專利名稱：像面干涉高光譜顯微成像裝置和方法
技術領域：
本發現涉及顯微高光譜成像領域，具體是一種顯微成像技術和干涉成像光譜技術相結合的高光譜顯微成像裝置和方法。
背景技術：
光譜分析是自然科學中一種重要的研究手段，光譜技術能檢測到被測物體的物理結構和化學成分等信息。光譜成像技術是光譜分析技術和圖像分析技術完美結合的產物，它不僅具有光譜分辨能力，還有圖像分辨能力，可以對目標進行定性、定量和定位分析。干涉成像光譜技術是光譜成像領域中一種前沿的光譜探測技術，它利用干涉圖與光源光譜圖之間存在的傅里葉變換關系，通過對干涉圖進行傅里葉變換反演得到光譜圖，在軍事和民用領域具有極大的應用價值和廣闊的發展前景。光學顯微鏡是一種精密的光學儀器，至今已有300多年的歷史。目前，作為人類研究微小物體的基本工具，光學顯微鏡仍在生物醫學、藥學、細胞遺傳學、材料科學等領域發揮著重要作用。然而，隨著人們對顯微探測技術的要求進一步提高，傳統的光學顯微鏡都只能提供微小物體的空間信息，并不能給出物體中物質結構和成分的進一步細節。這就給顯微系統在某些場合的應用受到限制。顯微成像光譜技術是在顯微成像技術的基礎上引入目前迅速發展的光譜成像理論而得到的一種新型的光學探測技術。現有的顯微光譜成像方法從分光技術上可分為兩類，一類是采用可調諧濾光片作為分光手段，將照明光分為不同波長進行掃描，因此單次顯微圖像攝取只能獲得某一特定波長照明下的圖像，無法實現對連續譜段內所以光譜信號的同時探測。常用的可調諧濾光片主要有聲光可調諧濾光片(AOTF)和液晶可調諧濾光片(LCTF )。AOTF濾光具有相對較大的通光孔徑、寬的光波工作范圍和快速電調諧等優點，但在帶寬調諧時存在空間像移，造成成像模糊，這對顯微成像來說是非常有害的。LCTF濾光具有光譜分辨率高、易與現有的顯微鏡集成等優點，但存在的主要問題是透光效率低、光譜范圍有限等。另一類是采用光柵或棱鏡或二者組合作為分光手段，利用步進電機對樣品進行平動推掃，對處于照明條件下的樣品同時記錄光譜和成像信息。但主要缺點是系統的信噪比和光譜分辨率受到狹縫寬度的限制，狹縫越窄，光譜分辨率越高，但系統接收到的能量也隨之降低。像面干涉高光譜顯微成像技術將干涉成像光譜技術與顯微成像技術結合于一體，將干涉成像光譜技術這一研究內容深入到微觀領域，可提供目標微米尺度的空間信息及納米尺度的光譜信息，反映目標的微觀形貌及其化學成分，是顯微光譜成像技術的又一有力手段。
發明內容
本發明的目的在于提供一種像面干涉高光譜顯微成像裝置和基于該裝置的像面干涉高光譜顯微成像方法。
實現本發明目的的技術解決方案為一種像面干涉高光譜顯微成像裝置，包括光源、顯微物鏡、橫向剪切分束器、電控旋轉臺、成像物鏡、面陣CCD相機和計算機。沿光路依次布置光源、顯微物鏡、橫向剪切分束器、成像物鏡、面陣CCD相機。橫向剪切分束器固定在電控旋轉臺上，計算機分別與電控旋轉臺和面陣CCD相機連接,計算機控制和驅動電控旋轉臺旋轉實現對目標的推掃成像，面陣CCD相機采集到的圖像序列傳輸給計算機，由計算機進行分析處理；上述光學器件相對于基底同軸等高，即相對于光學平臺或儀器底座同軸等聞。在上述裝置中，光源采用以下的一種LED環形燈、鹵鎢燈、帶濾光片的汞燈、氙燈、激光作為熒光激發光源。在上述裝置中，顯微物鏡采用無限遠共軛顯微物鏡。