多光谱显微成像系统技术方案

本发明专利技术公开了一种多光谱显微成像系统,包括：显微镜，用于将显微样本放大并成像到像面引出口；调制掩膜，调制掩膜位于显微镜的输出像面上，以约束后级成像视场范围，并加入随机掩膜调制；滤光片，滤光片位于视场光阑后，以对来自显微样本的光照信息进行窄带滤波，约束系统成像光谱范围；色散单元，用于将样本上各点光谱信息在空间上展开；像感器，用于记录经前级调制的样本图像，以通过色散和掩膜调制在一张或两张重建出多种标记图像。该系统可以仅采用一张或两张图像重建出多种标记图像，提高成像速度，提高图像分辨率，减少激光对光敏样本、生物样本的破坏，并且结构简单，成本低廉。

【技术实现步骤摘要】
多光谱显微成像系统
本专利技术涉及计算摄像学
，特别涉及一种多光谱显微成像系统。
技术介绍
遥感成像、生命科学和材料科学研究对多光谱成像提出了更高要求。观测目标或场景由于不同区域包含不同材质或荧光标记蛋白，能够发出具有不同的光谱曲线的信号。多光谱成像，就是利用这些光谱响应差异，计算重建出各种材质或荧光蛋白成像，且主要困难在于不同材质或标记蛋白光谱响应曲线可能存在重叠，导致不能简单通过加入不同谱段的滤光片实现材质或荧光标记成像的拆分。目前，在宏观领域，多光谱成像主要在成像光路上加入不同谱段的滤光片多次成像或利用多个不同谱段的二向色镜同时对多个谱段成像，然后利用这些光谱成像堆栈，计算重建出不同材质或标记图像。在显微成像领域，有基于宽场显微镜的多光谱成像、基于共聚焦显微镜和光片照明的多光谱显微成像。基于宽场显微镜的多光谱成像，光照端采用单色或多色激发，在成像光路上加入不同谱段滤光片多次成像或多个不同谱段的二向色镜同时成像，利用这些光谱成像堆栈计算重建出不同材质或标记图像，减少光谱响应曲线存在重叠的影响。基于共聚焦显微的多光谱显微成像，逐点扫描荧光样本，在采集端加入色散器件，利用多个PMT(photomultipliertube，光电倍增管)记录该点光谱信息。基于共聚焦和光片照明的多光谱显微，采用线扫光片照明，在成像光路加入色散器件，然后用相机记录整条线上激发的荧光光谱。通过共聚焦显微逐点扫描或逐行扫描获得整个视场光谱信息，然后计算重建出各种标记结构成像。然而，相关技术中仍存在不足，如，基于共聚焦显微镜的多光谱成像，所需激发光较强，容易造成荧光漂白，而且强光照射可能损伤样本细胞或组织结构；再如，成像过程需要扫描或多次拍摄，时间效率低，导致适用于光敏样本和生物样本，而且成像速度慢，不能记录动态过程，有待解决。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术的目的在于提出一种多光谱显微成像系统，该系统可以提高成像速度，提高图像分辨率，减少激光对光敏样本、生物样本的破坏，并且结构简单，成本低廉。为达到上述目的，本专利技术实施例提出了一种多光谱显微成像系统，包括：显微镜，用于将显微样本放大并成像到像面引出口；调制掩膜，所述调制掩膜位于所述显微镜的输出像面上，以约束后级成像视场范围，并加入随机掩膜调制；滤光片，所述滤光片位于视场光阑后，以对来自所述显微样本的光照信息进行窄带滤波，约束系统成像光谱范围；色散单元，用于将所述样本上各点光谱信息在空间上展开；像感器，用于记录经前级调制的样本图像，以通过色散和掩膜调制在一张或两张重建出多种标记图像。本专利技术实施例的多光谱显微成像系统，能够实现单相机下单次或多次曝光采集数据，即可恢复出单色标记图像，实现仅采用一张或两张图像即可重建出多种标记图像，从而提高成像速度，提高图像分辨率，减少激光对光敏样本、生物样本的破坏，并且结构简单，成本低廉。另外，根据本专利技术上述实施例的多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，在本专利技术的一个实施例中，还包括：重构模块，通过所述色散和掩膜调制得到图像，并和标记荧光蛋白光谱响应曲线重建出所述样本的各荧光蛋白标记的组织结构。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述显微镜可以为宽视场荧光显微镜。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述调制掩膜位于像面上，色散单元位于傅立叶面上。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述色散单元处的傅立叶面和所述像感器处的像面通过透镜或镜头组成的4f系统实现。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述4f系统用于加入色散调制和成像放大倍率调整。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述滤光片位于成像光路上所述4f系统第一级透镜后，或直接加在所述显微镜内部或光路其他位置，以约束所述成像光谱范围。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述随机掩膜通过平移方式调整掩膜横向位置。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述色散单元为阿莫西色散棱镜。