專利名稱：一種顯微超光譜層析三維成像裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型適用于生物醫(yī)學(xué)檢測、食品安全檢測和生態(tài)環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域等，涉及一種顯微超光譜層析三維成像裝置。
背景技術(shù)：
成像光譜技術(shù)起源于70年代的多光譜遙感技術(shù)，并自20世紀80年代中后期，發(fā)展成為遙感應(yīng)用領(lǐng)域的有力工具，隨著多光譜分辨率的提高，目前已發(fā)展為高光譜成像技術(shù)，并隨之應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)、食品安全、環(huán)境檢測 和軍事等領(lǐng)域。而超光譜成像技術(shù)是日前新起的一種成像光譜技術(shù)，它比之前的多光譜成像和高光譜成像技術(shù)有更高的光譜和空間分辨率，并且得到的數(shù)據(jù)信息量比前兩種高出成百上千倍。但是在目前的超光譜成像應(yīng)用中，對目標(biāo)事物的識別還處于遠距離的遙感測量或宏觀事物的光譜成像，而對于肉眼無法識別的微小物體甚至細胞、基因等分子級的物體，目前超光譜成像尚沒有涉足。中國發(fā)明專利申請公開說明書(公開號CN 1563947A)公開了一種顯微高光譜成像系統(tǒng)，但是該系統(tǒng)只是成像光譜系統(tǒng)和普通光學(xué)顯微鏡的簡單耦合，并且成像方式只是簡單的推掃，只能得到單個方向的二維圖像，也無法對被測物體進行層析成像，所得到的能表達物體性質(zhì)的信息量有限，特別距離光源較深的部位。層析成像光譜技術(shù)(tomographyimaging spectrometer, TIS)借用斷層掃描的原理，與成像光譜技術(shù)相結(jié)合，探測目標(biāo)數(shù)據(jù)立方體的一個投影或者多個投影方向的投影圖像，然后由這些投影圖像重建目標(biāo)的光譜信息和空間圖像信息。它在光譜與圖像的快速探測、無視場掃描、高通量、性能穩(wěn)定等方面具有顯著特征。中國實用新型專利說明書(公告號CN 2401883Y和CN 2651731Y以及CN2457581Y)公開了三種層析光譜成像裝置，但是這些裝置都沒有涉及顯微成像技術(shù)，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，系統(tǒng)穩(wěn)定性差。中國發(fā)明專利申請公開說明書(CN 101526477A和CN 1369702A)分別公開了一種激光差動共焦圖譜顯微層析成像裝置和一種高速光干涉層析成象儀，但是這些裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且只是對拉曼光譜或干涉光譜進行顯微層析成像，尚不能對被測物體進行三維的顯微層析成像，運用范圍受限。顯微技術(shù)在微觀的生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域已有廣泛的應(yīng)用，通過顯微技術(shù)可以觀測肉眼所不能看到的事物及其形態(tài)，但是目前的醫(yī)學(xué)顯微技術(shù)，主要是對被測物質(zhì)先做小塊切片，然后放置于平臺進行顯微觀測，這種傳統(tǒng)的顯微切片技術(shù)是具有損傷破壞性的，而無法實現(xiàn)在體無損的大型物體的顯微層析成像，比如中國發(fā)明專利申請公開說明書(公開號CN 101477241A)公開了一種顯微光學(xué)掃描層析成像裝置，該裝置就是先對物體進行有破壞性的切片，再進行光學(xué)層析成像。