CN117571673A - 可见光至近红外二区大视场光学成像系统及成像方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种可见光至近红外二区大视场光学成像系统和方法，该系统包括：多个LED光源模块，每个LED光源模块包含至少一个单波长LED光源，多个LED光源模块的总波长范围覆盖可见光至近红外二区波段；透镜，用于将各个LED光源模块出射的光束透射并准直后入射至待测样品，激发待测样品发射荧光信号，荧光信号被所述透镜收集；图像捕获装置，用于探测被透镜收集的荧光信号。通过该可见光至近红外二区大视场光学成像系统和方法，能够获得实时、大视场、高通量、高时间分辨率、低畸变的成像效果，同时系统结构简洁，操作复杂程度低。
Description
技术领域
本发明涉及光学成像技术领域，尤其涉及一种可见光至近红外二区大视场光学成像系统及成像方法。
背景技术
为了获得更大视野范围的样品信息，大视场的光学成像技术不断得到发展，相应的成像系统广泛用于生物医学成像等领域。传统的大视场成像技术往往采用单个光源提供照明，而单个光源被准直聚焦产生的照明光场，会出现中央强、边缘弱的分布，由此获得的图像会受到照明光场不均匀的影响而出现一定程度畸变。
另一方面，受制造水平和工艺的限制，早期探测器的探测波段主要集中在400-1000nm，使得传统大视场成像技术的工作波段主要集中在该波段。然而，生物组织在该波段对光子的散射和吸收较为严重，且在该波段内生物组织的自发荧光对图像的干扰不容忽视。因此，拓展大视场成像技术的光谱范围对于改善大视场在深层成像下的性能具有显著作用。
此外，专利CN202110974519.X提出了一种基于电控选通的大视场光学成像方法，通过使用透镜阵列对不同视场角的光进行成像；但是该成像系统元器件多且控制程度复杂，同时还需通过图像拼接实现大视场成像，无法做到大视场图像的实时采集。
综上，亟需研发一种大视场高通量宽光谱的成像技术。
发明内容
本发明实施方式提供一种可见光至近红外二区大视场光学成像系统及成像方法，以至少解决相关技术中存在的问题之一。为实现该目的，本发明通过以下技术方案实现。
本发明一方面提供一种可见光至近红外二区大视场光学成像系统，包括：多个LED光源模块，每个所述LED光源模块包含至少一个单波长LED光源，所述多个LED光源模块的总波长范围覆盖可见光至近红外二区波段；透镜，用于将各个所述LED光源模块出射的光束透射并准直后入射至待测样品，激发所述待测样品发射荧光信号，所述荧光信号被所述透镜收集；图像捕获装置，用于探测被所述透镜收集的荧光信号。
进一步的，所述透镜的尺寸为大于120mm。
进一步的，所述多个不同波长段的LED光源模块相对于所述透镜对称式均匀分布。
进一步的，每个所述LED光源模块对应设置有一反射镜，用于将所对应LED光源模块出射的光束反射至所述透镜。
进一步的，该可见光至近红外二区大视场光学成像系统还包括：三维载物台，位于所述透镜的下游，用于放置并移动所述待测样品。
进一步的，所述待测样品置于所述多个LED光源模块出射的光束经所述透镜透射并准直后形成的重叠光场区域内。
进一步的，该可见光至近红外二区大视场光学成像系统还包括图像显示装置，所述图像捕获装置将探测的光信号转换为电信号传输至所述图像显示装置进行图像显示。
进一步的，该可见光至近红外二区大视场光学成像系统还包括控制单元，用于控制所述多个LED光源模块的光源波长的选择和发射时序。
进一步的，所述透镜和所述图像捕获装置之间设置有滤光片，被所述透镜收集的荧光信号经所述滤光片滤去散射光后再被所述图像捕获装置所探测。
本发明另一方面提供一种可见光至近红外二区大视场光学成像系统的成像方法，包括：相对于透镜对称式均匀分布的多个LED光源模块分别出射包含至少一个单波长LED光源，所述多个LED光源模块的总波长范围覆盖可见光至近红外二区波段；所述多个LED光源模块出射的光束通过所述透镜透射并准直后入射至待测样品，激发所述待测样品发射荧光信号，所述荧光信号被所述透镜收集，其中，所述待测样品置于所述多个LED光源模块出射的光束经所述透镜透射并准直后形成的重叠光场区域内；利用图像捕获装置探测被所述透镜收集的荧光信号。
