CN115576091A - 一种基于dmd的高光谱探测模块 - Google Patents

一种基于dmd的高光谱探测模块 Download PDF

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Abstract

本发明属于显微镜技术领域，提供了一种基于DMD的高光谱探测模块，用于共聚焦显微镜，所述显微镜至少包括一激光光源和扫描成像模块，激光光源发出的照明光线通过扫描成像模块照射至待测样品上而产生荧光，包括一DMD阵列，其中包含多个微镜，以各微镜倾斜方向的改变而调节入射光经其反射后的出射方向；以及中央控制单元，其被配置为对由光电倍增管收集的，并经所述DMD阵列反射得到的反射光谱进行重构并还原出预设波段荧光的图像。本发明的优点在于通过DMD阵列的逐行开启与关闭实现对光谱不同通道的选择，避免了传统使用滤光转轮或移动狭缝等方式带来的机械扰动，提升了光谱检测的精度。

Description

一种基于DMD的高光谱探测模块
技术领域
本发明涉及显微镜技术领域，尤其涉及一种基于DMD的高光谱探测模块。
背景技术
激光扫描共聚焦显微镜是基于共轭焦点技术设计的显微镜类型，即为使激光光源、被测样品与探测器都处于彼此的共轭位置上。在一般的显微镜中通过将物镜的焦平面与探测器重合使得观测的像平面与相邻的轴平面隔离开来，而在共聚焦显微镜中通过使用衍射受限的光点照亮样品，并在该光点共轭焦点处的收集光路径中使用针孔来过滤杂散光达到产生这种隔离效果从而提高分辨率。
近几年随着荧光染料等技术的发展，激光扫描共聚焦显微镜的功能也在不断增强。总所周知，由荧光染料激发出的荧光往往是包含期望波长在内的一个光谱波段区域，而其余波长的引入会降低最终图像的分辨率并且对多色图像的重构不利。因此许多厂家都引入了高光谱检测技术来对样品激发的荧光进行再切割以得到效果更好的重构图像。奥林巴斯通过荧光转轮与可调狭缝的配合实现了更窄波段的光谱检测(US7315039B2)，但是在实际的使用中因为转轮旋转速度的限制，成像速度较慢。蔡司使用线阵CCD来接收荧光信号，通过线阵CCD的物理尺寸限制实现更短波段的光谱检测，但在实际使用中线阵CCD价格较贵，提高了成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于DMD的高光谱探测模块，用以解决上述问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于DMD的高光谱探测模块，用于共聚焦扫描显微镜，所述显微镜至少包括一激光光源和扫描成像模块，激光光源发出的照明光线通过扫描成像模块照射至待测样品上而产生荧光，还包括一DMD阵列，其中包含多个微镜，以各微镜倾斜方向的改变而调节入射光经其反射后的出射方向；以及中央控制单元，其被配置为对由光电倍增管收集的，并经所述DMD阵列反射得到的反射光谱进行重构并还原出预设波段荧光的图像。
进一步的，所述DMD阵列中每个微镜的倾斜方向由所述中央控制单元进行调节。
进一步的，所述DMD阵列由所述中央控制单元选择逐行或逐列或多行调节微镜的倾斜方向，以对入射DMD阵列的光谱进行反射后得到预设波段的光谱。
进一步的，包括一光栅，其被配置为将受激发产生的荧光进行衍射后形成光谱，并将光谱投射至所述DMD阵列。
进一步的，包括在所述DMD阵列与所述光电倍增管之间依照光路传输路径而依次设置的会聚透镜和第二狭缝，所述DMD阵列反射后得到的预设波段光谱被所述会聚透镜收集，并由所述第二狭缝滤除杂散光后，使所述光电倍增管收集到的像点与所述激光光源共轭。
