用于使用单个相机在两个或更多个光谱频道中对远距离对象同时成像的多波长分束系统的制作方法

优先权声明

本申请要求对在2015年3月23日提交的题为“multi-wavelengthbeamsplittingsystemforsimultaneousimagingofadistantobjectintwoormorespectralchannelsusingasinglecamera”的美国临时申请号62/136,815的优先权，藉此通过引用将其公开内容并入到本文中，就如同整体地陈述了其公开内容一样。

版权保留

本专利文献的公开内容的一部分包含受到版权保护的材料。版权所有者——北卡莱罗纳州格林威尔的东卡莱罗纳大学——不拒绝任何人复制本专利文献或专利公开内容，因为其出现在专利商标局的专利文件或记录中，但是另外保留所有一切版权权利。

本发明构思一般涉及成像，并且更特别地涉及使用各种成像技术对远距离处的对象成像。

背景技术：

在某些光学成像应用中，需要根据产生自相同样本的图像的光谱特性来在不同的波长区中配准所述图像。例如，这可能发生在荧光成像应用和反射率成像应用中。

通常，在这些多波长情形中，使用不止一个相机和/或镜头阵列，每个相机/镜头阵列被配置用于离散的光谱波长区，即波长范围。然而，两个相机/镜头阵列的使用可能具有许多固有缺点。例如，当使用多个相机镜头来利用单个相机进行成像时，可能不会通过每个镜头从相同的角度查看到样本(感兴趣区)。因此，通过一个镜头获得的空间信息并未复制来自另一镜头的空间信息，并且在这两个图像之间没有像素到像素的空间相关。此外，在多镜头系统的情况下，由于通过不同相机镜头的图像并未同步重叠，因此可能需要软件校正来找到共同视场。软件校正一般会使图像处理和所得出的图像的显示变慢。

类似地，当在光学设计中使用多个相机时，上文的角度以及角度校正问题仍然存在。此外，必须同步相机以便收集数据并逐像素地从不同的光谱频道执行图像分析。该同步通常要求用于数据捕获的复杂的触发机制，这在技术上是有挑战性的并且为系统设计增添了成本。

技术实现要素：

本发明构思的一些实施例提供了多波长分束光学系统，其包括具有单个成像镜头的单个相机。该单个相机被配置成使用该单个相机从相同的视场在两个或更多个光谱频道中捕获两个或更多个图像。

在另外的实施例中，该系统可以被配置用于显微和远场成像二者。

在仍另外的实施例中，该系统可以被配置用于具有不大于1cmx1cm的视场的远场成像。

在一些实施例中，由该单个相机拍摄的所述两个或更多个图像可以是精确的完全一样的东西。在某些实施例中，所述两个或更多个图像可以包含来自该样本的相同的空间分辨率并且可以像素到像素是相同的。

在另外的实施例中，该系统可以在无需在图像获取或后图像获取期间的图像对齐和/或配准的情况下执行。

在仍另外的实施例中，该系统可以进一步包括镜头系统，其包括多个集成的凸透镜、二向色性镜、45度反射器以及干涉滤光器，从而允许降低离轴射线的发散以使得所得出的图像不会模糊不清。

在一些实施例中，该系统可以具有固定工作距离以及可调节视场。

在另外的实施例中，该系统的视场可以通过将不同的方形孔径和/或不同的凸透镜集成到该系统中来调节。

在一些实施例中，该系统可以进一步包括方形孔径。该方形孔径的z轴位置和定向可以使用光机安装单元来调节。

在仍另外的实施例中，该光机安装单元可以包括u形三元件镜头安装组装件，其被配置成促进该分束系统的对齐。

在一些实施例中，该系统可以被配置用于实时成像，并且在成像过程期间可以不要求对齐。

在另外的实施例中，所述两个或更多个光谱频道可以包括反射率成像、激光散斑成像、激光多普勒成像、近红外荧光成像以及其任何组合。

在仍另外的实施例中，该单个相机可以执行同时的多图像捕获以改进相机同步和/或触发。

本发明构思的一些实施例提供了供多波长分束光学系统中使用的相机，该相机包括单个成像镜头。该相机可以被配置成使用该相机从相同的视场在两个或更多个光谱频道中捕获两个或更多个图像。