而目前光譜成像或?qū)游龀上窦夹g(shù)還大多停留在二維成像，但是由于激發(fā)光源的波長不同，使得激發(fā)光對被測物體的穿透深度也不盡相同，對較深層物質(zhì)的探測局限性將導(dǎo)致無法鑒別被測物體的全部信息，使得超光譜的二維成像應(yīng)用受到限制，而將三維成像技術(shù)應(yīng)用于顯微超光譜層析成像中，將可以得到被測物體微觀下的超光譜層析三維景象，并能對被測物體的性狀做出滿意的解釋。因此，利用顯微超光譜層析三維成像技術(shù)可以實現(xiàn)對包括微小體積、較大體積物體的三維超光譜層析成像。同時，可以將光譜成像技術(shù)延伸至分子水平，將大大提高目標(biāo)識別的精度、光譜和空間分辨率，必將給顯微技術(shù)、光譜成像技術(shù)和層析成像技術(shù)帶來巨大的推動作用。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型是針對現(xiàn)有光譜成像技術(shù)的不足之處，將超光譜成像技術(shù)、層析成像技術(shù)、顯微成像技術(shù)相結(jié)合,提供一種高分辨率、高精度、高通量、高性價比的顯微超光譜層析三維成像裝置。本實用新型的顯微超光譜層析三維成像裝置，包括光源單元、三維掃描平臺、前置顯微光路單元、分光成像單元、信號預(yù)處理單元、信號采集 單元和控制單元，光源單元由光源、反射腔、集光鏡、孔徑光闌、視場光闌、聚光鏡構(gòu)成，光源設(shè)在反射腔內(nèi)，集光鏡裝在反射腔端口，孔徑光闌、視場光闌設(shè)在集光鏡與聚光鏡之間；三維掃描平臺由樣品托架、轉(zhuǎn)軸、三維底座和電機控制器組成，轉(zhuǎn)軸一端與三維底座連接，另一端與樣品托架相接；前置顯微光路單兀由物鏡、管鏡、目鏡組成，物鏡、管鏡、目鏡依次排列，三者光軸在同一條直線上；分光成像單元由入射狹縫、第二準直鏡、體全息透射式光柵、成像透鏡、CCD攝像頭依次排列構(gòu)成，入射狹縫、第二準直鏡的光軸與成像透鏡、CCD攝像頭的光軸夾角成90度；信號預(yù)處理單元由信號放大器、信號濾波器電氣連接構(gòu)成；信號采集單元由數(shù)據(jù)采集卡、數(shù)據(jù)緩存器、PCI接口卡電氣連接構(gòu)成；控制單元由計算機、同步時序控制器、外部控制按鍵和顯示器組成；三維掃描平臺設(shè)置在光源單元與前置顯微光路單元之間，前置顯微光路單元與分光成像單元串接。所述的光源可以采用帶制冷的、光譜連續(xù)的光源，或波長可調(diào)諧脈沖激光器。所述的反射腔呈圓錐狀，內(nèi)壁鍍鋁，用于增強光源的反射效率。所述的物鏡的放大倍數(shù)為10、20、40或100倍可調(diào)節(jié)，目鏡放大倍數(shù)為5、10倍可調(diào)節(jié)。所述的入射狹縫的寬度為20 μ m到Imm可調(diào)節(jié)。所述的信號放大器為三級放大結(jié)構(gòu)，輸入級為差分放大電路，中間級為共發(fā)射極放大電路，輸出級為互補推挽式功率放大電路。所述的控制單元中的同步時序控制電路，由外觸發(fā)源電路和觸發(fā)延遲電路構(gòu)成，用于向信號預(yù)處理單元、數(shù)據(jù)采集單元、三維掃描平臺和光源單元發(fā)出同步觸發(fā)信號，保證時序上的同步。本實用新型顯微超光譜層析三維成像裝置，使用時，由光源單元的光源發(fā)出一定波長的光，經(jīng)過反射腔的反射，再經(jīng)過集光鏡收集反射光，經(jīng)過孔徑光闌和視場光闌，之后經(jīng)過聚光鏡將光源發(fā)出的光匯聚入射至樣品。被照射的樣品放置于三維掃描平臺的樣品托架上，整個三維掃描平臺由電機控制器驅(qū)動，使得樣品做上下、左右、前后和旋轉(zhuǎn)運動。