CN116593438A - 一种动物荧光高光谱成像仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光学成像技术领域，特别涉及一种动物荧光高光谱成像仪。本发明提供的动物荧光高光谱成像仪包括高光谱视频成像系统、光源灯阵系统以及三维位移系统。上述的动物荧光高光谱成像仪能够将探测物体的像分割成成像射线，并将其光谱信息呈现在二维的CMOS上，从而实现高光谱视频成像，大大提高了图像的分辨率和准确性；采用三维位移系统，可以实现对目标样品三维方向的精准移动和调整，从而获得更好的成像效果。

Description

一种动物荧光高光谱成像仪

技术领域

本发明涉及光学成像技术领域，特别涉及一种动物荧光高光谱成像仪。

背景技术

近年来，随着生命科学研究的不断深入，对于生物组织和细胞结构的高分辨率成像需求越来越迫切。在生物分子和细胞水平的研究中，动物是重要的模型生物，因其生物学和生理学特性的相似性而被广泛应用于研究中。在动物荧光成像研究领域，需要通过成像技术获取样品的荧光信号，以了解样品的分子结构和功能。

传统的显微镜或单色仪等成像设备虽然能够实现荧光成像，但存在成像速度慢、对样品需求高等问题。在此背景下，基于CMOS图像传感器的动物荧光成像得以发展，其能够实现高速成像，可以快速捕捉到动物体内的荧光信号。然而，这些设备在成像过程中存在一些局限性，如成像速度不够快、对样品的需求较高、成像质量有待提高等。

为了解决这些问题，近年来出现了一些新型的动物荧光成像仪，其中，基于高光谱成像技术的成像仪具有优异的光谱分辨率和对比度，可以获得样品的光谱信息，从而更好地了解样品的结构和功能。但是，现有的动物荧光高光谱成像的成像质量仍有待提高，限制了动物荧光成像领域的研究和应用。

发明内容

本发明的目的是为了克服已有技术的缺陷，提出一种动物荧光高光谱成像仪，能够实现高质量的动物荧光成像和高光谱成像。

为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：

本发明提供的动物荧光高光谱成像仪，包括高光谱视频成像系统、光源灯阵系统以及三维位移系统，所述高光谱视频成像系统包括固定安装在光学平台上表面的光源强度控制器、激光光源、光纤、数据采集卡、振镜控制器、高速CMOS、第一成像变焦镜头、成像反射镜、套筒光栅、狭缝反射镜、狭缝套筒、扫描振镜、分光笼立方、套筒、转折镜筒、滤光模块、支撑笼杆以及扫描振镜笼立方；

光源灯阵系统包括光源支架、光源平台、蓝宝石玻璃窗口、光源灯阵以及激光器，光源支架用于支撑固定光源平台和光学平台，光源平台固定在光学平台的上方，蓝宝石玻璃窗口设置在光源平台上，光源灯阵固定设置在光学平台的下表面，且光源灯阵设置位置与蓝宝石玻璃窗口设置位置相对应，激光器设置在光源灯阵上，用于接收激光光源发射的激光并使激光通过蓝宝石玻璃窗口后照射至目标样品表面；

激光光源发出的激光经过光源强度控制器调整后通过光纤传输至激光器，激光器使激光通过蓝宝石玻璃窗口后照射至目标样品表面，目标样品的反射光再次通过蓝宝石玻璃窗口后进入转折镜筒，反射光经过转折镜筒改变方向后通过套筒进入分光笼立方；

扫描振镜设置在扫描振镜笼立方内，振镜控制器用于控制扫描振镜转动，套筒光栅内设置有可见光光栅，可见光光栅的方向与狭缝的方向垂直；从分光笼立方射出的反射光依次经过滤光模块和支撑笼杆后进入扫描振镜笼立方，反射光再经过扫描振镜反射后依次通过狭缝套筒、狭缝反射镜后入射至套筒光栅形成衍射光谱，衍射光谱通过成像反射镜后经第一成像变焦镜头聚焦到高速CMOS的传感器的二维平面上，高速CMOS将采集的光谱图像存储至数据采集卡中；

三维位移系统包括载物台、载物平板、X轴扫描导轨、X轴扫描电机、Y轴扫描导轨、Y轴扫描电机、Z轴扫描平台、Z轴扫描电机、Z轴扫描导轨以及Z轴扫描丝杠，载物台用于放置成像目标，载物台固定设置在载物平板上，载物平板安装在X轴扫描导轨上，X轴扫描电机用于驱动载物平板在X轴扫描导轨上沿X轴方向移动；X轴扫描导轨安装在Y轴扫描导轨上，Y轴扫描电机用于驱动X轴扫描导轨和载物平板在Y轴扫描导轨上沿Y轴方向移动；Y轴扫描导轨固定安装在Z轴扫描平台上，Z轴扫描平台安装在Z轴扫描导轨上，Z轴扫描平台与Z轴扫描丝杠相连接，Z轴扫描电机用于驱动Z轴扫描丝杠以带动Z轴扫描平台在Z轴扫描导轨上沿Z轴方向移动。

