[发明专利]三维超光谱显微成像系统及成像方法

说明书

技术领域

本发明涉及光学与信息学的交叉技术领域，特别涉及一种三维超光谱显微成像系统及成像方法。

背景技术

随着生物学和材料科学的发展，越来越多的光学显微成像需要快速采集多维视觉信息，如空间维、光谱维和时间维，而不是传统的二维成像。高速超光谱体成像在多荧光标记动态过程观测、高通量层析、医药科学、变化环境下材料分析等领域都有重要应用。

虽然快速体成像、以及快速超光谱成像已经有了很大进展，但从未有人能够将两者同时实现，即在光学显微镜下的快速超光谱体成像。相关技术中，大部分方法为了能够在光学显微镜下实现样本高维信息的采集，都通过牺牲时间分辨率来换取轴向分辨率或光谱分辨率。例如，共聚焦显微、光片显微需要通过扫描实现三维样本重建。大部分超光谱显微镜同样需要采用逐点或逐线扫描整个三维样本才能实现三维与超光谱信息的同时获取。这对于观测生物学样本动态过程将存在局限性，为确保包括时间分辨率在内的五维数据采样，如何具备充足的瞬时数据吞吐量是一个极大的挑战。

同时，当需要将传统二维成像拓展到高速高维成像时，还将面临如何实现高维采样和以及保证光效率的问题，亟待解决。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种三维超光谱显微成像系统，该系统可以提高成像的适用性，并且极大地提升了用户的使用体验。

本发明的另一个目的在于提出一种三维超光谱显微成像方法。

为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种三维超光谱显微成像系统，包括：显微镜，用于对显微样本进行一级放大，并且从所述显微镜的像面引出口导出像面；光圈放大模块，用于将光圈平面放大至预设大小；成像透镜阵列，用于截取不同亚光圈平面，以生成不同角度的空间信息，使得所述成像透镜阵列中每个成像透镜后方形成所述显微样本对应角度的像，其中，所述每个成像透镜对应不同角度；宽带滤波片阵列，用于对所述空间信息进行宽带光谱调制；传感器阵列，所述传感器阵列中每个传感器与所述每个成像透镜及所述宽带滤波片阵列中每个宽带滤波片一一对应，用于采集所述显微样本在预设角度观测下经过光谱编码后生成的图像；控制器，用于控制所述传感器阵列同步触发以通过四维解卷积算法进行迭代恢复重建。

本发明实施例的三维超光谱显微成像系统，能够实现三维样本在不同宽带光谱调制下在不同角度上投影的采集，从而能够在相机帧率下完成样本四维(包括三维空间信息，以及一维光谱信息)的耦合采样，大大增加了光效率，并通过相机阵列的使用，确保了系统的瞬时数据吞吐量，保证数据的充分采样，实现光学显微下30赫兹三维超光谱视频的采集的目的，提高成像的适用性，并且极大地提升了用户的使用体验。

另外，根据本发明上述实施例的三维超光谱显微成像系统还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述宽带滤波片阵列具体用于对所述空间信息进行空间光谱的耦合调制。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述宽带滤波片阵列的光谱响应为宽带，以在需要重建的光谱范围内响应。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述传感器阵列中每个传感器的参数独立设置。

进一步地，在本发明的一个实施例中，传感器为RGB传感器。

为达到上述目的，本发明另一方面实施例提出了一种三维超光谱显微成像方法，包括以下步骤：将校正板放置在显微镜的像面引出口处，以通过传感器阵列采集数据，使用拍摄得到的图片进行几何校正，确保每传感器采集到图片对应同一视场，且像素逐一对应；对于需要使用透射式明场照明进行测量的半透明样本，在明场照明下，在样本位置处放置不同带通滤波片，以对照明光源的光谱进行校正；将显微样本放在显微镜的样本放置处；通过所述传感器阵列进行同步采集，其中，通过同步触发下的视频采集对动态样本进行采集；对于每一帧所述传感器阵列采集到的图片，使用四维解卷积算法进行迭代恢复重建；获取荧光样本的三维超光谱信息；在完成所述照明光源的光谱校正后，获取明场照明下的所述半透明样本的三维吸收率超光谱信息。

本发明实施例的三维超光谱显微成像方法，能够实现三维样本在不同宽带光谱调制下在不同角度上投影的采集，从而能够在相机帧率下完成样本四维(包括三维空间信息，以及一维光谱信息)的耦合采样，大大增加了光效率，并通过相机阵列的使用，确保了系统的瞬时数据吞吐量，保证数据的充分采样，实现光学显微下30赫兹三维超光谱视频的采集的目的，提高成像的适用性，并且极大地提升了用户的使用体验。