本发明涉及显微光谱成像技术领域，特别是一种高光谱显微偏振成像装置与方法。
背景技术：
从19世纪60年代起，光谱学便被用于物质的定性定量分析，经过一百多年的发展，光谱分析技术逐渐成熟并用于各个领。但是直到20世纪80年代，才将光谱技术与二维成像技术结合，产生了光谱成像技术即图谱合一。该技术主要用于遥感领域，目前也渐渐扩展到农业、矿物、考古、显微成像等领域。
现有显微光谱系统是根据推帚式成像光谱仪的原理，采用棱镜-光栅-棱镜组合元件在后光学系统进行光谱分光，利用高精度载物台自动装置驱动样品进行推扫成像，设计出一种基于棱镜-光栅-棱镜组合分光方式的显微高光谱成像系统，能够提供微小物体在可见光范围的单波段显微图像，而且能够获得图像中任一像素的光谱曲线，实现了光谱技术和显微成像技术的结合，成功的将成像光谱技术应用到显微领域。但是该系统需要进行机械推扫，ccd上只能得到样品空间一维的图像，后期需要图像拼接才能得到完整的二维图像，这会引起图像空间较大的变形，尤其是在显微成像领域，样品局部经过显微物镜和成像透镜放大后，微小的空间误差都会引起较大的图像变形。目前也有用不需要推扫的液晶可调谐滤光器和声光可调滤光器，一次采图能得到样品的单波段二维图像信息，在显微成像领域比较适用，但是它们在后光学系统即成像光路处进行光谱分光，这样容易引入光学误差，对后面本来匹配好的成像镜头与ccd相对位置带来影响。
物体的偏振检测技术也由来已久。偏振成像技术主要是利用ccd上探测的光强反演获得物质出本身偏振参数，用这些参数进行成像的方法。但是现有偏振技术用的是全波段的偏振，并没有考虑不同单波段对偏振的影响，偏振特性会受到波长的影响，从而可以形成偏振波谱，物体的各种信息包含在这些偏振特性中。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种光路简单、成本低、测量信息全面的高光谱显微偏振成像装置和方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种高光谱显微偏振成像装置，包括显微成像装置、光谱滤波装置、偏振调制装置和图像处理单元，其中：
显微成像装置，对样品进行放大成像观测，获取样品不同测量条件下的图像；
光谱滤波装置，对入射光路的光波长进行筛选，控制输出的中心波长，并且能进行连续单波段的输出或者选择特定的波段输出；
偏振调制装置，控制偏振片进行角度旋转，对带有样品偏振信息的光波进行调制；
图像处理单元，对光强图像进行计算反演，得到样品的单波段偏振参数图像。
进一步地，所述显微成像装置的测量条件包括透射式显微镜或反射式显微镜或两种的结合。
进一步地，所述光谱滤波装置采用声光可调滤光器aotf或液晶可调滤光器lctf，且光谱滤波装置置于光源后，即入射光路处，进行光谱分光。
进一步地，所述偏振调制装置中偏振片在每个波段旋转三个角度。
进一步地，所述图像处理单元根据偏振片旋转角度与光强的关系，对光强图进行计算反演，得到样品的斯托克斯参数图像。
进一步地，所述显微成像装置采用反射式显微镜，包括卤素灯、分束镜、显微物镜、载物台、待测样品、成像透镜、黑白ccd相机，其中卤素灯为波长范围360nm～2000nm的宽波段平行光光源，显微物镜为消色差平场无穷远显微物镜；显微物镜、分束镜、成像透镜、黑白ccd相机共光轴顺次设置。
进一步地，所述光谱滤波装置采用液晶可调滤光器lctf，液晶可调滤光器lctf通过控制器与计算机连接，所述液晶可调滤光器lctf的波长范围是420nm～730nm，最小调节步长为1nm。
进一步地，所述偏振调制装置包括偏振片、微型电机、电机驱动器，微型电机通过电机驱动器与计算机连接，所述偏振片设置于分束镜和成像透镜间，微型电机控制偏振片进行旋转，转动的角度为0°，45°，90°。
一种高光谱显微偏振成像方法，步骤如下：
步骤1，光源经过光谱滤波装置滤波和分光后入射到样品上，其中光谱滤波装置对波长进行连续分光，或指定波长进行跳跃分光，从而控制波长的扫描范围和扫描步长；
步骤2，偏振调制装置控制偏振片进行三次角度旋转，对带有样品偏振信息的光波进行调制，并采用黑白ccd相机进行采图；
步骤3，黑白ccd相机采集到的不同偏振角度信息下的光强图像，输入图像处理单元进行处理，得到单波长下样品的偏振数据立方体；
步骤4，光谱滤波装置筛选下一个中心波长，重复进行偏振片的转动和黑白ccd相机采图，直到每个波段都采样完毕，得出样品偏振光谱数据集，确定样品经过显微物镜在各个波长下的放大图像。