进一步的，在所述激光光源与所述扫描成像模块之间设置有一二向色镜，其将所述激光光源发射的照明光线透过至所述扫描成像模块，并将待测样品受激发产生的荧光反射至所述DMD阵列。
进一步的，在所述激光光源与所述二向色镜之间还包括依照光路传输路径而依次设置的第一狭缝和激光准直镜，所述激光光源、第一狭缝、激光准直镜与二向色镜的光轴重合。
进一步的，所述扫描成像模块中包括一对振镜，其受所述中央控制单元控制，被配置为能够根据所加电压值的不同而改变其自身的角度。
进一步的，扫描成像模块还包括依照光路传输路径而依次设置的反射镜、扫描透镜、管镜与物镜，使得激光光源所发出的照明光线射入待测样品。
本发明与现有技术相比，至少包含以下有益效果：
(1)通过DMD阵列与可调狭缝的配合实现多通道的光谱检测技术，大大减少了不同通道之间的荧光信号的串扰，实现了更清晰的多色荧光图像的采集；
(2)通过DMD阵列的250Hz(8位灰度)高速模式速率，提升DMD阵列刷新率与系统中振镜所需时序配合的精准度，达到了高效率、高切换率的信息传递，提高了时间分辨率；
(3)通过DMD阵列高分辨率的微反射镜阵列，采用微米级别的微镜单元传递光栅后的光谱信息，实现对光谱谱段更高精度的滤除效果；
(4)通过对DMD阵列所具数百万微镜阵列的独立二值化控制，对于具有反射滤波功能的行(列)像素开放数量可以在微米级、单像素级别上按需设置，增强对谱段滤除的灵活性，实现了高光谱探测的分辨率可调；
(5)通过DMD阵列的逐行开启与关闭实现对光谱不同通道的选择，避免了传统使用滤光转轮或移动狭缝等方式带来的机械扰动，提升了光谱检测的精度；
(6)通过DMD阵列实现了多个滤光转轮的工作，减少了显微镜内部机械件的数量，简化了结构，提升了制作精度，提高了空间利用率。
附图说明
图1是本发明实施例中显微镜结构示意图；
图2是本发明实施例中DMD的结构示意图；
图3是本发明实施例中DMD对光谱波段的选择性反射原理示意图；
图4是本发明实施例中显微镜工作的流程图。
图中，1、激光光源，2、第一狭缝，3、激光准直镜；4、二向色镜；5、振镜；6、反射镜；7、扫描透镜；8、管镜；9、物镜；10、待测样品；11、光栅；12、DMD阵列；13、会聚透镜；14、第二狭缝；15、光电倍增管；16、照明模块；17、扫描成像模块；18、高光谱探测模块；19、中央控制单元。
具体实施方式
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”、“一”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
以下是本发明的具体实施例，并结合附图对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
如图1所示，根据本发明的一种实施方式，本发明提出的共聚焦扫描显微镜包括照明模块16、扫描成像模块17、高光谱探测模块18以及设置在这三者之间的二向色镜4。
本发明的照明模块16包括激光光源1、第一狭缝2以及激光准直镜3，第一狭缝2位于激光光源1出口处，激光准直镜3位于第一狭缝2之后。其中激光光源1发出的照明光线依次经过第一狭缝2、激光准直镜3以及二向色镜4射入扫描成像模块17上，其中第一狭缝2可以限制激光光源1发出的光束半径，激光光源1发出的光束投射在第一狭缝2上作为点光源来使用。照明光线在经过激光准直镜3之后变为平行光然后经过二向色镜4之后入射扫描成像模块17。
