CN107271037B - 光谱显微成像方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及快照式光谱显微成像方法及系统，为提出无损快照式的光谱显微成像技术，实时追踪或抓拍活体的物质结构或成分图像。为此，本发明采用的技术方案是，光谱显微成像系统，由前置光学系统成像部分、中转镜、像切分器、成像镜组、成像光谱仪和光谱图像融合重建模块组成，待测物被前置光学系统成像，通过中转镜耦合到像切分器上，经过像切分器的切割及反射到达成像镜组，成像镜组将切割后的子图像整合成规律性排列在成像光谱仪狭缝入口处，最后经过光谱图像融合重建模块获得完整的三维数据组。本发明主要应用于快照式光谱显微成像场合。
Description
技术领域
本发明涉及一种快照式光谱显微成像方法及系统，尤其是可一次曝光即获得全部光谱图像的光谱显微成像方法及系统。具体讲,涉及光谱显微成像方法及系统。
背景技术
现代的生命科学研究中，显微光谱仪是必不可少的工具。然而现有的显微光谱仪多为扫描式，比如多光谱激光共聚焦显微成像、基于声光可调谐滤波器(Acousto-opticTunable Filter，AOTF)，显微干涉偏振成像光谱仪和液晶可调谐滤波器(Liquid CrystalTunable Filters，LCTF)。多光谱激光共聚焦显微成像法是在光谱谱面处设置两个可移动狭缝片形成出射狭缝，同时两个步进电机带动安装其上的两个狭缝片内进行扫描，获得在整个工作波长内的光谱图像，另一方面激发光具有光毒性，长时间照射活体样本会损伤其活性，甚至使细胞凋亡，受激荧光随时间推移会逐步减弱乃至消失，即光漂泊。光毒性和光漂白的客观存在，限制了对活体样本的观察时间。而空间扫描的速度受限于扫描装置的推进快慢，对于波长扫描，虽然AOTF的波长切换速度已经可以达到纳秒级别，但是因为显微镜的弱光环境，单波长成像积分时间长，要获得波长维度为n的数据立方需要曝光n次。LCTF成像类似于物体或场景图像的叠加，通过拍摄同一物体在不同波段上的图像，通过对获取的图像进行分析，便可得知图像立方体中的每个像素点的光谱信息。扫描式光谱仪无法捕捉到活体细胞的完整光谱信息，在实时扫描方面存在着无法逾越的障碍。
为解决这一问题，需要有一种无损快照式的光谱显微成像技术，实时追踪或抓拍活体的物质结构或成分图像。而现有的快照式光谱装置，如计算层析成像光谱技术(Computed Tomography Imaging Spectrometer，CTIS)，图像复制成像光谱仪(Image-Replicating Imaging Spectrometer，IRIS)以及编码孔径快照光谱成像技术(CodedAperture Snapshot Spectral Imaging,CASSI)等快照式光谱仪。CTIS先利用成像系统记录数据立方体在不同方向上的投影图像，然后由这些投影图像重建目标的三维数据立方。它只能用有限个投影来重建，存在“失锥”问题，另外，当投影图不规则时定标困难，且重建算法计算量大。。CASSI根据压缩传感理论，利用编码孔径和色散介质调制场景的光场，一个探测器获取三维数据体的二维多路投影，通过压缩采样和稀松重构算法估算数据体。与CTIS一样，它的图像复原计算十分复杂。
现有的一种基于Integral Field Spectrometry(IFU)的Snapshot ImageMapping Spectrometer(IMS)系统通过对微切分阵列显微镜所成图像进行切分，再色散获取光谱信息及空间信息，但在装置中引入大量透镜，不可避免的在装置中产生色差，和光能量的损失等问题，同时该装置由于切割部分采用平面镜，而导致集成度不高。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明旨在提出。本发明采用的技术方案是，光谱显微成像系统，由前置光学系统成像部分、中转镜、像切分器、成像镜组、成像光谱仪和光谱图像融合重建模块组成，待测物被前置光学系统成像，通过中转镜耦合到像切分器上，经过像切分器的切割及反射到达成像镜组，成像镜组将切割后的子图像整合成规律性排列在成像光谱仪狭缝入口处，最后经过光谱图像融合重建模块获得完整的三维数据组。
