本發(fā)明涉及光學及信息學技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種快速三維多光譜顯微成像系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著生物學和材料科學的蓬勃發(fā)展，越來越多的應用需要快速采集多維視覺信息的能力，包括空間維、光譜維和時間維，而不僅僅是傳統(tǒng)的二維成像?？焖偃S多光譜顯微技術(shù)在多熒光標記動態(tài)過程觀測、高通量層析、醫(yī)藥科學、變化環(huán)境下材料分析等領(lǐng)域都有著重要應用。

雖然快速三維成像、以及快速高光譜成像已經(jīng)有了很大進展，但是在保證速度的前提下將兩者同時實現(xiàn)，即在單次曝光下就能恢復顯微樣本的三維以及多光譜信息仍然是現(xiàn)在的一大技術(shù)難點。大部分方法為了能夠在光學顯微鏡下實現(xiàn)樣本高維信息的采集，都通過犧牲時間分辨率來換取軸向分辨率或光譜分辨率，比如共聚焦顯微、光片顯微需要通過掃描實現(xiàn)三維樣本重建。大部分高光譜顯微鏡同樣需要采用逐點或逐線掃描整個三維樣本才能實現(xiàn)三維與高光譜信息的同時獲取。這對于觀測生物學樣本動態(tài)過程存在著極大的局限性。而通過相機陣列的快速三維高光譜顯微成像技術(shù)一定程度上犧牲了空間分辨率，同時需要大量昂貴的相機來搭建較為龐大的系統(tǒng)，仍然有著很大的改進空間。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在至少解決上述技術(shù)問題之一。

為此，本發(fā)明的目的在于提出一種快速三維多光譜顯微成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠在單張圖像中完成對待測顯微物體的三維信息及多光譜信息的同時恢復，大大提升了光效率。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的實施例提出了一種快速三維多光譜顯微成像系統(tǒng)，包括：顯微鏡，用于將顯微樣本進行一級放大，將像面從像面引出口導出以便后級進行分束編碼；視場光闌模塊，用于限制后級成像視場，以便進行光路調(diào)節(jié)；一維分束光柵模塊，與所述視場光闌模塊之間通過4F系統(tǒng)繼接，用于將分束光柵放置在像面位置，并根據(jù)需要的軸向?qū)訑?shù)選擇分束的個數(shù)；相位調(diào)制模塊，用于對不同角度的光束進行不同的相位調(diào)制，以使最終采集時對應不同的點擴散函數(shù)；閃耀光柵色散模塊，與所述一維分束光柵模塊之間通過4F系統(tǒng)繼接，位于像面位置，在與分束光柵正交的維度上進行色散，以使光譜信息映射到一維角度上；微透鏡陣列模塊，與閃耀光柵色散模塊之間通過4F系統(tǒng)繼接，位于像面位置，以使不同角度的光束通過所述微透鏡陣列模塊后對應到微透鏡陣列模塊后焦面的不同位置；像感器，用于對所述微透鏡陣列模塊的后焦面進行成像。

另外，根據(jù)本發(fā)明上述實施例的快速三維多光譜顯微成像系統(tǒng)還可以具有如下附加的技術(shù)特征：

在一些示例中，所述相位調(diào)制模塊設(shè)置在通過分束光柵后的4F系統(tǒng)中間的傅立葉平面上。

在一些示例中，所述相位調(diào)制模塊用于采用不同焦距的透鏡陣列，進行不同對焦位置的相位調(diào)制，以使復制的不同光束在后級像面上對應不同深度的成像平面。

在一些示例中，所述像感器與所述微透鏡陣列模塊之間通過4F系統(tǒng)或者預設(shè)繼接鏡頭進行繼接。

在一些示例中，還包括：處理模塊，所述處理模塊用于對所述快速三維多光譜顯微成像系統(tǒng)采集的耦合數(shù)據(jù)進行重建恢復，以得到所述顯微樣本的三維高光譜信息。

在一些示例中，所述閃耀光柵色散模塊為阿米西棱鏡或三棱鏡。

在一些示例中，所述像感器為單色像感器。

在一些示例中，所述一維分束光柵模塊的分束個數(shù)可調(diào)。

在一些示例中，采集光譜譜段與所述一維分束光柵模塊的分束個數(shù)保持一致。

在一些示例中，通過所述一維分束光柵后擴展的數(shù)值孔徑與通過閃耀光柵后擴展的數(shù)值孔徑保持一致。

根據(jù)本發(fā)明實施例的快速三維多光譜顯微成像系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)三維樣本在不同光譜下在不同深度上信息的同時采集，從而能夠使用單相機的單次曝光下完成樣本四維(包括三維空間信息，以及一維光譜信息)的耦合采樣，大大增加了光效率。

