CN208155457U - 一种快照型显微高光谱成像系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种快照型显微高光谱成像系统，解决现有显微光谱成像技术需要时间维扫描或空间维扫描，难以实现目标三维信息的快速获取以及成像系统结构复杂等问题。该成像系统包括照明系统、载物台、显微物镜、分光元件、计算机、采集系统和补偿系统；照明系统用于对载物台上的待观察目标进行均匀照明；分光元件对通过显微物镜的光束按一定分光比进行分光；采集系统包括依次设置在分光元件透射光路上的第一成像镜、微透镜阵列、准直镜、色散元件、第二成像镜和第一探测器；补偿系统包括依次设置在分光元件反射光路上的第三成像镜和第二探测器；第一探测器和第二探测器分别与计算机连接。

Description

一种快照型显微高光谱成像系统

技术领域

本实用新型涉及光学成像技术领域，具体涉及一种快照型显微高光谱成像系统。

背景技术

显微镜是人类20世纪最伟大的实用新型物之一，常常被用来观察微小的物体，一般被应用于生物学、组织学、细菌学、药物化学、医学研究以及临床检验。

由于传统显微成像技术只能提供被观测物的形态学计量，不能进一步给出物质的组成成分信息，因此这种成像方法已不能满足显微成像领域应用发展要求，而如何提供被观测样本的化学或生化成分的定量分布图像及其变化信息成为了当前显微技术研究的热点。显微光谱成像技术是在现有显微成像技术的基础上，结合目前发展迅速的光谱成像技术产生的一种新型光学成像技术，它是光谱分析技术和显微成像技术的有机结合，可以同时提供二维空间信息和一维光谱信息，配合一定的数据分析处理算法，能够实现物质组成成份定性、定量、定位的综合分析。

现有的显微光谱成像技术从成像方式上可分为两大类：

一类是基于时间维扫描型的显微光谱成像技术，此类技术的主要分光手段包括有声光可调谐滤光片(AOTF)、液晶可调谐滤光片(LCTF)和旋转滤光片三种。公开号为CN102226756A的实用新型公开了一种基于AOTF的显微光谱成像装置；公开号为CN107064019A、CN103323410的实用新型公开了一种基于液晶可调谐滤光片的显微光谱成像装置。基于AOTF分光的方法具有分光简单、可调谐波段宽、调谐速度快，无运动机构等优点，但是该器件在带宽调谐时存在空间像移，造成成像模糊，这对于显微成像系统来说是非常有害的。基于LCTF分光的方法同样具有分光简单，无运动部件的优点，但是该器件波段范围一般较窄，严重限制了系统的可探测谱段，并且存在光谱透过率低的缺点，进而严重影响了系统的信噪比与成像的清晰度。公开号为CN102589694的实用新型公开了一种可调带通滤光片装置的多光谱显微图像获取装置，该分光方法可使用的波段受限于滤光片轮上所安装的滤光片数量，只能实现有限几个波段的变换，不能实现宽波段连续波长范围内的谱段变换，因此只能针对特定的几种组织进行诊断，不能对多种病变组织进行诊断。基于时间维扫描型的显微光谱成像技术由于需要时间维的扫描，才能获取目标不同谱段的光谱信息，因此难以实现视频级目标三维信息(两维空间信息一维光谱)的快速获取。

另外一类是空间维扫描型的显微光谱成像技术：此类成像技术的主要分光手段有棱镜、光栅或者棱镜与光栅组合分光。现有公开号为CN1563947A与CN103411934A的实用新型均采用国外标准化商业分光产品ImSpector实现分光(该产品价格相对较高)，并通过在现有显微镜上增加精密电控推扫以实现另外一维空间信息的获取，最终得到所观察目标的两维空间信息与一维光谱信息。该方法具有光谱范围宽，光谱分辨率高，系统透过率高等优点，但是需要在现有显微镜上增加高精度扫描机构以实现另外一维空间信息的获取，对现有显微系统改动较大，集成度不高，系统结构比较复杂。基于空间维扫描型的显微光谱成像技术由于需要进行一空间维的扫描，才能获取目标的另外一维空间信息(否则只能得到一维空间信息与一维光信息)，因此也难以实现视频级目标三维信息(两维空间信息一维光谱)的快速获取。

