[發明專利]三維超光譜顯微成像系統及成像方法

在審

• 申請號: 201710031346.1
• 申請日: 2017-01-17
• 公開（公告）號: CN106770131A
• 公開（公告）日: 2017-05-31
• 發明（設計）人: 戴瓊海;吳嘉敏
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: G01N21/64
• 分類號: G01N21/64;G01N21/01
• 代理公司: 北京清亦華知識產權代理事務所(普通合伙)11201
• 代理人: 張潤

技術領域

本發明涉及光學與信息學的交叉技術領域，特別涉及一種三維超光譜顯微成像系統及成像方法。

背景技術

隨著生物學和材料科學的發展，越來越多的光學顯微成像需要快速采集多維視覺信息，如空間維、光譜維和時間維，而不是傳統的二維成像。高速超光譜體成像在多熒光標記動態過程觀測、高通量層析、醫藥科學、變化環境下材料分析等領域都有重要應用。

雖然快速體成像、以及快速超光譜成像已經有了很大進展，但從未有人能夠將兩者同時實現，即在光學顯微鏡下的快速超光譜體成像。相關技術中，大部分方法為了能夠在光學顯微鏡下實現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。例如，共聚焦顯微、光片顯微需要通過掃描實現三維樣本重建。大部分超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三維與超光譜信息的同時獲取。這對于觀測生物學樣本動態過程將存在局限性，為確保包括時間分辨率在內的五維數據采樣，如何具備充足的瞬時數據吞吐量是一個極大的挑戰。

同時，當需要將傳統二維成像拓展到高速高維成像時，還將面臨如何實現高維采樣和以及保證光效率的問題，亟待解決。

發明內容

本發明旨在至少在一定程度上解決相關技術中的技術問題之一。

為此，本發明的一個目的在于提出一種三維超光譜顯微成像系統，該系統可以提高成像的適用性，并且極大地提升了用戶的使用體驗。

本發明的另一個目的在于提出一種三維超光譜顯微成像方法。

為達到上述目的，本發明一方面實施例提出了一種三維超光譜顯微成像系統，包括：顯微鏡，用于對顯微樣本進行一級放大，并且從所述顯微鏡的像面引出口導出像面；光圈放大模塊，用于將光圈平面放大至預設大小；成像透鏡陣列，用于截取不同亞光圈平面，以生成不同角度的空間信息，使得所述成像透鏡陣列中每個成像透鏡后方形成所述顯微樣本對應角度的像，其中，所述每個成像透鏡對應不同角度；寬帶濾波片陣列，用于對所述空間信息進行寬帶光譜調制；傳感器陣列，所述傳感器陣列中每個傳感器與所述每個成像透鏡及所述寬帶濾波片陣列中每個寬帶濾波片一一對應，用于采集所述顯微樣本在預設角度觀測下經過光譜編碼后生成的圖像；控制器，用于控制所述傳感器陣列同步觸發以通過四維解卷積算法進行迭代恢復重建。

本發明實施例的三維超光譜顯微成像系統，能夠實現三維樣本在不同寬帶光譜調制下在不同角度上投影的采集，從而能夠在相機幀率下完成樣本四維(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，并通過相機陣列的使用，確保了系統的瞬時數據吞吐量，保證數據的充分采樣，實現光學顯微下30赫茲三維超光譜視頻的采集的目的，提高成像的適用性，并且極大地提升了用戶的使用體驗。

另外，根據本發明上述實施例的三維超光譜顯微成像系統還可以具有以下附加的技術特征：

進一步地，在本發明的一個實施例中，所述寬帶濾波片陣列具體用于對所述空間信息進行空間光譜的耦合調制。

進一步地，在本發明的一個實施例中，所述寬帶濾波片陣列的光譜響應為寬帶，以在需要重建的光譜范圍內響應。

進一步地，在本發明的一個實施例中，所述傳感器陣列中每個傳感器的參數獨立設置。

進一步地，在本發明的一個實施例中，傳感器為RGB傳感器。

為達到上述目的，本發明另一方面實施例提出了一種三維超光譜顯微成像方法，包括以下步驟：將校正板放置在顯微鏡的像面引出口處，以通過傳感器陣列采集數據，使用拍攝得到的圖片進行幾何校正，確保每傳感器采集到圖片對應同一視場，且像素逐一對應；對于需要使用透射式明場照明進行測量的半透明樣本，在明場照明下，在樣本位置處放置不同帶通濾波片，以對照明光源的光譜進行校正；將顯微樣本放在顯微鏡的樣本放置處；通過所述傳感器陣列進行同步采集，其中，通過同步觸發下的視頻采集對動態樣本進行采集；對于每一幀所述傳感器陣列采集到的圖片，使用四維解卷積算法進行迭代恢復重建；獲取熒光樣本的三維超光譜信息；在完成所述照明光源的光譜校正后，獲取明場照明下的所述半透明樣本的三維吸收率超光譜信息。

本發明實施例的三維超光譜顯微成像方法，能夠實現三維樣本在不同寬帶光譜調制下在不同角度上投影的采集，從而能夠在相機幀率下完成樣本四維(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，并通過相機陣列的使用，確保了系統的瞬時數據吞吐量，保證數據的充分采樣，實現光學顯微下30赫茲三維超光譜視頻的采集的目的，提高成像的適用性，并且極大地提升了用戶的使用體驗。