本發(fā)明的附加方面和優(yōu)點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實踐了解到。

附圖說明

本發(fā)明的上述和/或附加的方面和優(yōu)點從結(jié)合下面附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中：

圖1根據(jù)本發(fā)明實施例的快速三維多光譜顯微成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖；

圖2是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的快速三維多光譜顯微成像系統(tǒng)的光路示意圖。

具體實施方式

下面詳細描述本發(fā)明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對本發(fā)明的限制。

在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術(shù)語“中心”、“縱向”、“橫向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”、“內(nèi)”、“外”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明的限制。此外，術(shù)語“第一”、“第二”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性。

在本發(fā)明的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規(guī)定和限定，術(shù)語“安裝”、“相連”、“連接”應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內(nèi)部的連通。對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以具體情況理解上述術(shù)語在本發(fā)明中的具體含義。

以下結(jié)合附圖描述根據(jù)本發(fā)明實施例的快速三維多光譜顯微成像系統(tǒng)。

圖1是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的快速三維多光譜顯微成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。如圖1所示，該快速三維多光譜顯微成像系統(tǒng)包括：顯微鏡100、視場光闌模塊200、一維分束光柵模塊300、相位調(diào)制模塊400、閃耀光柵色散模塊500、微透鏡陣列模塊600及像感器700。

其中，顯微鏡100用于將顯微樣本進行一級放大，將像面從像面引出口導出以便后級進行分束編碼。

視場光闌模塊200用于限制后級成像視場，以便進行光路調(diào)節(jié)。

一維分束光柵模塊300與視場光闌模塊200之間通過4F系統(tǒng)繼接，用于將分束光柵放置在像面位置，并根據(jù)需要的軸向?qū)訑?shù)選擇分束的個數(shù)。例如，如果需要11層軸向采集，則可以選擇1*11的分束光柵。

其中，4F系統(tǒng)例如為有兩個焦距為F的透鏡，其相距2F，物距為F，相距也為F。

相位調(diào)制模塊400用于對不同角度的光束進行不同的相位調(diào)制，以使最終采集時對應不同的點擴散函數(shù)。

在本發(fā)明的一個實施例中，相位調(diào)制模塊400例如設(shè)置在通過分束光柵后的4F系統(tǒng)中間的傅立葉平面上。

在本發(fā)明的一個實施例中，相位調(diào)制模塊400用于采用不同焦距的透鏡陣列，進行不同對焦位置的相位調(diào)制，以使復制的不同光束在后級像面上對應不同深度的成像平面。

閃耀光柵色散模塊500與一維分束光柵模塊300之間通過4F系統(tǒng)繼接，位于像面位置，在與分束光柵正交的維度上進行色散，以使光譜信息映射到一維角度上。

在本發(fā)明的一個實施例中，閃耀光柵色散模塊500實質(zhì)可以通過其他的色散方式進行體會，可以達到同樣的效果。具體地，閃耀光柵色散模塊500例如為阿米西棱鏡或三棱鏡等。

微透鏡陣列模塊600與閃耀光柵色散模塊500之間通過4F系統(tǒng)繼接，位于像面位置，以使不同角度的光束通過微透鏡陣列模塊后對應到微透鏡陣列模塊后焦面的不同位置。

像感器700用于對微透鏡陣列模塊600的后焦面進行成像。具體地，例如，像感器700與微透鏡陣列模塊600之間通過4F系統(tǒng)或者預設(shè)繼接鏡頭進行繼接。其中，預設(shè)繼接鏡頭例如為本領(lǐng)域普通的繼接鏡頭。

需要注意的是，如果選擇11層不同深度的同時采集，則對應采集的光譜通道也為11個，進一步需要使得微透鏡陣列模塊600中的一個微透鏡對應后級的11*11的像素，另外整個系統(tǒng)的數(shù)值孔徑，包括微透鏡陣列模塊600的以及顯微鏡100的數(shù)值孔徑大小都需要進行孔徑匹配。特別注意的是，通過一維分束光柵后擴展的數(shù)值孔徑與通過閃耀光柵后擴展的數(shù)值孔徑保持一致。

