CN1563947A - 显微高光谱成像系统 - Google Patents

Abstract

一种显微高光谱成像系统，是把显微成像技术和高光谱成像技术相结合的一种集成系统，包括光学显微镜、光谱仪、面阵CCD相机以及专用数据采集与处理软件。可提供图谱合一微观光谱图像，能广泛应用于临床医学、生物学、材料学、微电子学等学科领域中。

Description

显微高光谱成像系统

技术领域：

本发明涉及一种应用光学领域中的显微高光谱成像技术，具体地说，涉及一种显微成像与高光谱成像相结合的显微高光谱成像系统。

背景技术：

自从人类发明显微镜以来，光学显微镜一直是人类研究微小物体的基本工具，目前，各种光学显微镜仍在医学临床、生命科学、材料科学等领域发挥着非常重要的作用。近年来，随着计算机及其在图像处理技术方面的发展，各种各样的显微图像分析产品相继出现。但是，这些传统的显微观测方法只能提供微小物体(如细胞等)的形态学计量，不能给出物体中物质结构和成分的进一步细节。

微观物体由于物质结构和成分的差异，其吸收光谱也会存在显著的差异，例如在细胞生物学方面，由于细胞病变时，细胞膜在组成、结构和功能上发生变化，因而必然引起细胞组分如蛋白质、核酸、糖、脂和水分子在含量、构型等方面的改变，与正常细胞相比，其吸收光谱在谱型、吸收频率、峰强度等谱学参数方面存在显著的差异。利用光谱技术，人们能够区分不同细胞的类型，识别同一种细胞的病变细胞和正常细胞之间的差异。

二十世纪九十年代，中国云南大学实验中心和云南师范大学分析测试中心的研究人员共同进行了人体血细胞的显微光谱研究，他们研制了一套GZ细胞光谱测定系统，该系统主要由两个部分构成：其一为光学显微投影仪，其二为高灵敏度低噪声光谱仪及光电转换器。但是由于系统的固有局限，该系统只能提供细胞的光谱信息，无法提供图像信息。

而成像光谱技术则把二维成像技术和光谱技术有机地结合在一起，不仅能对物体进行形态成像，而且还能提供丰富的光谱信息；它具有光谱分辨率高、波段多、图像与光谱相结合等优点，近年来在遥感等领域得到广泛的应用。因而，若能将成像光谱技术与显微技术结合起来，则可将成像光谱技术应用到微观领域，为研究或观测微小物体提供一种新的技术手段。

发明内容：

综上所述，如何将显微成像技术与高光谱成像技术相结合来为研究微小物体提供一种新的技术手段，乃是本发明所要解决的技术问题，为此，本发明的目的是提供一种显微高光谱成像系统。

本发明的技术构思是根据推帚式成像光谱仪的原理进行设计，将光谱仪子系统光学耦合到生物显微镜上；利用高精度步进电机驱动载物台进行微米级平动，实现物方推扫，对处于照明条件下的样品同时记录光谱和成像信息。即本发明的技术解决方案如下：

根据本发明的显微高光谱成像系统，包括一显微镜，该显微镜含有依次成光路联结的照明部件、载物台和显微物镜，特点是：a.还有一与该显微镜成光学耦合的光谱仪子系统，该光谱仪子系统含有依次成光路联结的连接所述显微物镜的接口镜头、狭缝、准直镜、光谱色散元件、会聚镜和面阵CCD相机，以及依次成电路联结的前端信号处理盒和计算机，该前端信号处理盒与该面阵CCD相机成光电转换连接；b.还有一高于微米级精度的驱动装置连接所述载物台，其驱动该载物台作微米级平动，对置于其上的样品进行推移扫描。这样，显微镜当其照明部件照明载物台上的样品，瞬时视场内样品条带便通过显微物镜和接口镜头成像于该狭缝处，再经过准直镜和色散元件后，在垂直样品条带方向按光谱色散，最后经过会聚镜后成像于面阵CCD相机，在其CCD光敏面与该狭缝平行的维便构成空间维，而与该狭缝垂直的维则构成光谱维，即对于空间维的每一行光敏元件上得到的是样品条带的一个光谱波段的像，这样面阵CCD相机每帧图像便对应于一个样品条带的高光谱图像，通过连接载物台的驱动装置对样品的推扫便得到整个样品的二维图像及光谱数据，即图像立方体。