本发明实施方式具有以下有益效果：
(1)本发明提出一种基于LED激发光源的可见光至近红外二区大视场成像系统与方法，能够获得实时、大视场、高通量、时间分辨率高、畸变小的成像效果，同时系统结构简洁，控制复杂程度低。
(2)多个对称式均匀分布的多波长LED光源模块出射的光束，通过同一个透镜准直后，在多束准直光重叠的区域，会出现相较于单束准直光强度分布更为均匀的照明光场，减小照明光场强度分布不均匀对图像质量的不利影响，因此，本发明可实现畸变小的高通量成像，视场直径可达10cm以上。
(3)本发明采用的LED光源模块光谱范围覆盖可见光至近红外二区波段，除了常规薄样品成像外，在对生物样品成像时将会有更深的成像深度，因此，本发明有更广泛的成像场景。并且，近红外二区波段(1000-1700nm)内光子所受到生物组织的散射和吸收相对较弱，使得近红外二区成像具有成像深度大、空间分辨率高、图像背景低等优势。
(4)本发明大视场成像不需要经过背景技术中现有专利的图像拼接来实现，通过图像捕获装置(例如相机镜头)就能实现实时大视场成像，且硬件数量更少，控制复杂程度显著降低。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明实施例的可见光至近红外二区大视场光学成像系统的光路示意图。
附图标记：1-第一LED光源模块；2-第一反射镜；3-第二LED光源模块；4-第二反射镜；5-透镜；6-三维载物台；7-滤光片；8-相机(已安装镜头)；9-数据传输及同步线缆；10-计算机
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。以下各个实施例的划分是为了描述方便，不应对本发明的具体实现方式构成任何限定，各个实施例在不矛盾的前提下可以相互结合相互引用。
本发明实施例提供一种可见光至近红外二区大视场光学成像系统。图1为本发明实施例的可见光至近红外二区大视场光学成像系统的光路示意图。如图1所示，该可见光至近红外二区大视场光学成像系统包括：多个LED光源模块、透镜5和图像捕获装置8。其中，在本实施例中，以两个LED光源模块(第一LED光源模块1和第二LED光源模块3)为例阐述本发明的设计思想，具体LED光源模块的数量可根据实际需要进行拓展。
整个成像系统可以划分为大视场照明、大视场成像、图像显示三部分，具体如下：
(1)大视场照明：两个相对于透镜5对称式分布的多波长LED光源模块1和3出射的两束光束，通过透镜5准直后，照射在样品上。待测样品置于LED光源模块1和3出射的光束经透镜5透射并准直后形成的重叠光场区域内。因为在两束准直光重叠的区域，会出现相较于单束准直光强度分布更为均匀的照明光场，以此来激发样品内的荧光物质，可实现畸变小的高通量成像，视场直径可达10cm以上。
(2)大视场成像：样品内的荧光物质被激发后将辐射荧光信号，荧光信号被准直透镜5收集后，被设置在透镜5和图像捕获装置之间的滤光片7滤掉激发光的散射信号后，被图像捕获装置所探测。在本实施例中，图像捕获装置为已安装镜头的相机8，被滤光后的荧光信号被镜头成像于相机芯片上，并被其探测。
(3)图像显示：相机8将探测的光信号转换为电信号，通过数据传输及同步线缆实时显示在图像显示装置上。在本实施例中，图像显示装置可以为计算机10的显示屏幕。
在本实施例中，该可见光至近红外二区大视场光学成像系统还包括控制单元，用于控制LED光源模块1和3的光源波长的选择和发射时序，对各个LED光源模块进行同步控制。
下面对图1所示的实施例的光路具体阐述。
