阅读说明：本技术 微生物非直观成像检测装置及方法 (Microorganism non-visual imaging detection device and method ) 是由 刘学峰 刘卫平 张衡 熊吉川 徐彬 刘娟 于 2019-11-07 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种微生物非直观成像检测装置及方法,装置包括光源、起偏器、液晶相位延迟器、第一波片、第一反射镜、聚光镜、培养皿、物镜、第二反射镜、第二波片、检偏器、成像透镜、相机、液晶控制器和计算机。方法包括：光源出射光束经起偏器变为线偏振光,之后通过液晶相位延迟器和第一波片后入射到放置微生物式样的培养皿,培养皿透射出的光束经物镜、第二反射镜、第二波片、检偏器、成像透镜后进入相机,在此过程中计算机控制液晶控制器驱动液晶相位延迟器调制入射光偏振角度,并控制相机采集一系列偏振图像,之后根据这些图像计算获得微生物式样的各参数图像。本发明具有能够实时监测微生物生长培养过程,无需式样处理,且具备多参数高分辨成像等优点。(The invention discloses a microorganism non-visual imaging detection device and a microorganism non-visual imaging detection method. The method comprises the following steps: the light source emergent beam is changed into linearly polarized light through the polarizer, then the linearly polarized light passes through the liquid crystal phase retarder and the first wave plate and then is incident to the culture dish for placing microorganism patterns, the light beam transmitted by the culture dish enters the camera through the objective lens, the second reflector, the second wave plate, the analyzer and the imaging lens, in the process, the computer controls the liquid crystal phase retarder to modulate the polarization angle of the incident light and controls the camera to collect a series of polarization images, and then parameter images of the microorganism patterns are obtained through calculation according to the images. The invention has the advantages of real-time monitoring of the growth and culture process of microorganisms, no need of pattern processing, multi-parameter high-resolution imaging and the like.)

微生物非直观成像检测装置及方法

技术领域

本发明涉及光学检测技术领域，特别涉及一种微生物非直观成像检测装置及方法。

背景技术

微生物的研究对于生物工程的发展有着至关重要的作用，以微生物作为研究对象解决了生物学上的许多重大问题。微生物学是分子生物学的支柱之一，获诺贝尔生理学或医学奖的近一半工作都与微生物有关，且微生物也在当代工业和农业生产过程中起着十分显著的作用。对微生物形态结构、生理生化、遗传变异、生态分布和分类进化等生命活动的规律的研究成果，被广泛应用于工业发酵、医学卫生、生物工程和环境保护等实践领域。

目前针对微生物的检测方法和手段，除了原子力显微镜(AFM)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)等方式外，比较常用的方法还有荧光显微成像、相差显微成像等。其中，原子力显微镜(AFM)采用探针扫描，成像速度慢；扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)需要对式样进行特殊处理，成像后的式样无法继续培养；而荧光显微成像需要对式样进行荧光标记处理，存在污染式样的风险；相差显微成像虽然对式样不需要对式样进行处理，但对微生物纳米级的结构分辨能力不足。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够实时监测微生物生长培养过程，无需式样处理，并具备多参数高分辨成像的微生物非直观成像检测装置及方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种微生物非直观成像检测装置，包括光源，沿光源出射光束方向依次同轴设置的起偏器、液晶相位延迟器、第一波片和第一反射镜，沿第一反射镜反射光方向依次同轴设置的聚光镜、放置微生物式样的培养皿、物镜、第二反射镜，以及沿第二反射镜反射光方向依次同轴设置的第二波片、检偏器、成像透镜、相机；所述相机与计算机连接，液晶相位延迟器通过液晶控制器与计算机连接；所述起偏器、液晶相位延迟器、第一波片用于调节光源出射光束的偏振状态和偏振角度；

所述光源的出射光束依次经起偏器、液晶相位延迟器、第一波片、第一反射镜以及聚光镜后，对培养皿中的微生物式样进行照明，培养皿透射的光依次经物镜、第二反射镜、第二波片、检偏器、成像透镜后在相机的靶面成像；在此过程中，计算机通过液晶控制器驱动液晶相位延迟器对光束进行相位延迟，并控制相机采集图像。

基于上述微生物非直观成像检测装置的检测方法，包括以下步骤：

步骤1、搭建微生物非直观成像检测装置；

步骤2、打开光源，计算机驱动液晶相位延迟器工作将光源的出射光束调制为具有一定偏振角度的线偏振光，该线偏振光经第一反射镜反射及聚光镜后入射到置于培养皿内的微生物式样，培养皿透射的光依次经物镜、第二反射镜、第二波片、检偏器、成像透镜后在相机的靶面成像，计算机控制相机采集微生物式样偏振图像；

步骤3、计算机驱动液晶相位延迟器对光源出射光束的偏振角度进行周期性调制，同时控制相机采集图像，获得一系列微生物式样偏振图像并保存至计算机；

步骤4、计算机对所述一系列微生物式样偏振图像进行计算处理，获得微生物式样的各参数图像，包括去偏振图、相位差图以及方位角图。

进一步地，步骤4所述计算机对所述一系列微生物式样偏振图像进行计算处理，获得微生物式样的各参数图像，包括去偏振图、相位差图以及方位角图，所采用的公式分别为：

式中，I_dp表示去偏振图，δ为相位差，

为方位角，α_i为液晶相位延迟器调制的某一偏振角度，I_i为偏振角度α_i对应的培养皿透射的光强，N为液晶相位延迟器调制的偏振角度的个数。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)无需式样处理：采用光学成像方法，可直接对微生物式样进行观察，无需染色标记、镀金膜导电等特殊处理，检测原理简单；2)实时监测微生物生长培养过程：采用液晶相位延迟器对照明光束进行电光调制，毫秒级的调制成像速度能够实时追踪微生物生长发育过程中的形态结构等变化；3)多参数高分辨成像：通过改变照明光束偏振状态和偏振角度，能够获得不同偏振状态的图像，并可基于这些图像计算获得去偏振、相位差、方位角等多参数图像，全面反映微生物更多的细节特征。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为本发明微生物非直观成像检测装置的结构示意图。

