[发明专利]一种基于光纤积分视场单元的显微光谱成像系统

说明书

本发明提供一种基于光纤积分视场单元的显微光谱成像系统，为解决现有快照式显微光谱成像系统结构复杂、体积庞大、光谱分辨率有限等问题，本发明采用的技术方案是，一种基于光纤积分视场单元的显微光谱成像系统，由前置光学成像系统、光纤积分视场单元、成像光谱仪和光谱图像重构系统组成。前置光学成像系统对待测物进行显微成像，通过光纤积分视场单元对图像进行分割、传输和子图像重新排序，最终将子图像按顺序成线性送入成像光谱仪，经过光谱图像重构系统获取待测物的完整三维数据立方体。该系统光机结构简单，体积小巧，模块化程度高，仅通过单次曝光即可获得待测物的三维光谱信息，具有高空间分辨率和高光谱分辨率。

技术领域

本发明涉及一种基于光纤积分视场单元的显微光谱成像系统，属于快照式显微光谱成像技术领域。

背景技术

光谱成像技术产生于20世纪80年代，该技术可以在与待测目标不接触的情况下，获取待测物二维图像信息和一维的光谱信息。显微镜成像技术起源于1665年，罗伯特·胡克发明复合显微镜并观察到植物细胞。现阶段根据成像方式，显微成像系统可以分为光学宽视场显微镜、共聚焦显微镜和体视显微镜。其中，光学宽视场显微镜和共聚焦显微镜更多地应用于生命科学研究，前者主要成像技术有：明场成像、暗场成像、相衬成像、偏光成像、微分干涉成像、调制对比成像和荧光成像，而后者则以荧光、全反射、超分辨、多光子和白光共聚焦成像为主要技术。

将光谱成像技术与显微技术完美结合，成为能够有效地采集微观物质的光谱曲线的显微光谱成像技术，对生物医学和生命科学领域具有重大意义。通过对光谱特征的分析，可以高效获取待测物质、活体细胞的组成成分、特征物质含量等信息。

目前，显微光谱成像系统多为需要进行空间维度或时间维度扫描的扫描式系统，如对时间维度扫描的基于声光可调谐滤波器(Acousto-optic Tunable Filter，AOTF)的光谱成像系统和基于液晶可调谐滤波器(Liquid Crystal Tunable Filters，LCTF)的光谱成像系统；对空间维度扫描的干涉偏振成像光谱仪和基于激光共聚焦显微的拉曼光谱成像系统等，扫描式光谱成像系统无论其扫描速度多快，要获取目标完整的三维数据立方体，都需要采多帧图像，在高速运动的场景，必然会造成图像的拖影、模糊、光谱信息的混叠，因此低时间分辨率的扫描式光谱成像系统从原理上决定了其无法对运动目标，如活体细胞等进行高精度光谱成像。

近年来，快照式光谱成像技术以其只需采集一帧图像就能得到目标所有的光谱信息和空间信息的特点，成为显微光谱成像领域的研究热点。现阶段，快照式光谱成像技术，可分为积分视场光谱成像技术、层析光谱成像技术、编码孔径光谱成像技术、像面转镜光谱成像技术、分束器的光谱成像技术和分孔径光谱成像技术等类别。其中，积分视场光谱成像技术通过像切分器、光纤束或微透镜阵列切分像面，然后对每个子像进行色散，获取光谱，经过图像重构，获取三维光谱数据，具有结构简单、体积小、光谱分辨率高、时间、空间分辨率高、可获取连续光谱、复原算法相对简单等优点。

公开号CN107271037B的发明专利公开了一种显微光谱成像方法及系统，该系统利用基于像切分器的积分视场单元系统实现对活体生物细胞等微观物体的显微光谱成像。该方法解决了扫描式光谱成像技术需要高精度扫描的问题。但是，该系统的空间分辨率受限于像切分器的切分单元数量和大小，而大单元数量的球面像切分器的加工和制备又相对复杂；在实际装配时，需要严格保证各成像器件之间的光瞳衔接原则，否则将极大影响光谱分辨率和空间分辨率。公开号CN105974573A的发明专利公开了一种基于微透镜阵列的光场显微光谱成像方法及系统，该系统利用基于微透镜阵列的积分视场单元切分前端显微成像系统的像，经过准直、分光器件获得光谱信息。该方法可以在一次曝光时间内获取物体四维光场向量信息和一维光谱信息，但是该系统直接对微透镜阵列的像进行准直、分光获得光谱信息，相比于狭缝光谱仪系统其光谱分辨率较低；在设计时需要保证显微物镜的F数严格大于微透镜阵列的F数，否则就会发生光谱混叠，而微透镜阵列F数又要大于分光系统F数以减小像差，这增大了光学系统综合设计的难度。

发明内容