置的实现方法，其特征在于，步骤六中的进一步的，αobj＝αp＝1，n＝6。
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