优选地，动物荧光高光谱成像仪还包括成像CMOS和第二成像变焦镜头，分光笼立方内还设置有分光镜，用于将反射光分为向前和向上的两个光路，向前的反射光经过滤光模块和所述支撑笼杆后进入扫描振镜笼立方，向上的反射光经过第二成像变焦镜头后入射至成像CMOS，并在成像CMOS的传感器的二维平面上成像。

优选地，激光光源的数量为至少一个，光源强度控制器的数量与激光光源的数量相同，用于对每个激光光源进行单独控制以满足不同荧光材料在不同波长下的激发需求。

优选地，第二成像变焦镜头的焦距为18-35nm。

优选地，三维位移系统还包括Z轴扫描平台调平旋钮，Z轴扫描平台调平旋钮用于对Z轴扫描平台进行平衡校准。

本发明能够取得如下技术效果：

1、本发明提供的动物荧光高光谱成像仪能够将探测物体的像分割成一条条的成像射线，并将其光谱信息呈现在二维的CMOS上，从而实现高光谱视频成像，大大提高了图像的分辨率和准确性；

2、本发明通过不同波段的单光源激发目标上的荧光，再将噪音滤除后可以得到清晰的荧光成像结果，可应用于医学、生物学等领域；

3、本发明的动物荧光高光谱成像仪通过设置有三维位移系统，可以实现对目标样品三维方向的精准移动和调整，从而获得更好的成像效果。

附图说明

图1是根据本发明实施例提供的动物荧光高光谱成像仪的整体工作流程示意图。

图2是根据本发明实施例提供的动物荧光高光谱成像仪的结构示意图。

图3是根据本发明实施例提供的高光谱视频成像系统的结构示意图。

图4是根据本发明实施例提供的光源灯阵系统的结构示意图。

图5是根据本发明实施例提供的三维位移系统的结构示意图。

其中的附图标记包括：

动物荧光高光谱成像仪1、高光谱视频成像系统2、光源灯阵系统3、三维位移系统4、数据线5、计算机主机6、显示器7、光源强度控制器201、激光光源202、光纤203、数据采集卡204、光学平台205、振镜控制器206、高速CMOS207、第一成像变焦镜头208、成像反射镜209、套筒光栅210、狭缝反射镜211、狭缝套筒212、扫描振镜213、成像CMOS214、第二成像变焦镜头215、分光笼立方216、套筒217、转折镜筒218、滤光模块219、支撑笼杆220、扫描振镜笼立方221、光源支架301、光源平台302、蓝宝石玻璃窗口303、光源等阵304、激光器305、成像目标401、载物台402、载物平板403、X轴扫描导轨404、Y轴扫描电机405、Y轴扫描导轨406、Z轴扫描平台407、Z轴扫描平台调平旋钮408、Z轴扫描电机409、Z轴扫描丝杠410、Z轴扫描导轨411。

具体实施方式

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

本发明实施例提供一种动物荧光高光谱成像仪，图1示出了动物荧光高光谱成像仪的整体工作流程，动物荧光高光谱成像仪1采集成像目标的高光谱或荧光成像数据，通过数据线5将数据实时传输至计算机主机6中，经过计算机主机6对数据进行分析处理后，高光谱或荧光光谱通过显示器7实时显示，供用户查看。

图2示出了本发明实施例提供的动物荧光高光谱成像仪的结构，如图2所示，动物荧光高光谱成像仪1从上至下依次包括高光谱视频成像系统2、光源灯阵系统3以及三维位移系统4，高光谱视频成像系统2用于荧光高光谱成像，光源灯阵系统3用于将激光照射在成像目标上激发对应的荧光，三维位移系统4用于调整呈现目标位置，通过高光谱视频成像系统2、光源灯阵系统3以及三维位移系统4的协同配合，能够实现高速、高效、高精度的高光谱视频成像。

图3示出了本发明实施例提供的高光谱视频成像系统的结构，如图3所示，高光谱视频成像系统2包括安装在光学平台205上的光源强度控制器201、激光光源202、光纤203、数据采集卡204、振镜控制器206、高速CMOS207、第一成像变焦镜头208、成像反射镜209、套筒光栅210、狭缝反射镜211、狭缝套筒212、扫描振镜213、成像CMOS214、第二成像变焦镜头215、分光笼立方216、套筒217、转折镜筒218、滤光模块219、支撑笼杆220以及扫描振镜笼立方221。

