CN108287021B - 一种双通道超光谱显微成像装置及获取不同阶段光谱信息方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双通道超光谱显微成像装置及获取不同阶段光谱信息方法。装置由成像对象、倒置光学显微镜、光准直系统、声光滤波系统、光分束器、光谱检测系统、成像系统以及计算机控制与分析系统组成，成像对象、倒置光学显微镜、光准直系统、双通道声光滤波系统、光分束器依次连接，光谱检测系统、成像系统分别与光分束器、计算机控制与分析系统相连，同时计算机控制与分析系统还与双通道声光滤波系统相连。成像对象成像后进入光准直系统并进行缩束和准直；双通道声光滤波系统进行声光滤波；光分束器将滤波光束分为两束光，并送至计算机控制与分析系统，完成分析以及存储，同时提取成像对象两个不同波段处的光谱。

Description

一种双通道超光谱显微成像装置及获取不同阶段光谱信息 方法

技术领域

本发明涉及一种光学显微成像领域，具体说是一种双通道超光谱显微成像装置及获取不同阶段光谱信息方法。

背景技术

利用光学显微成像方法可以获取目标对象的可视化显微信息，对于医疗健康、农业生产、物理学、化学以及材料学等等领域都有着十分重要的意义。光学显微成像手段多种多样，并且都具有各自的特点和优势。比如，相称显微成像法利用相差技术可以对光透明介质进行高对比度成像,为细胞等透明物体显微成像提供了一种新方法。但是利用相称显微成像法在成像过程中,会有晕轮效应以及相位反转问题,另外,相称显微成像法对样品的厚度有要求，一般不能超过5微米，这极大限制了相称显微法的应用领域。双光子荧光显微成像技术空间分辨率高，可以达到微米量级，激发光源为红外波段长波激光，对生物组织的光损伤小。但双光子荧光显微成像技术，机制复杂，对激光器的性能要求高，设备十分昂贵，并且成像的深度有限，一般在毫米量级，因此，其实际应用前景还不明朗。另外，激光扫描共聚焦显微成像技术，成像的分辨本领比普通的光学显微镜高，成像中杂散光和衍射光可以得到有效的抑制，成像质量好。但是，成像过程中，容易对生物组织造成光损伤，不适合活体组织的成像。

将声光滤波技术与光学显微成像技术相结合，可以实现成像对象的超光谱显微成像，该方法可以同时获取成像对象的高分辨率图像信息与光谱信息，激发光源为普通宽带光，不需要激光作为光源。论文《The visible to the near infrared narrow bandacousto-optic tunable filter and the hyperspectralmicroscopic imaging onbiomedicine study》和专利（一种显微超光谱成像系统）提出了基于声光滤波技术的超光谱显微成系统。该技术克服了传统光学显微成像无法获取成像对象光谱信息的不足。目前，基于声光滤波的超光谱显微成像过程中，虽然可以同时获取成像对象的图像和光谱信息，但是获得的光谱为单一波段，每一幅超光谱显微图像只包含成像对象某一特定波段的信息，这限制了超光谱技术对成像对象的光谱信息提取能力，势必会影响对成像对象的结构识别及其成分分析。

因此，如何同时提取成像对象不同波段的光谱信息，在一幅超光谱显微图像中获取成像对象更丰富的光谱信息，是超光谱显微成像领域关心的问题。

发明内容

本发明的目的是克服上述不足，在基于声光滤波技术的超光谱显微成像中，采用双通道射频源输出两个不同频率的射频信号，同时驱动声光滤波器，同时获得具有不同中心波长的两个声光滤波信号，在同一幅超光谱显微图像上就可以同时获取成像对象在两个不同波段的光谱信息。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：装置由成像对象、倒置光学显微镜、光准直系统、双通道声光滤波系统、光分束器、光谱检测系统、成像系统以及计算机控制与分析系统组成，成像对象、倒置光学显微镜、光准直系统、双通道声光滤波系统、光分束器依次连接，光谱检测系统、成像系统并联连接后分别与光分束器、计算机控制与分析系统相连，同时计算机控制与分析系统还与双通道声光滤波系统相连。

