CN107966424B - 一种基于反望远系统和自由曲面反射的侧向成像方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于反望远系统和自由曲面反射的侧向成像装置，包括：激光器，用于发出激发光；单模光纤，传输所述的激发光，对荧光样品的照明激发；显微物镜模块，包含将单模光纤出射的激发光会聚的物镜，以及位于物镜前焦点处并用于将激发光反射到狭小空间样品面上的自由曲面反射棱镜；光电探测器，用于采集由所述显微物镜模块收集的荧光信号；计算机，用于处理所述的荧光信号，得到物点所对应的图像。本发明还公开一种基于反望远系统和自由曲面反射的侧向成像方法。本发明可以突破侧向成像这一技术瓶颈；高分辨率与长工作距兼得；装置结构简单，数据处理方便。
Description
技术领域
本发明属于共聚焦显微镜领域，特别涉及一种基于反望远系统和自由曲面反射的侧向成像方法及装置。
背景技术
随着共聚焦技术的发展，其应用也越来越广泛，小型化成为这一领域的趋势。由于共聚焦显微成像样品需与光轴垂直，而在对狭小空间的观测中，如对成管状且直径较小的物体侧壁进行观测时，普通的共聚焦探头无法自由活动，大视场的探头也无法实现90度垂直观测，因此侧向成像技术的实现是一项重大的突破。尤其是临床应用中，在食管、胃及肠道，甚至胆、胰管等狭小空间进行激光共聚焦显微内镜检查时，内镜镜体无法自由活动，会存在检查的死角。标准的前向探头无法获得满意的组织侧面病灶图像(尤其在胆胰管)，导致无法进行诊断或无法获得准确的诊断，影响疾病的治疗。通过在探头前端微型显微物镜前增加反射棱镜的方式，可以实现光束的90度转向，从而实现侧向成像，克服传统前向探头在观测中存在死角的缺点。
传统的前向微型高分辨物镜的高分辨率可以通过普通大数值孔径(NA)物镜实现，而大NA物镜的工作距离也相对较短，在应用中，探头通常需要紧贴被测面(如图1所示)。而侧向成像由于光需转向，因此物镜最小的工作距离也只比其直径略小。实现侧向成像既需要高分辨率的物镜，也需要长工作距的物镜。对于直径为毫米量级的物镜来说，要同时实现大NA和毫米量级的工作距离是矛盾的，非常困难。目前国际上还没有相关的报道。
发明内容
本发明提供了一种基于反望远系统和自由曲面反射的侧向成像方法及装置，提出反望远系统结合自由曲面反射技术设计物镜，反望远系统保证物镜高分辨率的同时增大工作距离，自由曲面反射镜使物镜主面外移克服侧向成像工作距离长这一难点。相对于其他共聚焦显微镜，该装置是基于光纤扫描式共聚焦显微镜，其结构简单，便于使用，物镜高分辨率和长工作距同时兼得，实现狭小空间内侧壁的高分辨观察，可用于共聚焦显微镜领域。
本发明的具体技术方案如下：
一种基于反望远系统和自由曲面反射的侧向成像方法，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，经过一个由反望远系统和自由曲面反射镜的微型显微物镜模块实现90度转向后聚焦到狭小空间样品上，对样品进行激发；
(2)所述狭小空间样品被激发出荧光后，得到的荧光先经过微型显微物镜模块，再被光纤收集，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；
(3)所述光电探测器将光信号转换为电信号并传给计算机，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反远距系统和自由曲面反射的侧向成像装置，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)单模光纤，用于出射激发照明光并偏转实现对样品的二维扫描；
(4)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)反望远系统与自由曲面反射棱镜组成的微型显微物镜模块，由反望远系统将激发照明光会聚，再由自由曲面反射棱镜反射到样品面上，并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)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光电探测器上；
(10)光电探测器，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：
望远结构系统都是通过一个正镜片在前，一个负镜片在后达成长焦距的。而反望远系统则是负镜片在前，正镜片在后，通常由一个普通物镜和一个置于该物镜前焦点附近的发散透镜组成，是最有效的实现短焦距、大角度物镜系统的技术。如图2中，虚线代表没有发散透镜时的光路，实线代表加入发散透镜时的光路，从图中可以明显看出，有发散透镜时可以在保证孔径角的同时增大工作距离。因此运用此项技术，可以获得大数值孔径长工作距离的微型显微物镜。