进一步地，步骤3所述黑白ccd相机采集到的不同偏振角度信息下的光强图像，输入图像处理单元进行处理，得到单波长下样品的偏振数据立方体，其中：
黑白ccd相机采集到的光强i(θ)与偏振片旋转角度θ之间的关系式为：
式中，s0、s1、s2是样品的斯托克斯前三个偏振参数；
单波长λ下样品的偏振数据立方体为[s0λ,s1λ,s2λ,dolpλ,orientλ]，则：
当θ＝0°，45°，90°时，得到样品单波段的三个stokes参数计算式：
s0λ＝i(0°)+i(90°)，
s1λ＝i(0°)-i(90°)，
s2λ＝2i(45°)-s0λ
基于stokes矢量，计算出偏振度dolpλ和偏振方位角orientλ：
本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)光路搭建简单，数据处理方便，采用光谱滤波器在入射光路处进行分光，不需要样品台或者整个成像光路的扫描，滤波器分光能使ccd进行大视场成像，一次成像得到单波段的二维图像；(2)测量信息全面：结合了高光谱显微成像与偏振显微成像技术，检测维度包括了空间、光谱与偏振四维信息；(3)成本低：通过不同的光学模块自行搭建，而且每个模块是通过优选的方法进行选择与处理，降低了系统成本；(4)系统灵活性强，误差小：在光源出射处选择准直光照明、显微物镜选择消色差平场无穷远类型，降低了由引入的光学元器件带来的误差，同时也为以后对该系统的更改提供较大的灵活性。
附图说明
图1是本发明高光谱显微偏振成像装置的结构示意图
具体实施方式
结合图1，本发明高光谱显微偏振成像装置，包括显微成像装置、光谱滤波装置、偏振调制装置和图像处理单元，其中：
(1)显微成像装置，对样品进行放大成像观测，获取样品不同测量条件下的图像；
所述显微成像装置的测量条件包括透射式显微镜或反射式显微镜或两种的结合。
作为一种具体方案，所述显微成像装置采用反射式显微镜，包括卤素灯1、分束镜4、显微物镜5、载物台6、待测样品7、成像透镜11、黑白ccd相机12，其中卤素灯1为波长范围360nm～2000nm的宽波段平行光光源，也可以是氙灯等；显微物镜5为消色差平场无穷远显微物镜，这样在后面加入偏振调制系统不会引入其他的光学误差；显微物镜5、分束镜4、成像透镜11、黑白ccd相机12共光轴顺次设置。
(2)光谱滤波装置，对入射光路的光波长进行筛选，控制输出的中心波长，并且能进行连续单波段的输出或者选择特定的波段输出；
所述光谱滤波装置采用声光可调滤光器aotf或液晶可调滤光器lctf，且光谱滤波装置置于光源后，即入射光路处，进行光谱分光。要求准直光入射，不然滤波出来的中心波长会有偏移，引起光谱弯曲。将光谱分光光路与成像光路分开，系统搭建简单且滤波装置不会对成像光路引入光学误差。
作为一种具体方案，所述光谱滤波装置采用液晶可调滤光器lctf2，液晶可调滤光器lctf2通过控制器3与计算机13连接，所述液晶可调滤光器lctf2的波长范围是420nm～730nm，最小调节步长为1nm。
(3)偏振调制装置，控制偏振片进行角度旋转，对带有样品偏振信息的光波进行调制；
所述偏振调制装置中偏振片在每个波段旋转三个角度。由ccd上采集到的光强i(θ)与偏振片旋转角度θ之间的关系式可知，只要转动三个角度就可以得到样品的偏振参数信息。
作为一种具体方案，所述偏振调制装置包括偏振片8、微型电机9、电机驱动器10，微型电机9通过电机驱动器10与计算机13连接，所述偏振片8设置于分束镜4和成像透镜11之间，微型电机9控制偏振片8进行旋转，转动的角度为0°，45°，90°。
(4)图像处理单元，对光强图像进行计算反演，得到样品的单波段偏振参数图像。
所述图像处理单元根据偏振片旋转角度与光强的关系，对光强图进行计算反演，得到样品的斯托克斯参数图像。
一种基于所述高光谱显微偏振成像装置的高光谱显微偏振成像方法，步骤如下：
步骤1，光源经过光谱滤波装置滤波和分光后入射到样品上，其中光谱滤波装置对波长进行连续分光，或指定波长进行跳跃分光，从而控制波长的扫描范围和扫描步长；
步骤2，偏振调制装置控制偏振片进行三次角度旋转，对带有样品偏振信息的光波进行调制，并采用黑白ccd相机进行采图；
步骤3，黑白ccd相机采集到的不同偏振角度信息下的光强图像，输入图像处理单元进行处理，得到单波长下样品的偏振数据立方体，其中：
黑白ccd相机采集到的光强i(θ)与偏振片旋转角度θ之间的关系式为：