成像对象置于倒置光学显微镜的载物台上，来自倒置光学显微镜光源的宽带光经成像对象后，由倒置光学显微镜的物镜接收，经出光口后由光准直系统进行缩束和准直，准直光束经声光滤波系统进行双通道声光滤波，滤波光束经光分束器后，分成光束1和光束2，光束1和光束2的光强比为1:19。光束1到达光谱检测系统提取其光谱信息，光束2到达成像系统进行超光谱显微成像。来自光谱检测系统的光谱信息和来自成像系统的超光谱显微图像信息由计算机控制与分析系统接收和存储；计算机控制与分析系统通过控制软件控制声光滤波系统、光谱检测系统以及成像系统的参数，实现成像对象光谱信息以及超光谱显微图像信息的最佳获取，形成完整的光路-光信号连接。

所述的成像对象为一般的生物组织非染色切片。

所述的倒置光学显微镜，为一般的倒置光学显微镜，由宽带光源、载物台、显微物镜以及目镜等组成。宽带光源发出的光束经成像对象后透射光束经显微镜出光口输出，到达光准直系统进行缩束和准直。

所述的光准直系统由凸透镜组和凹透镜组组成，来自显微镜出光口的光束经光准直系统汇聚并准直后形成平行光束，进入声光滤波系统进行双通道声光滤波。

所述的声光滤波系统位于光准直系统的后方，由声光滤波器和双通道射频源组成。声光滤波器接收光准直系统输出的平行光束并对其进行声光滤波，双通道射频源可以同时输出两个不同频率的射频信号，并同时加载到声光滤波器上，双通道射频源与声光滤波器之间通过射频线连接。

所述的光学分束器为K9光学玻璃片，将来自声光滤波系统的滤波光束分成光束1和光束2，光束1和光束2的光强比为1:19。光束1到达光谱检测系统提取其光谱信息，光束2到达成像系统进行超光谱显微成像。

所述的光谱检测系统为光纤光栅光谱仪，包含光纤探头、分光光栅以及高灵敏度光电二极管阵列，在可见光范围内的光谱分辨率为0.2nm，光纤探头接收来自光学分束器的光束1送入分光光栅进行分光，滤波光束经分光光栅分光后到达光电二极管阵列，光电二极管阵列将测量滤波光束中不同波长信号光的强度，并将数据送入计算机控制与分析系统。

所述的成像系统由焦距可调的成像镜头以及ICCD组成。来自光学分束器的光束2经焦距可调的成像镜头汇聚并成像于ICCD的感光面上，进行超光谱显微成像，成像数据送入计算机控制与分析系统。

所述的计算机控制与分析系统由PC机构成，并通过USB连接线分别与双通道射频源、光谱检测系统以及成像系统连接。PC机内置双通道射频源控制用软件、光谱检测系统控制用软件、成像系统控制用软件，以及数据分析软件。PC机利用双通道射频源控制用软件、光谱检测系统控制软件以及成像系统控制用软件，分别对多通道射频源、光谱检测系统以及成像系统进行参数调整与控制； PC机接收来自光谱检测系统的光谱数据以及来自成像系统的超光谱显微图像，并通过数据分析软件对光谱数据以及超光谱显微图像进行分析以及存储，完成双通道超光谱显微成像过程。

