光譜顯微成像方法及系統與流程
2023-09-27 06:52:20 1
本發明涉及一種快照式光譜顯微成像方法及系統，尤其是可一次曝光即獲得全部光譜圖像的光譜顯微成像方法及系統。具體講,涉及光譜顯微成像方法及系統。
背景技術：
現代的生命科學研究中，顯微光譜儀是必不可少的工具。然而現有的顯微光譜儀多為掃描式，比如多光譜雷射共聚焦顯微成像、基於聲光可調諧濾波器(acousto-optictunablefilter，aotf)，顯微幹涉偏振成像光譜儀和液晶可調諧濾波器(liquidcrystaltunablefilters，lctf)。多光譜雷射共聚焦顯微成像法是在光譜譜面處設置兩個可移動狹縫片形成出射狹縫，同時兩個步進電機帶動安裝其上的兩個狹縫片內進行掃描，獲得在整個工作波長內的光譜圖像，另一方面激發光具有光毒性，長時間照射活體樣本會損傷其活性，甚至使細胞凋亡，受激螢光隨時間推移會逐步減弱乃至消失，即光漂泊。光毒性和光漂白的客觀存在，限制了對活體樣本的觀察時間。而空間掃描的速度受限於掃描裝置的推進快慢，對于波長掃描，雖然aotf的波長切換速度已經可以達到納秒級別，但是因為顯微鏡的弱光環境，單波長成像積分時間長，要獲得波長維度為n的數據立方需要曝光n次。lctf成像類似於物體或場景圖像的疊加，通過拍攝同一物體在不同波段上的圖像，通過對獲取的圖像進行分析，便可得知圖像立方體中的每個像素點的光譜信息。掃描式光譜儀無法捕捉到活體細胞的完整光譜信息，在實時掃描方面存在著無法逾越的障礙。
為解決這一問題，需要有一種無損快照式的光譜顯微成像技術，實時追蹤或抓拍活體的物質結構或成分圖像。而現有的快照式光譜裝置，如計算層析成像光譜技術(computedtomographyimagingspectrometer，ctis)，圖像複製成像光譜儀(image-replicatingimagingspectrometer，iris)以及編碼孔徑快照光譜成像技術(codedaperturesnapshotspectralimaging,cassi)等快照式光譜儀。ctis先利用成像系統記錄數據立方體在不同方向上的投影圖像，然後由這些投影圖像重建目標的三維數據立方。它只能用有限個投影來重建，存在「失錐」問題，另外，當投影圖不規則時定標困難，且重建算法計算量大。。cassi根據壓縮傳感理論，利用編碼孔徑和色散介質調製場景的光場，一個探測器獲取三維數據體的二維多路投影，通過壓縮採樣和稀鬆重構算法估算數據體。與ctis一樣，它的圖像復原計算十分複雜。
現有的一種基於integralfieldspectrometry(ifu)的snapshotimagemappingspectrometer(ims)系統通過對微切分陣列顯微鏡所成圖像進行切分，再色散獲取光譜信息及空間信息，但在裝置中引入大量透鏡，不可避免的在裝置中產生色差，和光能量的損失等問題，同時該裝置由於切割部分採用平面鏡，而導致集成度不高。
技術實現要素：
為克服現有技術的不足，本發明旨在提出。本發明採用的技術方案是，光譜顯微成像系統，由前置光學系統成像部分、中轉鏡、像切分器、成像鏡組、成像光譜儀和光譜圖像融合重建模塊組成，待測物被前置光學系統成像，通過中轉鏡耦合到像切分器上，經過像切分器的切割及反射到達成像鏡組，成像鏡組將切割後的子圖像整合成規律性排列在成像光譜儀狹縫入口處，最後經過光譜圖像融合重建模塊獲得完整的三維數據組。
所述的前置光學系統為生物顯微鏡，所述的中轉鏡，為消色差透鏡、消色差透鏡陣列或光纖。
所述的成像鏡組，由多個子鏡組成，每個子鏡與經過像切分器的子鏡一一匹配，達到成像的目的，成像鏡組可為一組或兩組反射鏡，每組的子鏡可為反射鏡或者透鏡。
像切分器和成像鏡組需要滿足與顯微鏡的光瞳銜接原則，當成像鏡組為一組鏡時，像切分器和成像鏡組之間的距離由鏡子的焦距決定為焦距和的絕對值，若成像鏡組為兩組相互對應的鏡子，則需要考慮光瞳銜接問題設置兩組成像鏡。