实用新型内容

本实用新型的目的是解决现有显微光谱成像方法需时间维扫描或空间维扫描，导致难以快速实现目标三维信息的获取以及成像系统结构复杂等问题，提供一种快照型显微高光谱成像系统，该系统在获取目标三维信息时不需要时间维或空间维扫描，一次拍照即可得到目标的两维空间信息与一维光谱信息，成像时间分辨率高，可用于对快速变化或运动目标三维信息的实时快速获取，并且通过标准接口可以直接与现有标准化显微镜进行对接，使用非常方便，系统不存在运动部件，可靠性高。

本实用新型的技术方案是：

一种快照型显微高光谱成像系统，包括照明系统、载物台、显微物镜、分光元件、计算机、采集系统和补偿系统；所述照明系统用于对载物台上的待观察目标进行照明；所述分光元件对通过显微物镜的光束按分光比进行分光；所述采集系统包括依次设置在分光元件透射光路上的第一成像镜、微透镜阵列、准直镜、色散元件、第二成像镜和第一探测器；所述补偿系统包括依次设置在分光元件反射光路上的第三成像镜和第二探测器；所述第一探测器和第二探测器分别与计算机连接。

进一步地，所述微透镜阵列位于第一成像镜的像面位置。

进一步地，所述微透镜阵列的像面位于准直镜的物方焦面位置。

进一步地，所述分光元件为分光板或分光棱镜。

进一步地，所述色散元件为光栅、棱镜或光栅与棱镜组合。

进一步地，光栅为反射光栅或透射光栅。

进一步地，棱镜为单块棱镜或组合棱镜。

同时，本实用新型还提供一种上述快照型显微高光谱成像系统的成像方法，包括以下步骤：

1)对待观察目标进行照明；

2)显微物镜对待观察目标进行放大，观察目标细节信息；

3)将通过显微物镜的光束按分光比进行分光；

4)其中一路光成像后汇聚于微透镜阵列，被微透镜阵列分割为若干子图像阵列，各子图像经准直镜、色散元件后在探测器上得到被分割子图像的色散图像阵列，获得观测目标的一维高光谱信息和两维低空间分辨率图像信息；

5)另外一路反射光直接成像，得到待观测目标的高空间分辨率图像信息；

6)将步骤5)获得的高空间分辨率图像信息对步骤4)获取的两维低空间分辨率图像进行空间重构，得到两维高分辨率图像信息，最终得到目标的两维高空间分辨率图形信息和一维高光谱信息。

本实用新型与现有技术相比，具有以下技术效果：

1.该实用新型中不存在运动机构，系统结构简单，可靠性高，并且不需要对现有显微镜做任何改动设计，通过标准接口即可实现与现有显微成像的对接，实现对待观察目标三维信息的快速获取。

2.该实用新型获取目标三维信息不需要时间维或空间维扫描，一次拍照即可得到目标的两维空间信息与一维光谱信息，成像时间分辨率高，可实现对变化目标三维信息的实时快速获取。

附图说明

图1为本实用新型快照型显微高光谱成像系统结构图。

附图标记：1‐照明系统；2‐载物台；3‐显微物镜；4‐分光元件；5‐第一成像镜；6‐微透镜阵列；7‐微透镜阵列像面位置；8‐准直镜；9‐色散元件；10‐第二成像镜；11‐第一探测器；12‐第三成像镜；13‐第二探测器；14‐计算机。

具体实施方式

如图1所示的快照型显微高光谱成像系统，包括照明系统1、载物台2、显微物镜3、分光元件4、计算机14、采集系统和补偿系统；照明系统1用于对载物台2上的待观察目标进行均匀照明；分光元件4对通过显微物镜3的光束按一定分光比进行分光；采集系统包括依次设置在分光元件4透射光路上的第一成像镜5、微透镜阵列6、准直镜8、色散元件9、第二成像镜10和第一探测器11，微透镜阵列6位于第一成像镜5的像面位置，微透镜阵列像面位置7位于准直镜8的物方焦面上；补偿系统包括依次设置在分光元件4反射光路上的第三成像镜12和第二探测器13；第一探测器11和第二探测器13分别与计算机14连接，计算机14对得到的信息进行处理。

分光元件4可以为分光板或分光棱镜，色散元件9可以是光栅也可以是棱镜或二者的组合，光栅可以是反射光栅也可以是透射光栅，棱镜可以是单块棱镜也可以是几块棱镜的组合。照明系统1包括光源和照明光学系统，实现对被观察目标的均匀照明。

