基于微透镜的荧光成像装置及荧光图像采集方法

1.本发明属于图像采集技术领域，涉及基于微透镜的荧光成像装置，还涉及一种荧光图像采集方法。


背景技术：

2.在george stokes引入“荧光”这个术语后，越来越多的材料被发现可以在紫外线或者可见光照射时发出荧光。当前，荧光成像技术被广泛用于生物医疗领域，其利用探针标记靶向区域的特殊成像方式，能够从各类生物检材中获取更多、更为细节的概况与内部结构信息，为临床疾病诊断、新药开发等医疗需求提供关键检测数据。
3.目前现有的两类荧光成像系统分别是传统荧光显微镜类设备和无透镜荧光成像系统。虽然传统荧光显微镜类设备作为主流荧光成像设备拥有较高的分辨率，但存在的分辨率-视场矛盾及体积成本问题极大限制了荧光成像技术的工作场景。无透镜成像系统通过使用图像传感器直接采集荧光信息，避免了使用多透镜组，因此无透镜荧光成像系统解决了传统荧光显微镜的体积重量问题，不过由于其高昂的系统成本以及成像分辨率低等问题，相较传统的有透镜成像并不具备空间带宽积上的优势。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供基于微透镜的荧光成像装置，解决了传统无透镜荧光成像系统成像分辨率低的问题。
5.本发明的另一目的是提供一种荧光图像采集方法，实现了荧光图像的高效采集。
6.本发明所采用的第一种技术方案是，基于微透镜的荧光成像装置，包括可拓展载物台，可拓展载物台上扣设有微型暗室，可拓展载物台下设置有成像筒体，微型暗室斜上方设置有入射光源，微型暗室顶部中央设置有孔洞，微型暗室顶部活动设置有遮光盖，遮光盖与孔洞位置对应，可拓展载物台下表面固定有圆柱直筒，圆柱直筒垂直于可拓展载物台下表面，圆柱直筒中设置有微透镜，圆柱直筒底端向下依次设置有滤光片、图像传感器封装盖板和图像传感器感光阵列，微型暗室、成像筒体、圆柱直筒内壁均为黑色。
7.本发明的特点还在于，
8.图像传感器感光阵列固定在图像传感器固定器上，图像传感器固定器位于成像筒体中。
9.图像传感器固定器外壁与成像筒体内壁通过图像传感器固定器固定连接。
10.圆柱直筒位于成像筒体中，圆柱直筒外壁与成像筒体内壁通过直筒固定器固定连接。
11.微透镜采用凸透镜类型中的准直镜。
12.微透镜外侧设置有螺纹，微透镜通过螺纹与圆柱直筒内壁连接。
13.可拓展载物台采用多个薄片叠加结构，可拓展载物台与微型暗室通过螺柱固定连接。
14.入射光源位于微型暗室顶部孔洞斜上方45
°
。
15.本发明采用的第二种技术方案是，一种荧光图像采集方法，应用本发明的荧光成像装置进行荧光图像采集，具体按照以下步骤实施：
16.步骤1、对细胞样本进行荧光物质染色处理，放置于载玻片上，然后将载玻片放置于可拓展载物台上；
17.步骤2、旋转遮光盖，让微型暗室孔洞的部分露出，打开位于系统上方斜45
°
的方向的入射光源，入射光从遮光盖上方孔入射；
18.步骤3、调节微透镜在圆柱直筒内部的位置，图像传感器收集到携带样本信息的荧光图像；
19.步骤4、观察图像传感器采集到的荧光图像，根据观察结果对圆柱直筒7内的微透镜的位置进行调整，直到采集到的荧光图像清晰，荧光图像采集完成。
20.本发明的有益效果是：
21.本发明基于微透镜的荧光成像装置，在无透镜荧光成像的基础上采用微透镜的结构，利用微透镜的汇聚作用，有效地降低了无透镜系统存在的荧光的散射损耗，不用通过减小样本与图像传感器之间的距离的方式来提高荧光信息的完整性，显著的提升了图像传感器采集图像的分辨率；光源位于系统斜上方，采用斜入射的方式，遮光盖会将一部分入射光挡住，从而大大的降低了入射光的强度，防止入射光过强而造成图像传感器过曝；在系统中加入微型暗室结构，在实验中降低了周围环境对成像结果的干扰，扩大了系统的应用范围。
22.本发明一种荧光图像采集方法，应用本发明基于微透镜的荧光成像装置进行采集，能够快速调整微透镜位置实现聚焦，提高了荧光图像采集的效率，所采集的荧光图像清晰，对于后续的生物研究有着重要意义。
附图说明
23.图1是本发明基于微透镜的荧光成像装置的示意图；
24.图2是本发明基于微透镜的荧光成像装置的剖面示意图。
25.图中，1.入射光源，2.遮光盖，3.微型暗室，4.细胞样本，5.可拓展载物台，6.载玻片，7.圆柱直筒，8.微透镜，9.直筒固定器，11.滤光片，12.图像传感器封装盖板，13.图像传感器感光阵列，14.图像传感器底座，16.图像传感器固定器，17.成像筒体。
