一种无透镜显微成像芯片和装置的制作方法

1.本实用新型涉及无透镜显微镜技术领域，具体涉及一种无透镜显微成像芯片和装置。


背景技术：

2.传统光学显微成像由于光学设计原理的限制，在追求高分辨成像效果的同时，无法兼顾大视场要求，由于光学元件的存在使得系统复杂笨重、难以维护。
3.无透镜显微成像是近年来发展的一种计算成像技术，使用数字光电传感器阵列，如电荷耦合器件(ccd)或互补金属氧化物半导体(cmos)，直接对穿过样本的光进行采样，而无需在物体和传感器平面之间使用任何成像透镜，因而得到整体系统几何结构的硬件更简单、更紧凑和更轻便，可以更加迅速、简单地对样品进行监测，尤其是其成像系统的光学空间带宽积(spatial bandwidth product,sbp) 具有很大的扩展性，可同时实现高分辨率、大视场的显微成像，随着各种图像处理算法的提出和验证，无透镜显微成像技术被越来越广泛应用于全球卫生即时检测和远程医疗领域。
4.目前一般的无透镜成像系统获取的数据需要传输到外部连接的计算机设备进行处理，在成像速度和便捷使用方面受到限制。特别是数字全息无透镜显微成像系统要求采集的图像具有高信噪比，但实际应用中易受到光子噪声、电子噪声等外界环境的干扰，从而影响成像质量。