所述的前置光学系统为生物显微镜，所述的中转镜，为消色差透镜、消色差透镜阵列或光纤。
所述的成像镜组，由多个子镜组成，每个子镜与经过像切分器的子镜一一匹配，达到成像的目的，成像镜组可为一组或两组反射镜，每组的子镜可为反射镜或者透镜。
像切分器和成像镜组需要满足与显微镜的光瞳衔接原则，当成像镜组为一组镜时，像切分器和成像镜组之间的距离由镜子的焦距决定为焦距和的绝对值，若成像镜组为两组相互对应的镜子，则需要考虑光瞳衔接问题设置两组成像镜。
所述的成像光谱仪为长狭缝或多狭缝成像光谱仪，该成像光谱仪置于成像镜组的成像面处接收前置系统的入射光，通过准直镜，色散元件及成像镜获得光谱图像。
所述的光谱图像融合重建模块是通过计算图像处理将切分后不同波长下的子图像重新组合获得完整的三维数据立方组。
被切分的图像，将反射在对应的成像镜组上，当成像镜组为单组镜时，该组镜由n个曲率半径相同，尺寸相同的条形面镜或透镜组成，每个球面镜有不同的二维偏向角，并与像切分器的n个反射镜一一对应，达到成像的目的；成像反射镜组与像切分器垂直摆放，像切分器反射的光入射到成像反射镜组，由其进行第二次反射，并在像面处成像获得规律性排列的子图像列，同时由两处子反射镜曲率和像距，可求得轴向放大率β，单组成像镜组的曲率半径将配合像切分器的曲率半径，以达到校正畸变、球差等像差的目的；当成像镜组为双组镜时，两组镜子为相互配合的反射镜或透镜，达到校正像差和衔接光瞳的目的。
光谱显微成像方法，利用前置光学系统将待测物成像，然后通过中转镜耦合到像切分器上，经过像切分器的切割及反射到达成像镜组，利用成像镜组将切割后的子图像整合成规律性排列在成像光谱仪狭缝入口处，最后经过光谱图像融合重建模块获得完整的三维数据组。
所设置的像切分器由n片具有相同曲率半径，相同尺寸，不同二维偏向角的反射镜组成，当待测物经过前置光学系统成像后到达像切分器时，由于每条镜子的角度不同，对应的图像将被反射到不同的位置以达到切割图像的目的。
所述的成像镜组，由多个子镜组成，每个子镜与经过像切分器的子镜一一匹配，达到成像的目的，成像镜组可为一组或两组反射镜，每组的子镜可为反射镜或者透镜。
像切分器和成像镜组需要满足与显微镜的光瞳衔接原则，当成像镜组为一组镜时，像切分器和成像镜组之间的距离由镜子的焦距决定为焦距和的绝对值，使照明光平行入射到成像光谱仪中获得最好的成像效果；若成像镜组为两组相互对应的镜子，则需要考虑光瞳衔接问题设置两组成像镜。
本发明的特点及有益效果是：
本发明提供了一种基于影像地图原理的快照式成像光谱装置，即子像集成光谱成像法。和扫描式光谱仪比较，采集速率高，具有实时采集的特点。该方法采用子像切割法实现快照式成像光谱仪的功能，且由于像切分器尺寸极小，并采用微晶玻璃之间的分子力作为连接每个条状镜的方式，所以装置集成度很高，体积小。由于该发明全部采用反射装置，避免了在此过程中色差的产生，同时反射装置，光能量损失远小于透射式系统。和扫描式光谱仪比较，本发明提供了一个较大的矩形视场，实现了无扫描实时获取光谱图像的可能性。
附图说明：
图1是装置整体结构示意图；
图2成像镜组为单组镜结构仿真图；
图3成像镜组为双组镜结构仿真图；
图4是待测物切割前图像示意图；
图5是待测物切割后重新排列图像示意图；
图6是三维数据组示意图；
图7是装置运转流程图；
图8是图像切分器三维视图；
图9是成像反射镜三维视图；
图10是切割前的图像；
图11是在成像透镜处的像；
图12是像面处成像效果；
图13是经过光谱仪后的成像效果；
