CN105424601A - 一种手持式共聚焦皮肤显微方法和装置 - Google Patents

一种手持式共聚焦皮肤显微方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种手持式共聚焦皮肤显微方法和装置，装置包括通过单模光纤连接光信号的光源及探测模块和手持移动共聚焦扫描模块，控制装置分别与光源及探测模块和手持移动共聚焦扫描模块连接。本发明把共聚焦光路模块化，包括为系统提供激发光束和探测返回信号光的光源及探测模块和聚焦激发光束在聚焦平面形成二维扫描光斑、同时收集样品返回信号光的手持移动共聚焦扫描模块，两个模块之间通过单模光纤连接；通过设置手持移动共聚焦扫描模块，可以灵活地实现实时在体共聚焦显微成像，单模光纤作为手持移动共聚焦扫描模块的点光源和探测滤波针孔，实现了点光源和探测滤波针孔恒定共轭，消除了使用过程中振动对共轭的影响。

Description

一种手持式共聚焦皮肤显微方法和装置
技术领域
本发明涉及一种显微装置，尤其涉及的是一种手持式共聚焦皮肤显微方法和装置。
背景技术
共聚焦显微镜最早在1957年由M.Minsky提出，其目的是为了消除普通光学显微镜在探测样品时由于散射光引起的影响。之后，由于其出色的三维层析能力和高分辨率等特点，共聚焦显微镜被得到广泛的应用。由于共聚焦显微镜的光路需包括激光器、探测器、扫描振镜系统或纳米平移台等有一定体积和重量的仪器，不容易实现便携或可移动式；而且，为确保共聚焦显微镜的成像质量，点光源和探测滤波针孔的位置需要高度共轭，而移动式的共聚焦显微镜引起的振动会影响共轭效果。因此，共聚焦显微镜大多数需要在固定的静止状态使用，探测样品必须要从主体上分离，放置于共聚焦显微镜载物台上进行观察，不能实现手持移动共聚焦显微装置实时在体共聚焦显微探测，如对病人皮肤病变区域进行在体共聚焦显微探测。
目前，共聚焦内窥显微镜通过利用传像光纤束(申请专利号：201120427849.9)，能够实现手持式共聚焦皮肤显微。但是，该方案由于图像的有效像素取决于传像光纤束的纤芯数量，纤芯数量一般在10万～30万，纤芯呈乱序排列，因此，基于传像光纤束的共聚焦内窥显微镜的图像清晰度有限，并且呈乱序蜂窝状，不利于观察；另外，一种手持式共聚焦光学内窥镜(申请专利号201310145375.2)采用微扫描反射镜实现样品的二维扫描，可以实现手持式共聚焦皮肤显微，但是由于微扫描反射镜为机械式，速度较慢，成像速度为3帧每秒，远低于目前主流的视频帧率(24帧每秒)，实时图像会存在可感知的卡顿，并且图像会由于抖动而变得模糊。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
本发明的目的在于提供一种手持式共聚焦皮肤显微方法和装置，旨在解决现有的手持式共聚焦显微镜清晰度有限，图像乱序，不利于观察和成像速度慢，图像由于抖动而出现模糊的问题。
本发明的技术方案如下：
一种手持式共聚焦皮肤显微装置，其中，包括：
为整个装置提供激发光束和探测返回信号光的光源及探测模块；
聚焦由光源及探测模块提供的激发光束在聚焦平面形成二维扫描光斑，同时收集样品返回的信号光的手持移动共聚焦扫描模块；
出射端同时作为手持移动共聚焦扫描模块的点光源和返回信号光的探测滤波针孔的单模光纤；
用于控制装置运行，采集和处理光信号的控制装置；
所述光源及探测模块和手持移动共聚焦扫描模块光信号通过单模光纤连接，控制装置分别与光源及探测模块和手持移动共聚焦扫描模块连接。
所述的手持式共聚焦皮肤显微装置，其中，所述光源及探测模块包括：
为手持移动共聚焦扫描模块提供激发光束的激光器；
反射由手持移动共聚焦扫描模块收集的信号光的分束器；
光纤耦合器；
用于探测信号光的光电探测器；
