專利名稱：基于光學(xué)投影的無透鏡顯微成像方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)投影成像領(lǐng)域，特別涉及一種基于光學(xué)投影的無透鏡顯微成像方法及其裝置。
背景技術(shù)：
投影成像是一種傳統(tǒng)的成像方式，傳統(tǒng)的幻燈片、當(dāng)前的投影儀、傳統(tǒng)X線機(jī)、以及直接數(shù)字X成像系統(tǒng)等等都是運(yùn)用了投影這一基本方式，不同之處在于成像載體不同。
直接數(shù)字X成像是利用X射線的穿透能力，通過平板探測器的光電導(dǎo)性，將X射線轉(zhuǎn)換為電信號，形成數(shù)字化影像?；诳梢姽獾耐队俺上裨砩吓c其類似，利用可見光的對透明介質(zhì)或半透明介質(zhì)的穿透能力，可以產(chǎn)生物體的投影。隨著微電子技術(shù)的進(jìn)步，尤其是CMOS或CCD圖像傳感器的發(fā)展，基于光學(xué)投影的無透鏡顯微成像技術(shù)成為可能。目前， 圖像傳感器的感光單元的直徑可控制在1微米以內(nèi)，而人體紅細(xì)胞的直徑在6-9微米，白細(xì)胞的直徑為7-20微米，因此對這一類型的觀測物體進(jìn)行投影成像具有可觀測性。
目前還未有將直接的光學(xué)投影用于顯微成像的方法和設(shè)備，也未有采用平行光源用于顯微成像的相關(guān)理論研究。同時(shí)該方法需要重點(diǎn)克服以下問題(1)成像的質(zhì)量與常規(guī)的光學(xué)顯微鏡差別巨大，存在嚴(yán)重的色彩失真；(2)采用點(diǎn)光源照射成像物體，中心投影的圖像存在幾何失真；(3)被觀測物體的成像精度受制于CMOS或CCD圖像傳感器的工藝。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有方法存在的幾何失真、色彩失真等問題，提出來一種基于光學(xué)投影的無透鏡顯微成像方法及其裝置。
本發(fā)明提供的基于光學(xué)投影的無透鏡顯微成像方法包括如下步驟步驟一將待觀測的微小物體制作成為組織切片或生物玻片，也可將待觀測的微小物體放置在厚度不超過5毫米的透明培養(yǎng)皿中；將組織切片、生物玻片或透明培養(yǎng)皿放置在特制光源與圖像傳感器之間；調(diào)整組織切片、生物玻片或透明培養(yǎng)皿裝置底部平面與圖像傳感器成像平面之間的距離，保證待觀測成像物體的光學(xué)投影落在圖像傳感器成像平面上；調(diào)整特制光源的位置和方向，保證光源的照射方向與圖像傳感器成像平面的法向量夾角大于90度、小于等于180度；步驟二使用一個(gè)避光裝置將特制光源、成像物體及其載體、圖像傳感器封閉在一個(gè)空間內(nèi)，保證只有特制光源照射成像物體的透射光到達(dá)圖像傳感器；打開特制光源照射成像物體，并通過光源控制器調(diào)節(jié)光的波長、強(qiáng)度、色溫等參數(shù)，保證成像的幾何失真與色彩失真最小；控制圖像傳感器的白平衡、顏色通道增益、曝光時(shí)長等參數(shù)，對物體投影進(jìn)行曝光成像；步驟三由圖像傳感器的控制電路產(chǎn)生外部時(shí)鐘信號，并輸出到圖像傳感器；圖像傳感器的控制電路接收圖像傳感器的場頻信號、行頻信號以及數(shù)據(jù)信號；對圖像傳感器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理及編碼，并通過USB接口或1394接口傳到上位機(jī)。
所述的圖像傳感器包括CMOS圖像傳感器和CXD圖像傳感器兩種類型。
所述的特制光源分為錐形束光源和平行光源兩種類型；本方法采用投影成像的模式包括中心投影和平行投影兩類。
基于光學(xué)投影的無透鏡顯微成像裝置包括特制光源、光源控制器、光源接口、圖像傳感器、傳感器控制電路、USB接口、1394接口、載玻片或培養(yǎng)皿、載物臺及其固定裝置、載物臺裝卸裝置、避光基座和底座。
特制光源包含一個(gè)圓柱筒身和一個(gè)光源底座構(gòu)成；圓柱筒身固定在光源底座上， 光源底座側(cè)壁具有一個(gè)光源控制接口(采用miniUSB母口)；光源控制器使用數(shù)據(jù)線連接到光源控制接口上。