激光光源202激发特定波段的光源，通过光源强度控制器201调整光源强度后，经过光纤203照射到成像目标上，成像目标反射回来的光线经过转折镜筒218、套筒217后进入分光笼立方216中，分光笼立方216内设置有分光镜将反射光路分为向前和向上两路，其中向上的光经过第二成像变焦镜头215后至成像CMOS214的传感器的二维平面上成像，向前的光束经过光学套件实现光谱成像。

在具体的实施例中，第二成像变焦镜头215的焦距范围为18nm～35nm，可以方便地实现不同距离的目标，以获得不同视野大小的聚焦效果。

在优选的实施例中，激光光源202数量为至少一个，光源强度控制器201的数量与激光光源202的数量一致，每个激光光源202均可由光源强度控制器201独立控制，能够实现不同激光光源202的单独工作，使高光谱视频成像系统2具有较高的灵活性和多样性，能够满足不同荧光材料在不同波长下的激发需求，为高光谱成像提供了稳定可靠的光源支持；同时，单独控制每个激光光源202可以更加精细地控制光源的输出、减少光源对样品的伤害，从而提高了成像的质量和可靠性。

向前的光束经过滤光模块219、支撑笼杆220后进入扫描振镜笼立方221，经过安装在扫描振镜笼立方221内的扫描振镜213反射后，进入狭缝套筒212，经过狭缝反射镜211后变为一条细长的成像射线，成像射线入射套筒光栅210进行衍射得到成像射线的光谱，衍射后的光谱经过成像反射镜209改变光路方向向下传播，经过第一变焦镜头208聚焦到高速CMOS207的二维平面上。

具体地，在套筒光栅210内安装有一块可见光光栅，其每纳米含有上百条刻度线，光栅的方向与狭缝方向垂直，与扫描振镜213的转动方向平行。

振镜控制器206通过输入不同的电压信号实现控制扫描振镜213转动不同角度。当振镜控制器206连续不断的输入正弦波信号时，扫描振镜213会实现对目标沿特定方向的扫描，扫描后的成像射线经过狭缝套筒212及狭缝反射镜211后，就可以得到源源不断的光谱，这些光谱将不断地衍射成光谱图像并展示在高速CMOS207上。

高速CMOS207会将每一幅光谱图像存储在数据采集卡204上，每幅图像的像素数目为M×N，并不断的传入计算机主机5上。在计算机主机5内，通过将图像沿宽度方向积分得到一条列向量[N1]，即可得到成像射线的像素。将每一条成像射线按照时间序列拼接形成一个目标真实图像[N×T]；同时，将图像沿高度方向积分得到一条一维度横向量[M1]，该向量是目标成像射线上的完整光谱。如果需要获取某一点的光谱，只需要对对应的[M×N]中的第x行进行处理，即可得到成像射线上第x点的光谱。

图4示出了本发明实施例提供的光源灯阵系统的结构，如图4所示，光源灯阵系统3包括光源支架301、光源平台302、蓝宝石玻璃窗口303、光源灯阵304以及激光器305。光源支架301用于支撑固定高光谱视频成像系统2中的光学平台205和光源平台302，光源灯阵304固定安装在光学平台205的下部，激光器305设置在光源灯阵304上，蓝宝石玻璃窗口303设置在光源平台302上，光源灯阵304的设置位置与蓝宝石玻璃窗口相对应。

在具体的实施例中，激光器305接收来自激光光源202的激光，其中激光光源202发射五个波段的激光，分别为385nm、485nm、850nm、905nm以及1550nm。当激光通过蓝宝石玻璃窗口303照射至成像目标401时，会激发成像目标401发出荧光，成像目标401反射的光线通过蓝宝石玻璃窗口303返回高光谱视频成像系统2中。

图5示出了本发明实施例提供的三维位移系统的结构，如图5所示，三维位移系统4包括成像目标401、载物台402、载物平板403、X轴扫描导轨404、X轴扫描电机、Y轴扫描电机405、Y轴扫描导轨406、Z轴扫描平台407、Z轴扫描平台调平旋钮408、Z轴扫描电机409、Z轴扫描丝杠410以及Z轴扫描导轨411。

成像目标401固定放置在载物台402上，并将载物台固定放置在载物平板403上，载物平板403安装在X轴扫描导轨404上，载物平板403通过X轴扫描电机驱动可以在X轴扫描导轨404上移动，实现载物平板403相较于X轴方向的移动；X轴扫描导轨404安装在Y轴扫描导轨406上，通过Y轴扫描电机405的驱动可以实现载物平板403相较于Y轴方向的移动；Y轴扫描导轨406安装在Z轴扫描平台407上，Z轴扫描平台407可以通过Z轴扫描平台调平旋钮408以螺纹调节的方式进行平衡校准，Z轴扫描平台407安装在Z轴扫描导轨411上，Z轴扫描平台407通过Z轴扫描电机409驱动Z轴扫描丝杠410实现Z轴方向的上下移动。通过三维位移系统4可以实现对成像目标401三维方向的精准移动和调整，获得更加清晰、准确的成像效果。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