在上述裝置中，橫向剪切分束器可采用Sagnac型、馬赫-曾德型、雙角反射體型以及它們的改進型，其作用是將一束入射光沿垂直于光軸方向(橫向)剪切成兩束相互平行的相干光。一種基于上述裝置的像面干涉高光譜顯微成像方法，包括以下步驟步驟一觀測目標經光源照明后，經無限遠共軛顯微物鏡成像后以平行光入射到橫向剪切分束器中。步驟二 橫向剪切分束器橫向剪切每一束光線，得到兩束相互平行的光線。步驟三成像物鏡將兩束相互平行的光線會聚到面陣CXD相機上，由于這兩束平行光會聚到像面上同一點時存在著光程差，產生干涉條紋，因此在面陣CCD相機上得到的是經過光程差調制后的全視場目標像，并且不同視場的目標單元對著不同的干涉光程差。步驟四計算機控制和驅動電控旋轉臺實現對觀測目標推掃成像，面陣CCD相機采集獲得干涉圖像序列并傳輸到計算機中。步驟五計算機在圖像序列中提取每幅圖像中觀測目標對應的光強，重新組合成觀測目標的干涉信息，對該干涉信息進行傅里葉變換計算即可反演得到觀測目標的光譜信
肩、O本發明與現有技術相比，其顯著優點(I)整個系統結構上不需要狹縫和用于產生單色光的濾光器，光能量盡可能的大，信噪比高，適合弱光檢測。(2)顯微物鏡采用無限遠共軛成像系統，在對目標成像的同時還將光路準直成平行光出射，與采用有限遠共軛顯微物鏡構成二次成像系統相比，系統中沒有準直鏡，簡化了光路，使得系統結構更加緊湊。( 3 )采用旋轉橫向剪切分束器實現對目標推掃成像，與直線位移推掃的方式相比，進一步增大了掃描光程的范圍，提高了光譜分辨能力。
圖1是像面干涉高光譜顯微成像裝置的結構示意圖。圖2是分離式雙直角反射體型橫向剪切分束器的結構示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖和實施例，對本發明的具體實施方式
作進一步詳細的描述。以下實施例用于說明本發明，但不用來限制本發明的范圍。結合圖1，包括光源1、顯微物鏡2、橫向剪切分束器3、電控旋轉臺4、成像物鏡5、面陣CXD相機6和計算機7。沿光路依次布置光源1、顯微物鏡2、橫向剪切分束器3、成像物鏡5、面陣CCD相機6。橫向剪切分束器3固定在電控旋轉臺4上，計算機7分別與電控旋轉臺4和面陣CCD相機6連接，計算機7控制和驅動電控旋轉臺4旋轉實現對目標的推掃成像，面陣CCD相機6采集到的圖像序列傳輸給計算機7，由計算機7進行分析處理。上述光學器件相對于基底同軸等高，即相對于光學平臺或儀器底座同軸等高。結合圖2，包括分光棱鏡201、第一二次反射直角棱鏡202和第二二次反射直角棱鏡203。第一二次反射直角棱鏡202的光軸截面、第二二次反射直角棱鏡203的光軸截面和分光棱鏡201的光軸截面在同一平面內。第一二次反射直角棱鏡202的斜邊貼合在分光棱鏡201分束面反射光線的出射面上，第二二次反射直角棱鏡203的斜邊貼合在分光棱鏡201分束面透射光線的出射面上。圖中虛線表示二次反射直角棱鏡202關于分束面對稱時的位置。第二二次反射直角棱鏡203斜邊頂點與分光棱鏡201貼合面頂點的距離I為O. 5mm,經它們反射回來到達分束面的兩束相干光不再重合，而是沿著垂直于光軸方向產生了 1_的距離，稱這一距離為橫向剪切量d，其中d=21。其中，第一二次反射直角棱鏡202和第二二次反射直角棱鏡203的兩個反射面均鍍制高反膜，分光棱鏡的分束面鍍制半透半反的分束膜，它們的有效工作波段范圍為45(T750nm。