CN101029962A

CN101029962A - 一种基于光纤束的散斑类共聚焦系统

Info

Publication number: CN101029962A
Application number: CN 200710051741
Authority: CN
Inventors: 骆清铭; 曾绍群; 张智涛; 吴萍
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2007-03-22
Filing date: 2007-03-22
Publication date: 2007-09-05

Abstract

一种基于光纤束的散斑类共聚焦系统，包括激光器、可旋转的散射屏、第一至第三透镜、物镜、二色镜、CCD靶面和内窥装置，内窥装置由光纤束和位于其二端的第四、五透镜构成，光纤束的端面分别位于第四、五透镜的前、后焦面上；第五透镜和物镜组成望远镜结构。激光束照射到可旋转的散射屏，经过第一、第二透镜后由二色镜反射，进入内窥装置中进行传输，并成像到物镜的后焦面上，通过物镜后平行出射，在样品表面形成动态散斑场；样品发出的荧光由物镜收集后再次通过内窥装置传输，再经过二色镜，由第三透镜会聚于CCD靶面成像。本发明可实现非扫描的高分辨率成像，成像速度快，光路简单，光纤束的引用使得系统具有内窥功能，大大提高了系统的实用性。

Description

一种基于光纤束的散斑类共聚焦系统

技术领域

本发明属于激光成像技术领域，具体涉及一种基于光纤束的散斑类共聚焦系统(FBSQCS)，具有层析能力强及带内窥装置等优点。它适用于医学临床诊断，工业检查等多种领域。

背景技术

从20世纪60年代开始，激光应用的早期，激光散斑现象被认为是对光学系统的一种干扰，它严重影响了成像的分辨能力。科学家们尝试使用多种方法来减弱散斑现象。然而没过多久，科学家们就开始研究散斑的特有性质，同时发展激光散斑技术的实践应用。激光散斑在信息处理、天文物理、工业测量和生命科学等领域都有广泛的应用。

目前关于散斑的应用已经有较多的文章和专利。Cathie Ventalon和Jerome Mertz在“Quasi-confocal fluorescence sectioning with dynamic speckleillumination”(Optics Letters/Vol.30，No.24/December 15，2005)中将散斑与共聚焦显微成像原理结合，组成散斑类共聚焦系统。如图1所示，为散斑类共聚焦显微镜(Speckle Quasi-Confocal Microscope，SQCM)成像原理图。散斑类共聚焦显微镜利用随机变动的散斑场照明样品激发荧光，利用荧光信号的波动记录样品信息。由于物镜焦平面附近散斑信号的波动程度不相同，可以利用这个原理滤除焦面以外的荧光信号从而达到层析成像的目的。激光器1发出的激光照射到可旋转的散射屏2，在屏上形成一个激光斑点，该斑点被第一透镜3和第二透镜4成像于物镜5的后焦面，通过物镜5后平行出射，在样品6表面形成动态散斑场。样品发出的荧光由物镜5收集后通过二色镜7，然后由第三透镜8会聚于CCD靶面9成像。其中，第一透镜3和第二透镜4共焦，散射屏2与样品6关于物镜5形成共聚焦结构。

理论分析得出，假设在一个强散斑场中，照明和探测中都使用高斯-洛伦兹近似，得到SQCM的轴向分辨率符合一个简单的表达式：

RMS = \frac{< I_{S} > CA}{\sqrt{3 + 2 {(z / z_{r})}^{2}}}

其中A为常数，C为荧光团浓度，<I_S>为样品中的平均散斑强度，z_r为聚焦激光束的瑞利长度。z比z_r大时轴向分辨率RMS的变化正比于1/z。在共聚焦显微镜中RMS的变化正比于1/z²，因此SQCM能提供类似共聚焦的层析效果。

如图2所示，为SQCM与共聚焦显微镜系统的层析能力对比，曲线1指用荧光样品时得到的散斑类共聚焦分辨率曲线；曲线2指不用散射屏2但使用小孔得到的分辨率曲线。用同一套系统在不同成像情况下得到的SQCM系统的分辨率为8μm，略大于共聚焦分辨率4μm，证明了SQCM系统具有类似于共聚焦成像的性质，分辨率高，层析能力好。