上述的显微镜为普通型光学显微镜或荧光显微镜；所述显微镜的照明部件为透射式或反射式照明结构；所述的光谱色散元件为透射式色散元件或反射式色散元件；

更具体地，所述显微镜的照明部件为柯勒照明系统；所述柯勒照明采用白光光源；所述光谱色散元件为光栅或棱镜或二者的组合。

本发明由于把光谱仪子系统与显微镜相结合，把显微镜的载物台进行改进，使之能以物方推扫的结构形式与光谱仪子系统配合，明显地提升了普通型显微镜的功能，本发明系统的优点如下：

1.系统的主要指标高：

●光谱范围：400～800nm

●光谱分辨率：＜5nm

●波段数：120

●空间分辨率：与显微镜物镜和CCD相机像元尺寸有关，例如当物镜放大倍数为40倍，CCD像元大小为12um，则空间分辨率可达0.5um。

2、技术成熟，系统工作可靠且易实施；

3、应用广范围大，可提供图谱合一的微观光谱图像，能广泛应用于临床医学、生物学、材料学和微电子学等学科领域。

附图说明：

图1是本发明的光学原理及组成示意图。

图2是本发明使用的数据采集/控制/存储子系统的组成模块图。

具体实施方式：

下面根据图1～图2给出本发明一个较好实施例，用以说明本发明的结构特征，技术性能和功能特点，而不是用来限定本发明的范围。

如图1所示，本实施例中，显微镜包括照明部件1、载物台2和显微物镜3，它们依次成光路联结，所用的显微镜为普通型光学显微镜，作为替换也可采用荧光显微镜，它们所用的照明部件1为透射型结构，也可为反射式结构，本实施例中，显微镜采用Nikon E400型生物显微镜。其主机采用最新的无限远成像光学系统，可以选配Nikon平场复消色差物镜，像质较好，另外，该显微镜的载物台2可以方便地从主机上拆卸下来，这样便于在其上安装高精度微米级驱动装置20。为了使显微镜与分光计以及CCD相机9达到光学匹配，需要在显微镜三目镜筒上连接一个0.6倍C-Mount接口镜头4。所用的照明部件1是柯勒照明系统。本实施例中，对显微镜中的载物台2改造成高精度载物台微米级自动装置，根据推帚式成像光谱仪的特点，本实施例利用步进电机连接高精度滚珠丝杠，驱动载物台2进行微米级平动。步进电机采用德国百格拉公司的VRDM364/50 LHA型步进电机，其每转步数最高可达10000步/转，滚珠丝杠选用TSUBAKI NAKASHIMA CO.，LTD的微型丝杠，公称直径为6mm，螺距为1mm，其在100mm有效行程内的累积误差只有3μm，在精度上满足要求。VRDM364电机在出厂时已自带驱动器D921，步进电机的速度和方向利用计算机11进行控制。显微镜在工作时，柯勒照明系统使用白光光源照射处于载物台2上的样品，瞬时视场内的样品条带通过显微物镜3和接口镜头4成像于光谱仪的狭缝5处，再经过准直镜6和色散元(组)件7后，在垂直样品条带方向按光谱色散，最后经过会聚镜8后成像于CCD相机9。CCD光敏面平行于狭缝的一维称为空间维，垂直于狭缝的一维称为光谱维，空间维每一行光敏元上得到的是样品条带一个光谱波段的像，这样面阵CCD相机每帧图像便对应于一个样品条带的高光谱图像。通过载物台自动装置20对样品进行推扫，就得到整个样品的二维图像及光谱数据，即图像立方体。