經(jīng)樣品吸收后，反射或透射光進入前置顯微光路單元，首先由顯微物鏡和管鏡放大，接著再由目鏡繼續(xù)放大。放大后的樣品像，首先通過入射狹縫進入分光成像單元，由準直透鏡將入射光準直透射到光柵上進行衍射分成波長不同的單色光，再由成像透鏡將衍射后的光匯聚成像于攝像頭的CCD表面接收光譜成像。由攝像頭接收的光譜，經(jīng)攝像頭CCD轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號，由信號預(yù)處理單元的信號放大器和信號濾波器先后進行放大和濾波處理，再由數(shù)據(jù)采集單元中的數(shù)據(jù)采集卡進行采樣、A/D轉(zhuǎn)換后成為數(shù)字信號，并交數(shù)據(jù)緩存器緩存，然后通過PCI接口卡送入控制單元的計算機硬盤進行二次保存。電機控制器的步進電機按照設(shè)定好的步距先在被測樣品的垂直位置上固定一個位置，然后樣品以這個固定的位置做旋轉(zhuǎn)運動，當(dāng)完成垂直方向其中一個固定位置的旋轉(zhuǎn)運動后，電機驅(qū)動器又在垂直方向上移動到另一個位置并固定，再以這個固定位置做旋轉(zhuǎn)運動，如此反復(fù)，直到移動完全部的垂直位置。。本實用新型顯微超光譜層析三維成像裝置，與現(xiàn)有的技術(shù)相比，具有的效果I、采用顯微技術(shù)、超光譜成像技術(shù)、層析成像技術(shù)和三維成像技術(shù)相結(jié)合，使得該裝置同時具有上述四種優(yōu)勢，功能大大增強，并且，該裝置不僅可以得到成百上千個波段下物體的二維和三維超光譜層析圖像，還可以得到每個波長對應(yīng)像素下的一維光 譜數(shù)據(jù)，極大的豐富了表征物體的信息量，同時結(jié)合顯微技術(shù)，大大的擴展了對微觀世界的成像范圍；2、可以大大的擴展物體的成像景深，通過調(diào)節(jié)光源部分的聚光鏡的焦距、前置顯微光路單元的物鏡焦距，可以大大增加被測樣品的成像深度；3、提高了儀器的精度和信噪比，分光單元采用體全息透射式光柵，克服了傳統(tǒng)光柵的凹槽在制作加工時，機械刻畫產(chǎn)生的裂紋導(dǎo)致的光路存在嚴重雜散光，因此，大大提高了儀器檢測的精度和信噪比；4、該裝置光源單元的設(shè)計使得照明均勻，并由于照明的熱焦點不再被測樣品的平面處，長時間照明也不會損傷被檢測物體；5、功能強大、實用性較強，不僅該裝置是四種技術(shù)的融合，而且該裝置可以有多種探測成像方法，由電機控制單元控制的步進電機，可以驅(qū)動樣品三維掃描平臺，使得樣品做旋轉(zhuǎn)運動或前后、左右和上下的平行掃描運動；還可以驅(qū)動光源部分、前置顯微光路單元和分光成像單元同步旋轉(zhuǎn)掃描運動；除此還可以單獨驅(qū)動光源部分或單獨驅(qū)動前置顯微光路單元和分光成像單元部分進行旋轉(zhuǎn)掃描運動，從而完成被測樣品的反射光或透射光的顯微超光譜層析成像。

圖I為本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為圖I中部件的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