本发明的共聚焦扫描成像模块17包括一对振镜5、反射镜6、扫描透镜7、管镜8、物镜9和待测样品10。扫描振镜对5可以通过中央控制单元19改变加在其上的电压，以实现该对振镜5之间相对位置的偏转，从而实现照明光束在待测样品10平面上的横向位移，即通过逐点激发样品荧光染料从而对样品逐点扫描成像。反射镜6用于折转光路，将照明光路折入显微镜中，扫描透镜7属于f-θ校正的类型，可以令经过振镜偏转后从不同位置入射扫描透镜7的光束可以垂直会聚在扫描透镜7的焦平面上，而扫描透镜7的成像焦平面与管镜8的前焦面重合，使入射管镜8的光束都会聚在管镜8的前焦面上，从而保证各个角度的光从管镜出射都是平行光，并且可以最大限度的校正像差。待测样品10被照明激光激发出荧光后仍然通过扫描模块返回到二向色镜4，被二向色镜4反射进入高光谱探测模块18。
结合图2至图3，本发明的高光谱测量模块18包括光栅11、DMD阵列(DMD：DigitalMicromirror Device,数字微镜)12、会聚透镜13、第二狭缝14、光电倍增管(PMT)15。光栅11用于对荧光信号进行高效率的衍射从而实现将不同光谱波段进行物理分离，并将分离的荧光光谱信号投射到DMD阵列12上。所述光栅11通过对荧光光谱进行衍射，从而将原本密集的光谱信号实现了物理空间内的分散。DMD阵列12作为空间照明调制器可以通过倾斜方向的改变从而自由的调制入射光经DMD12反射后的出射方向，实现对窄带宽光谱信号的分离。会聚透镜13将经过选择的窄波段光束会聚成一个小点，再次经过第二狭缝14滤波，对杂散光进一步的滤除后到达光电倍增管15被收集。所述光电倍增管15将收集到的信号传递到中央控制单元19，由中央控制单元19对信号进行后处理。
高分辨率DMD阵列12具有超过2百万个微镜数量，其采用低至7.56μm的微镜间距用于更精细地选择荧光谱带，如图2所示，图中P可以视所使用DMD阵列12的精度不同而改变，在本实施方法中，优选使用了高分辨率DMD阵列12，其P为7.56μm。DMD阵列12可通过中央控制单元19对每个单独微镜单元进行独立控制，其每一单微镜单元都具有二值化表现形式：中央控制单元19对微镜阵列进行控制时，每个单独的微镜的倾斜方向由与每个单独的微镜相关联的CMOS存储单元决定。中央控制单元19输出二进制值1定义为微镜处于ON状态方向，输出二进制值0定义为微镜处于OFF状态方向。处于ON状态时，正方形微镜以对角线为轴偏转12°；处于OFF状态时，正方形微镜以对角线为轴偏转-12°，通过DMD12对光谱波段的自由选择反射原理如图3所示，在不同T时刻，同一列DMD不同位置的微透镜阵列逐次开启，从而对经光栅衍射后在空间上物理性分离的光谱的不同波段选择性的反射并被后续光学系统接收。
本实施方式中，入射光以分离的谱带的形式从同一方向入射，中央控制单元19控制DMD阵列12产生特定的调制方案，从而自由、精细地对谱带进行筛选。通过提前的设置，可以将DMD阵列12的工作模式设置为逐行开启或逐列开启或自由选择打开多行。逐行或逐列设置为开态的调制方案中，DMD可以提供低至微米量级的谱带过滤，可提高选择出谱带的精细度。自由选择多行打开的调制方案可以在保证高精度的同时增大出射光的强度，使得到的图像对比度更强，分辨率更高。通过对DMD阵列打开行数的改变实现了高光谱探测分辨率的改变，从而可以实现不同的需求选择不同的分辨率，
本发明通过DMD阵列的逐行开启与关闭实现对光谱不同通道的选择，避免了传统使用滤光转轮或移动狭缝等方式带来的机械扰动，提升了光谱检测的精度。
如图4所示，该共聚焦扫描显微镜的使用方法其包括步骤：
S1、在显微镜上安装预设倍率的物镜，物镜上设有浸没介质，并将待测样品放置在物镜的一侧，通过宽场照明找到清晰的样品图像，使待测样品位于物镜的焦点位置；