在本發(fā)明的一個實施例中，像感器700例如均為單色像感器。

在本發(fā)明的一個實施例中，該系統(tǒng)例如還包括處理模塊(圖中未示出)。處理模塊用于對快速三維多光譜顯微成像系統(tǒng)采集的耦合數(shù)據(jù)進行重建恢復，以得到顯微樣本的三維高光譜信息。具體地，通過從微透鏡陣列模塊600后的圖像中尋找對應點，來獲取不同譜段下經(jīng)過不同相位調(diào)制的多張圖片，即整個周期性分布的微透鏡陣列對整個樣本進行空間上二維的采樣，每一微透鏡后的像素，分別對應樣本特定橫向位置下特定波段下特定深度的光強。通過對像素進行抽取重組，可以快速的獲得不同深度下不同譜段的四維信息，即顯微樣本的三維多光譜數(shù)據(jù)。

在本發(fā)明的一個實施例中，一維分束光柵模塊300的分束個數(shù)可調(diào)。基于此，采集光譜譜段與一維分束光柵模塊300的分束個數(shù)保持一致。例如，一維分束光柵模塊300選擇的分束維度為1*5維，實際使用的分束維度可以根據(jù)用戶選擇進行調(diào)整，確保一維分束即可。與之對應地，采集光譜譜段為對應的5個譜段，實際選擇的采集光譜譜段只需要與分束個數(shù)保持一致即可。

在具體實施例中，本發(fā)明實施例的快速三維多光譜顯微成像系統(tǒng)既能應用于熒光成像中，也能應用于明場成像中。

也就是說，本發(fā)明上述實施例的快速三維多光譜顯微成像系統(tǒng)的主要構(gòu)成及原理可概述為：該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)快速三維多光譜顯微成像，在對傳統(tǒng)顯微鏡進行簡單的改造后，能夠在相機幀率下同時采集到顯微樣本的三維信息與多光譜信息，是一種對五維信號(三維空間信息，一維光譜信息，一維時間信息)的成像技術(shù)。該系統(tǒng)包括：通過像面引出口，將顯微樣本進行第一級放大的顯微鏡；限制視場大小的視場光闌，下一級像面位置擺放一維分束光柵，并在之后的傅立葉平面位置放置相位調(diào)制器使得不同光束對應的相位調(diào)制不同，產(chǎn)生不同的點擴散函數(shù)；進一步在下一級像面位置放置衍射光柵將不同光譜信息映射到與分束不同的另一維不同角度上，并將像面進一步放大至下一級微透鏡陣列上，使得擴展的數(shù)值孔徑與微透鏡的數(shù)值孔徑相匹配；最后將微透鏡陣列的后焦面成像至像感器上。進一步通過在每一光譜譜段上利用不同的點擴散函數(shù)進行三維解卷積算法，就能夠在三維層面上高分辨計算重構(gòu)樣本每個體素的多光譜信息。該系統(tǒng)通過簡單的系統(tǒng)改造就首次實現(xiàn)了單相機下，30赫茲三維多光譜視頻的采集，由此可以實現(xiàn)多種熒光標記下的快速三維成像，去除熒光混疊與自發(fā)熒光，以及明場下多種生物以及材料的三維光譜成分分析，極大地提升了用戶的使用體驗。

根據(jù)本發(fā)明實施例的快速三維多光譜顯微成像系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)三維樣本在不同光譜下在不同深度上信息的同時采集，從而能夠使用單相機的單次曝光下完成樣本四維(包括三維空間信息，以及一維光譜信息)的耦合采樣，大大增加了光效率。

為了便于更好地理解本發(fā)明，以下結(jié)合圖2，以具體的實施例對本發(fā)明上述實施例的快速三維多光譜顯微成像系統(tǒng)做進一步詳細描述。

在本實施例中，結(jié)合圖2，該系統(tǒng)例如包括：顯微鏡100、視場光闌模塊200、一維分束光柵模塊300、一維相位調(diào)制模塊400，一維閃耀光柵色散模塊500、微透鏡陣列模塊600和像感器700。