所述激光器发出激发光束，分束器和光纤耦合器依次设置在激发光束光路的光轴上，单模光纤的入射端面位于光纤耦合器的像方焦点处，所述光电探测器与控制装置连接。
所述的手持式共聚焦皮肤显微装置，其中，所述分束器替换成二向色镜。
所述的手持式共聚焦皮肤显微装置，其中，所述手持移动共聚焦扫描模块，具体包括：
用于准直激发光束的准直器；
负责控制激发光束X轴方向角度偏转的第一反射镜；
负责控制激发光束Y轴方向角度偏转的第二反射镜；
实现光路的中继和光束放大，并使准直激发光束在显微物镜的入瞳处角度改变而显微物镜位置不变的4f扩束系统；
用于反射光路、灵活调整探测方向的第三反射镜；
用于聚焦激发光束和收集返回的信号光的显微物镜；
所述4f扩束系统包括第一透镜和第二透镜；所述单模光纤的出射端位于准直器的物方焦点处，第一反射镜的中心位于第一透镜的物方焦点处，第一透镜的像方焦点和第二透镜的物方焦点重合；所述控制装置分别与第一反射镜和第二反射镜连接。
所述的手持式共聚焦皮肤显微装置，其中，所述第一反射镜220是共振式扫描振镜，第二反射镜230是检流计式扫描振镜。
所述的手持式共聚焦皮肤显微装置，其中，所述单模光纤的芯径尺寸为0.5～1个艾里斑。
所述的手持式共聚焦皮肤显微装置，其中，所述单模光纤300的芯径为5um；所述艾里斑直径为7.3um，单模光纤芯径为0.68个艾里斑。
一种如上述任一项所述的手持式共聚焦皮肤显微装置的显微方法，其中，具体包括以下步骤：
步骤A00：激光器发射出激光光束，透过分束器后，经光纤耦合器聚焦耦合到单模光纤；
步骤B00：激光光束从单模光纤的出射端出射，经准直器准直，得到准直光束；
步骤C00：准直光束经第一反射镜和第二反射镜反射后，由第一透镜和第二透镜组成的4f扩束系统扩束；
步骤D00：扩束后的准直光束由第三反射镜反射，进入显微物镜，聚焦到样品；
步骤E00：聚焦光斑照明区域内的样品反射光和散射光组成的信号光由显微物镜收集，形成准直信号光沿原光路返回，先经第三反射镜反射后，反向经过由第一透镜和第二透镜组成的4f扩束系统，光束直径按倍率缩小；
步骤F00：缩小后的准直信号光束依次经第二反射镜和第一反射镜反射后，由准直器聚焦并耦合到单模光纤原出射端；
步骤G00：信号光在单模光纤的另一端面出射，经过光纤耦合器准直；
步骤H00：准直的信号光光束经分束器反射后入射到光电探测器探测；
步骤I00：再通过控制装置输出同步信号控制第一反射镜和第二反射镜，使激发光束有序地二维偏转，在焦面上形成二维扫描光斑，同时采集相应的信号，重构出图像，实现共聚焦二维扫描成像。
所述的手持式共聚焦皮肤显微装置的显微方法，其中，具体地，所述步骤B00中，所述准直光束的直径为2.4mm，有效焦距为11mm。
所述的手持式共聚焦皮肤显微装置的显微方法，其中，所述第一反射镜的扫描频率为9600Hz，第二反射镜的扫描频率为24Hz；第一透镜焦距为25mm，第二透镜焦距为75mm；所述显微物镜的放大倍率为20倍，有效焦距为9mm，数值孔径为0.5。
本发明的有益效果：本发明通过提供一种手持式共聚焦皮肤显微方法和装置，通过把共聚焦光路部分模块化，分为光源及探测模块和手持移动共聚焦扫描模块，两个模块之间通过单模光纤连接；光源及探测模块的特点是为系统提供激发光束和探测返回信号光，而手持移动共聚焦扫描模块的特点是可设计成手持式，聚焦激发光束在聚焦平面形成二维扫描光斑，同时收集样品返回的信号光；通过设置手持移动共聚焦扫描模块，可以灵活地实现实时在体共聚焦显微成像，单模光纤的特点在于同时作为手持移动共聚焦扫描模块的点光源和探测滤波针孔，实现了点光源和探测滤波针孔恒定共轭，消除了使用过程中振动对共轭的影响。
附图说明
图1是本发明中手持式共聚焦皮肤显微装置的结构示意图。
