CN106841141A - 一种基于光子重组的光纤环阵共振型压电扫描方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于光子重组的光纤环阵共振型压电扫描方法，包括：照明光经第一单模光纤传输后聚焦到样品上，收集样品产生的荧光，得到物点所对应的图像；其中，利用包含所述第一单模光纤在内的多根单模光纤组成的光纤束收集荧光，由多个光电探测器分别接收各单模光纤输出的光信号，并对每个光电探测器探测到的光斑进行处理后叠加，得到样品对应物点的光斑图像。本发明还公开一种基于光子重组的光纤环阵共振型压电扫描装置。本发明相对于原有的共聚焦显微内镜，通过光纤环阵和光子重组方法同时实现高分辨率与高信噪比。

Description

一种基于光子重组的光纤环阵共振型压电扫描方法及装置

技术领域

本发明属于共聚焦显微内镜领域，特别涉及一种基于光子重组的光纤环阵共振型压电扫描方法及装置。

背景技术

共聚焦显微成像技术是利用激光束经光学系统形成的点光源对样品内物镜焦平面的每一点进行扫描。光源、被照物点和探测器处在彼此对应的共轭位置，光源经物镜在样品内聚焦成衍射极限的光点，其荧光(或反射光)再次通过物镜或聚光镜到达空间滤波器的共焦针孔内，由靠近针孔后面的探测接收器接受信号，并通过扫描聚光点在样品内的位置对样品进行三维成像，而焦平面以外的点不会在探测针孔处成像，这样得到的共聚焦图像就是样品内物镜焦平面的光学横断面。利用共聚焦显微成像技术可以对包括生物组织在内的各种样品进行可视化的定量测量并提供重要的形态结构细节信息。这些信息能够为疾病的诊断提供重要帮助，在组织活检和外科手术之前定位病变组织轮廓。

但从各种光学显微成像方法到实际临床应用之间还存在着一个重要的挑战：需要设计开发适用于临床环境的小型化激光扫描器件。目前单根光纤共振型压电扫描器能够以非常紧凑的结构实现扫描，因而有望实现传统扫描器件难以实现的小型化。

在传统的单根光纤共振型压电扫描共聚焦显微内镜装置(如图1所示)中，包括激光器1，二向分色镜2，光纤耦合器3，单模光纤4，Z轴压电陶瓷5，XY轴压电陶瓷6，第一物镜7，第二物镜8，样品9，探测器10，透镜11，滤光片12，反射镜13、计算机14。

采用图1所示的装置所实现的单根光纤共振型压电扫描共聚焦显微内镜，其过程如下：

(1)激光器1发出照明光，经二向分色镜2和光纤耦合器耦合进单模光纤4中；

(2)单模光纤4尖端悬臂在XY轴压电陶瓷6的驱动下发生偏转，从单模光纤4出射的光经第一物镜7和第二物镜8聚焦到荧光样品9上；

(3)激光照明荧光样品9后激发样品产生荧光，再经过第一物镜7和第二物镜8和单模光纤4收集后，由单模光纤4出射的荧光经过光纤耦合器3，并由二向分色镜2反射至反射镜13，经滤光片12滤除样品反射的激光及其他杂散光，仅使荧光出射，出射的荧光经透镜11会聚后，聚焦到探测器10上；探测器10将光信号转变成电信号，并将电信号传送至计算机14，得到一个物点所对应的图像；

(4)XY轴压电陶瓷6和Z轴压电陶瓷5与计算机14相连，通过计算机14来控制驱动XY轴压电陶瓷6和Z轴压电陶瓷5的信号，使单模光纤4尖端悬臂发生偏转和Z轴方向的移动，完成三维扫描，得到样品对应的三维图像。

在基于单根光纤共振型压电扫描器的共聚焦显微内窥镜中，光纤既充当照明点光源又起到探测小孔的作用，大大提高了分辨率。但传统的单根光纤共振型压电扫描器所使用的单模光纤纤径小，虽然极大地提高了分辨率，但过小的孔径在分辨率提高的同时也会导致信噪比的降低，因此这种方法和装置存在着分辨率与信噪比之间的矛盾。