图14是系统的MTF曲线；
图15是成像时五个视场的点列图。
具体实施方式
为解决现有技术中的问题，本发明提出一种基于图像切割的快照式光谱成像装置，即子像集成光谱成像装置，为实时获取光谱及成像信息提供可能。
本发明是针对扫描式光谱仪扫描时间长，无法获取活体细胞的实时光谱图像的问题，提出了一种光谱显微成像方法及系统，针对生物医学领域的需求，巧妙地实现了具有实时采集光谱图像的显微光谱成像系统。
为此目的，本发明提供了一种光谱显微成像方法，包括：
待测物(图2)被前置光学系统成像，通过中转镜耦合到像切分器上，经过像切分器的切割及反射到达成像镜组，成像镜组将切割后的子图像(图3)整合成规律性排列在成像光谱仪狭缝入口处，最后经过光谱图像融合重建模块获得完整的三维数据组如图6所示。
所述光谱显微成像系统依次包括前置光学系统，中转镜，像切分器，成像镜组，成像光谱仪以及光谱图像融合重建模块。
所述的前置光学系统为生物显微镜，目的为对待测目标成像并获得空间二维图像。
所述的中转镜，可为透镜，透镜阵列或光纤等光学元件，作用为将前置光学系统所成图像与像切割切进行耦合。通常透镜需要选择消色差透镜，为避免光谱装置中出现严重色差影响光谱成像。
所述的像切分器基于影像地图原理，作用于高光谱或多光谱成像中。像切分器置于前置系统的实像或虚像面处，帮助成像光谱仪迅速获得光谱图像而不需要扫描过程。本发明中的像切分器可由平面反射镜，球面反射镜以及自由曲面镜等组成。每个子反射镜均具有不同的二维偏向角，从而将不同视场的图像重新排列在成像反射镜组处。
所述的成像镜组，由多个子镜组成，每个子镜与经过像切分器的子镜一一匹配，达到成像的目的。成像镜组可为一组或两组反射镜，每组的子镜可为反射镜或者透镜。当成像镜组由透镜阵列组成时，需要考虑透镜的色差以及透射率等问题；而当成像镜组为反射镜时，该系统不存在透射元件，因为色差为0，同时光能量损失较小。
像切分器和成像镜组需要满足与显微镜的光瞳衔接原则，因此当成像镜组为一组镜时，像切分器和成像镜组之间的距离由镜子的焦距决定为焦距和的绝对值，可满足光瞳衔接的要求，使照明光平行入射到成像光谱仪中获得最好的成像效果。若成像镜组为两组相互对应的镜子，则需要考虑光瞳衔接问题设置两组成像镜。
所述的成像光谱仪为长狭缝或多狭缝成像光谱仪。该成像光谱仪置于成像镜组的成像面处接收前置系统的入射光，通过准直镜，色散元件及成像镜获得光谱图像。
所述的光谱图像融合重建模块是通过计算图像处理将切分后不同波长下的子图像重新组合获得完整的三维数据立方组。
本系统对不同视场进行切割并获得光谱信息。
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式做进一步描述，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本发明方案中所设置的像切分器由n片具有相同曲率半径，相同尺寸，不同二维偏向角的反射镜组成。当待测物经过前置光学系统成像后到达像切分器时，由于每条镜子的角度不同，对应的图像将被反射到不同的位置以达到切割图像的目的。
本发明提供的像切分器一共由n条球面反射镜组成。像切分器置于前置系统的实像或虚像面处，帮助成像光谱仪迅速获得光谱图像而不需要扫描过程。本发明中的像切分器由n个曲率半径相同，尺寸相同的条形球面镜组成，每个球面镜拥有不同的二维偏向角，从而将不同视场的光重新排列在成像反射镜组处。
像切分器每条反射镜的二维偏向角度决定了子像的位置以及成像镜的摆放位置和角度。
由于像切分器是由球面镜组成的，因此本发明的集成度很高，且可通过改变像切分器子反射镜的曲率半径调节像的尺寸。像切分器的材料为微晶玻璃，通过分子作用力使n个条状镜粘合。