图2是本发明中光源及探测模块和手持移动共聚焦扫描模块的结构示意图。
图3是本发明中手持式共聚焦皮肤显微装置的显微方法的步骤流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。
如图1和图2所示，一种手持式共聚焦皮肤显微装置能够实现共聚焦在体层析显微成像，同时有效地避免了手持操作引起振动从而影响到点光源和探测滤波针孔间的共轭关系，包括：
为整个装置提供激发光束和探测返回信号光的光源及探测模块100；
聚焦由光源及探测模块100提供的激发光束在聚焦平面形成二维扫描光斑，同时收集样品返回的信号光的手持移动共聚焦扫描模块200；
出射端同时作为手持移动共聚焦扫描模块200的点光源和返回信号光的探测滤波针孔的单模光纤300；
用于控制装置运行，采集和处理光信号的控制装置400；
所述光源及探测模块100和手持移动共聚焦扫描模块200光信号通过单模光纤300连接，控制装置400分别与光源及探测模块100和手持移动共聚焦扫描模块200连接。
所述光源及探测模块100包括：
为手持移动共聚焦扫描模块200提供激发光束的激光器110；
反射由手持移动共聚焦扫描模块200收集的信号光的分束器120；
光纤耦合器130；
用于探测信号光的光电探测器140；
所述激光器110发出激发光束，分束器120和光纤耦合器130依次设置在激发光束光路的光轴上，单模光纤300的入射端面位于光纤耦合器130的像方焦点处，所述光电探测器140与控制装置400连接。
本技术方案中，还可以采用二向色镜替换分束器120，实现对皮肤或组织的荧光共聚焦显微成像。
所述手持移动共聚焦扫描模块200可设置成手持移动式，整体重量轻，以实现共聚焦显微的手持移动式探测，具体包括：
用于准直激发光束的准直器210；
负责控制激发光束X轴方向角度偏转的第一反射镜220；
负责控制激发光束Y轴方向角度偏转的第二反射镜230；
实现光路的中继和光束放大，并使准直激发光束在显微物镜270的入瞳处角度改变而显微物镜270位置不变的4f扩束系统；
用于反射光路、灵活调整探测方向的第三反射镜260；
用于聚焦激发光束和收集返回的信号光的显微物镜270；
所述4f扩束系统包括第一透镜240和第二透镜250；所述单模光纤300的出射端位于准直器210的物方焦点处，第一反射镜220的中心位于第一透镜240的物方焦点处，第一透镜240的像方焦点和第二透镜250的物方焦点重合；所述控制装置400分别与第一反射镜220和第二反射镜230连接。
所述单模光纤300作为光源及探测模块100和手持移动共聚焦扫描模块200的光信息通道，其出射端同时作为手持移动共聚焦扫描模块200的点光源和返回信号光的探测滤波针孔，实现点光源与探测滤波针孔的恒定共轭，有效解决了手持操作振动带来的共轭点漂移的问题。而单模光纤300作为探测滤波针孔的直径尺寸介于0.5～1个艾里斑，该尺寸能够有效地过滤焦点外杂散光，同时保证了图像的信噪比，其中，艾里斑直径的计算公式如下：
D＝1.2λ/NA*M*fc/fe(1)
系统横向分辨率为：
Δ＝0.61λ/NA(2)
其中，λ是激发光束的波长，NA为显微物镜270的数值孔径，M是第一透镜240和第二透镜250组成的4f扩束系统的放大倍率，fc为准直器210的焦距，fe为显微物镜270的焦距。
具体地，所述信号光包括样品反射光和散射光。
具体地，所述第一反射镜220是共振式扫描振镜，第二反射镜230是检流计式扫描振镜。
所述第三反射镜260再次反射光路，使整个系统的光路探测方向更加灵活，使整个装置满足手持移动式共聚焦成像。
上述所述的手持式共聚焦皮肤显微装置适用于皮肤的显微成像，同时还适用于材料表面等的显微成像。
如图3所示，一种如上述所述的手持式共聚焦皮肤显微装置的显微方法，具体包括以下步骤：