发明内容

本发明提供了一种基于光子重组的光纤环阵共振型压电扫描方法及装置，提出中心光纤出射激发，光纤环阵多通道并行探测信号，再利用光子重组的算法将数据融合的新型探头设计方案。相对于其他单根光纤共振型压电扫描器，该装置是基于共聚焦显微内镜，其结构简单，便于操作，系统成像分辨率由单根光纤决定，信噪比由光纤环阵束决定，系统分辨率和信噪比同时兼得，可用于共聚焦显微内镜领域。

本装置以光纤环阵代替单根光纤，采用探测器阵列取代传统共焦显微成像中放置于像面上的单个针孔探测器。通过压电陶瓷的伸缩作用驱动光纤悬臂，使光纤束发生偏转，如图3所示。激发光耦合进中心光纤，照亮样品，样品的后向反射光或激发的荧光通过光纤环阵，如图4(a)所示，被阵列探测器同时收集，再利用光子重组的算法将数据融合，达到分辨率与信噪比同时兼得的目的。

本发明的具体技术方案如下：

一种基于光子重组的光纤环阵共振型压电扫描方法，针对荧光样品包括以下步骤：

(1)激光器发出照明光束，透过一个二色镜后被耦合进一根光纤，激发光从光纤的另一端出射，经过复消色差物镜模块聚焦到荧光样品上，对样品进行激发；

(2)所述荧光样品被激发出荧光后，得到的荧光先经过复消色差物镜模块，被光纤束收集，中心光纤收集到的光从近端出射，经二色镜反射，再经第二透镜聚焦并滤除杂散光后，被光电探测器接收，光纤环阵每根光纤收集到的光则直接由阵列探测器中对应的探测器接收；

(3)所述光电探测器将光信号转换为电信号并传给计算机，计算机将每个探测器探测到的光斑做相应的处理后叠加，得到最终光斑的图像，完成了对样品一个点的信息读入和处理；

(4)通过X/Y/Z向独立的压电陶瓷在共振模式下进行图像高速扫描，压电陶瓷在具有共振频率的驱动信号下伸缩，驱动光纤悬臂以螺旋线轨迹运动,完成对图像的三维扫描。

本发明还提供了一种基于光子重组的光纤环阵共振型压电扫描装置，针对荧光样品包括：

(1)激光器，用于发出激发光，实现对荧光样品的照明激发；

(2)耦合系统，用于将激发照明光耦合进单模光纤中；

(3)中心单模光纤，用于出射激发照明光；

(4)光纤环阵，也称光纤束，由多根单模光纤组成，用于多通道并行接收荧光信号；

(5)压电陶瓷，用于控制光纤悬臂X/Y/Z三个方向的移动，完成对样品的三维扫描；

(6)复消色差物镜组，用于激发照明光会聚到样品面上，收集荧光样品被激发后所发出的荧光；

(7)二向分色镜，用于透射激发光以及激发光照射样品产生的后向散射光，反射样品激发出的荧光；

(8)第一滤波片、第二滤波片，用于滤除经样品面反射回来的激光，而仅使荧光样品发出的荧光通过参与成像；

(9)透镜，用于将荧光样品发出的荧光会聚到探测器阵列上；

(10)探测器阵列，由多个带有针孔的光电探测器所组成的阵列，用于将探测到的光信号转换为电信号并传送至计算机；

(11)计算机，用于处理探测器的信号，同时控制共振压电扫描器的驱动信号，完成对样品的三维平面扫描。

本发明原理如下：

在通用的共聚焦显微内镜装置基础上，将激光发出的通过二向分色镜全部透射而出的照明光束耦合进一根单模光纤中，该单模光纤与光纤环阵的尖端组合的光纤悬臂在压电陶瓷的驱动下对样品进行高速扫描。从单模光纤出射的激发照明光经物镜聚焦到荧光样品表面发生全反射，激发样品发出荧光。激发出的荧光被光纤环阵的各根光纤收集，每根光纤收集到的荧光在对应阵列探测器单元处成像，其记录的光强为：

