CN209805940U - 一种用于无透镜显微系统的彩色相干成像装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种用于无透镜显微系统的彩色相干成像装置，属于生物医学显微成像领域，所述装置包括：照明单元、光纤耦合单元、滤波单元和探测成像单元；照明单元，用于输出红、绿、蓝三色光源，且每个光源均为窄带光源；光纤耦合单元，用于将所述红、绿、蓝三色光源耦合入同一光纤中；滤波单元，用于对所述光纤输出的复合光进行空间域滤波和频域滤波；探测成像单元，用于对三色光源进行解调，并进行图像高分辨还原。本实用新型的成像装置将红、绿、蓝三色窄带光源耦合到同一光纤中形成复合光，并且在解调过程中通过线性运算消除颜色串扰，能够在无镜高分辨单帧成像的基础上，实现彩色成像。
Description
技术领域
本实用新型属于生物医学显微成像领域，更具体地，涉及一种用于无透镜显微系统的彩色相干成像装置。
背景技术
在生物医学即时检测过程中，常常需要分析细胞、微生物等微小样品的形态学信息以及核酸、抗原抗体等生化反应后的荧光影像信息，而这些信息的获取通常需要用到显微成像设备。传统的光学显微镜主要由光源、光学透镜、光检测器三部分组成。光学透镜的主要作用是将样品进行光学放大并将其聚焦在光检测器上进行成像。但光学透镜通常需要和光学镜筒、光圈以及调焦系统等部件配合使用以获得清晰的图像，大大增加了显微镜的体积和复杂程度，成为显微镜用于即时检测领域必须克服的一大阻力。
相比传统显微镜，无透镜显微镜作为新型的显微镜系统，以其大视场和应用简便的特性在生物医学领域获得青睐。无透镜成像技术是将样品与电荷耦合元件CCD或互补金属半导体氧化物CMOS芯片等光检测器紧密接触，无需光学元件，直接对样品进行成像的技术。目前最为主流的无镜系统为相干无透镜显微成像系统，通过使用相干光源进行全息照明，可以为其显微成像带来极高的稳定性，其景深从数十微米扩展到数毫米，并且可以额外提取物体的相位信息，因此成为了主要的研究方向。
然而，目前相干无透镜显微系统也存在一定的缺点，由于相干无镜系统必须使用窄带相干光源实现全息成像，照明的光源必须是严格单色的(带宽±10nm以内)，所以目前相干无透镜显微系统不具有彩色成像的能力，但在许多领域，如生物医学相关的应用中，彩色图像提供了样品的附加信息和对比度，因此是优选的研究对象。
总体而言，目前亟需提出一种在无镜高分辨单帧成像的基础上，实现彩色多通道成像的装置。
实用新型内容
针对现有技术的缺陷，本实用新型的目的在于提供一种用于无透镜显微系统的彩色相干成像装置，旨在解决目前相干无透镜显微系统只能单色成像，不能实现彩色成像的问题。
为实现上述目的，本实用新型提供了一种用于无透镜显微系统的彩色相干成像装置，包括：照明单元、光纤耦合单元、滤波单元和探测成像单元；
所述照明单元，用于输出红、绿、蓝三色窄带光；
所述光纤耦合单元，用于将所述红、绿、蓝三色窄带光耦合入同一光纤中，输出复合光；
所述滤波单元，用于对所述光纤输出的复合光进行空间域滤波和频域滤波后，照射在样本上；
所述探测成像单元，用于接收所述样本经过照射后产生的初始图像，并对所述初始图像进行解调和高分辨还原。
进一步地，所述红、绿、蓝三色窄带光线宽在18nm至35nm之间。
进一步地，所述所述光纤耦合单元，包括光源光纤耦合子单元和光纤合路耦合子单元；
所述光源光纤耦合子单元，用于分别将红、绿、蓝三色窄带光耦合进三根光纤；
所述光纤合路耦合子单元，用于将三根光纤中的三色窄带光耦合进同一光纤中。
进一步地，所述光源光纤耦合子单元为渐变折射率棒状透镜。
进一步地，所述光纤合路耦合子单元为3x1的光纤耦合器。
进一步地，所述滤波单元采用50-100um量级的小孔进行空间域滤波，然后采用带宽小于或等于±10nm的滤光片进行频域滤波。