一種顯微超光譜層析三維成像裝置，包括光源單元100、三維掃描平臺200、前置顯微光路單元300、分光成像單元400、信號預(yù)處理單元500、信號采集單元600和控制單元700，光源單元由光源101、反射腔102、集光鏡103、孔徑光闌104、視場光闌105、聚光鏡106構(gòu)成，光源101設(shè)在反射腔102內(nèi)，集光鏡103裝在反射腔102端口，孔徑光闌104、視場光闌105設(shè)在集光鏡103與聚光鏡106之間；三維掃描平臺200由樣品托架201、轉(zhuǎn)軸202、三維底座203和電機控制器204組成，轉(zhuǎn)軸202 —端與三維底座203連接，另一端與樣品托架201相接；前置顯微光路單元300由物鏡301、管鏡302、目鏡303組成，物鏡301、管鏡302、目鏡303依次排列，三者光軸在同一條直線上；分光成像單元400由入射狹縫401、第二準直鏡402、體全息透射式光柵403、成像透鏡404、CXD攝像頭405依次排列構(gòu)成，入射狹縫401、第二準直鏡402的光軸與成像透鏡404、(XD攝像頭405的光軸夾角成90度；信號預(yù)處理單元500由信號放大器501、信號濾波器502電氣連接構(gòu)成；信號采集單元600由數(shù)據(jù)采集卡601、數(shù)據(jù)緩存器602、PCI接口卡603電氣連接構(gòu)成；控制單元700由計算機701、同步時序控制器702、外部控制按鍵703和顯示器704組成；三維掃描平臺200設(shè)置在光源單元100與前置顯微光路單元300之間，前置顯微光路單元300與分光成像單元400串接。光源單元100為樣品的照明提供光源，其中光源101優(yōu)選一采用光譜連續(xù)的鹵鎢燈醫(yī)用光源，其型號Philips 6390，工作電壓為10.8V，功率為30W，波長范圍為300-1 IOOnm,燈頭型號為G5. 3插入式；優(yōu)選二 采用連續(xù)/脈沖可調(diào)諧激光器，可以采用DAYLIGHT公司生產(chǎn)的Tunable Laser，其中心波長分別為420 nm, 440 nm, 450 nm, 460nm, 490 nm, 530 nm, 610 nm, 740 nm, 780 nm, 810 nm, 880 nm, 920 nm, 950 nm,1050 nm, 1150nm ;優(yōu)選三選擇高度高，發(fā)散角度小的LED光源，照度為12000-16800mcd，峰值波長為625nm。反射腔102采用鋁合金片制作呈圓錐狀，內(nèi)壁鍍鋁處理，用于增強光源的反射效率。集光鏡103將光源放大成像于孔徑光闌處，集光鏡103的焦距為17. 2mm，通 光口徑為8mm。光源101、集光鏡103和孔徑光闌105的位置關(guān)系是共軛對稱的，光源101至孔徑光闌105的距離為75mm,集光鏡103至孔徑光闌105的距離為48. 2mm,光源101至集光鏡103的距離為26. 8mm。視場光闌104的寬度7. 5mm,孔徑光闌105的寬度9mm，聚光鏡106的焦距30mm，其通光口徑為10mm，光源單元100的光源101、集光鏡103、視場光闌104、孔徑光闌105、聚光鏡106的中心在同一條光軸直線上，光源單元100的工作距離為50mm,照明視場為5mm。三維掃描平臺200為三維可移動式旋轉(zhuǎn)平臺，三維掃描平臺200的樣品托架201用鋁合金板材，表面尺寸為IOXlOcm,用于放置樣品。樣品托架201用螺絲固定在下方的轉(zhuǎn)軸202上，然后轉(zhuǎn)軸202與三維底座203相連接，三維底座203通過滾珠絲杠與電機控制器204連接，由電機控制器204的步進電機和驅(qū)動器控制三維掃描平臺200做上下、前后、左右以及原地的旋轉(zhuǎn)運動，以適應(yīng)對樣品做不同位置的顯微超光譜層析成像。步進電機可采用日本山社公司生產(chǎn)的三相I IOmm步進電機及步進電機驅(qū)動器MA-32206。前置顯微光路單元300的顯微物鏡301采用復(fù)消色差物鏡，物鏡數(shù)值孔徑為I. 25，其放大倍數(shù)為10倍、20倍、40倍、100倍旋轉(zhuǎn)切換物鏡組件，用于適合不同分辨率的需要，物鏡301的共軛距為180mm。