式中，s0、s1、s2是样品的斯托克斯前三个偏振参数；斯托克斯第四个圆偏振分量s3是一个非常小的值，将其忽略得到所述方程，简化了对样品偏振参数的测量过程。
单波长λ下样品的偏振数据立方体为[s0λ,s1λ,s2λ,dolpλ,orientλ]，则：
当θ＝0°，45°，90°时，得到样品单波段的三个stokes参数计算式：
s0λ＝i(0°)+i(90°)，
s1λ＝i(0°)-i(90°)，
s2λ＝2i(45°)-s0λ
基于stokes矢量，计算出偏振度dolpλ和偏振方位角orientλ：
步骤4，光谱滤波装置筛选下一个中心波长，重复进行偏振片的转动和黑白ccd相机采图，直到每个波段都采样完毕，得出样品偏振光谱数据集，确定样品经过显微物镜在各个波长下的放大图像。
经过所有需要的波长扫描后，得到5个偏振光谱数据集[s0,s1,s2,dolp,orient]，其中每一个偏振数据立方体对应一个k维的列向量，k表示单波段数。
以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细描述。
实施例1
结合图1，本发明提供的一种高光谱显微偏振成像装置及方法，通过液晶可调谐滤波器lctf在入射光路处进行光谱分光，选定一个单波段照明样品，然后通过成像光路处偏振片的三个特定角度的旋转，得到三幅同一波段不同偏振角度的光强图像，将这种直接用ccd接收到的图像称为原始图像。然后计算机对这三幅原始图像进行处理，得到关于样品偏振信息的偏振数据立方体[s0λ,s1λ,s2λ,dolpλ,orientλ]，由这五个参数形成偏振参数图像。依次控制lctf选择通光波长，得到一系列偏振光谱数据集，完成偏振显微成像。本发明计算斯托克斯参数时自动忽略圆偏振分量，简化了光路的搭建和后期的数据处理。
如图1所示，本实例使用反射式显微光路，包括卤素灯1、液晶可调谐滤光器lctf2、控制器3、分束镜4、显微物镜5、载物台6、待测样品7、偏振片8、微型电机9、电机驱动器10、成像透镜11、黑白ccd相机12、计算机13。lctf2置于卤素灯1和分束镜4之间，显微成像光路处在分束镜4和成像透镜11之间放置偏振片8，相机12及控制偏振片的微型电机9由计算机13驱动控制。lctf在控制器3的控制下对光源发出的复色光进行波长选择通过，偏振片8旋转完3个角度后lctf2对光源进行下一次的筛光，直到所有波段都经过了偏振调制。经过计算机13的数据处理，得到样品的光谱偏振参数图像。
所述卤素灯1出来的光是平行光。
所述显微物镜5为消色差平场无穷远显微物镜。
所述lctf2的波长范围是420nm-730nm，最小调节步长为1nm，置于光源后，即入射光路处，进行光谱分光。
所述偏振片8由微型电机9控制转动的角度为0°，45°，90°。
本发明基于所述成像装置的高光谱显微偏振成像方法，步骤如下：
步骤1，接通lctf的电源，使其稳定到可操作；
步骤2，打开卤素灯光源，将待测样品放于载物台上；
步骤3，控制器控制lctf输出单一波长的光；
步骤4，计算机驱动电机驱动器和黑白ccd相机，控制微型电机以0°、45°和90°转动偏振片，同时控制ccd采图，每转动一个角度ccd采图一次；
ccd上采集到的光强i(θ)与偏振片旋转角度θ之间的关系式为：
式中s0s1s2即是样品的斯托克斯前三个偏振参数。
步骤5，将采集的带有不同偏振信息的图输入计算机进行处理，得到单波长下样品的偏振数据立方体[s0λ,s1λ,s2λ,dolpλ,orientλ]；
当θ＝0°，45°，90°时，可以得到样品单波段的三个stokes参数计算式：
s0λ＝i(0°)+i(90°)，
s1λ＝i(0°)-i(90°)，
s2λ＝2i(45°)-s0λ
基于stokes矢量，可以计算出偏振度dolpλ和偏振方位角orientλ：
步骤6，控制器控制lctf输出下一个中心波长的光，重复步骤4、5直到每个波段都采样完毕，最终得到样品偏振光谱数据集[s0,s1,s2,dolp,orient],其中每一个偏振数据立方体对应一个k维的列向量，k表示单波段数。
本实施实例是利用lctf进行光谱分光，用旋转偏振片法进行样品偏振光调制的多维显微光学成像技术。该技术在显微成像的基础上结合了光谱成像与偏振调制，使得样品成像数据由原来的空间两维增加至空间、偏振、光谱四维，增加了图像的对比度与可识别性，特别适于检测尺寸较小，结构不均匀的样品，如生物组织样品中癌变细胞的识别等。