同时，本实用新型还提供一种快照型显微高光谱成像方法，包括以下步骤：

1)对待观察目标进行均匀照明；

2)显微物镜对待观察目标进行放大，以观察目标的细节信息；

3)将通过显微物镜的光束按一定的分光比(比如：反射比例为0.3，透射比例为0.7)进行分光；

4)透射光通过第一成像镜汇聚于微透镜阵列，被微透镜阵列分割成若干子图像阵列，各子图像经准直、色散、成像在第一探测器不同位置，得到被分割子图像的色散图像阵列，得到待观测目标的一维高光谱信息与两维低分辨率空间信息；

5)另外一路反射光直接成像，得到待观测目标的高空间分辨率图像信息；

6)利用步骤5)获取的高空间分辨率图像信息对步骤4)获取的两维低空间分辨率图像进行空间重构，以得到两维高分辨率图像信息，最终得到目标的两维高空间分辨率图形信息和一维高光谱信息。

本实用新型步骤4可以得到待观察目标在不同谱段的多幅图像，将这些不同谱段的图像首先进行退化分析，然后以步骤5中得到的高分辨图像作为重构高分辨率图像的基准，通过相应的超分辨率图像重构方法。比如，利用稀疏编码方法、深度学习方法、贝叶斯算法等重构出一幅高空间分辨率的两维图像信息。

本实用新型系统工作原理：通过照明系统1，将载物台2上待观察目标进行均匀照明，显微物镜3与第一成像镜5或第三成像镜12组成放大系统将待观察目标放大便于观察目标细节信息，分光元件4用于将通过显微物镜3的光束按一定的分光比进行分光(分光元件4也可以是能分光作用的分光棱镜或分光板)，分成两路。

其中一路通过第一成像镜5汇聚于微透镜阵列6，微透镜阵列6位于第一成像镜5的成像面上，每个小透镜对待观察目标的一部分进行成像，待观察目标被微透镜阵列6分割成若干子图像阵列，这些子图像再通过准直镜8实现光束的准直，各子图像色散元件9后在第一探测器11上得到被分割子图像的色散图像阵列，以及子图像的两维空间信息。

另外一路通过第三成像镜12直接成像于第二探测器13，用于得到待观测目标的高空间分辨率图像信息，用于补偿第一探测器11的两维低空间分辨率图像信息。第二探测器13上获取的高空间分辨率图像信息用与第一探测器11上获取的图像信息进行图像融合，以得到高空间分辨率的两维空间信息与高光谱分辨率光谱信息，控制计算机14用于控制两台探测器(均为面阵探测器)的数据采集、数据存储与图像数据重构。

Claims (7)

1.一种快照型显微高光谱成像系统，其特征在于：包括照明系统(1)、载物台(2)、显微物镜(3)、分光元件(4)、计算机(14)、采集系统和补偿系统；

所述照明系统(1)用于对载物台(2)上的待观察目标进行照明；

所述分光元件(4)对通过显微物镜(3)的光束按分光比进行分光；

所述采集系统包括依次设置在分光元件(4)透射光路上的第一成像镜(5)、微透镜阵列(6)、准直镜(8)、色散元件(9)、第二成像镜(10)和第一探测器(11)；

所述补偿系统包括依次设置在分光元件(4)反射光路上的第三成像镜(12)和第二探测器(13)；

所述第一探测器(11)和第二探测器(13)分别与计算机(14)连接。

2.根据权利要求1所述的快照型显微高光谱成像系统，其特征在于：所述微透镜阵列(6)位于第一成像镜(5)的像面位置。

3.根据权利要求2所述的快照型显微高光谱成像系统，其特征在于：所述微透镜阵列(6)的像面位于准直镜(8)的物方焦面位置。

4.根据权利要求1或2或3所述的快照型显微高光谱成像系统，其特征在于：所述分光元件(4)为分光板或分光棱镜。

5.根据权利要求4所述的快照型显微高光谱成像系统，其特征在于：所述色散元件(9)为光栅、棱镜或光栅与棱镜的组合。

6.根据权利要求5所述的快照型显微高光谱成像系统，其特征在于：光栅为反射光栅或透射光栅。

7.根据权利要求5所述的快照型显微高光谱成像系统，其特征在于：棱镜为单块棱镜或组合棱镜。