本发明构思的另外的实施例提供了用于操作多波长分束光学系统的方法，该方法包括使用具有单个成像镜头的单个相机从相同的视场在两个或更多个光谱频道中捕获两个或更多个图像。

附图说明

图1是根据本发明构思的一些实施例的用于使用单个相机来成像的系统的示。

图2是根据本发明构思的一些实施例的成像系统的更详细的示图，该成像系统具有双波长光学分束器以用于利用单个数字相机的同时图像捕获。

图3是根据本发明构思的一些实施例的图示出用于相机镜头和方形孔径组装件的光机安装保持器的示图。

图4a和4b是通过图2的分束器以及电荷耦合器件(ccd)相机捕获的测试样本的两个等价图像。

具体实施方式

现在将参考附图在后文中更完整地描述本发明构思的实施例，其中示出了本发明构思的优选实施例。然而，可以以许多不同形式体现本发明构思，并且不应将本发明构思解释为限于本文中阐述的实施例。遍及本公开，相同的标号指代相同的要素。在各图中，层、区域、元件或组件可能出于清楚的目的而被夸大。

本文中使用的术语仅是用于描述特定实施例的目的，而不意图限制本发明构思。如本文中使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”意图也包括复数形式，除非上下文清楚地另外指示。将进一步理解的是，当在本说明书中使用术语“包括”和/或“包含”时指定存在所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但不排除存在或另外有一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或其群组。如本文中使用的，术语“和/或”包括相关联的所列项目中的一个或多个的任何和所有组合。如本文中使用的，诸如“在x与y之间”以及“在约x与y之间”之类的短语应被解释为包括x和y。如本文中使用的，诸如“在约x和y之间”之类的短语意指“在约x与约y之间”。如本文中使用的，诸如“从约x到y”之类的短语意指“从约x到约y”。

除非另外定义，否则本文中使用的全部术语(包括技术和科学术语)具有与本发明构思所属的领域的普通技术人员通常理解的相同的含义。将进一步理解的是，诸如在普遍使用的字典中定义的那些的术语应被解释为具有与其在本说明书和相关领域的上下文中的含义一致的含义，并且不应以理想化或过于正式的意思来解释，除非在本文中明确地如此定义。为了简要和/或清楚，可能没有详细地描述众所周知的功能或构造。

将理解的是，当一元件被称为在另一元件“上”、“被附连”到另一元件、“被连接”到另一元件、与另一元件“耦合”、“接触”另一元件等等，其可以是直接地在该另一元件上、被附连到该另一元件、被连接到该另一元件、与该另一元件耦合或接触该另一元件，或者也可以存在介于中间的元件。相反，当一元件被称为例如“直接在”另一元件“上”、“直接被附连”到另一元件、“直接被连接”到另一元件、与另一元件“直接耦合”或“直接接触”另一元件时，不存在介于中间的元件。本领域技术人员还将领会到的是，对“邻近”另一特征部署的结构或特征的引用可以具有覆盖该邻近特征或在该邻近特征之下的部分。

将理解的是，虽然可能在本文中使用术语第一、第二等来描述各元件、组件、区域、层和/或截面，但是这些元件、组件、区域、层和/或截面不应受到这些术语的限制。这些术语仅用于区分一个元件、组件、区域、层或截面与另一个元件、组件、区域、层或截面。因此，在不脱离本发明构思的教导的情况下，下文中讨论的第一元件、组件、区域、层或截面可以被称作第二元件、组件、区域、层或截面。操作(或步骤)的序列不限于在权利要求或图中呈现的顺序，除非另外专门指出。

