[发明专利]像面干涉高光谱显微成像装置和方法

说明书

技术领域

本发现涉及显微高光谱成像领域，具体是一种显微成像技术和干涉成像光谱技术相结合的高光谱显微成像装置和方法。

背景技术

光谱分析是自然科学中一种重要的研究手段，光谱技术能检测到被测物体的物理结构和化学成分等信息。光谱成像技术是光谱分析技术和图像分析技术完美结合的产物，它不仅具有光谱分辨能力，还有图像分辨能力，可以对目标进行定性、定量和定位分析。干涉成像光谱技术是光谱成像领域中一种前沿的光谱探测技术，它利用干涉图与光源光谱图之间存在的傅里叶变换关系，通过对干涉图进行傅里叶变换反演得到光谱图，在军事和民用领域具有极大的应用价值和广阔的发展前景。

光学显微镜是一种精密的光学仪器，至今已有300多年的历史。目前，作为人类研究微小物体的基本工具，光学显微镜仍在生物医学、药学、细胞遗传学、材料科学等领域发挥着重要作用。然而，随着人们对显微探测技术的要求进一步提高，传统的光学显微镜都只能提供微小物体的空间信息，并不能给出物体中物质结构和成分的进一步细节。这就给显微系统在某些场合的应用受到限制。

显微成像光谱技术是在显微成像技术的基础上引入目前迅速发展的光谱成像理论而得到的一种新型的光学探测技术。现有的显微光谱成像方法从分光技术上可分为两类，一类是采用可调谐滤光片作为分光手段，将照明光分为不同波长进行扫描，因此单次显微图像摄取只能获得某一特定波长照明下的图像，无法实现对连续谱段内所以光谱信号的同时探测。常用的可调谐滤光片主要有声光可调谐滤光片（AOTF）和液晶可调谐滤光片（LCTF）。AOTF滤光具有相对较大的通光孔径、宽的光波工作范围和快速电调谐等优点，但在带宽调谐时存在空间像移，造成成像模糊，这对显微成像来说是非常有害的。LCTF滤光具有光谱分辨率高、易与现有的显微镜集成等优点，但存在的主要问题是透光效率低、光谱范围有限等。另一类是采用光栅或棱镜或二者组合作为分光手段，利用步进电机对样品进行平动推扫，对处于照明条件下的样品同时记录光谱和成像信息。但主要缺点是系统的信噪比和光谱分辨率受到狭缝宽度的限制，狭缝越窄，光谱分辨率越高，但系统接收到的能量也随之降低。

像面干涉高光谱显微成像技术将干涉成像光谱技术与显微成像技术结合于一体，将干涉成像光谱技术这一研究内容深入到微观领域，可提供目标微米尺度的空间信息及纳米尺度的光谱信息，反映目标的微观形貌及其化学成分，是显微光谱成像技术的又一有力手段。

发明内容

本发明的目的在于提供一种像面干涉高光谱显微成像装置和基于该装置的像面干涉高光谱显微成像方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种像面干涉高光谱显微成像装置，包括光源、显微物镜、横向剪切分束器、电控旋转台、成像物镜、面阵CCD相机和计算机。沿光路依次布置光源、显微物镜、横向剪切分束器、成像物镜、面阵CCD相机。横向剪切分束器固定在电控旋转台上，计算机分别与电控旋转台和面阵CCD相机连接，计算机控制和驱动电控旋转台旋转实现对目标的推扫成像，面阵CCD相机采集到的图像序列传输给计算机，由计算机进行分析处理；上述光学器件相对于基底同轴等高，即相对于光学平台或仪器底座同轴等高。

在上述装置中，光源采用以下的一种：LED环形灯、卤钨灯、带滤光片的汞灯、氙灯、激光作为荧光激发光源。

在上述装置中，显微物镜采用无限远共轭显微物镜。

在上述装置中，横向剪切分束器可采用Sagnac型、马赫-曾德型、双角反射体型以及它们的改进型，其作用是将一束入射光沿垂直于光轴方向（横向）剪切成两束相互平行的相干光。

一种基于上述装置的像面干涉高光谱显微成像方法，包括以下步骤：

步骤一：观测目标经光源照明后，经无限远共轭显微物镜成像后以平行光入射到横向剪切分束器中。

步骤二：横向剪切分束器横向剪切每一束光线，得到两束相互平行的光线。

步骤三：成像物镜将两束相互平行的光线会聚到面阵CCD相机上，由于这两束平行光会聚到像面上同一点时存在着光程差，产生干涉条纹，因此在面阵CCD相机上得到的是经过光程差调制后的全视场目标像，并且不同视场的目标单元对着不同的干涉光程差。

步骤四：计算机控制和驱动电控旋转台实现对观测目标推扫成像，面阵CCD相机采集获得干涉图像序列并传输到计算机中。

步骤五：计算机在图像序列中提取每幅图像中观测目标对应的光强，重新组合成观测目标的干涉信息，对该干涉信息进行傅里叶变换计算即可反演得到观测目标的光谱信息。