[发明专利]一种快速光谱显微成像装置

权利要求书

1.一种快速光谱显微成像装置的实现方法，其特征在于，快速光谱显微成像装置包括依次设置的宽光谱白光光源(1)、载物台(2)、显微物镜(3)、分光棱镜(4)；沿分光棱镜(4)反射光方向设置有第一视场光阑(5.1)、第一4F中继透镜(7.1)和第一灰度相机(11.1)；沿分光棱镜(4)出射光方向设置的第二视场光阑(5.2)、第二4F中继透镜(7.2)、闪耀光栅(8)、带通滤波器(9)、第三4F中继透镜(7.3)、微透镜阵列(10)、第四4F中继透镜(7.4)和第二灰度相机(11.2)；

第二4F中继透镜(7.2)的两组镜片之间设置有孔径光阑(6)；

宽光谱白光光源(1)用于将载物台(2)上的观测物体即样本照亮，显微物镜(3)用于获取载物台(2)上样本的二维图像信息并经过分光棱镜(4)后分为出射光和反射光两束：

反射光以a亮度成像在第一视场光阑(5.1)所在平面，通过第一4F中继透镜(7.1)将第一视场光阑面实像中继至第一灰度相机(11.1)所在平面；

出射光以1-a亮度聚焦在第二视场光阑(5.2)所在平面，通过第二4F中继透镜(7.2)将第二视场光阑面实像中继至闪耀光栅(8)表面，孔径光阑(6)用于控制入射光数值孔径；闪耀光栅(8)会将场景不同光谱波长下的透射光色散到不同角度上，通过带通滤波器(9)将闪耀光栅(8)亮度最高的+1级中待记录的光谱波段单独通过，对其他波段以及其它光栅级上的光线进行屏蔽；此时闪耀光栅(8)色散后的光线经过第三4F中继透镜(7.3)重新汇聚在微透镜阵列(10)所在平面，不同波长的光线在微透镜阵列(10)后方微透镜焦距f距离处聚焦，并且连续光谱延光栅色散方向一字展开，展开的像经过第四4F中继透镜(7.4)，重新成像在第二灰度相机(11.2)的传感器阵列上；整个光路系统中，出射光对应的前后光路需要数值孔径匹配，即投射到微透镜阵列(10)上的光与微透镜阵列(10)本身的数值孔径大小相差不超过5％，以免产生图像重叠混淆；

反射光将宽光谱白光光源(1)下生物样本的高分辨率二维空间信息完整的记录在第一灰度相机(11.1)中；

出射光由于微透镜阵列(10)对视场内成像进行了采样分割，因此不同光谱通道的成像会聚焦在不同的像素坐标中，选取子像素中对应位置的像素重新组合即可得到对应光谱信息；

包括如下步骤：

步骤一：宽光谱白光光源(1)将载物台(2)上的观测物体照亮，显微物镜(3)的成像镜头将观测物体的实像成像经过分光棱镜(4)分为两束：

反射光将样本成像在第一视场光阑(5.1)所在平面，经过第一4F中继透镜(7.1)射在第一灰度相机(11.1)并被记录下来；

出射光将样本成像在第二视场光阑(5.2)所在平面，通过第二4F中继透镜(7.2)射在闪耀光栅(8)刻线一侧，孔径光阑(6)用于控制入射光数值孔径，此时，观测物体的实像与闪耀光栅8的刻线面重合；

步骤二：映射在闪耀光栅(8)表面的观测物体的实像发生色散，通过带通滤波器(9)使得光栅+1级中λ1-λ2波段的光单独通过，经过第三4F中继透镜(7.3)重新汇聚到微透镜阵列(10)上；

步骤三：由于映射在闪耀光栅8表面的观测物体的实像存在色散角度，因此不同波长的光重新汇聚在微透镜阵列(10)上的实像存在不同的出射角，并且在微透镜后焦面(12)上沿着一个维度发生色散，微透镜后焦面(12)上的实像经过第四4F中继透镜(7.4)成像在第二灰度相机(11.2)的像素阵列上；

步骤四：微透镜阵列(10)中每一个微透镜对应第二灰度相机(11.2)的像素阵列中的一块子像素(13)区域，并且经过该微透镜的出射光会投射到子像素(13)的中间一行像素上，此时，将子像素(13)中中间一行对应位置的L个像素重新组合，即能够得到载物台(2)上观测物体在该波长下对应的低分辨率单波长光谱图像，这些重新组合的低分辨率单波长光谱图像分别为P₁、P₂……P_L，得到共L张图像，其像素尺寸由第二灰度相机(11.2)视场内完整微透镜阵列个数决定；

第二灰度相机(11.2)视场内完整微透镜阵列个数为M×N,则单波长图像像素尺寸为M×N；

步骤五：将第二灰度相机(11.2)的光谱响应曲线分为L份，使得中间部分的L-2份宽度相同，光谱响应曲线的第1份和第L份宽度与中间部分满足以下条件：设中间部分宽度为W_m，光谱响应曲线的第1份和第L份宽度设为W_e,W_e∈(0.5W_m,W_m]，此时第二灰度相机(11.2)对应的R、G、B三组光谱响应曲线图分为L份，其求和值再乘以L作为RGB通道赋值权重；三组权重值分别记为A^R、A^G、A^B其中，

步骤六：将重新组合的低分辨率单波长光谱图像P_i的像素矩阵点乘波段i对应的权值得到第i个波段图像P_i对应的RGB三通道权重矩阵

步骤七：将第一灰度相机(11.1)视场范围与第二灰度相机(11.2)能够捕获的完整微透镜阵列范围保持一致，然后将第一灰度相机(11.1)的图像Q设置为第二灰度相机(11.2)的L张照片P₁、P₂……P_L像素尺寸的L×L倍大小，此时第二灰度相机(11.2)能够捕获的完整子像素个数为M×N，这些子像素需要M×N×L×L个像素来记录,第一灰度相机(11.1)中对应的M×N个大小为L×L的子像素分别乘以第i个波段图像P_i对应的RGB三通道权重矩阵得到三个图像将三个图像作为RGB图的三个通道合成一张RGB图像，其像素尺寸为M×N×L×L的图像，并且每个子像素使用相同的RGB三通道权重赋值，作为第i个波段的参考光谱图像Q_i。