进一步地，所述小孔和滤光片紧贴，并且与成像探测单元的距离在3-5cm之间。
进一步地，所述成像探测单元对初始图像进行解调的过程中，采用以下矩阵以消除颜色串扰；
其中，Mred、Mgreen、Mblue分别表示红绿蓝光测量的二维强度矢量，Rred、Rgreen、Rblue分别表示红绿蓝光的实际二维强度矢量。
进一步地，所述探测成像单元为FoveonX3传感器，且其像元尺寸小于或等于2.2um。
通过本实用新型所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：
(1)本实用新型提出的成像装置，将红、绿、蓝三色窄带光源耦合到同一光纤中形成复合光，并且在解调过程中通过线性运算消除颜色串扰，能够在无镜高分辨单帧成像的基础上，实现彩色成像，相比在无透镜显微系统光源部分设置可切换的机械结构，轮流更换使用红、绿、蓝三个单色相干光源，分三次进行采集恢复，再输入到RGB通道进行求和叠加的成像方式，本实用新型的装置更加小巧轻便，无需频繁切换光源，也无需采样恢复过程，操作更加简单方便。
(2)本实用新型提出的成像装置，基于对光源的改进，能够从单帧采样图像中提取出三幅不同颜色通道的图像，无需切换光源或滤波片，采集多次图像再进行叠加，从而避免由于样本移动造成的叠加图像失真，可以实现对动态样本的实时观察。
附图说明
图1为用于无镜显微系统的彩色相干成像装置结构示意图；
图2为本实用新型提供的光源到光纤耦合过程的示意图；
图3为本实用新型提供的传感器采集RGB图像的解调和串扰消除流程图；
其中，1为照明单元、2为光纤耦合单元、3为滤波单元和4为探测成像单元。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型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仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
本实用新型提供了一种用于无透镜显微系统的彩色相干成像装置，包括：照明单元1、光纤耦合单元2、滤波单元3和探测成像单元4；
照明单元1，用于输出红、绿、蓝三色光源，且每个光源均为窄带光源；光纤耦合单元2，用于将所述红、绿、蓝三色光源耦合入同一光纤中；滤波单元3，用于对所述光纤输出的复合光进行空间域滤波和频域滤波后，照射在样本上；探测成像单元4，用于接收样本经过照射后产生的初始图像，并对初始图像进行解调和高分辨还原；其中，红、绿、蓝三色光源线宽在18nm至35nm之间，满足无透镜系统的光源的相干性要求。
光纤耦合单元，包括光源光纤耦合子单元和光纤合路耦合子单元；光源光纤耦合子单元，用于分别将红、绿、蓝三色光源耦合进三根光纤；光纤合路耦合子单元，用于将三根光纤中的三色光源耦合进同一多模光纤中，从而保证相干性的彩色照明；光源耦合到光纤的过程如图2所示，本实用新型使用GRIN透镜(渐变折射率棒状透镜)进行光源耦合，该耦合方式可以提高耦合效率，减小耦合损耗；光纤合路耦合子单元采用3x1的光纤耦合器，将三根光纤中三色光源耦合进同一光纤，实现复色光输出。
滤波单元采用50-100um量级的小孔进行空间域滤波，然后采用带宽小于或等于±10nm的滤光片进行频域滤波；小孔和滤光片紧贴，并且与成像探测单元的距离在3-4cm之间，以避免因二者之间的间距产生额外的衍射光而导致探测成像单元上采集到额外的干涉图案。
由于无镜显微系统需要进行相干单色图像的高分辨还原，使图像变清晰，目前的系统是单色光照明，故CMOS传感器仅接受单通道的光，可以直接进行图像还原，而本作品采用复色光照明，需要进行CMOS接受信号的RGB解调后再进行图像高分辨还原。颜色串扰主要是由于三个全息图在传感器的颜色通道处混合数据，根据测试，可以采用以下矩阵以消除颜色串扰；