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。

以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (5)

1.一种动物荧光高光谱成像仪，其特征在于，包括高光谱视频成像系统、光源灯阵系统以及三维位移系统，所述高光谱视频成像系统包括固定安装在光学平台上表面的光源强度控制器、激光光源、光纤、数据采集卡、振镜控制器、高速CMOS、第一成像变焦镜头、成像反射镜、套筒光栅、狭缝反射镜、狭缝套筒、扫描振镜、分光笼立方、套筒、转折镜筒、滤光模块、支撑笼杆以及扫描振镜笼立方；

所述光源灯阵系统包括光源支架、光源平台、蓝宝石玻璃窗口、光源灯阵以及激光器，所述光源支架用于支撑固定所述光源平台和所述光学平台，所述光源平台固定在所述光学平台的上方，所述蓝宝石玻璃窗口设置在所述光源平台上，所述光源灯阵固定设置在所述光学平台的下表面，且所述光源灯阵设置位置与所述蓝宝石玻璃窗口设置位置相对应，所述激光器设置在所述光源灯阵上，用于接收所述激光光源发射的激光并使激光通过所述蓝宝石玻璃窗口后照射至目标样品表面；

所述激光光源发出的激光经过所述光源强度控制器调整后通过所述光纤传输至所述激光器，所述激光器使激光通过所述蓝宝石玻璃窗口后照射至目标样品表面，目标样品的反射光再次通过所述蓝宝石玻璃窗口后进入所述转折镜筒，反射光经过所述转折镜筒改变方向后通过所述套筒进入所述分光笼立方；

所述扫描振镜设置在所述扫描振镜笼立方内，所述振镜控制器用于控制所述扫描振镜转动，所述套筒光栅内设置有可见光光栅，所述可见光光栅的方向与狭缝的方向垂直；从所述分光笼立方射出的反射光依次经过所述滤光模块和所述支撑笼杆后进入所述扫描振镜笼立方，反射光再经过所述扫描振镜反射后依次通过所述狭缝套筒、所述狭缝反射镜后入射至所述套筒光栅形成衍射光谱，衍射光谱通过所述成像反射镜后经所述第一成像变焦镜头聚焦到所述高速CMOS的传感器的二维平面上，所述高速CMOS将采集的光谱图像存储至所述数据采集卡中；

所述三维位移系统包括载物台、载物平板、X轴扫描导轨、X轴扫描电机、Y轴扫描导轨、Y轴扫描电机、Z轴扫描平台、Z轴扫描电机、Z轴扫描导轨以及Z轴扫描丝杠，所述载物台用于放置成像目标，所述载物台固定设置在所述载物平板上，所述载物平板安装在所述X轴扫描导轨上，所述X轴扫描电机用于驱动所述载物平板在所述X轴扫描导轨上沿X轴方向移动；所述X轴扫描导轨安装在所述Y轴扫描导轨上，所述Y轴扫描电机用于驱动所述X轴扫描导轨和所述载物平板在Y轴扫描导轨上沿Y轴方向移动；所述Y轴扫描导轨固定安装在所述Z轴扫描平台上，所述Z轴扫描平台安装在所述Z轴扫描导轨上，所述Z轴扫描平台与所述Z轴扫描丝杠相连接，所述Z轴扫描电机用于驱动所述Z轴扫描丝杠以带动所述Z轴扫描平台在所述Z轴扫描导轨上沿Z轴方向移动。

2.根据权利要求1所述的动物荧光高光谱成像仪，其特征在于，还包括成像CMOS和第二成像变焦镜头，所述分光笼立方内还设置有分光镜，用于将反射光分为向前和向上的两个光路，向前的反射光经过所述滤光模块和所述支撑笼杆后进入所述扫描振镜笼立方，向上的反射光经过所述第二成像变焦镜头后入射至所述成像CMOS，并在所述成像CMOS的传感器的二维平面上成像。

3.根据权利要求1所述的动物荧光高光谱成像仪，其特征在于，所述激光光源的数量为至少一个，所述光源强度控制器的数量与所述激光光源的数量相同，用于对每个激光光源进行单独控制以满足不同荧光材料在不同波长下的激发需求。

4.根据权利要求1所述的动物荧光高光谱成像仪，其特征在于，所述第二成像变焦镜头的焦距为18-35nm。

5.根据权利要求1所述的动物荧光高光谱成像仪，其特征在于，所述三维位移系统还包括Z轴扫描平台调平旋钮，所述Z轴扫描平台调平旋钮通过螺纹调节Z轴扫描平台进行平衡校准。