在本文中可能为了易于描述而使用诸如“……之下”、“……下方”、“下部”、“……之上”、“上部”等之类的空间相关术语来描述一个元件或特征与另(一个或多个)元件或特征的关系，如在各图中图示出的那样。将理解的是，空间相关术语意图涵盖使用或操作中的器件的除了在各图中描绘出的定向之外的不同定向。例如，如果一器件在图中是倒转的，那么被描述为在其它元件或特征“之下”或“下方”的元件将会定向为在所述其它元件或特征“之上”。因此，示例性术语“在……之下”可以涵盖在……之上和在……之下这两个定向。该器件可以被另外定向(被旋转90度或以其它定向)并且相应地解释本文中使用的空间相关的描述词。类似地，本文中仅为了解释的目的而使用术语“向上”、“向下”、“竖直”、“水平”等，除非另外特定指示。

如上面讨论的，用于使用两个或更多个波长来对样本成像的常规方法和系统一般使用多个相机和/或镜头阵列，这可能为成像过程增添复杂度和成本。相应地，本发明构思的一些实施例提供了仅使用一个相机在不同的光谱区中获取远距离处的对象的图像的光学成像系统和相关方法。本发明构思的实施例可适用于其中对(同时或顺序地)来自不止一个光谱区的信息感兴趣而仅一个相机可用或必需的应用。因此，本发明构思的实施例可以不经受两个相机/镜头阵列系统所经受的与例如角度校正、数据获取同步等有关的问题。

如下文将关于各图进一步讨论的，本发明构思的一些实施例使用单个相机镜头来捕获来自远距离处的样本的图像。该单个镜头与单个相机耦合。相同的被成像样本的光谱信息被投影到相同相机传感器的相邻区域上、被分离/分割到两个或更多个不同的光谱频道中，所述光谱频道包括两个或更多个光路和多个光学元件，如本文中将进一步讨论的那样。

现在参考图1，将讨论根据本发明构思的一些实施例的包括单个相机的成像系统。如图1中图示出的，系统100包括目标/样本110、包含相机镜头130的相机120、孔径140、镜头系统150以及传感器160。相机120可以是装配有矩形感测区域(孔径)140的任何数字相机。在一些实施例中，孔径140具有1∶1的长宽比，以使得可以将来自两个颜色通道的基本上类似的、在理想上完全相同的图像并排地投影到相同的相机传感器160(例如，电荷耦合器件(ccd)传感器)上。图1是根据本文中讨论的实施例的系统的高级框图。镜头系统150使得能够实现使用单个相机传感器的多波长系统，其减少了上文讨论的在双相机或多镜头阵列系统中发生的问题。下面将关于图2来讨论镜头系统150的细节。

现在参考图2，将讨论根据本发明构思的一些实施例的图示出用于使用单个相机传感器来进行双波长成像的分束系统的一些实施例的更详细的框图。如图2中图示出的，系统200包括目标/样本210、包含相机镜头230的相机220、孔径240以及传感器260。图2中图示出的系统200进一步图示出图1的镜头系统150的细节。该镜头系统包括第一和第二凸透镜251和252、相应的第一和第二二向色性滤光器253和254、相应的第一和第二反射镜255和256、包括凹透镜259、以及相应的第一和第二带通(bp)滤光器255和258。下面将进一步讨论镜头系统250的操作的细节。

相机220包括相机镜头230，其可以是具有例如8.5mm的固定焦距的商业相机镜头。相机镜头230被用作初级成像元件以收集来自约30cm的距离d处的样本的光。将源自于样本的传入光聚焦到正好位于孔径240的位置处的虚像平面241。将来自第一像平面240的已聚焦的光中继到具有例如30mm的焦距的第一凸光学透镜251。在一些实施例中，第一凸光学透镜251被沿着光路向下定位在准确地距第一像平面24130mm的距离处，以使得从第一像平面离开的光在透射通过第一凸光学透镜251时变得准直。使准直光穿过第一二向色性滤光器253，其中在不同光谱范围中的光线被初始地分离到不同的颜色通道中，如图2中图示出的那样。第一二向色性滤光器253被定位在相对于光路呈45度角处，以使得以比二向色性的截止波长更长的波长的光子沿着传入射束的直接路径行进，而使以比二向色性的截止波长更短的波长的光子弯曲到垂直于传入光的原始方向的方向中。