目鏡303采用放大倍數(shù)為5倍、10倍目鏡。顯微物鏡301、管鏡302和目鏡303的中心在同一光軸直線上，整個前置顯微光路單元300的鏡筒長為160mm。分光成像單元400的入射狹縫401為寬度20 μ m至Imm手動可調(diào)式機械刀刻狹縫。準直透鏡402采用杭州譜鐳光電技術(shù)有限公司74-ACR準直透鏡，其光譜適用范圍為350-2000 nm，其焦距為IOmm,直徑為5mm，曲率半徑為25. 2mm。體全息透射式光柵403是采用具有高光致折射率的重鉻酸明膠材料合成的體全息透射式光柵，光柵兩面夾表面鍍紅外增透膜的石英玻璃，整個光柵厚度為IOmm ;光柵的柵格數(shù)為1200線，閃耀波長為550nm，入射角度19. 2度，在波長為340nm和750nm的時候其衍射效率約為13%。成像透鏡404采用自動調(diào)焦賓得牌專用照相機鏡頭，型號為B2514E，焦距為25mm，光圈范圍為I. 4-360，最大孔徑比率為I :1. 4，帶C-Mount接口。CXD攝像頭405采用柯達面陣CXD，其像素尺寸為9μπι,分辨率為2048*2048，像面尺寸為1/3"，像素4200萬。在分光成像單元400中，入射狹縫401、準直透鏡402和體全息透射式光柵403的光軸在同一條直線上，體全息透射式光柵403、成像透鏡404和CXD攝像頭405的中心在另外一條光軸上，兩光軸的夾角約為90度。信號預(yù)處理單兀500的信號放大器501米用ST-F4型生物信號放大器,噪音指標(biāo)為I微伏，輸入阻抗為100ΜΩ，放大增益為1000倍，寬頻帶為30KHZ，共模擬制比> lOOdb，通道數(shù)為4個，每個通道可直接輸入超光譜電信號。濾波電路502采用四階巴特沃思低通濾波器，截止頻率為10HZ、30HZ、100HZ、1KHZ、3KHZ、0KHZ、20KHZ檔程控可調(diào)。數(shù)據(jù)采集單元600的數(shù)據(jù)采集卡601采用NI公司的PCI1424數(shù)字圖像采集卡，采用32位并行數(shù)字圖像采集方式，具有50 MHz的像 素時鐘頻率和200 Mbytes/s的采集速率，4個外部觸發(fā)數(shù)字I/O線，具有RS-422/TTL或LVDS/TTL相機兼容性，分辨率最高為32位。數(shù)據(jù)緩存器采用FIFO方式緩存數(shù)據(jù)，其容量為80Mbit?？刂茊卧?00的計算機701采用Windows XP或7系列操作系統(tǒng)，其硬盤存儲容量為500G，采用FIFO方式和自動尋址方式存儲。軟件采用NI公司開發(fā)的LabVIEW 8. O來編程實現(xiàn)顯微超光譜信號采集、數(shù)據(jù)存儲、同步觸發(fā)信號的控制以及數(shù)據(jù)的去噪預(yù)處理，然后利用圖像重構(gòu)算法重建每個角度和方位的二維圖像，再利用三維重構(gòu)軟件重建出被測物體的三維立體影像?？刂茊卧?00的時序同步電路702由外觸發(fā)源電路和觸發(fā)延遲電路構(gòu)成，用于向信號預(yù)處理單元、數(shù)據(jù)采集單元、三維掃描平臺和光源單元發(fā)出同步觸發(fā)信號，保證時序上的同步。外部控制按鍵703用于控制裝置的開啟、關(guān)閉及控制指令的輸入和顯微超光譜圖的顯示等。