基于上述的硬件设备及控制软件，获取不同阶段光谱信息方法通过以下方式实现：倒置光学显微镜对成像对象进行宽带亮场显微，经成像对象透射的成像光束经倒置光学显微镜出光口进入光准直系统；光准直系统收集来自倒置光学显微镜的成像光束，对其进行缩束和准直；双通道声光滤波系统对经光准直系统缩束并准直后的平行光束进行双通道声光滤波，滤波光束包含成像对象在两个不同波段的光谱信息；光分束器接收来自双通道声光滤波系统的滤波光束将其分为光束1和光束2两束，光束1和光束2的强度比为1:19；光谱检测系统接收光束1，提取其光谱信息，送至计算机控制与分析系统；成像系统接收光束2，进行超光谱显微成像，将超光谱显微图像数据送至计算机控制与分析系统；计算机控制与分析系统接收来自光谱检测系统以及成像系统的光谱以及超光谱显微图像数据，完成分析以及存储；计算机控制与分析系统，通过双通道射频源控制用软件，控制双通道射频源输出的两个射频信号的频率，改变声光滤波系统输出的滤波光束光谱，同时提取成像对象两个不同波段处的光谱，通过光谱检测系统对成像对象的光谱信息进行最佳检测，并利用成像系统获取相应的超光谱显微图像，完成双通道超光谱显微成像过程。

本发明解决了传统声光滤波超光谱显微成像中，只能获取成像对象单一波段光谱信息及其超光谱显微图像的不足，利用双通道射频源同时产生两个不同频率的射频信号，通过声光滤波器同时提取成像对象在两个不同波段的光谱，同时获取成像对象更丰富的光谱以及显微图像信息。该系统的稳定性好、控制方便，根据成像对象的不同特性，可以进行滤波光束两个波段中心波长的连续调节或随机选取（101）。

附图说明

附图1是双通道超光谱显微成像装置图。

附图2是双通道超光谱显微成像流程图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明

图1中，101是成像对象，102是倒置光学显微镜，103是光准直系统，104是双通道声光滤波系统，105是光分束器，106是光谱检测系统，107是成像系统，108是计算机控制与分析系统。其中成像对象（101）、倒置光学显微镜（102）、光准直系统（103）、双通道声光滤波系统、光分束器（105）依次连接，光谱检测系统、成像系统（107）并联连接后分别与光分束器（105）、计算机控制与分析系统（108）相连，同时计算机控制与分析系统（108）还与双通道声光滤波系统（104）相连。

为了更详细的描述本系统，结合图2对具体的双通道超光谱显微成像过程作如下说明：

步骤201：系统开，即整个系统的信息初始化，主要包括倒置光学显微镜、双通道声光滤波系统（104）中双通道射频源、光谱检测系统（106）以及成像系统（107）的默认参数设置以及计算机控制与分析系统（108）控制用软件的开启。

步骤202：根据对成像对象（101）的成像需求，对倒置光学显微镜、光准直系统（103）以及双通道声光滤波系统（104）进行参数的设置。

步骤203：将经双通道声光滤波系统（104）出射的滤波光束进行分束，分为强度比为1:19的光束1和光束2，光束1进入光谱检测系统（106），光束2进入成像系统（107）。

步骤204：调整光谱检测系统（106）的参数，对光束1进行光谱信息的提取；调整成像系统（107）的参数利用光束2进行超光谱显微成像。

步骤205：利用计算机分析与控制系统（108）对成像结果进行分析处理，根据图像的位置、成像清晰度以及滤波信号的光谱信息等，对前端光学系统进行参数调整，获得更好的成像清晰度；对双通道声光滤波系统（104）中射频源输出的两个射频信号的频率进行独立调整，同时提取成像对象（101）在两个不同波段的光谱信息；对光谱探测系统进行参数调节，保证光谱信息的最佳检测；对成像系统（107）进行参数调节，以获取目标对象清晰的超光谱显微图像。

步骤206：对获得的双通道超光谱显微成像结果进行存储，双通道超光谱显微成像过程结束。

Claims (9)

1.一种双通道超光谱显微成像装置，其特征在于：

1）装置由成像对象、倒置光学显微镜、光准直系统、声光滤波系统、光分束器、光谱检测系统、成像系统以及计算机控制与分析系统组成，成像对象、倒置光学显微镜、光准直系统、双通道声光滤波系统、光分束器依次连接，光谱检测系统、成像系统并联连接后分别与光分束器、计算机控制与分析系统相连，同时计算机控制与分析系统还与双通道声光滤波系统相连；