然而，对侧向成像来说，反望远系统所提供的工作距离远不能满足加入45度反射镜后大大增加的观测距离，如图3(a)所示，观测距离为从物镜末端到反射镜的距离L1加上反射镜到被观测面的距离L2，所需物镜的工作距离为L1+L2，而L1+L2≤D，D为物镜直径，工作距离与直径相当的毫米级物镜难以实现。为克服工作距离不够的这一难点，提出采用自由曲面反射镜，使物镜系统主面外移，变成图3(b)中只需比反射镜到被观测面的距离L长的工作距离，大大降低物镜设计的难度。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
(1)突破侧向成像这一技术瓶颈；
(2)高分辨率与长工作距兼得；
(3)装置结构简单，数据处理方便。
附图说明
图1为传统的前向成像共聚焦显微物镜成像示意图；
图2为反望远系统光路示意图，其中虚线为没有发散透镜时的光路图，实线为有发散透镜时的光路；
图3(a)为物镜加上反射棱镜的光路示意图；图3(b)为物镜加上自由曲面反射棱镜的光路示意图；
图4为一种基于反望远系统和自由曲面反射的侧向成像装置。
具体实施方式
下面结合实施例和附图来详细说明本发明，但本发明并不仅限于此。
如图4所示，一种基于反望远系统和自由曲面反射的侧向成像装置，包括激光器1，二向分色镜2，光纤耦合器3，单模光纤4，压电陶瓷5，微型显微物镜模块，包括反望远物镜系统6和自由曲面反射棱镜7，狭小空间样品8，滤光片9，透镜10，光电探测器11，计算机12。
采用图4所示的装置所实现的基于反望远系统和自由曲面反射的侧向成像方法，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3耦合进单模光纤4中；
(2)单模光纤4尖端悬臂在压电陶瓷5的驱动下发生偏转，从单模光纤4出射的光经微型显微物镜模块的反望远物镜系统6和自由曲面反射棱镜7经过90度反射并聚焦到狭小空间样品8上；
(3)激光照明狭小空间样品8后激发样品产生荧光，再经过微型显微物镜模块的自由曲面反射棱镜7和反望远物镜系统6、被单模光纤4收集后，经过光纤耦合器，并由二向分色镜2反射至滤光片9，经滤光片9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10会聚后，聚焦到光电探测器11上；光电探测器11将光信号转变成电信号，并将电信号传送至计算机12，得到一个物点所对应的图像；
(5)压电陶瓷5与计算机12相连，通过计算机12来控制驱动压电陶瓷5的信号，使中心单模光纤4尖端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 (5)
1.一种基于反望远系统和自由曲面反射的侧向成像装置，其特征在于，包括：
激光器，用于发出激发光；
单模光纤，传输所述的激发光，对荧光样品的照明激发；
显微物镜模块，包含将单模光纤出射的激发光会聚的反望远系统，以及位于物镜前焦点处并用于将激发光反射到样品面上的自由曲面反射棱镜；所述的反望远系统包括物镜和置于该物镜前焦点附近的发散透镜组成；
光电探测器，用于采集由所述显微物镜模块收集的荧光信号；
计算机，用于处理所述的荧光信号，得到物点所对应的图像；
所述单模光纤的出射端在压电陶瓷的驱动下发生偏转，对样品进行扫描。
2.如权利要求1所述的侧向成像装置，其特征在于，压电陶瓷在计算机的控制下带动单模光纤的出射端以螺旋线轨迹偏转，完成对图像的三维扫描。
3.如权利要求1所述的侧向成像装置，其特征在于，所述激光器与单模光纤间设有将激发照明光耦合进单模光纤中的耦合系统。
4.一种基于反望远系统和自由曲面反射的侧向成像方法，其特征在于，包括：
（1）激光器发出照明光束，经单模光纤传输后出射，由物镜和置于该物镜前焦点附近的发散透镜会聚后，经自由曲面反射棱镜反射到样品面上，对样品进行激发；
所述单模光纤的出射端在压电陶瓷的驱动下发生偏转，对样品进行扫描；
（2）荧光样品被激发出荧光后，得到的荧光被物镜收集，并被光电探测器接收，得到荧光信号；
（3）由计算机对荧光信号处理，得到物点所对应的图像。
5.如权利要求4所述的侧向成像方法，其特征在于，压电陶瓷在计算机的控制下带动单模光纤的出射端以螺旋线轨迹偏转，完成对图像的三维扫描。
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