但是，这套已有的散斑类共聚焦系统有其一定的局限性，在医学应用领域不够灵活，尤其是在耳鼻喉及体内检查时受到很大局限，它不能深入到体内进行检查。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于光纤束的散斑类共聚焦系统，该系统可以实现高分辨率的非扫描成像，光纤束能够深入体内进行检测。

本发明提供的基于光纤束的散斑类共聚焦系统，包括激光器、可旋转的散射屏、第一至第三透镜、物镜、二色镜和CCD靶面，其中，第一透镜和第二透镜共焦，散射屏与样品关于物镜形成共聚焦结构，第二透镜和第三透镜关于二色镜共轭；其特征在于：

该系统还包括内窥装置，内窥装置由光纤束和位于其二端的第四、第五透镜构成，光纤束的一个端面位于第四透镜的前焦面上，光纤束的另一个端面位于第五透镜的后焦面上；第五透镜和物镜组成望远镜结构；

激光器发出的激光束照射到可旋转的散射屏，散射屏上的激光光斑经过第一透镜和第二透镜照射在二色镜上，由二色镜反射，进入内窥装置中进行传输，并成像到物镜的后焦面上，通过物镜后平行出射，在样品表面形成动态散斑场；样品发出的荧光由物镜收集后再次通过内窥装置传输，再经过二色镜，由第三透镜会聚于CCD靶面成像。

本发明提供的基于光纤束的散斑类共焦系统，将散斑与共聚焦显微成像原理结合，形成一种散斑类共聚焦系统，具有共焦系统层析能力强的优点；并将光纤束引入系统中，在保证高分辨率的条件下实现了内窥装置。本发明在将散斑与共聚焦显微成像原理相结合的基础上，将光纤束引入系统，使得系统具有与共聚焦显微成像相当的层析能力，同时也具有内窥作用，光路简单容易实现。本发明系统可实现非扫描的高分辨率成像，成像速度快，光路简单便于实现，光纤束的引用使得系统具有内窥功能，大大提高了系统的实用性。适用于医学临床研究，工业检查等领域。

附图说明

图1为现有的散斑类共聚焦显微系统(SQCM)的原理图；

图2为散斑类共聚焦显微系统与共聚焦显微系统的轴向分辨率对比图；

图3为本发明基于光纤束的散斑共聚焦系统(FBSQCS)原理图，其中虚线框部分为光纤束，即内窥装置；

图4为内窥装置成像原理图

图5为当N取不同值时基于光纤束的散斑共聚焦系统的轴向分辨率曲线；

图6为基于光纤束的散斑系统的轴向分辨率随N的变化关系

图7为散斑类共聚焦显微系统与基于光纤束的散斑类共聚焦系统的轴向分辨率曲线比较；

图8为散斑类共聚焦系统的成像实例图；

图9为基于光纤束的散斑类共聚焦系统的成像实例图；

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明作进一步详细的说明。

本发明基于光纤束的散斑类共聚焦系统是在SQCM的基础上，增加了光纤束和透镜组成的成像系统，即内窥装置。如图3所示，内窥装置10由光纤束11和位于其二端的第四、第五透镜12、13构成，第四、第五透镜12、13用于耦合光束。

内窥装置10成像原理如图4所示，第五透镜13和物镜5组成望远镜结构，样品6置于物镜5前焦面，光纤束11端面置于第五透镜13后焦面。样品6发出的荧光被物镜5收集，以平行光出射，然后由第五透镜13会聚于光纤束11的端面。使用第四、第五透镜12、13耦合光束的目的是保证样品6的细节信息能够完全到达光纤束11端面，此时物镜5的分辨率并不会损失。光纤束11依靠其中的光纤传输光信息，而光纤是有一定尺寸的，在到达这个尺寸范围之内的所有光信息通过同一根光纤传输，在传输过程中这些光信息互相干扰而损失了原有的细节信息，因此光纤束11中的光纤成了传输信息的最小单位。内窥镜的光学结构导致样品细节信息混叠，从而影响EBSQCS的轴向分辨率。

激光器1发出的激光束照射到可旋转的散射屏2，散射屏2上的激光光斑经过第一透镜3和第二透镜4照射在二色镜7上，由二色镜7反射，进入内窥装置10中进行传输，并成像到物镜5的后焦面上，通过物镜5后平行出射，在样品6表面形成动态散斑场。样品发出的荧光由物镜5收集后再次通过内窥装置10传输，再经过二色镜7，由第三透镜8会聚于CCD靶面9成像。其中，第二透镜4和第三透镜8关于二色镜7共轭，第一透镜3和第二透镜4共焦，散射屏2与样品6关于物镜5形成共聚焦结构。

