一种光谱显微成像装置及实现方法与流程

技术特征：
1.一种光谱显微成像装置，其特征在于，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。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，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3＜n＜13，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]：(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；(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，φ
j
表示叠加后的图像；(3)根据光强度等于振幅的平方算出仿真的光强度intensity，intensity＝|ψ
j
(x，y)|2；(4)用仿真的光强度去和真实的图像进行上采样(update)并将像素扩大为m*m倍；(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)根据相机到像面的距离d，利用点扩散函数psf和公式(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；(7)代入公式(7)代入公式更新物体0的数据，其中，conj为共轭，α
obj
为rpie中的算法权值；(8)代入公式(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；(9)重复(1)～(9)的步骤，并每次将j加一处理，直到j＝j；(10)重复(1)～(11)的步骤n次，直到足够小。(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。3.根据权利要求2所述的一种光谱显微成像装置的实现方法，其特征在于，步骤六中的进一步的，α
obj
＝α
p
＝1，n＝6。

技术总结
本发明公开了一种光谱显微成像装置及实现方法，包括依次设置的照明光源、载物台、显微物镜、视场光阑、闪耀光栅、带通滤波器、4F中继透镜、微透镜阵列、平移台、掩膜和CCD阵列；所述的4F中继透镜共有两组，分别设置在带通滤波器和微透镜阵列之间以及平移台和CCD阵列之间；本发明装置通过光路设计，达到多次曝光并通过算法即可得到清晰样本多路连续光谱通道的目的，可以获得观察样本多维清晰图像信息。去除了其中的一组不必要的4F中继透镜，使得结构更紧凑，光通量更大，像差变好。增加了平移台和掩膜，有效弥补了由于将图像升维之后降采样引起的像素降低问题。的像素降低问题。的像素降低问题。


技术研发人员：颜成钢 柴夏媛 吕彬彬 孙垚棋 张继勇 李宗鹏
受保护的技术使用者：杭州电子科技大学
技术研发日：2021.06.29
技术公布日：2021/10/28