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述像感器为SCMOS单色传感器。本专利技术附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本专利技术的实践了解到。附图说明本专利技术上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：图1为根据本专利技术实施例的多光谱显微成像系统的结构示意图；图2为根据本专利技术一个具体实施例的多光谱显微成像系统的结构示意图。具体实施方式下面详细描述本专利技术的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本专利技术，而不能理解为对本专利技术的限制。下面参照附图描述根据本专利技术实施例提出的多光谱显微成像系统。图1是本专利技术实施例的多光谱显微成像系统的结构示意图。如图1所示，该多光谱显微成像系统10包括：显微镜100、调制掩膜200、滤光片300、色散单元400和像感器500。其中，显微镜100用于将显微样本放大并成像到像面引出口。调制掩膜200位于显微镜100的输出像面上，以约束后级成像视场范围，并加入随机掩膜调制。滤光片300位于视场光阑后，以对来自显微样本的光照信息进行窄带滤波，约束系统成像光谱范围。色散单元400用于将样本上各点光谱信息在空间上展开。像感器500用于记录经前级调制的样本图像，以通过色散和掩膜调制在一张或两张重建出多种标记图像。本专利技术实施例的系统10可以仅采用一张或两张图像即可重建出多种标记图像，提高成像速度，提高图像分辨率，减少激光对光敏样本、生物样本的破坏，并且结构简单，成本低廉。其中，在本专利技术的一个实施例中，本专利技术实施例的系统10还包括：重构模块。其中，重构模块通过色散和掩膜调制得到图像，并和标记荧光蛋白光谱响应曲线重建出样本的各荧光蛋白标记的组织结构。可以理解的是，本专利技术实施例利用单次拍摄或平移掩膜得到的多张图片，结合各荧光标记的光谱响应曲线，可以计算重建出不同标记成像。其中，重建模块计算重建过程可以在普通PC机或工作站等硬件系统上实现。也就是说，本专利技术实施例的多光谱显微成像系统10主要包括图像采集和计算重建两部分。其中，图像采集部分由显微镜100，调制掩膜200，滤光片300，色散单元400和像感器500组成。显微镜100可以实现多标记样本荧光激发和放大成像。调制掩膜200在像面加入随机二值调制。色散单元400在4f系统傅立叶面上将像面上面每个点光谱信息在空间展开，4f系统实现成像系统放大倍率调整和色散范围调整。计算重建部分利用单次拍摄或平移掩膜得到的多张图片，即通过单次拍摄或两次拍摄即可获得多标记样本各自成像，且成像速度快，结合各荧光标记的光谱响应曲线，可以计算重建出不同标记成像。其中，重建模块计算重建过程可以在普通PC机或工作站等硬件系统上实现。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，显微镜100可以为宽视场荧光显微镜。可以理解的是，本专利技术实施例的显微镜100为宽视场荧光显微镜，以实现荧光样本的一级放大，将样本像面从引出口导出便于后级处理。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，调制掩膜200位于像面上，色散单元位于傅立叶面上。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，色散单元40本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多光谱显微成像系统，其特征在于，包括：显微镜，用于将显微样本放大并成像到像面引出口；调制掩膜，所述调制掩膜位于所述显微镜的输出像面上，以约束后级成像视场范围，并加入随机掩膜调制；滤光片，所述滤光片位于视场光阑后，以对来自所述显微样本的光照信息进行窄带滤波，约束系统成像光谱范围；色散单元，用于将所述样本上各点光谱信息在空间上展开；以及像感器，用于记录经前级调制的样本图像，以通过色散和掩膜调制在一张或两张重建出多种标记图像。

【技术特征摘要】
1.一种多光谱显微成像系统，其特征在于，包括：显微镜，用于将显微样本放大并成像到像面引出口；调制掩膜，所述调制掩膜位于所述显微镜的输出像面上，以约束后级成像视场范围，并加入随机掩膜调制；滤光片，所述滤光片位于视场光阑后，以对来自所述显微样本的光照信息进行窄带滤波，约束系统成像光谱范围；色散单元，用于将所述样本上各点光谱信息在空间上展开；以及像感器，用于记录经前级调制的样本图像，以通过色散和掩膜调制在一张或两张重建出多种标记图像。2.根据权利要求1所述的多光谱显微成像系统，其特征在于，还包括：重构模块，通过所述色散和掩膜调制得到图像，并和标记荧光蛋白光谱响应曲线重建出所述样本的各荧光蛋白标记的组织结构。3.根据权利要求1所述的多光谱显微成像系统，其特征在于，所述显微镜为宽视场荧光显微镜。4.根据权利要求1所述的多光谱显微成像系统，其特征在于，...

【专利技术属性】
技术研发人员：戴琼海，何继军，吴嘉敏，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11