CN104568777A - 基于频谱编码的共焦显微成像装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于频谱编码的共焦显微成像装置及方法。本成像系统基于光学频谱编码：宽带光源发出的光经过准直后以特定角度入射至高线对数的透射式光栅，衍射后经过聚焦透镜聚焦在样品上形成一条编码线照明，使得样品上不同位置对应着一定带宽的不同波长，样品反射光经原光路返回进入自制光谱仪中进行探测分析，采用位移平台进行一维扫描即可获得二维表面图像。本发明结构装置简单、操作方便，具有成像速度快、结构紧凑、便于内窥化的特点。
Description
技术领域
本发明属于光电成像技术领域，特别是一种基于频谱编码的共焦显微成像装置及方法。
背景技术
共焦显微术主要原理是点光源发出的光经过物镜聚焦到物体表面，由物体表面反射或者透射后再经过透镜聚焦到探测器上。点光源、样品、探测器前面的针孔形成共轭，对于物镜焦平面处发出的光在针孔处可以得到很好的会聚，使得全部通过针孔被探测器接收，而杂散光及离焦平面信息会在针孔处形成直径很大的光斑，大部分无法通过针孔，从而使得离焦信息绝大部分被消除，因而使它获得比普通显微镜更高的分辨率，广泛应用于生物医学，精密测量等领域。
共焦显微术具有高分辨，高信噪比的特点，但是采用的点聚焦方式，使得获得高分辨率图像的同时不能获得大视场的图像，需要采用大范围的扫描才能获取足够大的视场。此外，内窥镜作为一种光学仪器，由体外通过人体自然管道进入体内，对体内疾病进行检查。现行的微小型内窥镜主要采用光纤束传输二维图像，但由于硬度和成像不足，微型内窥镜并不广泛适用。采用单根光纤进行内窥成像时，虽然利用二维微机电系统(MEMS)可以减小整个机械结构的大小，但还是无法在小尺寸下保持大的扫描范围。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能进行快速共焦显微成像、并有内窥化潜力的基于频谱编码的共焦显微成像装置及方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于频谱编码的共焦显微成像装置，包括宽带光源、计算机、光环形器、样品臂、光谱仪，宽带光源接入光环形器的第一端口，光环形器的第二端口与样品臂连接，光环形器的第三端口接入光谱仪；所述样品臂包括沿光路依次设置的第一准直透镜、第一光栅、第一会聚透镜和载物台，载物台固定于线性位移台上，线性位移台的信号控制端接入计算机；光谱仪包括沿光路依次设置的第二准直透镜、第二光栅、第二会聚透镜和线阵CCD相机，线阵CCD相机的输出端接入计算机；
所述宽带光源发射出的低相干光，经过光纤耦合器接入光环形器的第一端口，然后该低相干光通过光环形器的第二端口入射至样品臂中；在样品臂中，光纤出射光首先经过第一准直透镜得到准直光束，该准直光束入射至第一光栅，由第一光栅衍射后的光束经过第一会聚透镜会聚成一条编码线照射在载物台的样品上；从样品臂沿原路返回的光携带有样品信息，该返回光经过光环形器的第三端口耦合至光谱仪中；在光谱仪中，样品臂中返回的光经过第二准直透镜入射到第二光栅上，经过第二光栅衍射后的光入射至第二会聚透镜，会聚光照射到线阵CCD相机的感光元件上，由线阵CCD相机获得的光谱信息输入计算机进行显示。
一种基于频谱编码的共焦显微成像方法，包括以下步骤：
步骤1，宽带光源发射出的低相干光，经过光纤耦合器接入光环形器的第一端口，然后该低相干光通过光环形器的第二端口入射至样品臂中；
步骤2，在样品臂中，光纤出射光首先经过第一准直透镜得到准直光束，该准直光束入射至第一光栅，由第一光栅衍射后的光束经过第一会聚透镜会聚成一条编码线照射在载物台的样品上；
步骤3，从样品臂沿原路返回的光携带有样品信息，该返回光经过光环形器的第三端口耦合至光谱仪中；