使具有较长波长的光束弯曲朝向第二二向色性滤光器254，其用作在不同光谱区中的光束的组合器。第二二向色性滤光器254具有与第一二向色性滤光器253相反的光谱特性。因此，其允许透射具有比其截止带更短的波长的光，并反射具有较长波长的光。因而，将具有较长波长的光束重新导向到相机传感器260。具有较短波长、被第一二向色性滤光器253弯曲的光束被反射镜257重新导向朝向第二二向色性滤光器254，所述反射镜257被置于相对于传入光路径大约45度的角度处。定制的凹透镜259被置于257与254之间以针对色差校正来调节光束。该光束被透射通过第二二向色性滤光器254并被投影到相机传感器260上。具有例如60cm的固定焦距的第二凸透镜252在光路中被置于第二二向色性滤光器254之后，以便使以不同波长的传入光重新聚焦到相机传感器260。第一带通滤光器258被置于较长波长射束的光路中，并且第二带通滤光器255被置于较短波长射束的光路中，以允许在光谱兴趣内的光通过并阻挡其它光噪声。

将理解的是，在本发明构思的一些实施例中，该分束系统可以在仔细选择适当的光学元件的情况下被适配成任何光学成像设置，包括例如宽场成像以及显微成像。此外，本发明构思的实施例不限于在仅两个波长通道中的光学成像。例如，本发明构思的实施例可以通过在该设置中并入附加的二向色性滤光器、反射器和适当的色彩校正透镜而被扩展到任何数量的波长通道，而不脱离本发明构思的范围。

在一些实施例中，可以调节镜、滤光器、二向色性滤光器以及透镜的位置和角度以实现两个视场的更好的对齐和图像质量，以便适应不同波长的不同的光学特性。

在一些实施例中，样本可以具有30cm的最佳物距。在这些实施例中，该样本可以在30cm±5cm内移动而不会显著地使图像质量变坏，以便适应较大目标(移动目标以距相机镜头更远；物距＞30cm)或较小目标(移动目标以更靠近相机镜头；物距＜30cm)。

将理解的是，本发明构思的实施例不限于如图2中图示出的镜头系统250的配置。可以使用其它配置来促进本发明构思的实施例而不脱离本文中讨论的范围。

现在参考图3，将讨论根据本发明构思的一些实施例的双波长分束器的对齐。如图3中图示出的，根据一些实施例的相机系统可以包括相机镜头安装固定装置380，其促进相机镜头130、230，方形孔径140、240以及聚焦透镜(凸透镜252)的安装。如所图示，相机镜头安装件380包括相机镜头安装件(a)、孔径安装件(b)以及聚焦透镜安装件(c)。在一些实施例中，镜头安装件380(光机安装单元)可以具有如图3中图示出的u形，然而将理解的是，本发明构思的实施例不限于该配置。

为了在该光学系统中生成远距离处的对象的两个完全相同的图像，需要将光学元件对齐至正确位置。在对齐策略中，需要首先对齐方形孔径140、240。通过使相机指向大于10m远的远距离对象而使具有60mm的有效焦距(efl)的第二凸透镜252定位成使得相机传感器260正好位于其焦距处，以形成清楚且锐利的像。然后沿着光轴移动方形孔径140、240以当相机传感器260准确地位于第一凸透镜的焦点处(例如，其可以是30mm的efl)时将锐利的像形成到相机传感器260上。