本实施例中，分光计采用Spectral Imaging Ltd.的ImSpector分光计。其色散元件7为棱镜-透射光栅-棱镜组合，狭缝5的宽度可以根据需要进行选择，狭缝5有效长度为8.8mm。由于ImSpector分光计前后两端均为C-Mount接口，因此将光谱仪子系统的前端(即分光计的狭缝端)连接到显微镜的0.6倍C-Mount接口镜头4上，即可达到显微镜与光谱仪子系统的匹配连接。

本实施例中的面阵CCD相机9选用TEXAS INSTRUMENTS的MC-780P-S-10A型号相机。该相机为高分辨率、高速帧转移Si(硅)面阵CCD相机。其像元数为：754×488，帧速率为30帧/秒，面阵尺寸8.8mm(像空间)×6.6mm(谱空间)。

本实施例中该面阵CCD相机9的信号电缆连接数据采集/控制/存储子系统，数据采集系统采用模块化的设计方法，主要包括高光谱数据传输、采集、控制、存储和实时显示等功能，模块间采用统一的接口进行通信。系统的组成模块图，见图2。

整个系统的工作流程是：

从面阵CCD相机9的头部馈送过来的成像光谱图像信号和同步信号首先进入前端信号处理盒10，如图所示，同步信号送入时序控制单元104，产生时序信号分别送入信号调理电路101、A/D转换器102和总线驱动单元103；而图像信号经过电平调整、增益调节等构成的信号调理电路101后，在同步信号的控制下，进行A/D转换，A/D输出的数据和同步信号一起，经总线驱动单元103后，通过标准接口从前端信号处理盒10送出；

从前端信号处理盒10来的信号通过标准接口连接到计算机11，经过数据整理110，将需要的数据选择存储到乒乓缓存单元111，再在CPU112的控制下通过PCI总线将数据记录到磁盘阵列113，并将用户感兴趣的波段送到显示设备114显示；如图所示，CPU112还对时序控制单元104进行控制；电源分配单元115分别对CPU112和DC/DC单元105供电；DC/DC单元105则分别对时序控制单元104和CCD相机9供电。

本实施例中的数据采集和处理软件在Microsoft Visual Studio 6.0集成环境下开发完成，运行平台为Windows 98/2000/XP。

数据采集软件主要实现以下功能：数据采集，实时图像显示，硬件配置，硬件控制，图像数据的回放等。

数据处理软件主要实现对采集到的数据进行格式转换，绘制指定象素位置的光谱曲线，并具备常规的图像处理功能。

Claims (6)

1、一种显微高光谱成像系统，包括一显微镜，该显微镜含有依次成光路联结的照明部件(1)、载物台(2)和显微物镜(3)，其特征在于：

a.还有一与该显微镜成光学耦合的光谱仪子系统，该光谱仪子系统含有依次成光学联结的接口镜头(4)、狭缝(5)、准直镜(6)、光谱色散元件(7)、会聚镜(8)和面阵CCD相机(9)，以及依次成电路联结的前端信号处理盒(10)和计算机(11)，该前端信号处理盒(10)与该面阵CCD相机(9)成光电转换连接；该接口镜头(4)与该显微物镜(3)成配合光学联结；

b.还有一高于微米级精度的驱动装置(20)连接该载物台(2)、其驱动该载物台(2)作微米级平动，对置于其上的样品进行推移扫描。

2、根据权利要求1所述的显微高光谱成像系统，其特征在于：所述的显微镜是普通型光学显微镜或荧光显微镜。

3、根据权利要求1或2所述的显微高光谱成像系统，其特征在于：所述照明部件(1)为柯勒照明系统。

4、根据权利要求3所述的显微高光谱成像系统，其特征在于：所述柯勒照明系统采用白光光源。

5、根据权利要求1所述的显微高光谱成像系统，其特征在于：所述的光谱色散元件(7)采用透射型或反射型元件。

6、根据权利要求1或5所述的显微高光谱成像系统，其特征在于：所述光谱色散元件(7)为光栅或棱镜或二者的组合。

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