步骤A00：激光器110发射出激光光束，透过分束器120后，经光纤耦合器130聚焦耦合到单模光纤300；
步骤B00：激光光束从单模光纤300的出射端出射，经准直器210准直，得到准直光束；
步骤C00：准直光束经第一反射镜220和第二反射镜230反射后，由第一透镜240和第二透镜250组成的4f扩束系统扩束；
步骤D00：扩束后的准直光束由第三反射镜260反射，进入显微物镜270，聚焦到样品；
步骤E00：聚焦光斑照明区域内的样品反射光和散射光组成的信号光由显微物镜270收集，形成准直信号光沿原光路返回，先经第三反射镜260反射后，反向经过由第一透镜240和第二透镜250组成的4f扩束系统，光束直径按倍率缩小；
步骤F00：缩小后的准直信号光束依次经第二反射镜230和第一反射镜220反射后，由准直器210聚焦并耦合到单模光纤300原出射端；
步骤G00：信号光在单模光纤300的另一端面出射，经过光纤耦合器130准直；
步骤H00：准直的信号光光束经分束器120反射后入射到光电探测器探测140；
步骤I00：再通过控制装置400输出同步信号控制第一反射镜220和第二反射镜230，使激发光束有序地二维偏转，在焦面上形成二维扫描光斑，同时采集相应的信号，重构出图像，实现共聚焦二维扫描成像。
具体地，所述单模光纤300的芯径为5um。
具体地，所述步骤B00中，所述准直光束的直径为2.4mm，有效焦距为11mm。
具体地，所述步骤C00中，所述第一反射镜220的扫描频率为9600Hz，第二反射镜230的扫描频率为24Hz，使得整个共聚焦显微装置能够在24帧每秒的情况下，实时显示解析点数目为400*400的影像；第一透镜240焦距为25mm，第二透镜250焦距为75mm，准直光束被三倍放大。
具体地，所述步骤D00，显微物镜270的放大倍率为20倍，有效焦距为9mm，数值孔径为0.5，由公式(1)得到系统横向分辨率为1um。
具体地，所述步骤F00，根据公式(2)可得到聚焦的艾里斑直径为7.3um，单模光纤300芯径为0.68个艾里斑。
本方案中，通过将共聚焦显微系统模块化，分成光源及探测模块和手持移动共聚焦扫描模块，减少了手持模块的器件，从而减轻了重量和减少体积，使得手持操作更加灵活；通过单模光纤连接两个模块的光信息通道，其出射端面既是手持共聚焦扫描模块的点光源，也是探测滤波针孔，实现点光源与针孔恒定共轭，有效解决了手持操作振动带来的共轭点漂移问题；手持移动共聚焦扫描模块中的二维振镜扫描系统由共振式扫描振镜和检流计式扫描振镜组成，实现对样品的点对点高速扫描成像，能够在24帧每秒的情况下，实时显示解析点数目为400*400的影像；光源及探测模块的特点是为系统提供激发光束和探测返回信号光，而手持移动共聚焦扫描模块的特点是可设计成手持式，聚焦激发光束在聚焦平面形成二维扫描光斑，同时收集样品返回的信号光；通过设置手持移动共聚焦扫描模块，可以灵活地实现实时在体共聚焦显微成像，单模光纤的特点在于同时作为手持移动共聚焦扫描模块的点光源和探测滤波针孔，实现了点光源和探测滤波针孔恒定共轭，消除了使用过程中振动对共轭的影响。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种手持式共聚焦皮肤显微装置，其特征在于，包括：
为整个装置提供激发光束和探测返回信号光的光源及探测模块；
聚焦由光源及探测模块提供的激发光束在聚焦平面形成二维扫描光斑，同时收集样品返回的信号光的手持移动共聚焦扫描模块；
出射端同时作为手持移动共聚焦扫描模块的点光源和返回信号光的探测滤波针孔的单模光纤；
用于控制装置运行，采集和处理光信号的控制装置；
所述光源及探测模块和手持移动共聚焦扫描模块光信号通过单模光纤连接，控制装置分别与光源及探测模块和手持移动共聚焦扫描模块连接。