光源接口外形如一個(gè)長方體，上下兩面的中間具有一個(gè)貫穿的圓形孔洞，其直徑比特制光源筒身的外徑略大，但差距小于0. 3mm;使用時(shí)特制光源的筒身插到光源接口的圓形空洞內(nèi)。避光基座是一個(gè)安裝在底座上的中空裝置，光源接口安裝在避光基座的上部接口 ；避光基座前后兩面各有一個(gè)固定載物臺的卡位螺栓及其孔位，內(nèi)壁在水平方向各安裝一個(gè)用于載物臺裝卸的滑軌；避光基座具有一個(gè)半開放性的側(cè)壁，用于裝卸載物臺；避光基座可保證只有特制光源照射成像物體的透射光到達(dá)圖像傳感器。載物臺兩側(cè)具有滑槽，裝配時(shí)在避光基座的半開放性側(cè)壁方向，將滑槽對準(zhǔn)避光基座上的滑槽推入避光基座內(nèi)，并使用卡位螺栓進(jìn)行固定；載物臺的一端與載物臺裝卸機(jī)構(gòu)相連，推入滑槽后載物臺裝卸機(jī)構(gòu)嵌入到避光基座的半開放性側(cè)壁內(nèi)；載物臺的中間部分是一個(gè)貫穿的長方形階梯孔；階梯孔的上方長寬比標(biāo)準(zhǔn)切片尺寸大3mm，深度與切片厚度相當(dāng)；階梯孔的下方長寬比標(biāo)準(zhǔn)切片尺寸小3mm，用于支撐載玻片或培養(yǎng)皿。底座用于安裝避光基座和圖像傳感器及其控制電路；底座的一個(gè)側(cè)壁具有一個(gè)USB母口和一個(gè)1394母口 ；所述圖像傳感器及其控制電路可進(jìn)行更換，安裝在底座的中間位置，并為避光基座所覆蓋，載物臺位于圖像傳感器及其控制電路的正上方。
所述載玻片(包括組織切片、生物玻片等)或培養(yǎng)皿可更換，工作時(shí)將其固定在載物臺上；通過USB接口或1394接口，使用數(shù)據(jù)線將裝置與上位機(jī)連接。
本發(fā)明提供的基于光學(xué)投影的無透鏡顯微成像裝置中所涉及的特制光源由LED 和光學(xué)組件組成，結(jié)構(gòu)上具有光欄，分為錐形束光源和平行光源兩種類型；光源可更換不同類型，相同尺寸的LED ；光源控制器可直接驅(qū)動RGBB類型的LED，并可控制其波長、色彩、亮度、色溫。
本發(fā)明提供的基于光學(xué)投影的無透鏡顯微成像裝置采用分體式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可更換符合接口標(biāo)準(zhǔn)、不同類型的光源系統(tǒng)；可更換符合尺寸和接口要求、帶有不同類型的圖像傳感器的電路板；可更換符合載物臺尺寸要求的載玻片或培養(yǎng)皿。
本發(fā)明的有益效果基于光學(xué)投影的無透鏡顯微成像裝置無需采用常規(guī)顯微鏡的光學(xué)透鏡組合，無需大功率的照明裝置，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、節(jié)約電能等顯著特點(diǎn)。同時(shí)可直接得到數(shù)字化圖像，具有數(shù)據(jù)存儲和傳輸方便等優(yōu)勢，可作為遠(yuǎn)程醫(yī)療的配套裝置， 成為遠(yuǎn)程醫(yī)療的數(shù)據(jù)載體，可極大改善偏遠(yuǎn)地區(qū)和落后國家的顯微診斷(尤其是病理診斷) 的水平。


圖1是本發(fā)明的基于中心投影的無透鏡顯微成像方法的原理示意圖； 圖2是本發(fā)明的基于平行投影的無透鏡顯微成像方法的原理示意圖；圖3是本發(fā)明的基于光線投影的無透鏡顯微成像裝置的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4是本發(fā)明實(shí)施例中的采用可變色溫平行光源結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明提供的基于光學(xué)投影的無透鏡顯微成像方法的基本原理如圖1和圖2所示，根據(jù)光源的不同，可分為基于中心投影和基于平行投影兩種。
基于中心投影的無透鏡顯微成像方法將成像物體制作稱為切片或生物玻片，或?qū)⒊上裎矬w放置在透明的培養(yǎng)皿中；將載玻片或培養(yǎng)皿2放置在錐形束光源3和圖像傳感器1之間；使用錐形束光源3照射成像物體4，將物體投影到圖像傳感器上形成中心投影像 5 ；圖像傳感器1對中心投影像5進(jìn)行感光，并將其產(chǎn)生的圖像數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)。