2）获取不同阶段光谱信息具体方法：倒置光学显微镜对成像对象进行宽带亮场显微，经成像对象透射的成像光束经倒置光学显微镜出光口进入光准直系统；光准直系统收集来自倒置光学显微镜的成像光束，对其进行缩束和准直；双通道声光滤波系统对经光准直系统缩束并准直后的平行光束进行双通道声光滤波，滤波光束包含成像对象在两个不同波段的光谱信息；光分束器接收来自双通道声光滤波系统的滤波光束将其分为光束1和光束2两束，光束1和光束2的强度比为1:19；光谱检测系统接收光束1，提取其光谱信息，送至计算机控制与分析系统；成像系统接收光束2，进行超光谱显微成像，将超光谱显微图像数据送至计算机控制与分析系统；计算机控制与分析系统接收来自光谱检测系统以及成像系统的光谱以及超光谱显微图像数据，完成分析以及存储；计算机控制与分析系统，通过双通道射频源控制用软件，控制双通道射频源输出的两个射频信号的频率，改变声光滤波系统输出的滤波光束光谱，同时提取成像对象两个不同波段处的光谱，通过光谱检测系统对成像对象的光谱信息进行最佳检测，并利用成像系统获取相应的超光谱显微图像，完成双通道超光谱显微成像过程。

2.根据权利要求1所述的一种双通道超光谱显微成像装置，其特征在于所述的成像对象为一般的生物组织非染色切片。

3.根据权利要求1所述的一种双通道超光谱显微成像装置，其特征在于所述的倒置光学显微镜，为一般的倒置光学显微镜，由宽带光源、载物台、显微物镜以及目镜等组成。

4.根据权利要求1所述的一种双通道超光谱显微成像装置，其特征在于所述的光准直系统由凸透镜组和凹透镜组组成，来自显微镜出光口的光束经光准直系统汇聚并准直后形成平行光束，进入声光滤波系统进行双通道声光滤波。

5.根据权利要求1所述的一种双通道超光谱显微成像装置，其特征在于所述的声光滤波系统位于光准直系统的后方，由声光滤波器和双通道射频源组成，双通道射频源与声光滤波器之间通过射频线连接。

6.根据权利要求1所述的一种双通道超光谱显微成像装置，其特征在于所述的光分束器为K9光学玻璃片，将来自声光滤波系统的滤波光束分成光束1和光束2，光束1和光束2的光强比为1:19，光束1到达光谱检测系统提取其光谱信息，光束2到达成像系统进行超光谱显微成像。

7.根据权利要求1所述的一种双通道超光谱显微成像装置，其特征在于所述的光谱检测系统为光纤光栅光谱仪，包含光纤探头、分光光栅以及高灵敏度光电二极管阵列，在可见光范围内的光谱分辨率为0.2nm，光纤探头接收来自光分束器的光束1送入分光光栅进行分光，滤波光束经分光光栅分光后到达光电二极管阵列，光电二极管阵列将测量滤波光束中不同波长信号光的强度，并将数据送入计算机控制与分析系统。

8.根据权利要求1所述的一种双通道超光谱显微成像装置，其特征在于所述的成像系统由焦距可调的成像镜头以及ICCD组成，来自光分束器的光束2经焦距可调的成像镜头汇聚并成像于ICCD的感光面上，进行超光谱显微成像，成像数据送入计算机控制与分析系统。

9.根据权利要求1所述的一种双通道超光谱显微成像装置，其特征在于所述的计算机控制与分析系统由PC机构成，并通过USB连接线分别与双通道射频源、光谱检测系统以及成像系统连接；PC机内置双通道射频源控制用软件、光谱检测系统控制用软件、成像系统控制用软件，以及数据分析软件。

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