图2为一个实施例中单颗木驹形杆菌的成像结果示意图，其中图(a)～图(c)分别为去偏振图、方位角图、相差图。

图3为一个实施例中***期木驹形杆菌的成像结果示意图，其中图(a)～图(c)分别为去偏振图、方位角图、相差图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

结合图1，本发明提出了一种微生物非直观成像检测装置，包括光源1，沿光源1出射光束方向依次同轴设置的起偏器2、液晶相位延迟器3、第一波片4和第一反射镜5，沿第一反射镜5反射光方向依次同轴设置的聚光镜6、放置微生物式样的培养皿7、物镜8、第二反射镜9，以及沿第二反射镜9反射光方向依次同轴设置的第二波片10、检偏器11、成像透镜12、相机13；相机13与计算机15连接，液晶相位延迟器3通过液晶控制器14与计算机15连接；起偏器2、液晶相位延迟器3、第一波片4用于调节光源1出射光束的偏振状态和偏振角度；

光源1的出射光束依次经起偏器2、液晶相位延迟器3、第一波片4、第一反射镜5以及聚光镜6后，对培养皿7中的微生物式样进行照明，培养皿7透射的光依次经物镜8、第二反射镜9、第二波片10、检偏器11、成像透镜12后在相机13的靶面成像；在此过程中，计算机15通过液晶控制器14驱动液晶相位延迟器3对光束进行相位延迟，并控制相机13采集图像。

上述微生物非直观成像检测装置，通过起偏器、液晶相位延迟器和波片改变照明光束的偏振状态和偏振角度，通过相机记录不同偏振状态下的微生物式样偏振图像，之后基于不同偏振角度下的系列微生物式样偏振图像，计算出微生物式样的各参数图像，包括去偏振图、相位差图以及方位角图。本发明基于毫秒级的电光调制速度，能够在微生物培养过程中实时监测微生物形态结构等变化，且无需对式样进行荧光标记或者镀金膜导电等处理，检测原理简单。

进一步地，在其中一个实施例中，液晶控制器14输出周期电压信号驱动液晶相位延迟器3对光束进行相位延迟。

进一步地，在其中一个实施例中，液晶控制器14输出周期方波电压信号驱动液晶相位延迟器3对光束进行相位延迟。

进一步地，在其中一个实施例中，液晶相位延迟器3的快轴方向与起偏器2的线偏振方向夹角为45°。

进一步地，在其中一个实施例中，第一波片4的快轴方向与起偏器2的线偏振方向夹角为0°。

进一步地，在其中一个实施例中，第二波片10的快轴方向与检偏器11的线偏振方向夹角为45°。

进一步地，在其中一个实施例中，起偏器2、检偏器11采用可见光波段线偏振片。

进一步地，在其中一个实施例中，第一波片4、第二波片10采用可见光波段的消色差波片。

基于上述微生物非直观成像检测装置的检测方法，包括以下步骤：

步骤1、搭建微生物非直观成像检测装置；

步骤2、打开光源1，计算机15驱动液晶相位延迟器3工作将光源1的出射光束调制为具有一定偏振角度的线偏振光，该线偏振光经第一反射镜5反射及聚光镜6后入射到置于培养皿7内的微生物式样，培养皿7透射的光依次经物镜8、第二反射镜9、第二波片10、检偏器11、成像透镜12后在相机13的靶面成像，计算机15控制相机13采集微生物式样偏振图像；

步骤3、计算机15驱动液晶相位延迟器3对光源1出射光束的偏振角度进行周期性调制，同时控制相机13采集图像，获得一系列微生物式样偏振图像并保存至计算机15；

步骤4、计算机15对一系列微生物式样偏振图像进行计算处理，获得微生物式样的各参数图像，包括去偏振图、相位差图以及方位角图。

结合图2和图3可以看出，本发明能获得多观察维度以及高分辨率的多参数图像，更全面地反映微生物更多的细节特征。

进一步地，在其中一个实施例中，步骤4中计算机15对一系列微生物式样偏振图像进行计算处理，获得微生物式样的各参数图像，包括去偏振图、相位差图以及方位角图，所采用的公式分别为：

式中，I_dp表示去偏振图，δ为相位差，

为方位角，α_i为液晶相位延迟器3调制的某一偏振角度，I_i为偏振角度α_i对应的培养皿7透射的光强，N为液晶相位延迟器3调制的偏振角度的个数。

综上，本发明利用偏振光对微生物微纳结构信息的高敏感性，通过液晶相位延迟器等偏振元件改变照明光束的偏振状态和偏振角度，获得不同偏振状态下微生物式样的偏振图像，相较现有其它检测方法拥有更高分辨率和更多观察维度，且液晶相位延迟器毫秒级的电光调制速度使本发明具有能够实时监测微生物培养过程中微生物形态结构等变化的优势，且无需对式样进行荧光标记或者镀金膜导电等特殊处理，检测原理简单易实现。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。