具體地，結(jié)合圖2所示，顯微鏡100通過顯微鏡的像面引出口將顯微樣本106經(jīng)過物鏡105、平面鏡102和套管透鏡101所構(gòu)成的放大像面引出，使用傳統(tǒng)熒光激發(fā)模塊103和分光鏡104進行熒光激發(fā)。在像面位置放置視場光闌模塊200，限制總體視場大小，便于系統(tǒng)調(diào)節(jié)。進一步通過一個4F系統(tǒng)201繼接像至一維分束光柵模塊300。將原像面在角度上進行一維復制多個，圖中光線描述出了其中三個。進一步通過另一個4F系統(tǒng)401，在該4F系統(tǒng)401的傅立葉平面位置放置一維相位調(diào)制陣列，對之前復制的多個像進行不同的相位調(diào)制，使得他們在成像面具備不同的點擴散函數(shù)，圖2中所示為1*5的不同焦距透鏡陣列。在4F系統(tǒng)401的下一級像面位置放置閃耀光柵使得成像面在角度上的另一個維度進行大角度的色散，從而在角度域的另一維度獲得光譜信息。進一步通過又一個4F系統(tǒng)501將像面繼接至微透鏡陣列模塊600上。其中4F系統(tǒng)501的傅立葉平面上的放大示意圖如圖2中的502所示，使得原有的傅立葉平面在二維上進行了擴展，一個維度上對應不同的光譜信息，另一個維度上對應不同的深度信息，從而完成了四維信息的編碼。進一步通過微透鏡陣列模塊600能夠進行二維空間與二維角度這一四維信息進行采樣的性質(zhì)，完成三維空間與一維光譜的同時采樣。通過放置在微透鏡陣列模塊600后焦面的像感器700，進行最終圖像采集，完成三維多光譜信息的采集。其中，上述的4F系統(tǒng)201、4F系統(tǒng)401及4F系統(tǒng)501例如是相同的。

在本實施例中，上述的顯微鏡100既可以是傳統(tǒng)的商業(yè)顯微鏡，也可以根據(jù)不同應用選擇倒置顯微鏡，也可以是正置顯微鏡，并不局限于示意圖2中所示的倒置顯微鏡形式，其構(gòu)成以及作用對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言都是已知的，此處不再詳細贅述。

進一步，在本實施例中，通過對上述系統(tǒng)采集到的空間與光譜耦合采樣的圖片的處理，恢復顯微樣本三維高光譜信息(四維信息)的計算過程。首先對采集到的圖像進行標定，如要實現(xiàn)5個不同深度，5個不同譜段的同時采樣，則需要使得一個微透鏡陣列對應像感器上的5*5的像素。通過對像感器的微小平移完成初步調(diào)試，進一步標定使得這一對準完成。像感器上的每一像素分別對應特定深度特定譜段下的特定空間位置的采樣。通過間差提取的方式，可以快速地獲得不同深度不同譜段的下的二維圖像。進一步對于不同譜段下的三維圖像可以使用傳統(tǒng)三維解卷積算法利用焦堆棧圖像能夠恢復出高分辨立體圖像。

在本發(fā)明實施例的系統(tǒng)中，特別需要注意的是整體系統(tǒng)的數(shù)值孔徑的匹配。物鏡本身提供的數(shù)值孔徑，在通過一維分束光柵以及閃耀光柵時，都會在各自維度上發(fā)生數(shù)值孔徑的擴展，兩者的擴展程度需要保持一致，同時需要與微透鏡陣列的數(shù)值孔徑相等，才能使得最終成像面不出現(xiàn)混疊或者采樣不足的情況。

綜上，本發(fā)明實施例的快速三維多光譜顯微成像系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)單相機下單次曝光采集高分辨率和高精度的多光譜三維數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了一種光學顯微下的五維成像技術(shù)。該系統(tǒng)首次實現(xiàn)了單相機的多光譜立體視頻采集系統(tǒng)，具有很廣闊的應用前景。與傳統(tǒng)時域掃描方法相比，該系統(tǒng)能夠?qū)⒐鈱W設(shè)計和計算重構(gòu)相結(jié)合，充分利用了視覺信息的稀疏性，減少了采樣時間，避免了熒光樣本漂白。

在本說明書的描述中，參考術(shù)語“一個實施例”、“一些實施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結(jié)合該實施例或示例描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點包含于本發(fā)明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術(shù)語的示意性表述不一定指的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點可以在任何的一個或多個實施例或示例中以合適的方式結(jié)合。

盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實施例，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以理解：在不脫離本發(fā)明的原理和宗旨的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換和變型，本發(fā)明的范圍由權(quán)利要求及其等同限定。