如图3中图示出的，相机镜头130、230被安装在“a”上并被沿着光轴移动，直到约30cm远的测试样本的锐利的像被形成到相机传感器260上。相机镜头安装件“a”和凸透镜安装件“c”被固定在u形保持器上，并且孔径安装件被连接到“a”和“c”并可以自由地沿着光轴移位以找到其准确位置而无需转动整个安装组装件。

现在参考图4a和4b，将讨论由图3的分束器和相机捕获的测试样本的两个等价图像。在图4a和4b中图示出的本发明构思的实施例中，每个图(4a和4b)独自具有8cmx8cm的视场(fov)，其中物距为30cm。在操作中，首先通过转动反射镜256和257二者的把手来生成单个像并将其投影到相机传感器260的中心。第一反射镜256的定向被仔细地调谐以使得来自较长波长通道的像被精确地投影到相机传感器260的左半部上。第二反射镜257的定向然后被仔细地调谐以使得来自较短波长通道的像被精确地投影到相机传感器260的右半部上。根据本发明构思的一些实施例，然后可使用对齐算法将这两个像进一步定位至像素水平。如图4a和4b中图示出的，最终的两个图像在空间上为彼此的准确的副本，并且可以被逐像素地分析。

如上文简要讨论的，本发明构思的一些实施例提供了一种分束系统，其包括具有单个光轴的成像镜头组装件、用来将传入光分离到不同的光谱频道中的二向色性镜、多个成角度的反射表面以及多个干涉滤光器，它们被装在一光笼中以遮挡环境光。唯一的方形光学孔径被置于成像镜头与第一凸透镜之间以定义被投影到成像传感器上的期望视场。

本文中讨论的本发明构思的实施例允许如所定义的光学分束器与具有矩形感测区域和单个成像镜头(包括显微镜物镜)的标准数字相机结合地使用。在一些实施例中，成像镜头具有可调谐光圈以调节可以到达相机的光的量，该量确定了所捕获的图像的亮度。

与商业上可获得的分束器的设计不同，如本文中讨论的分束设备可以与显微镜物镜结合地使用，以用于近场成像，并且还与通常的相机镜头结合地使用以用于宽场成像。常规的分束器被设计用于其中使用显微镜物镜来收集来自待询目标的传入光线、且视场不大于几毫米的显微应用。样本被置于显微镜物镜的焦平面处，以使得物距小于1毫米远；在显微镜物镜之后的光线几乎平行于光轴(轴上光线)。因此，在常规的分束器中，光线的总路径长度未被考虑在内，并且光学元件可以被松散地放置。

如果常规的分束设计与常见的相机镜头一起应用于远场成像，那么传入光线的大部分将不再平行于光轴(离轴光线)，并且所得出的图像易受由于离轴光线引起的模糊不清的影响。相应地，如上文讨论的，本发明构思的实施例提供了一种实质上不同于常规系统的用于同时的多波长成像的分束设计。在本发明构思的一些实施例中，总体光路长度是设计中的主要关注点，并且全部以无隙方式仔细地设计和优化凸透镜、二向色性镜、反射器和发射滤光器，以减少、或可能地最小化离轴光线沿其传播的总路径长度。在离轴光线发散到光学镜头的外围区之前通过第二凸透镜将离轴光线重新聚焦到相机，以使得可以在相机传感器的两个相邻区上形成清楚的像。此外，使用次级二向色性镜而非另一反射器来组合来自这两个波长的光并进一步减少、或可能地最小化离轴光线的总路径长度并改进图像清晰度。

相机的感测区域需要跨其中要质询目标的波长相关的光学特征的两个或更多个光谱区是敏感的。传感器满足n∶1的几何比，其中n是要获取的光谱波长的数量，以便可以以最大视场捕获相同目标的n个等价图像。

在各图和说明书中，已经公开了本发明构思的示例实施例。虽然采用了特定术语，但是仅以广义且描述性的意思而非出于限制的目的来使用它们，本发明构思的范围通过以下的权利要求来限定。