具体实施方式
26.下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
27.实施例1
28.本实施例提供一种基于微透镜的荧光成像装置，如图1-2所示，包括可拓展载物台5，可拓展载物台5上扣设有微型暗室3，可拓展载物台5下设置有成像筒体17，微型暗室3顶部中央设置有孔洞，微型暗室3斜上方设置有入射光源1，入射光源1位于微型暗室3顶部孔洞斜上方45
°
，微型暗室3顶部活动设置有遮光盖2，遮光盖2下方紧贴微型暗室3的上表面，遮光盖2与孔洞位置对应，遮光盖2与微型暗室3采用圆形结构，在使用时只需要进行旋转即可让入射光进入系统内部，可拓展载物台5下表面固定有圆柱直筒7，圆柱直筒7垂直于可拓展载物台5下表面，圆柱直筒7中设置有微透镜8，圆柱直筒7底端向下依次设置有滤光片11、
图像传感器封装盖板12和图像传感器感光阵列13，图像传感器感光阵列13固定在图像传感器固定器16上，图像传感器固定器16位于成像筒体17中，图像传感器固定器16外壁与成像筒体17内壁通过图像传感器固定器16固定连接，滤光片11紧贴圆柱直筒7下表面，滤光片11下表面紧贴图像传感器封装盖板12，图像传感器感光阵列13与图像传感器封装盖板12之间有一定的封装距离，微型暗室3、成像筒体17、圆柱直筒7内壁均为黑色。
29.实施例2
30.本实施例提供一种基于微透镜的荧光成像装置，在实施例1的基础上，圆柱直筒7位于成像筒体17中，圆柱直筒7外壁与成像筒体17内壁通过直筒固定器9固定连接。
31.微透镜8外侧设置有螺纹，微透镜8通过螺纹与圆柱直筒7内壁连接，使用工具即可调整微透镜8在直筒内部的位置，从而改变微透镜与图像传感器感光阵列之间的距离z，微透镜8采用凸透镜类型中的准直镜，微透镜8使用具有汇聚作用的凸透镜，当荧光经过微透镜8，利用微透镜8将细胞样本的荧光汇聚传输到滤光片11上，消除了传统无透镜设备因为光路传输距离远而出现荧光散射损耗造成成像分辨率低的问题。
32.可拓展载物台5采用多个薄片叠加结构，可拓展载物台5与微型暗室3通过螺柱固定连接，微型暗室3下部进行加宽，在四角设置四个孔，螺柱位于四个孔中。
33.实施例3
34.本实施例提供一种荧光图像采集方法，应用本实施例1或实施例2的荧光成像装置进行荧光图像采集，具体按照以下步骤实施：
35.步骤1、对细胞样本4进行荧光物质染色处理，放置于载玻片6上，然后将载玻片6放置于可拓展载物台5上；
36.步骤2、旋转遮光盖2，让微型暗室3孔洞的部分露出，打开位于系统上方斜45
°
的方向的激发光源1，入射光从遮光盖上方孔入射，由于照射角度偏移，因此在经过遮光盖2后一部分入射光会因为未进入遮光盖的孔而被消除掉，降低了入射光的强度，从而降低入射光对成像结果的影响，防止图像传感器过曝，通过遮光盖的入射光在经过微型暗室3后照射到载玻片上的细胞样本4，在受到入射光激发后发出荧光，携带样本信息的荧光开始向正下方传输。系统侧壁颜色为黑色，会再次将照射到侧壁本应反射的入射光吸收，从而再次降低入射光的强度；
37.步骤3、针对长距离传输时荧光散射损耗问题，利用圆柱直筒内部的微透镜8来解决，微透镜8使用的是凸透镜类型的准直镜，准直镜可以将入射的光汇聚成平行光，平行光在传输过程中因其特点散射损耗会显著降低，但准直镜在使用时需保证成像平面在焦距位置，否则成像依旧会模糊，而由于图像传感器存在图像传感器封装盖板12，在图像传感器封装盖板12与感光阵列13之间还存在空气层，不同传感器空气层的距离和封装盖板的厚度有所不同，因此通常情况下图像传感器与微透镜之间的距离也不同，况且因为有空气层的存在，因此在测量距离时无法得到准确值，针对这个问题，通过使用工具调节微透镜8在圆柱直筒7内部的位置，从而保证图像传感器感光阵列13在微透镜8焦距处，在经过微透镜8的汇聚作用后，荧光信息变为平行光传输到滤光片上，滤光片11阻挡除荧光外的其他类型光，从而可以再次降低入射光的强度，在经过滤光片11之后，消除掉入射光的荧光传播到图像传感器感光阵列13上，图像传感器收集到携带样本信息的荧光图像；
38.步骤4、观察图像传感器采集到的荧光图像，根据观察结果对圆柱直筒7内的微透
镜的位置进行调整，直到采集到的荧光图像清晰，荧光图像采集完成。