權(quán)利要求1.一種顯微超光譜層析三維成像裝置，包括光源單元(100)、三維掃描平臺(200)、前置顯微光路單元(300)、分光成像單元(400)、信號預(yù)處理單元(500)、信號采集單元(600)和控制單元(700)，其特征在于光源單元由光源(101)、反射腔(102)、集光鏡(103)、孔徑光闌(104)、視場光闌(105)、聚光鏡(106)構(gòu)成，光源(101)設(shè)在反射腔(102)內(nèi)，集光鏡(103)裝在反射腔(102)端口，孔徑光闌(104)、視場光闌(105)設(shè)在集光鏡(103)與聚光鏡(106)之間；三維掃描平臺(200)由樣品托架(201)、轉(zhuǎn)軸(202)、三維底座(203)和電機控制器(204)組成，轉(zhuǎn)軸(202) —端與三維底座(203)連接，另一端與樣品托架(201)相接；前置顯微光路單元(300) 物鏡(301)、管鏡(302)、目鏡(303)組成，物鏡(301)、管鏡(302),目鏡(303)依次排列，三者光軸在同一條直線上；分光成像單元(400)由入射狹縫(401)、第二準直鏡(402 )、體全息透射式光柵(403 )、成像透鏡(404 )、CCD攝像頭(405 )依次排列構(gòu)成，入射狹縫(401)、第二準直鏡(402 )的光軸與成像透鏡(404 )、CXD攝像頭(405 )的光軸夾角成90度；信號預(yù)處理單兀(500)由信號放大器(501)、信號濾波器(502)電氣連接構(gòu)成； 信號采集單元(600)由數(shù)據(jù)采集卡(601)、數(shù)據(jù)緩存器(602)、PCI接口卡(603)電氣連接構(gòu)成；控制單元(700)由計算機(701)、同步時序控制器(702)、外部控制按鍵(703)和顯示器(704)組成；三維掃描平臺(200)設(shè)置在光源單元(100)與前置顯微光路單元(300)之間，前置顯微光路單元(300)與分光成像單元(400)串接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的顯微超光譜層析三維成像裝置，其特征在于所述的反射腔(102)呈圓錐狀，內(nèi)壁鍍鋁。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的顯微超光譜層析三維成像裝置，其特征在于所述的信號放大器(501)為三級放大結(jié)構(gòu),輸入級為差分放大電路，中間級為共發(fā)射極放大電路,輸出級為互補推挽式功率放大電路。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的顯微超光譜層析三維成像裝置，其特征在于所述的控制單元(700)中的同步時序控制器(702)，由外觸發(fā)源電路和觸發(fā)延遲電路構(gòu)成，用于向信號預(yù)處理單元、數(shù)據(jù)采集單元、三維掃描平臺和光源單元發(fā)出同步觸發(fā)信號，保證時序上的同
專利摘要一種顯微超光譜層析三維成像裝置，包括光源單元，三維掃描平臺，前置顯微光路單元，分光成像單元，信號預(yù)處理單元，信號采集單元和控制單元，該裝置將超光譜成像技術(shù)、顯微技術(shù)、層析成像技術(shù)和三維成像技術(shù)聚集于一身，不僅獲得物體的多個波長和角度下的二維超光譜層析圖像，還可以得到每個像素對應(yīng)波長下的光譜，同時借助三維圖像重建技術(shù)還可以獲取其三維顯微超光譜圖像，并且結(jié)合顯微技術(shù)，可以對微小物體、物體表面及內(nèi)部組織進行微觀的三維超光譜層析成像。本實用新型與其他光譜儀相比，具有信息量更加豐富、精度更高、功能更強大、穩(wěn)定性更好等特點，適用于生物醫(yī)學(xué)檢測、食品安全檢測和生態(tài)環(huán)境監(jiān)測等。
文檔編號G01N21/25GK202583059SQ201220231050
公開日2012年12月5日 申請日期2012年5月22日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月22日
發(fā)明者任重, 劉國棟 申請人:江西科技師范大學(xué)