每个LED光源模块对应设置有一反射镜，用于将所对应LED光源模块出射的光束反射至透镜5。具体的，第一LED光源模块1出射的单个LED光束，入射至第一反射镜2并发生发射，第一反射镜2的反射光入射至透镜5的后表面并发生透射；第二LED光源模块3出射的单个LED光束，入射至第二反射镜4并发生发射，第二反射镜4的反射光入射至透镜5的后表面并发生透射；上述两束LED光束穿过透镜5被其准直，照射在置于高精度三维载物台6上的样品以激发样品内的荧光物质。值得注意的是，第一LED光源模块1与第二LED光源模块3中可以分别包含多个单波长LED光源，其总光谱范围覆盖可见光至近红外二区波段。并且，透镜5为大尺寸透镜，其尺寸为大于120mm。
多个对称式均匀分布的多波长LED光源模块出射的光束，通过同一个透镜准直后，在多束准直光重叠的区域，会出现相较于单束准直光强度分布更为均匀的照明光场，减小照明光场强度分布不均匀对图像质量的不利影响，因此，本发明可实现畸变小的高通量成像，视场直径可达10cm以上。
样品内的荧光物质在LED光束激发下，向外辐射荧光信号；荧光信号原路返回被透镜5收集，穿过相机镜头被成像于相机8的芯片上并被其探测。
相机8将探测的光信号转换为电信号，通过数据传输及同步线缆9实时显示在计算机10的屏幕上。
该可见光至近红外二区大视场光学成像系统还包括高精度三维载物台6，位于透镜5的下游，用于放置并移动待测样品，可在三个维度实现高精度调整，用于调焦和成像视野调整。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种可见光至近红外二区大视场光学成像系统，其特征在于，包括：
多个LED光源模块，每个所述LED光源模块包含至少一个单波长LED光源，所述多个LED光源模块的总波长范围覆盖可见光至近红外二区波段；
透镜，用于将各个所述LED光源模块出射的光束透射并准直后入射至待测样品，激发所述待测样品发射荧光信号，所述荧光信号被所述透镜收集；
图像捕获装置，用于探测被所述透镜收集的荧光信号。
2.根据权利要求1所述的可见光至近红外二区大视场光学成像系统，其特征在于，所述透镜的尺寸为大于120mm。
3.根据权利要求1所述的可见光至近红外二区大视场光学成像系统，其特征在于，所述多个不同波长段的LED光源模块相对于所述透镜对称式均匀分布。
4.根据权利要求1所述的可见光至近红外二区大视场光学成像系统，其特征在于，每个所述LED光源模块对应设置有一反射镜，用于将所对应LED光源模块出射的光束反射至所述透镜。
5.根据权利要求1所述的可见光至近红外二区大视场光学成像系统，其特征在于，还包括：三维载物台，位于所述透镜的下游，用于放置并移动所述待测样品。
6.根据权利要求1所述的可见光至近红外二区大视场光学成像系统，其特征在于，所述待测样品置于所述多个LED光源模块出射的光束经所述透镜透射并准直后形成的重叠光场区域内。
7.根据权利要求1所述的可见光至近红外二区大视场光学成像系统，其特征在于，还包括图像显示装置，所述图像捕获装置将探测的光信号转换为电信号传输至所述图像显示装置进行图像显示。
8.根据权利要求1所述的可见光至近红外二区大视场光学成像系统，其特征在于，还包括控制单元，用于控制所述多个LED光源模块的光源波长的选择和发射时序。
9.根据权利要求1所述的可见光至近红外二区大视场光学成像系统，其特征在于，所述透镜和所述图像捕获装置之间设置有滤光片，被所述透镜收集的荧光信号经所述滤光片滤去散射光后再被所述图像捕获装置所探测。
10.一种根据权利要求1-9任一项所述的可见光至近红外二区大视场光学成像系统的成像方法，其特征在于，包括：
相对于透镜对称式均匀分布的多个LED光源模块分别出射包含至少一个单波长LED光源，所述多个LED光源模块的总波长范围覆盖可见光至近红外二区波段；
所述多个LED光源模块出射的光束通过所述透镜透射并准直后入射至待测样品，激发所述待测样品发射荧光信号，所述荧光信号被所述透镜收集，其中，所述待测样品置于所述多个LED光源模块出射的光束经所述透镜透射并准直后形成的重叠光场区域内；
利用图像捕获装置探测被所述透镜收集的荧光信号。
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