步骤4，在光谱仪中，样品臂中返回的光经过第二准直透镜入射到第二光栅上，经过第二光栅衍射后的光入射至第二会聚透镜，会聚光照射到线阵CCD相机的感光元件上；
步骤5，通过计算机控制线性位移台，使得载物台上的样品沿着与样品上编码线垂直的方向平移，由线阵CCD相机获得整个样品的表面光谱信息并输入计算机进行显示。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)采用光栅进行分光，将不同波长在空间上分散到不同位置，使得无需扫描便可获得一条编码线的图像，大大提高了成像速度，在快速成像应用中具有广阔的前景；(2)采用了光纤代替针孔的光纤式共焦结构。采用光纤便于安装调教，由于光纤的灵活性，可以分布式摆放，简化了系统结构，提高了抗干扰能力和可靠性，共焦系统排除了离焦光线的干扰，具有分辨率高，高对比度的有点；(3)无需扫描单次成像即可获得一条线的信息，与普通共焦结构相比视场和可分辨率点数大大提高；(4)样品臂部分光学结构简单，元件个数很少，便于紧凑化，微小化处理，具有内窥应用的巨大潜力。
附图说明
图1为本发明基于频谱编码的共焦显微成像装置的结构示意图。
图2为本发明基于频谱编码的共焦显微成像装置的频谱编码示意图。
图3为本发明基于频谱编码的共焦显微成像方法中CCD获取信息的示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明进行详细说明。
本发明基于频谱编码的共焦显微成像装置及方法，宽带光源发出的光进入光纤耦合器，由单模光纤发射出的复色光经过一个衍射光栅和微小透镜后，不同的波长照射组织表面的不同位置，这样就实现了空间光谱编码代替快速扫描。样品反射回来的光沿着原光路进入光环形器中，然后进入光谱仪中进行分析显示，第二维的图像用慢速的机械扫描来获得。
宽带光源发出的探测光经过光纤耦合器后进入样品臂，进入样品臂部分的光经过短焦距准直透镜准直成直径很小的细光束，准直后的光束以满足利特罗条件入射至透射式光栅上，即衍射角与入射角大小一致以获得最大衍射效率。衍射后光束入射至会聚透镜在焦平面处形成一条编码线，编码线上不同位置对应着不同波长。在该编码线处照射的样品反射表面信息后沿着原光路依次经过会聚透镜，光栅，准直透镜后，进入在准直透镜后焦点处的光纤芯。光纤芯替代一般共焦显微镜的针孔，使得该频谱编码结构也形成了共焦系统。进入光纤芯的反射光经过光环形器进入自制光谱仪。入射到光谱仪的光首先经过准直透镜准直，然后入射至光栅使得光束按照不同波长分散开，经过会聚透镜会聚到线阵CCD的感光材料上，此时CCD上不同像素处对应不同波长，连接计算机，通过采集，保存，显示程序来得到获得的编码线处的样品图像。通过放置载物台的线性位移台的移动，获取不同位置处的编码线图像以获得表面二维信息。
结合图1，本发明基于频谱编码的共焦显微成像装置，包括宽带光源1、计算机2、光环形器3、样品臂13、光谱仪14，宽带光源1接入光环形器3的第一端口，光环形器3的第二端口与样品臂13连接，光环形器3的第三端口接入光谱仪14；所述样品臂13包括沿光路依次设置的第一准直透镜4、第一光栅5、第一会聚透镜6和载物台7，载物台7固定于线性位移台8上，线性位移台8的信号控制端接入计算机2；光谱仪14包括沿光路依次设置的第二准直透镜9、第二光栅10、第二会聚透镜11和线阵CCD相机12，线阵CCD相机12的输出端接入计算机2；
所述宽带光源1发射出的低相干光，经过光纤耦合器接入光环形器3的第一端口，然后该低相干光通过光环形器3的第二端口入射至样品臂13中；在样品臂13中，光纤出射光首先经过第一准直透镜4得到准直光束，该准直光束入射至第一光栅5，由第一光栅5衍射后的光束经过第一会聚透镜6会聚成一条编码线照射在载物台7的样品上；从样品臂13沿原路返回的光携带有样品信息，该返回光经过光环形器3的第三端口耦合至光谱仪14中；在光谱仪14中，样品臂13中返回的光经过第二准直透镜9入射到第二光栅10上，经过第二光栅10衍射后的光入射至第二会聚透镜11，会聚光照射到线阵CCD相机12的感光元件上，由线阵CCD相机12获得的光谱信息输入计算机2进行显示。