基于平行投影的無透鏡顯微成像方法將成像物體制作稱為切片或生物玻片，或?qū)⒊上裎矬w放置在透明的培養(yǎng)皿中；將載玻片或培養(yǎng)皿2放置在平行光源7和圖像傳感器 1之間；使用平行光源7照射成像物體4，將物體投影到圖像傳感器上形成平行投影像6 ；圖像傳感器1對平行投影像6進(jìn)行感光，并將其產(chǎn)生的圖像數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)。
圖1說明了基于中心投影的成像方法的基本特點(diǎn)由于載玻片或培養(yǎng)皿2和圖像傳感器1之間存在一定的距離，錐形光束3透射載玻片或培養(yǎng)皿2后，成像物體的投影面積將大于平行投影時(shí)的面積，且放大倍數(shù)呈現(xiàn)中心輻射性分布。圖2說明了基于平行投影的成像方法的基本特點(diǎn)平行光垂直入射時(shí)，成像大小與被觀測物體同光源之間的距離無關(guān)， 也與被觀測物體同圖像傳感器之間的距離無關(guān)。
本發(fā)明所涉及的成像裝置的具體結(jié)構(gòu)如圖3所示，本發(fā)明基于光學(xué)投影的無透鏡成像裝置由圖像傳感器1、傳感器控制線路板8、載玻片或培養(yǎng)皿2、光源接口 9、特制光源 10、光源控制接口 11、底座12、載物臺13、避光基座14、卡位螺栓15、載物臺裝卸機(jī)構(gòu)16、 1394接口 17、USB接口 18、光源控制器19組成。
光源接口 9為長方體結(jié)構(gòu)，上下兩面的中間具有一個(gè)貫穿的圓形孔洞，其直徑比特制光源10筒身的外徑略大，但差距小于0. 3mm ；使用時(shí)特制光源10的筒身插到光源接口 9的圓形空洞內(nèi)。避光基座14是一個(gè)安裝在底座上的中空裝置，光源接口 9安裝在避光基座14的上部接口 ；避光基座14前后兩面各有一個(gè)固定載物臺13的卡位螺栓15，內(nèi)壁在水平方向各安裝一個(gè)用于載物臺裝卸的滑軌；避光基座14具有一個(gè)半開放性的側(cè)壁，用于裝卸載物臺13 ；避光基座14可保證只有特制光源10照射成像物體的透射光到達(dá)圖像傳感器 1。載物臺13兩側(cè)具有滑槽，裝配時(shí)在避光基座14的半開放性側(cè)壁方向，將滑槽對準(zhǔn)避光基座14上的滑槽推入避光基座14內(nèi)，并使用卡位螺栓15進(jìn)行固定；載物臺13的一端與載物臺裝卸機(jī)構(gòu)16相連，推入滑槽后載物臺裝卸機(jī)構(gòu)16嵌入到避光基座14的半開放性側(cè)壁內(nèi)；載物臺13的中間部分是一個(gè)貫穿的長方形階梯孔；階梯孔的上方長寬比標(biāo)準(zhǔn)切片尺寸大3mm，深度與切片厚度相當(dāng)；階梯孔的下方長寬比標(biāo)準(zhǔn)切片尺寸小3mm，用于支撐載玻片或培養(yǎng)皿2。底座用于安裝避光基座14和圖像傳感器1及其控制電路板8 ；底座的一個(gè)側(cè)壁具有一個(gè)USB接口 18和一個(gè)1394接口 17 ；所述圖像傳感器1及其控制電路板8可進(jìn)行更換，安裝在底座的中間位置，并為避光基座14所覆蓋，載物臺13位于圖像傳感器1及其控制電路板8的正上方。
工作時(shí)，將載玻片或培養(yǎng)皿2通過載物臺裝卸機(jī)構(gòu)15放置在載物臺13上，根據(jù)實(shí)際需要通過載物臺13的固定裝置調(diào)節(jié)其位置，從而調(diào)節(jié)圖像傳感器1和載玻片或培養(yǎng)皿2 之間的距離；將選用的特制光源10裝配到光源接口 9中，并將光源接口 9安裝到避光基座 14上；使用數(shù)據(jù)線經(jīng)由光源控制接口 11與光源控制器19相連接，調(diào)節(jié)光強(qiáng)、色溫等參數(shù)， 達(dá)到預(yù)定的成像效果；將基座14上的1394接口 17或USB接口 18使用對應(yīng)規(guī)格的數(shù)據(jù)線與上位機(jī)相連，上位機(jī)通過1394接口 