被切分的图像，将反射在对应的成像镜组上，本发明中的成像镜组可为单组镜或双组镜分别如图2,3所示。当成像镜组为单组镜时，该组镜由n个曲率半径相同，尺寸相同的条形面镜或透镜组成，每个球面镜有不同的二维偏向角，并与像切分器的n个反射镜一一对应，达到成像的目的。成像反射镜组与像切分器垂直摆放，像切分器反射的光入射到成像反射镜组，由其进行第二次反射，并在像面处成像获得规律性排列的子图像列。同时由两处子反射镜曲率和像距，可求得轴向放大率β。单组成像镜组的曲率半径将配合像切分器的曲率半径，以达到校正畸变、球差等像差的目的。当成像镜组为双组镜时，两组镜子为相互配合的反射镜或透镜，达到校正像差和衔接光瞳的目的。
本发明的像切分器和成像反射镜均可为球面反射镜，因此装置的集成度很高，且可通过调节两镜的曲率半径达到调节缩放比的目的。
举例来说，当n＝5时，本发明的像切分器具有5个条状球面反射镜，并将图像切割成五个子图像成一字排列，如图1所示图像经过显微镜后到达像切分器，经过切割后，到达成像反射镜组时的图像如图1所示，在像面上成像如图12，最后由成像光谱仪获得光谱图像如图13所示。从图12中可以看出，该装置成像效果极好，没有明显的畸变，球差，色差等像差。从图14,15中的像质评价函数中同样可见，本发明的像差校正非常成功。
经过图像复原，可获得完整的数据立方如图6效果所示。
Claims (4)
1.一种光谱显微成像系统，其特征是，由前置光学系统、中转镜、像切分器、成像镜组、成像光谱仪和光谱图像融合重建模块组成，待测物被前置光学系统成像，通过中转镜耦合到像切分器上，经过像切分器的切割及反射到达成像镜组，成像镜组将切割后的子图像整合成规律性排列在成像光谱仪狭缝入口处，最后经过光谱图像融合重建模块获得完整的三维数据组；
所述的成像镜组，由多个子镜组成，每个子镜与经过像切分器切分形成的子图像一一匹配，达到成像的目的，成像镜组可包括一组或两组子镜，每组的子镜可为反射镜或者透镜；
被切分的图像，将反射在对应的成像镜组上，当成像镜组为单组镜时，该组镜由n个曲率半径相同，尺寸相同的条形面镜或透镜子镜组成，每个成像镜组子镜有不同的二维偏向角，并与像切分器的n个反射镜一一对应，达到成像的目的；成像反射镜组与像切分器垂直摆放，像切分器反射的光入射到成像反射镜组，由其进行第二次反射，并在像面处成像获得规律性排列的子图像列，同时由两处子反射镜曲率和像距，可求得轴向放大率β，单组成像镜组的曲率半径将配合像切分器的曲率半径，以达到校正畸变、球差等像差的目的；当成像镜组为双组镜时，两组镜子为相互配合的反射镜或透镜，达到校正像差和衔接光瞳的目的。
2.如权利要求1所述的光谱显微成像系统，其特征是，所述的前置光学系统为生物显微镜，所述的中转镜，为消色差透镜、消色差透镜阵列或光纤。
3.如权利要求1所述的光谱显微成像系统，其特征是，像切分器和成像镜组需要满足与显微镜的光瞳衔接原则，当成像镜组为一组镜时，像切分器和成像镜组之间的距离由镜子的焦距决定为焦距和的绝对值，若成像镜组为两组相互对应的镜子，则需要考虑光瞳衔接问题设置两组成像镜。
4.如权利要求1所述的光谱显微成像系统，其特征是，所述的成像光谱仪为长狭缝或多狭缝成像光谱仪，该成像光谱仪置于成像镜组的成像面处接收前置系统的入射光，通过准直镜，色散元件及成像镜获得光谱图像；所述的光谱图像融合重建模块是通过计算图像处理将切分后不同波长下的子图像重新组合获得完整的三维数据立方组。
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| CN106556461A (zh) * | 2016-12-08 | 2017-04-05 | 中国科学院光电技术研究所 | 一种基于自适应光学的光谱成像装置 |
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2017
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