所述第一光栅5的入射角和衍射角满足利特罗结构。所述线性位移台8为thorlabs公司的LNR50S/M带梯形步进器的50毫米TravelMax平台、最大行程为50毫米，增量运动的最小单位为0.05微米。
本发明基于频谱编码的共焦显微成像方法，包括以下步骤：
步骤1，宽带光源1发射出的低相干光，经过光纤耦合器接入光环形器3的第一端口，然后该低相干光通过光环形器3的第二端口入射至样品臂13中；
步骤2，在样品臂13中，光纤出射光首先经过第一准直透镜4得到准直光束，该准直光束入射至第一光栅5，由第一光栅5衍射后的光束经过第一会聚透镜6会聚成一条编码线照射在载物台7的样品上；所述准直光束入射至第一光栅5，其中该准直光束在第一光栅5的入射角和衍射角满足利特罗结构，即如下公式：
θ0＝θ1＝sinh(mλG/2)
式中，m为衍射级次，取一级衍射；G为光栅线对数，θ0为准直光束在第一光栅5的入射角，θ1为宽带光源中心波长λ在第一光栅5的衍射角。
步骤3，从样品臂13沿原路返回的光携带有样品信息，该返回光经过光环形器3的第三端口耦合至光谱仪14中；
步骤4，在光谱仪14中，样品臂13中返回的光经过第二准直透镜9入射到第二光栅10上，经过第二光栅10衍射后的光入射至第二会聚透镜11，会聚光照射到线阵CCD相机12的感光元件上；
步骤5，通过计算机2控制线性位移台8，使得载物台7上的样品沿着与样品上编码线垂直的方向平移，由线阵CCD相机12获得整个样品的表面光谱信息并输入计算机2进行显示。
所述光谱仪14的光谱分辨率大于样品臂13的光谱分辨率：样品臂13的光谱分辨率由第一光栅5被照射的光栅线数决定；光谱仪14的光谱分辨率由第二光栅10被照射的光栅线数和线阵CCD相机12的像素数共同决定，取两者光谱分辨率值中大的为光谱仪14的光谱分辨率。
如图2所示，准直光束以角度为θ0入射至衍射光栅处，宽带光源中心波长λ的衍射角为θ1。衍射方程如下公式：
sinθ0+sinθ1＝mλG
式中，m为衍射级次，取一级衍射；G为光栅线对数。入射角θ0和衍射角θ1满足利特罗结构时，衍射效率最大，即θ0＝θ1＝sinh(mλG/2)。衍射后的光束经过第一会聚透镜6聚焦到样品上形成一条线，不同波长聚焦到样品不同位置上，携带者样品信息的反射光原路返回，就实现了频谱编码。图2中λ1、λ2、λ3分别表示不同的波长。
图3中，P1，P2，P3，……，Pn分别表示第1，2，3，……，n个像素；λ1、λ2、λ3分别表示不同的波长。如图3所示，在光谱仪中衍射后的光经过会聚透镜11会聚到线阵CCD相机12的探测阵列上。不同波长会聚到探测阵列的不同像素上，只要光谱仪14的光谱分辨率大于样品臂13的光谱分辨率，就能将携带样品信息的光全部分辨开来。光栅最小可分辨波长差为Δλ＝λ/(mN)，N为光栅被照射的线对数。对于样品臂13，光谱分辨率只由第一光栅5的最小可分辨波长差决定。对于光谱仪，光谱分辨率有第二光栅10的最小可分辨波长差和线阵CCD相机12可分辨的最小波长差共同决定，取两者中最小波长差较大值为光谱仪的光谱分辨率。
Claims (6)
1.一种基于频谱编码的共焦显微成像装置，其特征在于，包括宽带光源(1)、计算机(2)、光环形器(3)、样品臂(13)、光谱仪(14)，宽带光源(1)接入光环形器(3)的第一端口，光环形器(3)的第二端口与样品臂(13)连接，光环形器(3)的第三端口接入光谱仪(14)；所述样品臂(13)包括沿光路依次设置的第一准直透镜(4)、第一光栅(5)、第一会聚透镜(6)和载物台(7)，载物台(7)固定于线性位移台(8)上，线性位移台(8)的信号控制端接入计算机(2)；光谱仪(14)包括沿光路依次设置的第二准直透镜(9)、第二光栅(10)、第二会聚透镜(11)和线阵CCD相机(12)，线阵CCD相机(12)的输出端接入计算机(2)；