其中，代表样品上被扫描的位置矢量，O为物强度函数，代表物空间上的物的位置矢量，代表探测器所在的位置矢量，其有效点扩散函数(PSF_eff)与激发点扩散函数(PSF_exc)和探测点扩散函数(PSF_det)的关系为：

当探测器单元不处在共轭焦点上时，该探测器单元所探测到的探测点扩散函数将发生平移，从而使有效点扩散函数的峰值产生平移，如图5的点虚线和线虚线所示，故假如直接将每个探测器单元所获得的有效点扩散函数加起来，则所获得的有效点扩散函数将产生较大的轮廓，从而与未采用针孔探测器的共焦显微一样降低了分辨率，如图6点虚线所示。所以，在已知探测器阵列中每个探测单元的实际位置时，将每个探测器单元所获得的图像与偏移点扩散函数反卷积，得到无偏移图像，然后再相加，这一过程被称为光子重组，用公式表示即：

这样一来，探测器阵列中的每个探测单元所获得的有效点扩散函数都与中心探测器单元所得到的图像重合，使作光子重组后的有效点扩散函数变成一个较窄的轮廓，如图6线虚线所示，同时强度相比单根光纤收集到的更强，从而有效的提高了分辨率和信噪比。

如此便完成了对单个物点的图像读入和处理过程。当光纤悬臂在压电陶瓷的驱动下对样品进行X/Y/Z三个方向的高速扫描时，便可实现对样品的三维高分辨成像。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

(1)相对于原有的共聚焦显微内镜，通过光纤环阵和光子重组方法同时实现高分辨率与高信噪比。

(2)利用共振放大，实现低电压驱动的高帧速大范围扫描。

(3)装置结构简单，数据处理方便。

附图说明

图1为传统的单根光纤共振型压电扫描共聚焦显微内镜装置示意图；

图2为本发明中的光纤环阵共振型压电扫描共聚焦显微内镜装置示意图；

图3为图2装置的虚线框部分的压电扫描探头的放大图；

图4(a)图2装置的虚线框部分的悬臂部分光路放大图；图4(b)为图4(a)虚线处的横切图，即光纤环阵的横切图；

图5实线为中心光纤所收集的信号被探测器阵列探测到的点扩散函数的示意图；图5线虚线为与中心光纤相邻的位于左侧的一根光纤被探测器阵列探测到的点扩散函数示意图；图5点虚线为与中心光纤相邻的位于右侧的一根光纤被探测器阵列探测到的点扩散函数示意图；

图6实线中心光纤所收集的信号被探测器阵列探测到的点扩散函数的示意图；图6点虚线为将每个探测器单元所获得的有效点扩散函数直接相加后的点扩散函数示意图；图6线虚线分别为光子重组后得到的点扩散函数示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图来详细说明本发明，但本发明并不限于此。

实施例1

如图2所示，一种基于光子重组的光纤环阵共振型压电扫描共聚焦显微内镜装置，包括激光器1，二向分色镜2，光纤耦合器3，中心单模光纤4，第一滤光片5，压电陶瓷15，第一物镜7，第二物镜8，样品9，探测器阵列16，透镜11，第二滤光片12，由6根单模光纤排列成环状的光纤环阵17，计算机14。

