基于图像切分技术的快照式光谱显微成像系统研究

摘要

光谱成像技术是生命科学领域重要的研究工具，它可以同时从空间维和光谱维对样本信息进行解析，提供多维可视化的成像，已被广泛应用于细胞动力学、病理分析等研究中。如若要进一步提高样本精细结构的实时可见性，以更精准地观测及理解微观生命体在不同时期的活动，就必须推动该技术在曝光次数、分辨率、光展量等方面达到更高的标准。本文以快照式光谱显微成像方法为目标，深入研究了基于图像切分技术的一次成像原理、快照式系统的模型、衍射对系统设计的制约、核心元件的加工及封装等，所完成的主要工作包括：　　1、提出了双像切分阵列的光谱显微成像系统方案(Double-SlicerSpectroscopicMicroscopy,DSSM)。利用两个球面像切分阵列构成像切分单元，实现对二维样本图像的分割与重新排布，并经色散及图像重组，构建样本的数据立方。像切分单元具备图像映射及光瞳成像的功能，能更充分地利用后续棱镜的分光能力，提升系统的光谱分辨力，并降低系统的能量损耗。另外，利用已矫正像散的形变单元，实现图像在水平和垂直方向1:2的放大率，以满足像面上对于空间和光谱采样率的需求，并将像素利用率提高接近一倍。　　2、建立了DSSM的衍射模型，完善系统设计并实现仿真验证。通过衍射模型，分析了减小串扰的设计条件和方法，优化了DSSM的设计方案，构建了仿真实验系统并进行成像质量评估。该方案可实现417nm的空间分辨率，在中心波长处的波长分辨能力可达到7.5nm，光谱通道数量为20，覆盖了从500.0nm到642.5nm的光谱范围，将串扰保持在较低水平，约为1.17%，系统最大的几何像差为±1%畸变值，在人眼可接受的范围内。　　3、初步研制了像切分阵列的加工工艺及封装方法。搭建了实验测试系统，测量了像切分阵列的加工误差，该元件的偏向角误差低于0.1mrad，表面粗糙度约为8nm；另外，设计并加工了像切分阵列的工装以实现元件的封装。

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