所述宽带光源(1)发射出的低相干光，经过光纤耦合器接入光环形器(3)的第一端口，然后该低相干光通过光环形器(3)的第二端口入射至样品臂(13)中；在样品臂(13)中，光纤出射光首先经过第一准直透镜(4)得到准直光束，该准直光束入射至第一光栅(5)，由第一光栅(5)衍射后的光束经过第一会聚透镜(6)会聚成一条编码线照射在载物台(7)的样品上；从样品臂(13)沿原路返回的光携带有样品信息，该返回光经过光环形器(3)的第三端口耦合至光谱仪(14)中；在光谱仪(14)中，样品臂(13)中返回的光经过第二准直透镜(9)入射到第二光栅(10)上，经过第二光栅(10)衍射后的光入射至第二会聚透镜(11)，会聚光照射到线阵CCD相机(12)的感光元件上，由线阵CCD相机(12)获得的光谱信息输入计算机(2)进行显示。
2.根据权利要求1所述的基于频谱编码的共焦显微成像装置，其特征在于，所述第一光栅(5)的入射角和衍射角满足利特罗结构。
3.根据权利要求1所述的基于频谱编码的共焦显微成像装置，其特征在于，所述线性位移台(8)为thorlabs公司的LNR50S/M带梯形步进器的50毫米TravelMax平台、最大行程为50毫米，增量运动的最小单位为0.05微米。
4.一种基于频谱编码的共焦显微成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，宽带光源(1)发射出的低相干光，经过光纤耦合器接入光环形器(3)的第一端口，然后该低相干光通过光环形器(3)的第二端口入射至样品臂(13)中；
步骤2，在样品臂(13)中，光纤出射光首先经过第一准直透镜(4)得到准直光束，该准直光束入射至第一光栅(5)，由第一光栅(5)衍射后的光束经过第一会聚透镜(6)会聚成一条编码线照射在载物台(7)的样品上；
步骤3，从样品臂(13)沿原路返回的光携带有样品信息，该返回光经过光环形器(3)的第三端口耦合至光谱仪(14)中；
步骤4，在光谱仪(14)中，样品臂(13)中返回的光经过第二准直透镜(9)入射到第二光栅(10)上，经过第二光栅(10)衍射后的光入射至第二会聚透镜(11)，会聚光照射到线阵CCD相机(12)的感光元件上；
步骤5，通过计算机(2)控制线性位移台(8)，使得载物台(7)上的样品沿着与样品上编码线垂直的方向平移，由线阵CCD相机(12)获得整个样品的表面光谱信息并输入计算机(2)进行显示。
5.根据权利要求4所述的基于频谱编码的共焦显微成像方法，其特征在于，步骤2所述光纤出射光首先经过第一准直透镜(4)得到准直光束，该准直光束入射至第一光栅(5)，其中该准直光束在第一光栅(5)的入射角和衍射角满足利特罗结构，即如下公式：
θ0＝θ1＝sinh(mλG/2)
式中，m为衍射级次，取一级衍射；G为光栅线对数，θ0为准直光束在第一光栅(5)的入射角，θ1为宽带光源中心波长λ在第一光栅(5)的衍射角。
6.根据权利要求4所述的基于频谱编码的共焦显微成像方法，其特征在于，所述光谱仪(14)的光谱分辨率大于样品臂(13)的光谱分辨率：样品臂(13)的光谱分辨率由第一光栅(5)被照射的光栅线数决定；光谱仪(14)的光谱分辨率由第二光栅(10)被照射的光栅线数和线阵CCD相机(12)的像素数共同决定，取两者光谱分辨率值中大的为光谱仪(14)的光谱分辨率。
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