技术实现要素：

5.鉴于背景技术的不足，本实用新型是提供了一种无透镜显微成像芯片、装置和方法，不需要计算机便能实现无透镜显微成像。
6.为解决以上技术问题，本实用新型提供了如下技术方案：一种无透镜显微成像芯片和装置。
7.第一方面，本实用新型提供了一种无透镜显微成像芯片，包括光源控制单元、位移控制单元、片内存储单元和图像处理单元，所述光源控制单元、位移控制单元、片内存储单元和图像处理单元之间通过通讯线通讯连接；所述光源控制单元输出灯光控制信号，所述灯光控制信号用于控制外部灯源的发光时间和发光强度；所述位移控制单元用于输出位移控制信号，所述位移控制信号用于控制外部位移平台运动；所述片内存储单元用于存储外部图像传感器检测到的图像信息，所述图像处理单元用于将所述片内存储单元中的图像信息转换为完整的显示图像。
8.在第一方面的某种实施方式中，所述光源控制单元、位移控制单元、片内存储单元和图像处理单元之间通过总线电连接。
9.第二方面，本实用新型提供了一种无透镜显微成像装置，应用上述的一种无透镜显微成像用的芯片，还包光源、图像传感器、检测平台、位移平台和显示屏，所述检测平台设置在所述位移平台和光源之间，所述图像传感器安装在所述位移平台上，所述芯片的光源
控制单元与所述光源电连接，被配置于控制所述光源的发光时间和发光强度，所述芯片的位移控制单元与所述位移平台的驱动端电连接，被配置于控制位移平台的运动方向和运动距离，带动所述图像传感器前往采集点采集图像信息，所述图像传感器采集的图像信息存储在所述芯片的片内存储单元中，所述芯片的图像处理单元将所述片内存储单元中的图像信息转换为完整的显示图像，所述显示屏被配置于显示所述显示图像。
10.在第二方面的某种实施方式中，所述图像处理单元对所述片内存储单元中的图像信息依次进行去噪处理、图像恢复处理和图像拼接处理，将所述片内存储单元中的图像信息转换为完整的显示图像。
11.在第二方面的某种实施方式中，所述光源包括led阵列光源、激光光源、 rgb光源和发射荧光的激励光源中的一种、两种或者多种光源。
12.在第二方面的某种实施方式中，当所述光源包括两种以上光源时，所述光源控制单元用于选择照射光源的种类。
13.在第二方面的某种实施方式中，当所述光源包括所述激励光源时，在使用所述激励光源照射时，所述激励光源与所述图像传感器之间设有滤光片。
14.在第二方面的某种实施方式中，所述位移平台包括至少两个驱动装置，每个驱动装置带动所述图像传感器沿驱动装置的驱动路径运动。
15.第三方面，本实用新型提供了一种无透镜显微成像方法，应用权利上述的一种无透镜显微成像装置，包括以下步骤：
16.s1：如果无透镜显微成像装置的光源包括两种以上的光源，先设置成像模式，然后根据成像模式选择待使用的光源，如果光源只有一种，则跳过步骤s1；
17.s2：所述位移控制单元驱动所述位移平台运动，带动所述图像传感器运动到采集起始点，然后所述光源控制单元驱动所述光源开始照射，所述图像传感器在所述采集起始点采集图像信息，并将采集的图像信息保存到片内存储单元中，保存完成后，所述光源控制单元驱动所述光源停止照射；
18.s3：所述位移控制单元驱动所述位移平台运动，带动所述图像传感器运动到下一采集点，然后所述光源控制单元驱动所述光源开始照射，所述图像传感器在当前采集点采集图像信息，并将采集的图像信息保存到片内存储单元中，保存完成后，所述光源控制单元驱动所述光源停止照射；
19.s4：重复执行步骤s3，直至完成所有采集点的图像采集和保存。
20.在第三方面的某种实施方式中，在步骤s4之后，执行步骤s5，步骤s5如下：所述图像处理单元对所述片内存储单元中的图像信息依次进行去噪处理、图像恢复处理和图像拼接处理，将所述片内存储单元中的图像信息转换为完整的显示图像，并将所述显示图像在显示屏上显示。
21.本实用新型与现有技术相比所具有的有益效果是：
22.首先本实用新型中的芯片集成有灯光控制单元、位移控制单元和图像处理单元，无需外接计算机便能实现无透镜的显微图像检测和处理，且结构紧凑，可实现小型化、便携式设计，另外本实用新型的芯片可以驱动多种类型的光源的发光时间和发光强度，通过配置不同类型的光源可以使本实用新型的芯片应用在不同原理的无透镜显微成像系统中；
23.其次，本实用新型的芯片的抗干扰性强，能够实现高分辨率、大视场3d成像；
24.最后，通过将本实用新型的无透镜显微成像装置中的光源配置为不同类型，可以在一套无透镜成像装置中实现不同样品的检测，进而能够降低检测用的成本。
附图说明
25.图1为实施例中无透镜显微成像芯片的结构示意图；
26.图2为实施例中的无透镜显微成像装置的结构示意图；
27.图3为在实施例中的滤光片在无透镜显微成像装置上的安装示意图；
28.图4为实施例中的无透镜显微成像方法的流程图；
29.图5为实施例中的位移平台带动图像传感器的运动示意图；
30.图6为实施例中光源采用rgb光源的工作示意图。
具体实施方式
31.以下由特定的具体实施例说明本实用新型的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点及功效。
32.下面结合附图及实施例对无透镜显微成像芯片、装置方法作进一步的详细说明。
33.如图1所示，一种无透镜显微成像芯片，包括光源控制单元、位移控制单元、片内存储单元和图像处理单元，光源控制单元、位移控制单元、片内存储单元和图像处理单元之间通过通讯线通讯连接；光源控制单元输出灯光控制信号，灯光控制信号用于控制外部灯源的发光时间和发光强度；位移控制单元用于输出位移控制信号，位移控制信号用于控制外部位移平台运动；片内存储单元用于存储外部图像传感器检测到的图像信息，图像处理单元用于将所述片内存储单元中的图像信息转换为完整的显示图像。
34.具体地，本实施例中，光源控制单元、位移控制单元、片内存储单元和图像处理单元之间通过总线电连接，总线用于提供无透镜显微成像芯片内部数据的传输通道。
35.在实际使用时，光源控制单元输出发光时间控制信号和发光强度控制信号，发光时间控制信号用于控制光源地发光时间即光源在什么时间开始照射、在什么时间停止照射，发光强度控制信号用于调节光源的发光强度。具体地，在光源和光源电源的连接线路上设置光源开关和光源功率调节单元，发光时间控制信号用于控制光源开关的通断，发光强度控制信号输入到光源功率调节单元，改变光源电源输入到光源的电压大小、电流大小。