所述的成像光譜儀為長狹縫或多狹縫成像光譜儀，該成像光譜儀置於成像鏡組的成像面處接收前置系統的入射光，通過準直鏡，色散元件及成像鏡獲得光譜圖像。
所述的光譜圖像融合重建模塊是通過計算圖像處理將切分後不同波長下的子圖像重新組合獲得完整的三維數據立方組。
被切分的圖像，將反射在對應的成像鏡組上，當成像鏡組為單組鏡時，該組鏡由n個曲率半徑相同，尺寸相同的條形面鏡或透鏡組成，每個球面鏡有不同的二維偏向角，並與像切分器的n個反射鏡一一對應，達到成像的目的；成像反射鏡組與像切分器垂直擺放，像切分器反射的光入射到成像反射鏡組，由其進行第二次反射，並在像面處成像獲得規律性排列的子圖像列，同時由兩處子反射鏡曲率和像距，可求得軸向放大率β，單組成像鏡組的曲率半徑將配合像切分器的曲率半徑，以達到校正畸變、球差等像差的目的；當成像鏡組為雙組鏡時，兩組鏡子為相互配合的反射鏡或透鏡，達到校正像差和銜接光瞳的目的。
光譜顯微成像方法，利用前置光學系統將待測物成像，然後通過中轉鏡耦合到像切分器上，經過像切分器的切割及反射到達成像鏡組，利用成像鏡組將切割後的子圖像整合成規律性排列在成像光譜儀狹縫入口處，最後經過光譜圖像融合重建模塊獲得完整的三維數據組。
所設置的像切分器由n片具有相同曲率半徑，相同尺寸，不同二維偏向角的反射鏡組成，當待測物經過前置光學系統成像後到達像切分器時，由於每條鏡子的角度不同，對應的圖像將被反射到不同的位置以達到切割圖像的目的。
所述的成像鏡組，由多個子鏡組成，每個子鏡與經過像切分器的子鏡一一匹配，達到成像的目的，成像鏡組可為一組或兩組反射鏡，每組的子鏡可為反射鏡或者透鏡。
像切分器和成像鏡組需要滿足與顯微鏡的光瞳銜接原則，當成像鏡組為一組鏡時，像切分器和成像鏡組之間的距離由鏡子的焦距決定為焦距和的絕對值，使照明光平行入射到成像光譜儀中獲得最好的成像效果；若成像鏡組為兩組相互對應的鏡子，則需要考慮光瞳銜接問題設置兩組成像鏡。
本發明的特點及有益效果是：
本發明提供了一種基於影像地圖原理的快照式成像光譜裝置，即子像集成光譜成像法。和掃描式光譜儀比較，採集速率高，具有實時採集的特點。該方法採用子像切割法實現快照式成像光譜儀的功能，且由於像切分器尺寸極小，並採用微晶玻璃之間的分子力作為連接每個條狀鏡的方式，所以裝置集成度很高，體積小。由於該發明全部採用反射裝置，避免了在此過程中色差的產生，同時反射裝置，光能量損失遠小於透射式系統。和掃描式光譜儀比較，本發明提供了一個較大的矩形視場，實現了無掃描實時獲取光譜圖像的可能性。
附圖說明：
圖1是裝置整體結構示意圖；
圖2成像鏡組為單組鏡結構仿真圖；
圖3成像鏡組為雙組鏡結構仿真圖；
圖4是待測物切割前圖像示意圖；
圖5是待測物切割後重新排列圖像示意圖；
圖6是三維數據組示意圖；
圖7是裝置運轉流程圖；
圖8是圖像切分器三維視圖；
圖9是成像反射鏡三維視圖；
圖10是切割前的圖像；
圖11是在成像透鏡處的像；
圖12是像面處成像效果；
圖13是經過光譜儀後的成像效果；
圖14是系統的mtf曲線；
圖15是成像時五個視場的點列圖。
具體實施方式
為解決現有技術中的問題，本發明提出一種基於圖像切割的快照式光譜成像裝置，即子像集成光譜成像裝置，為實時獲取光譜及成像信息提供可能。
本發明是針對掃描式光譜儀掃描時間長，無法獲取活體細胞的實時光譜圖像的問題，提出了一種光譜顯微成像方法及系統，針對生物醫學領域的需求，巧妙地實現了具有實時採集光譜圖像的顯微光譜成像系統。
為此目的，本發明提供了一種光譜顯微成像方法，包括：
待測物(圖2)被前置光學系統成像，通過中轉鏡耦合到像切分器上，經過像切分器的切割及反射到達成像鏡組，成像鏡組將切割後的子圖像(圖3)整合成規律性排列在成像光譜儀狹縫入口處，最後經過光譜圖像融合重建模塊獲得完整的三維數據組如圖6所示。
所述光譜顯微成像系統依次包括前置光學系統，中轉鏡，像切分器，成像鏡組，成像光譜儀以及光譜圖像融合重建模塊。
所述的前置光學系統為生物顯微鏡，目的為對待測目標成像並獲得空間二維圖像。