技术特征：
1.基于微透镜的荧光成像装置，其特征在于，包括可拓展载物台(5)，所述可拓展载物台(5)上扣设有微型暗室(3)，所述可拓展载物台(5)下设置有成像筒体(17)，所述微型暗室(3)斜上方设置有入射光源(1)，所述微型暗室(3)顶部中央设置有孔洞，所述微型暗室(3)顶部活动设置有遮光盖(2)，所述遮光盖(2)与孔洞位置对应，所述可拓展载物台(5)下表面固定有圆柱直筒(7)，所述圆柱直筒(7)垂直于可拓展载物台(5)下表面，所述圆柱直筒(7)中设置有微透镜(8)，所述圆柱直筒(7)底端向下依次设置有滤光片(11)、图像传感器封装盖板(12)和图像传感器感光阵列(13)，所述微型暗室(3)、成像筒体(17)、圆柱直筒(7)内壁均为黑色。2.根据权利要求1所述的基于微透镜的荧光成像装置，其特征在于，图像传感器感光阵列(13)固定在图像传感器固定器(16)上，所述图像传感器固定器(16)位于成像筒体(17)中。3.根据权利要求2所述的基于微透镜的荧光成像装置，其特征在于，所述图像传感器固定器(16)外壁与成像筒体(17)内壁通过图像传感器固定器(16)固定连接。4.根据权利要求1所述的基于微透镜的荧光成像装置，其特征在于，所述圆柱直筒(7)位于成像筒体(17)中，所述圆柱直筒(7)外壁与成像筒体(17)内壁通过直筒固定器(9)固定连接。5.根据权利要求1所述的基于微透镜的荧光成像装置，其特征在于，所述微透镜(8)采用凸透镜类型中的准直镜。6.根据权利要求1所述的基于微透镜的荧光成像装置，其特征在于，所述微透镜(8)外侧设置有螺纹，所述微透镜(8)通过螺纹与圆柱直筒(7)内壁连接。7.根据权利要求6所述的基于微透镜的荧光成像装置，其特征在于，所述可拓展载物台(5)采用多个薄片叠加结构，所述可拓展载物台(5)与微型暗室(3)通过螺柱固定连接。8.根据权利要求1所述的基于微透镜的荧光成像装置，其特征在于，所述入射光源(1)位于微型暗室(3)顶部孔洞斜上方45
°
。9.一种荧光图像采集方法，应用如权利要求1所述的荧光成像装置进行荧光图像采集，其特征在于，具体按照以下步骤实施：步骤1、对细胞样本(4)进行荧光物质染色处理，放置于载玻片(6)上，然后将载玻片(6)放置于可拓展载物台(5)上；步骤2、旋转遮光盖(2)，让微型暗室(3)孔洞的部分露出，打开位于系统上方斜45
°
的方向的入射光源(1)，入射光从遮光盖上方孔入射；步骤3、调节微透镜(8)在圆柱直筒(7)内部的位置，图像传感器收集到携带样本信息的荧光图像；步骤4、观察图像传感器采集到的荧光图像，根据观察结果对圆柱直筒(7)内的微透镜的位置进行调整，直到采集到的荧光图像清晰，荧光图像采集完成。

技术总结
本发明公开了基于微透镜的荧光成像装置，包括可拓展载物台、微型暗室、成像筒体、入射光源，微型暗室顶部中央设置有孔洞，微型暗室顶部活动设置有遮光盖，还包括圆柱直筒、微透镜，圆柱直筒底端向下依次设置有滤光片、图像传感器封装盖板和图像传感器感光阵列，本发明解决了传统无透镜荧光成像系统成像分辨率低的问题。本发明还公开了一种荧光图像采集方法，应用本发明的荧光成像装置进行采集，包括依次荧光处理、打开入射光源、调节微透镜位置采集荧光图像，本发明实现了荧光图像的高效采集。本发明实现了荧光图像的高效采集。本发明实现了荧光图像的高效采集。


技术研发人员：余宁梅 唐家豪 周广霖 田典
受保护的技术使用者：西安理工大学
技术研发日：2023.05.19
技术公布日：2023/8/24