36.如图2所示，一种无透镜显微成像装置，应用上述的一种无透镜显微成像用的芯片，还包光源、图像传感器、检测平台(图中未画出，在样品的位置)、位移平台和显示屏，检测平台设置在位移平台和光源之间，图像传感器安装在位移平台上，芯片的光源控制单元与光源电连接，被配置于控制光源的发光时间和发光强度，芯片的位移控制单元与位移平台的驱动端电连接，被配置于控制位移平台的运动方向和运动距离，带动图像传感器前往采集点采集图像信息，图像传感器采集的图像信息存储在芯片的片内存储单元中，芯片的图像处理单元将片内存储单元中的图像信息转换为完整的显示图像，显示屏被配置于显示显示图像。
37.具体地，图像处理单元通过运行超分辨率(sr)图像重建算法、相位复原迭代法、孪生像消除法和角谱法和其他无透镜显微成像算法对所述片内存储单元中的图像信息依次进行去噪处理、图像恢复处理和图像拼接处理，将片内存储单元中的图像信息转换为完整
的显示图像。另外，在实际使用时，也可以向芯片内部烧录和擦写图像处理单元的运行程序。
38.具体地，光源包括led阵列光源、激光光源、rgb光源和发射荧光的激励光源中的一种、两种或者多种光源。通过设置光源的种类，可以设置无透镜显微成像装置的工作模式，例如当光源是led阵列光源时，无透镜显微成像装置工作在无透镜阴影成像模式，当光源是激光光源时，无透镜显微成像装置工作在无透镜全息成像模式，当光源是激励光源时，无透镜显微成像装置工作在无透镜荧光成像模式，当光源是rgb光源时，无透镜显微成像装置工作在彩色成像检测模式。因此，在实际使用时，可以在无透镜显微成像装置中配置不同类型的光源来满足不同成像需求，降低了样品的成像成本。另外通过将光源配置为激光光源，依靠数字全息术可部分抵消样品与图像传感器探测平面之间的衍射效应，实现高分辨率、大视场的3d成像。
39.具体地，本实施例中，光源发射的光通过样品携带信息，被传感器的像素单元采集，基于成像要求和成本控制考虑，传感器可采用ccd或cmos，与传统感光板相比更灵敏响应速度更快，采样的曝光时间仅为毫秒量级，传感器单个像素单元尺寸≤1μm x1μm。同时为了更好的实现高分辨和大视场成像效果，芯片的位移控制单元可驱动位移平台二维移动，考虑到实际测量的样品可能是液基状态，样品不便于移动，故传感器移动而样品不动，以采集不同轴/径向距离的成像信息。另外，在实际使用时，位移控制单元在驱动位移平台带动传感器到达指定位置的同时，还可以加入pid控制算法等实现自动防抖功能，以提高成像质量。
40.具体地，本实施例中，当光源包括两种以上光源时，光源控制单元用于选择照射光源的种类。通过选择照射光源的种类可以切换无透镜显微成像装置的工作模式。在实际使用时，在进行成像前，可以在芯片内设置无透镜显微成像装置的工作模式。
41.具体地，本实施例中，当光源包括激励光源时，如图3所示，在使用激励光源照射时，激励光源与图像传感器之间设有滤光片，通过滤光片过滤激励光束，仅保留荧光光束到达传感器上，传感器采集的图像信息经过芯片的数据处理，可实现荧光分子的统计及成像结果。
42.在实际使用时，位移平台包括至少两个驱动装置，每个驱动装置带动图像传感器沿驱动装置的驱动路径运动。具体地，本实施例中，位移平台包括至少两个驱动装置分别带动传感器沿m向(轴向)、n向(径向)移动。其中驱动装置地动力提供装置可以为伺服电机，伺服电机受伺服驱动器驱动，位移控制单元向伺服驱动器发送运动方向控制信号和运动距离控制信号。
43.如图4所示，一种无透镜显微成像方法，应用权利上述的一种无透镜显微成像装置，包括以下步骤：
44.s1：如果无透镜显微成像装置的光源包括两种以上的光源，先设置成像模式，然后根据成像模式选择待使用的光源，如果光源只有一种，则跳过步骤s1；
45.s2：位移控制单元驱动位移平台运动，带动图像传感器运动到采集起始点，然后光源控制单元驱动所述光源开始照射，图像传感器在采集起始点采集图像信息，并将采集的图像信息保存到片内存储单元中，保存完成后，光源控制单元驱动光源停止照射；
46.s3：位移控制单元驱动位移平台运动，带动图像传感器运动到下一采集点，然后光
源控制单元驱动光源开始照射，图像传感器在当前采集点采集图像信息，并将采集的图像信息保存到片内存储单元中，保存完成后，光源控制单元驱动光源停止照射；
47.s4：重复执行步骤s3，直至完成所有采集点的图像采集和保存。
48.在第三方面的某种实施方式中，在步骤s4之后，执行步骤s5，步骤s5如下：图像处理单元对所述片内存储单元中的图像信息依次进行去噪处理、图像恢复处理和图像拼接处理，将片内存储单元中的图像信息转换为完整的显示图像，并将显示图像在显示屏上显示。
49.在实际使用时，步骤s2和s3中的位移平台的运动路径可参照图5，如图5 所示，可采集图像的位置由最终所采用的位移平台和传感器性能共同决定为{m
i(i＝0,1,2,3)
,n
(j＝0,1,2,3)
}，即传感器可以沿轴向运动采集四个高度，每个高度采集4 副子图像。优选地，将最靠近样品平面的左上角位置选为原点(m0,n0)，最靠近样品平面的左下角位置选为(m1,n0)，最远离样品平面的左上角位置选为原点 (m0,n3)，最远离样品平面的左下角位置选为(m1,n3)，以此类推。按照图示顺序完成所有位置的图像信息采集并保存至片内存储单元。
50.另外，在实际使用时，当光源是rgb光源时，图像传感器在每个采集点需要采集三幅图像，分别是rgb光源发出红色光时的图像、发射绿色光时的图像和发出蓝色光时的路线，图像处理单元再将这三幅图像合成为彩色图像。
51.综上，本实用新型的无透镜显微成像芯片将驱动控制与数据处理集成在芯片内，在实际使用时无需外接计算机，结构紧凑，可实现小型化便携式设计，可被应用于不同原理的无透镜显微成像系统中，易于量产；无透镜显微成像装置通过无透镜显微成像芯片进行图像检测和处理，整体集成度高，减少了电子元器件结构，相应的电子噪声少，也可以有效避免杂散光的干扰，可有效提升系统的抗干扰性能；将无透镜显微成像装置中的光源配置为激光光源可以实现高分辨率、大视场3d成像，也可以在一套系统中通过配置不同类型的光源来集成不同样品的检测方式，有效降低成本，具有广阔的市场应用前景。