其中，Mred、Mgreen、Mblue分别表示红绿蓝光测量的二维强度矢量，Rred、Rgreen、Rblue分别表示红绿蓝光的实际二维强度矢量。
传统的光电耦合器件只能感应光线强度，不能感应色彩信息，需要通过滤色镜来感应色彩信息，称之为拜尔滤镜。本实用新型采用像元尺寸小于或等于2.2um的FoveonX3传感器作为探测成像单元，在一个像素上通过不同的深度来感应色彩，最表面一层感应蓝色、第二层可以感应绿色，第三层感应红色，FoveonX3的三个感光层在不同的深度撷取RGB色光，于是可以确保RGB色光都被撷取100％，这样可以大大提高相干成像的准确性。
本实用新型实施例使用型号为AptinaMT9P031的成像传感器作为探测成像单元，其间距尺寸为2.2μm，有效面积为5.7x4.28mm，选用Thorlabs公司的三款窄线宽LED光源作为照明单元，如图3所示，该光源和光纤已经完成耦合，只需将三个光源的末端通入耦合器进行耦合，在一段1-2cm长的多模光纤中传输后出射，经过空间滤波器滤波，并且照射在样本上，光场通过样本后将被探测成像单元接收，不同波长的光彼此不相干，因此该光场包含红色、绿色、蓝色三幅全息图，分别被不同的滤镜滤波并且接收，在PC端进行图像采集，对采集的图像进行解调并消除串扰后，对三幅全息图进行单独的同轴全息恢复，将其输入到各自的颜色通道中即可得到彩色全息图。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种用于无透镜显微系统的彩色相干成像装置，其特征在于，包括：照明单元(1)、光纤耦合单元(2)、滤波单元(3)和探测成像单元(4)；
所述照明单元(1)，用于输出红、绿、蓝三色窄带光；
所述光纤耦合单元(2)，用于将所述红、绿、蓝三色窄带光耦合入同一光纤中，输出复合光；
所述滤波单元(3)，用于对所述光纤输出的复合光进行空间域滤波和频域滤波后，照射在样本上；
所述探测成像单元(4)，用于接收所述样本经过照射后产生的初始图像，并对所述初始图像进行解调和高分辨还原。
2.根据权利要求1所述的一种用于无透镜显微系统的彩色相干成像装置，其特征在于，所述红、绿、蓝三色窄带光线宽在18nm至35nm之间。
3.根据权利要求2所述的一种用于无透镜显微系统的彩色相干成像装置，其特征在于，所述光纤耦合单元，包括光源光纤耦合子单元和光纤合路耦合子单元；
所述光源光纤耦合子单元，用于分别将红、绿、蓝三色窄带光耦合进三根光纤；
所述光纤合路耦合子单元，用于将三根光纤中的三色窄带光耦合进同一光纤中。
4.根据权利要求3所述的一种用于无透镜显微系统的彩色相干成像装置，其特征在于，所述光源光纤耦合子单元为渐变折射率棒状透镜。
5.根据权利要求3所述的一种用于无透镜显微系统的彩色相干成像装置，其特征在于，所述光纤合路耦合子单元为3x1的光纤耦合器。
6.根据权利要求1所述的一种用于无透镜显微系统的彩色相干成像装置，其特征在于，所述滤波单元采用50-100um量级的小孔进行空间域滤波，采用带宽小于或等于±10nm的滤光片进行频域滤波。
7.根据权利要求6所述的一种用于无透镜显微系统的彩色相干成像装置，其特征在于，所述小孔和滤光片紧贴，并且与成像探测单元的距离在3-5cm之间。
8.根据权利要求7所述的一种用于无透镜显微系统的彩色相干成像装置，其特征在于，所述成像探测单元对初始图像进行解调的过程中，采用以下矩阵以消除颜色串扰；
其中，Mred、Mgreen、Mblue分别表示红绿蓝光测量的二维强度矢量，Rred、Rgreen、Rblue分别表示红绿蓝光的实际二维强度矢量。
9.根据权利要求8所述的一种用于无透镜显微系统的彩色相干成像装置，其特征在于，所述探测成像单元为Foveon X3传感器，且其像元尺寸小于或等于2.2um。
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