17或USB接口 18傳送控制指令給傳感器控制線路板 8 ；傳感器控制線路板8產(chǎn)生基準(zhǔn)的時(shí)鐘信號，并將該信號輸出給圖像傳感器1 ；傳感器控制線路板8接收并分析圖像傳感器1輸出的行頻信號和場頻信號；上位機(jī)可通過傳感器控制線路板8將指令傳送給圖像傳感器1，例如將曝光指令下達(dá)給圖像傳感器1 ；圖像傳感器1 在完成曝光后通知傳感器控制線路板8，傳感器控制線路板8根據(jù)圖像傳感器1產(chǎn)生的行頻信號和場頻信號接收和整理圖像數(shù)據(jù)，并通知上位機(jī)，上位機(jī)接收到信號后從傳感器控制線路板8提取圖像數(shù)據(jù)。
下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)敘述。
本發(fā)明公開的實(shí)施例是一種對組織切片進(jìn)行無透鏡顯微成像的裝置，采用平行投影的成像方法，其原理如圖2所示。其結(jié)構(gòu)如圖3所示，本發(fā)明公開的實(shí)施例中，11圖像傳感器采用具有500萬像素的CMOS傳感器，感光區(qū)域?yàn)?592 μ m*3243 μ m,感光單元的尺寸為 1. 75 μ m*l. 75 μ m。
本發(fā)明公開的實(shí)施例中，光源采用可變色溫的平行光源7，結(jié)構(gòu)如圖4所示，具體由RGBB式LED20、透鏡21、光欄22、光源筒身23、光源基座M、光源控制接口 10、LED更換座25組成。其通過光源控制接口 10與圖3的光源控制器19相連。光源控制器18具有與上位機(jī)通信的能力，可通過RS232接口傳輸控制指令。
實(shí)際使用時(shí)，首先將裝置按照以下步驟安裝連接1)將載玻片或培養(yǎng)皿2通過載物臺裝卸機(jī)構(gòu)15放置在載物臺13上，調(diào)節(jié)載物臺13到合適位置；2)將平行光源7與光源控制器19相連，接通電源，調(diào)節(jié)的光欄22到合適大小，然后斷開電源；3 )將平行光源7與裝配到14光源接口中，并將14安裝到19避光基座上；4)使用數(shù)據(jù)線經(jīng)由光源控制接口10與光源控制器18相連接，調(diào)節(jié)光強(qiáng)、色溫等參數(shù)， 達(dá)到預(yù)定的成像效果；5)將底座12上的USB接口18使用數(shù)據(jù)線與上位機(jī)相連，并測試CMOS圖像傳感器1工作是否正常。
連接完成后，上位機(jī)可通過USB18接口控制CMOS圖像傳感器1的參數(shù)調(diào)節(jié)及曝光，完成顯微成像。
權(quán)利要求
1.基于光學(xué)投影的無透鏡顯微成像方法，其特征在于該方法包括如下步驟步驟一將待觀測的微小物體制作成為組織切片或生物玻片，也可將待觀測的微小物體放置在厚度不超過5毫米的透明培養(yǎng)皿中；將組織切片、生物玻片或透明培養(yǎng)皿放置在特制光源與圖像傳感器之間；調(diào)整組織切片、生物玻片或透明培養(yǎng)皿裝置底部平面與圖像傳感器成像平面之間的距離，保證待觀測成像物體的光學(xué)投影落在圖像傳感器成像平面上；調(diào)整特制光源的位置和方向，保證光源的照射方向與圖像傳感器成像平面的法向量夾角大于90度、小于等于180度；步驟二使用一個(gè)避光裝置將特制光源、成像物體及其載體、圖像傳感器封閉在一個(gè)空間內(nèi)，保證只有特制光源照射成像物體的透射光到達(dá)圖像傳感器；打開特制光源照射成像物體，并通過光源控制器調(diào)節(jié)光的波長、強(qiáng)度、色溫等參數(shù)，保證投影成像的幾何失真與色彩失真最?。豢刂茍D像傳感器的白平衡、顏色通道增益、曝光時(shí)長等參數(shù)，對物體投影進(jìn)行曝光成像；步驟三由圖像傳感器的控制電路產(chǎn)生外部時(shí)鐘信號，并輸出到圖像傳感器；圖像傳感器的控制電路接收圖像傳感器的場頻信號、行頻信號以及數(shù)據(jù)信號；對圖像傳感器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理及編碼，并通過USB接口或1394接口傳到上位機(jī)。