采用图2所示的装置所实现的基于光子重组的光纤环阵共振型压电扫描显微内窥方法，其过程如下：

(1)激光器1发出照明光，经二向分色镜2和光纤耦合器耦合进中心单模光纤4中；

(2)中心单模光纤4与光纤环阵17组成的光纤悬臂在压电陶瓷15的驱动下发生偏转，从单模光纤4出射的光经第一物镜7和第二物镜8聚焦到荧光样品9上；

(3)激光照明荧光样品9后激发样品产生荧光，再经过第一物镜7、第二物镜8、被中心单模光纤4和光纤环阵17收集后，由中心单模光纤4出射的荧光经过光纤耦合器，并由二向分色镜2反射至第二滤光片12，经第二滤光片12滤除样品反射的激光及其他杂散光后，仅使荧光出射，出射的荧光经透镜11会聚后，聚焦到探测器阵列16上；而由光纤环阵17出射的荧光，经第一滤光片5滤除杂散光后，聚焦到探测器阵列16上；探测器阵列16将光信号转变成电信号，并将电信号传送至计算机14；

(4)计算机14将探测器阵列16中的每个探测器单元所获得的信号作相应的图像处理后得到一个物点所对应的图像；

(5)压电陶瓷15与计算机14相连，通过计算机14来控制驱动压电陶瓷15的信号，使中心单模光纤4与光纤环阵17组成的光纤悬臂发生偏转完成三维扫描，得到样品对应的三维图像。

实施例2

如图2所示，一种基于光子重组的光纤环阵共振型压电扫描共聚焦显微内镜装置，包括激光器1，二向分色镜2，光纤耦合器3，中心单模光纤4，第一滤光片5，压电陶瓷15，第一物镜7，第二物镜8，样品9，探测器阵列16，透镜11，第二滤光片12，由18根单模光纤排列成环状的光纤环阵17，计算机14。

采用图2所示的装置所实现的基于光子重组的光纤环阵共振型压电扫描显微内窥方法，其过程如下：

(1)激光器1发出照明光，经二向分色镜2和光纤耦合器耦合进中心单模光纤4中；

(2)中心单模光纤4与光纤环阵17组成的光纤悬臂在压电陶瓷15的驱动下发生偏转，从单模光纤4出射的光经第一物镜7和第二物镜8聚焦到荧光样品9上；

(3)激光照明荧光样品9后激发样品产生荧光，再经过第一物镜7、第二物镜8、被中心单模光纤4和光纤环阵17收集后，由中心单模光纤4出射的荧光经过光纤耦合器，并由二向分色镜2反射至第二滤光片12，经第二滤光片12滤除样品反射的激光及其他杂散光后，仅使荧光出射，出射的荧光经透镜11会聚后，聚焦到探测器阵列16上；而由光纤环阵17出射的荧光，经第一滤光片5滤除杂散光后，聚焦到探测器阵列16上；探测器阵列16将光信号转变成电信号，并将电信号传送至计算机14；

(4)计算机14将探测器阵列16中的每个探测器单元所获得的信号作相应的图像处理后得到一个物点所对应的图像；

(5)压电陶瓷15与计算机14相连，通过计算机14来控制驱动压电陶瓷15的信号，使中心单模光纤4与光纤环阵17组成的光纤悬臂发生偏转完成三维扫描，得到样品对应的三维图像。

实施例3

如图2所示，一种基于光子重组的光纤环阵共振型压电扫描共聚焦显微内镜装置，包括激光器1，二向分色镜2，光纤耦合器3，中心单模光纤4，第一滤光片5，压电陶瓷15，第一物镜7，第二物镜8，样品9，探测器阵列16，透镜11，第二滤光片12，由36根单模光纤排列成环状的光纤环阵17，计算机14。

采用图2所示的装置所实现的基于光子重组的光纤环阵共振型压电扫描显微内窥方法，其过程如下：

(1)激光器1发出照明光，经二向分色镜2和光纤耦合器耦合进中心单模光纤4中；

(2)中心单模光纤4与光纤环阵17组成的光纤悬臂在压电陶瓷15的驱动下发生偏转，从单模光纤4出射的光经第一物镜7和第二物镜8聚焦到荧光样品9上；

(3)激光照明荧光样品9后激发样品产生荧光，再经过第一物镜7、第二物镜8、被中心单模光纤4和光纤环阵17收集后，由中心单模光纤4出射的荧光经过光纤耦合器，并由二向分色镜2反射至第二滤光片12，经第二滤光片12滤除样品反射的激光及其他杂散光后，仅使荧光出射，出射的荧光经透镜11会聚后，聚焦到探测器阵列16上；而由光纤环阵17出射的荧光，经第一滤光片5滤除杂散光后，聚焦到探测器阵列16上；探测器阵列16将光信号转变成电信号，并将电信号传送至计算机14；