所述的中轉鏡，可為透鏡，透鏡陣列或光纖等光學元件，作用為將前置光學系統所成圖像與像切割切進行耦合。通常透鏡需要選擇消色差透鏡，為避免光譜裝置中出現嚴重色差影響光譜成像。
所述的像切分器基於影像地圖原理，作用於高光譜或多光譜成像中。像切分器置於前置系統的實像或虛像面處，幫助成像光譜儀迅速獲得光譜圖像而不需要掃描過程。本發明中的像切分器可由平面反射鏡，球面反射鏡以及自由曲面鏡等組成。每個子反射鏡均具有不同的二維偏向角，從而將不同視場的圖像重新排列在成像反射鏡組處。
所述的成像鏡組，由多個子鏡組成，每個子鏡與經過像切分器的子鏡一一匹配，達到成像的目的。成像鏡組可為一組或兩組反射鏡，每組的子鏡可為反射鏡或者透鏡。當成像鏡組由透鏡陣列組成時，需要考慮透鏡的色差以及透射率等問題；而當成像鏡組為反射鏡時，該系統不存在透射元件，因為色差為0，同時光能量損失較小。
像切分器和成像鏡組需要滿足與顯微鏡的光瞳銜接原則，因此當成像鏡組為一組鏡時，像切分器和成像鏡組之間的距離由鏡子的焦距決定為焦距和的絕對值，可滿足光瞳銜接的要求，使照明光平行入射到成像光譜儀中獲得最好的成像效果。若成像鏡組為兩組相互對應的鏡子，則需要考慮光瞳銜接問題設置兩組成像鏡。
所述的成像光譜儀為長狹縫或多狹縫成像光譜儀。該成像光譜儀置於成像鏡組的成像面處接收前置系統的入射光，通過準直鏡，色散元件及成像鏡獲得光譜圖像。
所述的光譜圖像融合重建模塊是通過計算圖像處理將切分後不同波長下的子圖像重新組合獲得完整的三維數據立方組。
本系統對不同視場進行切割並獲得光譜信息。
下面結合附圖和實施例，對本發明的具體實施方式做進一步描述，以下實施例用於說明本發明，但不用來限制本發明的範圍。
本發明方案中所設置的像切分器由n片具有相同曲率半徑，相同尺寸，不同二維偏向角的反射鏡組成。當待測物經過前置光學系統成像後到達像切分器時，由於每條鏡子的角度不同，對應的圖像將被反射到不同的位置以達到切割圖像的目的。
本發明提供的像切分器一共由n條球面反射鏡組成。像切分器置於前置系統的實像或虛像面處，幫助成像光譜儀迅速獲得光譜圖像而不需要掃描過程。本發明中的像切分器由n個曲率半徑相同，尺寸相同的條形球面鏡組成，每個球面鏡擁有不同的二維偏向角，從而將不同視場的光重新排列在成像反射鏡組處。
像切分器每條反射鏡的二維偏向角度決定了子像的位置以及成像鏡的擺放位置和角度。
由於像切分器是由球面鏡組成的，因此本發明的集成度很高，且可通過改變像切分器子反射鏡的曲率半徑調節像的尺寸。像切分器的材料為微晶玻璃，通過分子作用力使n個條狀鏡粘合。
被切分的圖像，將反射在對應的成像鏡組上，本發明中的成像鏡組可為單組鏡或雙組鏡分別如圖2,3所示。當成像鏡組為單組鏡時，該組鏡由n個曲率半徑相同，尺寸相同的條形面鏡或透鏡組成，每個球面鏡有不同的二維偏向角，並與像切分器的n個反射鏡一一對應，達到成像的目的。成像反射鏡組與像切分器垂直擺放，像切分器反射的光入射到成像反射鏡組，由其進行第二次反射，並在像面處成像獲得規律性排列的子圖像列。同時由兩處子反射鏡曲率和像距，可求得軸向放大率β。單組成像鏡組的曲率半徑將配合像切分器的曲率半徑，以達到校正畸變、球差等像差的目的。當成像鏡組為雙組鏡時，兩組鏡子為相互配合的反射鏡或透鏡，達到校正像差和銜接光瞳的目的。
本發明的像切分器和成像反射鏡均可為球面反射鏡，因此裝置的集成度很高，且可通過調節兩鏡的曲率半徑達到調節縮放比的目的。
舉例來說，當n＝5時，本發明的像切分器具有5個條狀球面反射鏡，並將圖像切割成五個子圖像成一字排列，如圖1所示圖像經過顯微鏡後到達像切分器，經過切割後，到達成像反射鏡組時的圖像如圖1所示，在像面上成像如圖12，最後由成像光譜儀獲得光譜圖像如圖13所示。從圖12中可以看出，該裝置成像效果極好，沒有明顯的畸變，球差，色差等像差。從圖14,15中的像質評價函數中同樣可見，本發明的像差校正非常成功。
經過圖像復原，可獲得完整的數據立方如圖6效果所示。