2.基于光學(xué)投影的無透鏡顯微成像裝置，其特征在于該裝置包括特制光源、光源控制器、光源接口、圖像傳感器、傳感器控制電路、USB接口、1394接口、載玻片或培養(yǎng)皿、載物臺及其固定裝置、載物臺裝卸裝置、避光基座和底座；特制光源包含一個(gè)圓柱筒身和一個(gè)光源底座構(gòu)成；圓柱筒身固定在光源底座上，光源底座側(cè)壁具有一個(gè)光源控制接口 ；光源控制器使用數(shù)據(jù)線連接到光源控制接口上；光源接口外形如一個(gè)長方體，上下兩面的中間具有一個(gè)貫穿的圓形孔洞，其直徑比特制光源筒身的外徑略大，差距小于0. 3mm;使用時(shí)特制光源的筒身插到光源接口的圓形空洞內(nèi)，避光基座是一個(gè)安裝在底座上的中空裝置，光源接口安裝在避光基座的上部接口 ；避光基座前后兩面各有一個(gè)固定載物臺的卡位螺栓及其孔位，內(nèi)壁在水平方向各安裝一個(gè)用于載物臺裝卸的滑軌；避光基座具有一個(gè)半開放性的側(cè)壁，用于裝卸載物臺；避光基座可保證只有特制光源照射成像物體的透射光到達(dá)圖像傳感器，載物臺兩側(cè)具有滑槽，裝配時(shí)在避光基座的半開放性側(cè)壁方向，將滑槽對準(zhǔn)避光基座上的滑槽推入避光基座內(nèi)，并使用卡位螺栓進(jìn)行固定；載物臺的一端與載物臺裝卸機(jī)構(gòu)相連，推入滑槽后載物臺裝卸機(jī)構(gòu)嵌入到避光基座的半開放性側(cè)壁內(nèi)；載物臺的中間部分是一個(gè)貫穿的長方形階梯孔；階梯孔的上方長寬比標(biāo)準(zhǔn)切片尺寸大3mm，深度與切片厚度相當(dāng)；階梯孔的下方長寬比標(biāo)準(zhǔn)切片尺寸小3mm，用于支撐載玻片或培養(yǎng)皿，底座用于安裝避光基座和圖像傳感器及其控制電路；底座的一個(gè)側(cè)壁具有一個(gè)USB母口和一個(gè)1394母口 ；圖像傳感器及其控制電路安裝在底座的中間位置，并為避光基座所覆蓋，載物臺位于圖像傳感器及其控制電路的正上方； 所述的載玻片包括組織切片、生物玻片；所述的圖像傳感器包括CMOS圖像傳感器和CCD圖像傳感器兩種類型； 所述的特制光源分為錐形束光源和平行光源兩種類型；本方法采用投影成像的模式包括中心投影和平行投影兩類；所述的特制光源由LED和光學(xué)組件組成，結(jié)構(gòu)上具有光欄，分為錐形束光源和平行光源兩種類型；光源控制器可直接驅(qū)動RGBB類型的LED，并可控制其波長、色彩、亮度、色溫。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于光學(xué)投影的無透鏡顯微成像裝置，其特征在于該裝置采用分體式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可更換符合接口標(biāo)準(zhǔn)、不同類型的光源系統(tǒng)，可更換符合尺寸和接口要求、帶有不同類型的圖像傳感器的電路板，可更換符合載物臺尺寸要求的載玻片或培養(yǎng)皿。
全文摘要
發(fā)明提供一種基于光學(xué)投影的無透鏡顯微成像方法及裝置。本發(fā)明中使用CMOS或CCD圖像傳感器對物體的光學(xué)投影直接感光成像；將載玻片放置在圖像傳感器與光源之間；使用可變色溫、可變光強(qiáng)的特制光源照射載玻片，將載玻片上的物體投影到圖像傳感器上；控制圖像傳感器對物體投影進(jìn)行曝光成像；將圖像傳感器產(chǎn)生的數(shù)字圖像經(jīng)USB接口或1394接口傳送到上位機(jī)或其他系統(tǒng)。本發(fā)明無需傳統(tǒng)顯微鏡的光學(xué)鏡頭組，利用圖像傳感器對物體的投影直接數(shù)字化成像，可用于觀測細(xì)胞、顆粒、寄生物等微小物體，具有體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、成本低廉、觀測簡便、直接數(shù)字化等特點(diǎn)。
文檔編號G02B21/06GK102508356SQ20111029700
公開日2012年6月20日 申請日期2011年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月30日
發(fā)明者姜燕, 孫安玉, 居冰峰 申請人:浙江大學(xué)