如圖2所示，經顯微物鏡2出射的平行光入射到分光棱鏡201，經分束面后形成一支透射光和一支反射光，透射光進入到第二二次反射直角棱鏡203中，經其反射后返回到分光棱鏡201中，再經分束面反射后射出；反射光進入到第一二次反射直角棱鏡202中，經其反射后返回到分光棱鏡201中，再經分束面透射后射出；兩支射出光線相互平行。基于上述裝置對洋蔥表皮細胞裝片進行像面干涉高光譜顯微成像實驗，包括以下步驟步驟一洋蔥表皮細胞裝片經LED環形燈照明后，經IOX無限遠共軛顯微物鏡成像后以平行光入射到分離式雙直角反射體型橫向剪切分束器中。步驟二 分離式雙直角反射體型分束器橫向剪切每一束光線，得到兩束相互平行的光線。步驟三成像物鏡5將兩束相互平行的光線會聚到面陣C⑶相機6上，由于這兩束平行光束會聚到像面上同一點時存在著光程差，產生干涉條紋，因此在面陣CXD相機6上得到的是經過光程差調制后的全視場目標像，并且不同視場的目標單元對著不同的干涉光程差。 步驟四計算機7控制和驅動電控旋轉臺4實現對洋蔥表皮細胞裝片推掃成像，面陣CCD相機6采集獲得干涉圖像序列并傳輸到計算機中。步驟五計算機7在圖像序列中提取每幅圖像中洋蔥表皮細胞裝片上某點所對應的光強，重新組合成觀測目標的干涉信息，對該干涉信息進行傅里葉變換計算即可反演得至IJ觀測目標的光譜信息。以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明技術原理的前提下，還可以做出若干改進和替換，這些改進和替換也視為本發明的保護范圍。本說明書中未作詳細描述的內容屬于本專業領域技術人員公知技術。
權利要求
1.一種像面干涉高光譜顯微成像裝置，其特征在于包括光源(I)、顯微物鏡(2)、橫向剪切分束器⑶、電控旋轉臺(4)、成像物鏡(5)、面陣CCD相機(6)和計算機(7);沿光路依次布置光源(I)、顯微物鏡(2)、橫向剪切分束器(3)、成像物鏡(5)、面陣C⑶相機(6)；橫向剪切分束器⑶固定在電控旋轉臺⑷上，計算機(7)分別與電控旋轉臺⑷和面陣CCD相機(6)連接，計算機(7)控制和驅動電控旋轉臺(4)旋轉實現對目標的推掃成像，面陣CCD相機(6)采集到的圖像序列傳輸給計算機(7)，由計算機(7)進行分析處理；上述光學器件相對于基底同軸等高，即相對于光學平臺或儀器底座同軸等高。
2.根據權利要求1所述的一種像面干涉高光譜顯微成像裝置，其特征在于橫向剪切分束器(3)包括分光棱鏡(201)、第一二次反射直角棱鏡(202)和第二二次反射直角棱鏡(203);第一二次反射直角棱鏡(202)的光軸截面、第二二次反射直角棱鏡(203)的光軸截面和分光棱鏡(201)的光軸截面在同一平面內；第一二次反射直角棱鏡(202)的斜邊長與分光棱鏡(201)的邊長相等,第一二次反射直角棱鏡(202)的斜邊貼合在分光棱鏡(201)分束面反射光線的出射面上；第二二次反射直角棱鏡(203)的斜邊長與分光棱鏡(201)的邊長相等，第二二次反射直角棱鏡(203)的斜邊貼合在分光棱鏡(201)分束面透射光線的出射面上，第二二次反射直角棱鏡(203)斜邊頂點與分光棱鏡(201)貼合面頂點的距離為I。