经理论推导与分析，本发明系统得到的轴向分辨率为：

K_{N} = \frac{2.86 λ}{{NA}^{2}} \sqrt{N + 2}

其中，N为每根光纤通光面积可容纳的散斑斑点数目，即使用光纤束时探测器探测到的信号是N个原始探测信号的平均值，λ为入射光波长，NA为物镜数值孔径。

如图5所示，为当N取不同值时本发明系统的轴向分辨率曲线，N＝1表示没有通过光纤束的情况，N＝14对应的是通过光纤束传输后系统的轴向分辨率。由图5可以看出，EBSQCS虽然相对于SQCM轴向分辨率有所下降，但仍保持了一定的轴向分辨率即层析能力。

如图6所示，为本发明装置的轴向分辨率随N的变化关系，可以看出其轴向分辨率随着N增大而逐渐变差。因此实际系统设计中应先用合适的系统参数，避免增大N值。

如图7所示，为FBSQCS和SQCM的轴向分辨率曲线比较。实验中先测量SQCM轴向分辨率，然后加入光纤束(内窥装置，图3虚线框所示)，测量FBSQCM的轴向分辨率。EBSQCS的轴向分辨率曲线比SQCM的轴向分辨率曲线宽，EBSQCS的轴向分辨率曲线的半高全宽是SQCM的2.3倍，与理论计算值相符(见图6)。实验结果表明，FBSQCS也具有很好的轴向分辨率特性，在不扫描的条件下能得到与共聚焦显微镜类似的层析能力。光纤束(内窥装置)在一定程度上减弱了FBSQCS的层析能力，但是这种影响可以通过控制实验条件得到改善。

实例1

如图8所示，为SQCM系统的成像图，采用Rhodamine6G为样品，分别在焦面处(b)和离焦10μm处(a)拍摄的散斑场原始图像。然后采用散斑重建算法得到焦面处图像见右下图(d)。系统分辨率为8μm(c)。

由图8可知，通过散斑类共聚焦成像算法重建后得到的焦面处图像(d)对比度明显好于原始图像(a，b)，滤除了焦平面以外荧光的影响。同时能够改善横向分辨率。

实例2

如图9所示，为FBSQCS系统的成像图，在z方向不同深度处基于光纤束的散斑类共聚焦系统所得原始图片以及用散斑算法重建后效果。右边为分别在焦面处(b)和离焦10μm处(d)拍摄的散斑场原始图像，左边为通过算法重建后，在焦面处(b)和离焦10μm处的基于光纤束的散斑类共聚焦系统图像(a，c)。样品为rhodamine6G。

由图9可知，基于光纤束的散斑类共聚焦系统具有类共聚焦特性，层析能力强，带内窥装置。

Claims

1、一种基于光纤束的散斑类共聚焦系统，包括激光器(1)、可旋转的散射屏(2)、第一至第三透镜(3、4、8)、物镜5、二色镜(7)和CCD靶面(9)，其中，第一透镜(3)和第二透镜(4)共焦，散射屏(2)与样品(6)关于物镜(5)形成共聚焦结构，第二透镜(4)和第三透镜(8)关于二色镜(7)共轭；其特征在于：

该系统还包括内窥装置(10)，内窥装置(10)由光纤束(11)和位于其二端的第四、第五透镜(12、13)构成，光纤束(11)的一个端面位于第四透镜(12)的前焦面上，光纤束(11)的另一个端面位于第五透镜(13)的后焦面上；第五透镜(13)和物镜(5)组成望远镜结构；

激光器(1)发出的激光束照射到可旋转的散射屏(2)，散射屏(2)上的激光光斑经过第一透镜(3)和第二透镜(4)照射在二色镜(7)上，由二色镜(7)反射，进入内窥装置(10)中进行传输，并成像到物镜(5)的后焦面上，通过物镜(5)后平行出射，在样品(6)表面形成动态散斑场；样品发出的荧光由物镜(5)收集后再次通过内窥装置(10)传输，再经过二色镜(7)，由第三透镜(8)会聚于CCD靶面(9)成像。