S2、开启显微镜的共聚焦拍摄模式，激光光源发出的照明光线依次通过照明模块以及扫描成像模块照射到待测样品上，待测样品的荧光染料经过激光的激发，被激发产生的荧光经过扫描探测模块后被二向色镜反射进入高光谱探测模块；
S3、激发产生的荧光经过光栅衍射在物理空间内光谱分离后投射到DMD阵列上，由中央控制单元对DMD阵列发出指令使DMD阵列开启，将荧光光谱每个波段依次反射至会聚透镜处；
S4、光谱的每个波段被会聚后再经由第二狭缝滤波，最后的光点投射至光电倍增管，信号被光电倍增管采集后传递至中央控制单元进行后处理；
S5、改变加于振镜的电压，设置振镜扫描范围，振镜每改变一个角度，激光光点会在样品上进行一次位移，重复步骤S3-S5至待测样品扫描完成；
S6、对样品扫描完成后使用每个位置的同一光谱通道的信息进行重构，得到不同光谱通道的图像。
本实施方式中，可以看到原本具有较宽光谱宽度的信号被衍射，不同波长的光在空间上被分离开来，然后投射到所述DMD阵列上，通过DMD阵列对不同光谱的信号进行物理分离，得到更窄波段的信号。通过光栅衍射后的光谱最多可以得到高达16个通道的信号分离，由此获得更高的灵敏度与更高的分辨率。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (9)

1.一种基于DMD的高光谱探测模块，用于共聚焦扫描显微镜，所述显微镜至少包括一激光光源和扫描成像模块，激光光源发出的照明光线通过扫描成像模块照射至待测样品上而产生荧光，其特征在于，包括一DMD阵列，其中包含多个微镜，以各微镜倾斜方向的改变而调节入射光经其反射后的出射方向；以及中央控制单元，其被配置为对由光电倍增管收集的，并经所述DMD阵列反射得到的反射光谱进行重构并还原出预设波段荧光的图像。
2.根据权利要求1所述的一种基于DMD的高光谱探测模块，其特征在于，所述DMD阵列中每个微镜的倾斜方向由所述中央控制单元进行调节。
3.根据权利要求2所述的一种基于DMD的高光谱探测模块，其特征在于，所述DMD阵列由所述中央控制单元选择逐行或逐列或多行调节微镜的倾斜方向，以对入射DMD阵列的光谱进行反射后得到预设波段的光谱。
4.根据权利要求3所述的一种基于DMD的高光谱探测模块，其特征在于，包括一光栅，其被配置为将受激发产生的荧光进行衍射后形成光谱，并将光谱投射至所述DMD阵列。
5.根据权利要求4所述的一种基于DMD的高光谱探测模块，其特征在于，包括在所述DMD阵列与所述光电倍增管之间依照光路传输路径而依次设置的会聚透镜和第二狭缝，所述DMD阵列反射后得到的预设波段光谱被所述会聚透镜收集，并由所述第二狭缝滤除杂散光后，使所述光电倍增管收集到的像点与所述激光光源共轭。
6.根据权利要求1所述的一种基于DMD的高光谱探测模块，其特征在于，在所述激光光源与所述扫描成像模块之间设置有一二向色镜，其将所述激光光源发射的照明光线透过至所述扫描成像模块，并将待测样品受激发产生的荧光反射至所述DMD阵列。
7.根据权利要求6所述的一种基于DMD的高光谱探测模块，其特征在于，在所述激光光源与所述二向色镜之间还包括依照光路传输路径而依次设置的第一狭缝和激光准直镜，所述激光光源、第一狭缝、激光准直镜与二向色镜的光轴重合。
8.根据权利要求1所述的一种基于DMD的高光谱探测模块，其特征在于，所述扫描成像模块中包括一对振镜，其受所述中央控制单元控制，被配置为能够根据所加电压值的不同而改变其自身的角度。
9.根据权利要求8所述的一种基于DMD的高光谱探测模块，其特征在于，扫描成像模块还包括依照光路传输路径而依次设置的反射镜、扫描透镜、管镜与物镜，使得激光光源所发出的照明光线射入待测样品。
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