3.根據權利要求2所述的一種像面干涉高光譜顯微成像裝置，其特征在于第二二次反射直角棱鏡(203)斜邊頂點與分光棱鏡(201)貼合面頂點的距離為G其中O</<1/4邊長，上述邊長為分光棱鏡(201)的邊長。
4.根據權利要求2所述的一種像面干涉高光譜顯微成像裝置，其特征在于橫向剪切分束器(3)中，第一二次反射直角棱鏡(202)和第二二次反射直角棱鏡(203)的兩個反射面均鍍制高反膜，分光棱鏡(201)的分束面鍍制半透半反的分束膜，并且高反膜和分束膜材料的選擇根據橫向剪切分束器(3)所用于光學波段的不同而確定。
5.根據權利要求2所述的一種像面干涉高光譜顯微成像裝置，其特征在于經顯微物鏡(2)出射的平行光入射到分光棱鏡(201)，經分束面后形成一支透射光和一支反射光，透射光進入到第二二次反射直角棱鏡(203)中，經其反射后返回到分光棱鏡(201)中，再經分束面反射后射出；反射光進入到第一二次反射直角棱鏡(202)中，經其反射后返回到分光棱鏡(201)中，再經分束面透射后射出；兩支射出光線相互平行。
6.根據權利要求1所述的一種像面干涉高光譜顯微成像裝置，其特征在于橫向剪切分束器(3)可采用Sagnac型、馬赫-曾德型、雙角反射體型以及它們的改進型，其作用是將一束入射光沿垂直于光軸方向(橫向)剪切成兩束相互平行的相干光。
7.根據權利要求1所述的一種像面干涉高光譜顯微成像裝置，其特征在于顯微物鏡(2)采用無限遠共軛顯微物鏡。
8.一種基于權利要求1的像面干涉高光譜顯微成像方法，其特征在于，步驟如下 步驟一觀測目標經光源(I)照明后，經無限遠共軛顯微物鏡(2)成像后以平行光入射到橫向剪切分束器(3)中； 步驟二 橫向剪切分束器(3)橫向剪切每一束光線，得到兩束相互平行的光線； 步驟三成像物鏡(5)將兩束相互平行的光線會聚到面陣CCD相機(6)上，由于這兩束平行光會聚到像面上同一點時存在著光程差，產生干涉條紋，因此在面陣C⑶相機(6)上得到的是經過光程差調制后的全視場目標像，并且不同視場的目標單元對著不同的干涉光程差; 步驟四計算機(7)控制和驅動電控旋轉臺(4)實現對觀測目標推掃成像，面陣CCD相機(6)采集獲得干涉圖像序列并傳輸到計 算機(7)中； 步驟五計算機(7)在圖像序列中提取每幅圖像中觀測目標對應的光強，重新組合成觀測目標的干涉信息，對該干涉信息進行傅里葉變換計算即可反演得到觀測目標的光譜信肩、O
全文摘要
本發明涉及一種像面干涉高光譜顯微成像裝置和方法。該裝置包括光源、顯微物鏡、橫向剪切分束器、電控旋轉臺、成像物鏡、面陣CCD相機和計算機。本發明方法步驟為處于照明視場的目標經無限遠共軛顯微物鏡成像后以平行光入射橫向剪切分束器，橫向剪切分束器橫向剪切每一束光線，得到兩束相互平行的光線；再經過成像物鏡后，在面陣CCD上產生干涉條紋；由計算機控制和驅動電控旋轉臺旋轉實現對目標推掃成像，獲得干涉圖像序列；在圖像序列中提取每幅圖像中觀測目標對應的光強，重新組合成觀測目標的干涉信息，對該干涉信息進行傅里葉變換計算反演得到觀測目標的光譜信息。該方法光通量大、信噪比高、分辨率高。
文檔編號G01J3/45GK103063307SQ20121058348
公開日2013年4月24日 申請日期2012年12月28日 優先權日2012年12月28日
發明者李建欣, 周偉, 孟鑫, 史今賽, 郭仁慧, 沈華, 馬駿, 朱日宏, 陳磊, 何勇 申請人:南京理工大學