2.根据权利要求1所述的手持式共聚焦皮肤显微装置，其特征在于，所述光源及探测模块包括：
为手持移动共聚焦扫描模块提供激发光束的激光器；
反射由手持移动共聚焦扫描模块收集的信号光的分束器；
光纤耦合器；
用于探测信号光的光电探测器；
所述激光器发出激发光束，分束器和光纤耦合器依次设置在激发光束光路的光轴上，单模光纤的入射端面位于光纤耦合器的像方焦点处，所述光电探测器与控制装置连接。
3.根据权利要求2所述的手持式共聚焦皮肤显微装置，其特征在于，所述分束器替换成二向色镜。
4.根据权利要求1所述的手持式共聚焦皮肤显微装置，其特征在于，所述手持移动共聚焦扫描模块，具体包括：
用于准直激发光束的准直器；
负责控制激发光束X轴方向角度偏转的第一反射镜；
负责控制激发光束Y轴方向角度偏转的第二反射镜；
实现光路的中继和光束放大，并使准直激发光束在显微物镜的入瞳处角度改变而显微物镜位置不变的4f扩束系统；
用于反射光路、灵活调整探测方向的第三反射镜；
用于聚焦激发光束和收集返回的信号光的显微物镜；
所述4f扩束系统包括第一透镜和第二透镜；所述单模光纤的出射端位于准直器的物方焦点处，第一反射镜的中心位于第一透镜的物方焦点处，第一透镜的像方焦点和第二透镜的物方焦点重合；所述控制装置分别与第一反射镜和第二反射镜连接。
5.根据权利要求4所述的手持式共聚焦皮肤显微装置，其特征在于，所述第一反射镜是共振式扫描振镜，第二反射镜是检流计式扫描振镜。
6.根据权利要求1所述的手持式共聚焦显微装置，其特征在于，所述单模光纤的芯径尺寸为0.5～1个艾里斑。
7.根据权利要求6所述的手持式共聚焦皮肤显微装置，其特征在于，所述单模光纤300的芯径为5um；所述艾里斑直径为7.3um，单模光纤芯径为0.68个艾里斑。
8.一种如权利要求1-7任一项所述的手持式共聚焦皮肤显微装置的显微方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤A00：激光器发射出激光光束，透过分束器后，经光纤耦合器聚焦耦合到单模光纤；
步骤B00：激光光束从单模光纤的出射端出射，经准直器准直，得到准直光束；
步骤C00：准直光束经第一反射镜和第二反射镜反射后，由第一透镜和第二透镜组成的4f扩束系统扩束；
步骤D00：扩束后的准直光束由第三反射镜反射，进入显微物镜，聚焦到样品；
步骤E00：聚焦光斑照明区域内的样品反射光和散射光组成的信号光由显微物镜收集，形成准直信号光沿原光路返回，先经第三反射镜反射后，反向经过由第一透镜和第二透镜组成的4f扩束系统，光束直径按倍率缩小；
步骤F00：缩小后的准直信号光束依次经第二反射镜和第一反射镜反射后，由准直器聚焦并耦合到单模光纤原出射端；
步骤G00：信号光在单模光纤的另一端面出射，经过光纤耦合器准直；
步骤H00：准直的信号光光束经分束器反射后入射到光电探测器探测；
步骤I00：再通过控制装置输出同步信号控制第一反射镜和第二反射镜，使激发光束有序地二维偏转，在焦面上形成二维扫描光斑，同时采集相应的信号，重构出图像，实现共聚焦二维扫描成像。
9.根据权利要求8所述的手持式共聚焦皮肤显微装置的显微方法，其特征在于，具体地，所述步骤B00中，所述准直光束的直径为2.4mm，有效焦距为11mm。
10.根据权利要求8所述的手持式共聚焦皮肤显微装置的显微方法，其特征在于，所述第一反射镜的扫描频率为9600Hz，第二反射镜的扫描频率为24Hz；第一透镜焦距为25mm，第二透镜焦距为75mm；所述显微物镜的放大倍率为20倍，有效焦距为9mm，数值孔径为0.5。
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