[发明专利]一种光谱显微成像装置及实现方法

权利要求书

1.一种光谱显微成像装置的实现方法，其特征在于，光谱显微成像装置包括依次设置的照明光源(1)、载物台(2)、显微物镜(3)、视场光阑(4)、闪耀光栅(6)、带通滤波器(7)、4F中继透镜(5)、微透镜阵列(8)、平移台(12)、掩膜(13)和CCD阵列(9)；所述的4F中继透镜(5)共有两组，分别设置在带通滤波器(7)和微透镜阵列(8)之间以及平移台(12)和CCD阵列(9)之间；

照明光源(1)照射到载物台(2)上，在显微物镜(3)成像镜头中获取载物台上样本的二维图像信息并成像在视场光阑(4)所在平面，照射到闪耀光栅(6)的表面；闪耀光栅(6)将不同光谱波长下的透射光色散到不同角度上，带通滤波器(7)使得闪耀光栅亮度最高的+1级中待记录的光谱波段单独通过，并屏蔽其它波段以及其它光栅级上的光线；此时光栅色散后的光线经过4F中继透镜(5)重新汇聚在微透镜阵列(8)所在平面，不同波长的光线在微透镜阵列(8)后方微透镜焦平面上聚焦，并且连续光谱延光栅色散方向一字展开，展开的像经过第二个4F中继透镜(5)，投射到CCD阵列(9)上；整个光路系统前后需要数值孔径匹配，即投射到微透镜阵列(8)上的光与微透镜阵列(8)本身的数值孔径大小差异不能超过设置阈值；所述的平移台(12)和掩膜(13)，用于将得到的降采样后不清晰的图像清晰化；

包括如下步骤：

步骤一：光从照明光源(1)出发，照射到载物台(2)上，载物台(2)上的观测物体被照亮；再由显微物镜(3)的成像镜头将观测物体的实像投在视场光阑(4)所在的平面，亦即投射在了闪耀光栅(6)上；此时，观测物体的实像与闪耀光栅(6)的刻线面重合，闪耀光栅(6)表面的观测物体的实像发生色散；

步骤二：由于带通滤波器(7)的带通特性，闪耀光栅亮度最高的+1级中待记录的光谱波段L1至Ln单独通过，经过4F中继透镜(5)重新汇聚到微透镜阵列(8)上；

步骤三：由于映射在闪耀光栅(6)表面的观测物体实像的色散角度不同，不同波长的光重新汇聚在微透镜阵列(8)上实像不仅会有不同的出射角，还会在微透镜焦平面(10)上沿着一个维度发生色散，光透过不规则的掩膜，形成掩膜和物象相叠加的图像，观测到物体色散后的实像经过4F中继透镜(5)成像在CCD阵列(9)的像素阵列上，并通过相机获取图像信息；

步骤四：CCD阵列(9)的像素阵列中的子像素(11)区域在微透镜阵列(8)中每一个微透镜都有对应，子像素(11)大小为N×N个像素，其中N为奇数，且3N13，并且经过该微透镜的出射光会投射到子像素(11)的中间一行像素上，此时，将子像素(11)中中间一行对应位置的像素重新组合，组合方式为，将每个微透镜对应的子像素(11)中的第(N+1)/2行的第i个像素按照微透镜位置排序组合为第i张图像Ai，其中i＝1,2……N，即可得到载物台(2)上观测物体在λi波长下对应的光谱图像Ai，其中λi＝L1+(i-0.5)×(Ln-L1)/N；记录下图像信息；

步骤五：利用平移台(12)将掩膜(13)在掩膜平面内移动，共移动k*k次，每次移动1微米，采用步骤四的方法记录下图像信息，一共重复k*k次，记录下k*k张图像信息；

步骤六：得到N组k*k的图像，对于每一组单波长图像进行如下操作，具体如下：

输入为J(J＝k*k)张原始图像，在迭代开始赋予物体和照明光的初始猜测O_j、P_j,其中，初始猜测照明光为P₁(x₀，y₀),j∈[1,J]：

(6-1)：根据移动的x、y信息，用P和移动值x_j、y_j来表示移动后的掩膜信息P_j＝P(x₀-x_j,y₀-y_j)；利用公式计算出仿真的叠加后的图像，其中，表示叠加后的图像，O_j表示第j张图像所对应的物体图像，P_j为移动后的掩膜信息；

(6-2)：获得相机到像面的距离d，利用点扩散函数PSF和公式ψ_j(x，y)＝PSF(d)*(x，y)算出仿真的波前，其中ψ_j表示仿真出的波前；

(6-3)：根据光强度等于振幅的平方算出仿真的光强度Intensity，Intensity＝|ψ_i(x，y)|²；

(6-4)：用仿真的光强度去和真实的图像进行上采样并将像素扩大为m*m倍；

(6-5)：利用公式：

计算出把图像转换成m*m倍图像的波前，其中ψ_j’为更新的仿真波前；

(6-6)：根据相机到像面的距离d，利用点扩散函数PSF和公式：

进行相当于(3)的逆变换，得出新的真实的波前；

(6-7)：代入公式：

更新物体O的数据，其中，conj为共轭，α_obj为rPIE中的算法权值；

(6-8)：代入公式：

更新照明光P的数据，其中，α_p为rPIE中的算法权值；

(6-9)：重复(6-1)～(6-8)的步骤，并每次将j加一处理，直到j＝J；

(6-10)：重复(6-1)～(6-10)的步骤n次，直到足够小；

(6-11)：将最后优化得到的物体O作为分辨率提升的图像复振幅，则重建图像为I＝|O|²；

步骤七：对于步骤六中每一组单波长图像，均求得其分辨率提升后的图片I_i作为当前波长的图像。

2.根据权利要求1所述的一种光谱显微成像装置的实现方法，其特征在于，步骤六中的α_obj＝α_p＝1，n＝6。