(4)计算机14将探测器阵列16中的每个探测器单元所获得的信号作相应的图像处理后得到一个物点所对应的图像；

(5)压电陶瓷15与计算机14相连，通过计算机14来控制驱动压电陶瓷15的信号，使中心单模光纤4与光纤环阵17组成的光纤悬臂发生偏转完成三维扫描，得到样品对应的三维图像。

以上所述仅为本发明的较佳实施举例，并不用于限制本发明，凡在本发明精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于光子重组的光纤环阵共振型压电扫描方法，包括：照明光经第一单模光纤传输后聚焦到样品上，收集样品产生的荧光，得到物点所对应的图像；其特征在于：

利用包含所述第一单模光纤在内的多根单模光纤组成的光纤束收集荧光，由多个光电探测器分别接收各单模光纤输出的光信号，并对每个光电探测器探测到的光斑进行处理后叠加，得到样品对应物点的光斑图像。

2.如权利要求1所述的光纤环阵共振型压电扫描方法，其特征在于：利用具有三个自由度的压电陶瓷在共振模式下驱动光纤束的端部运动，对样品进行三维扫描。

3.如权利要求1所述的光纤环阵共振型压电扫描方法，其特征在于：每根光纤收集到的荧光在对应光电探测器单元处成像，记录的光强为：

$I(\stackrel{\→}{r};\stackrel{\→}{s})=\∫O(\stackrel{\→}{r}-{\stackrel{\→}{r}}^{\′}){\mathrm{PSF}}_{eff}({\stackrel{\→}{r}}^{\′};\stackrel{\→}{s})d{\stackrel{\→}{r}}^{\′}$

其中，代表样品上被扫描的位置矢量，代表物空间上的物的位置矢量，代表探测器所在的位置矢量，PSF_eff代表有效点扩散函数。

4.如权利要求3所述的光纤环阵共振型压电扫描方法，其特征在于：对各光电探测器探测到的光斑进行处理包括：

根据各光电探测器的位置，将每个光电探测器所获得的光斑图像与偏移点扩散函数反卷积，得到无偏移图像。

5.一种基于光子重组的光纤环阵共振型压电扫描装置，包括激光器，传输和出射所述激光器发出照明光的第一单模光纤，接收样品产生荧光的探测器，以及对探测器输出信号进行处理的计算机；其特征在于：

设有包含所述第一单模光纤在内的多根单模光纤组成的光纤束，用于收集样品产生的荧光；

所述的探测器为由多个光电探测器组成的探测器阵列，每个光电探测器分别接收一根单模光纤输出的光信号；

所述的计算机用于对每个光电探测器探测到的光斑进行处理后叠加，得到样品对应物点的光斑图像。

6.如权利要求5所述的光纤环阵共振型压电扫描装置，其特征在于：所述的第一单模光纤位于光纤束的中心。

7.如权利要求5或6所述的光纤环阵共振型压电扫描装置，其特征在于：所述光纤束内单模光纤的数量至少为7根，并且排列成环状。

8.如权利要求7所述的光纤环阵共振型压电扫描装置，其特征在于：所述光纤束内单模光纤的数量为7～37根。

9.如权利要求5所述的光纤环阵共振型压电扫描装置，其特征在于：设置控制所述光纤束的近样品端移动的压电陶瓷，用于对样品的三维扫描。

10.如权利要求5所述的光纤环阵共振型压电扫描装置，其特征在于：所述计算机对光斑的处理包括：根据各光电探测器的位置，将每个光电探测器所获得的光斑图像与偏移点扩散函数反卷积，得到无偏移图像。