CN108196359A - 一种用于双光子荧光内窥镜的物镜组 - Google Patents

Abstract

本发明涉及双光子荧光内窥镜领域，公开了一种用于双光子荧光内窥镜的物镜组，解决梯度折射率透镜存在较大的色差、信号光收集效率低的问题。本发明从样本方向开始，依次包括第一至第五透镜；第一透镜为双凸透镜，用于控制物方数值孔径与光纤数值孔径相匹配，第二透镜为厚弯月透镜，用于校正系统的匹兹伐和；第三透镜为在光阑附近的双胶合透镜，用于控制系统轴向色差达到理论计算的数值，第三透镜包括平凸透镜和弯月透镜；第四透镜为平凸透镜，第五透镜为平凸透镜，第四和第五透镜组成齐明结构，用以校正大数值孔径光引入的球差。本发明适用于双光子荧光内窥镜。

Description

一种用于双光子荧光内窥镜的物镜组

技术领域

本发明涉及双光子荧光内窥镜领域，特别涉及一种用于双光子荧光内窥镜的物镜组。

背景技术

将双光子吸收这一非线性过程应用于显微成像领域最早是由Denk等提出，并于1990年制造出第一台双光子扫描荧光显微镜。双光子荧光成像具有很深的成像深度和较高的分辨率等优点。在成像过程中，双光子不仅会激发生物组织的荧光信号，还会激发二次谐波信号。两种信号来源于不同组织成分且信号波长不同，这使得双光子荧光成像的成像结果具有更多的信息量。所以双光子显微成像技术适合应用于生物组织。Master等首先使用双光子显微镜对人体皮肤细胞中的自体荧光进行成像，验证了双光子荧光成像技术可以应用于人体活细胞及组织。如果可以将台式显微镜小型化成内窥镜的形式，将会推动双光子成像技术在术中肿瘤检测、癌症预防等医疗领域中的应用。

由于双光子成像采用激光点扫描成像的方式，根据扫描方式不同，目前小型双光子显微镜可以分为MEMS振镜扫描和压电陶瓷管(PZT)驱动光纤扫描两种结构。MEMS振镜扫描结构扫描速度快，但激发光和信号光需要分两路传输，其较大的直径不利于封装成内窥镜的形式。PZT光纤扫描结构中激发光和信号光共用一根双包层空心光纤。共用光路的直筒状扫描结构利于应用在内窥镜中。

由于没有成熟的商用小物镜组，目前的小型化双光子方案中，主要采用梯度折射率透镜作为物镜。然而梯度折射率透镜存在较大的色差、收集效率低、分辨率低和视野范围小的缺点。其中较大的色差导致信号光返回到光纤端面时，弥散斑大于光纤包层的直径，使得信号光收集效率较低，严重影响最终的成像质量。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种用于双光子荧光内窥镜的物镜组，解决梯度折射率透镜存在较大的色差、信号光收集效率低的问题。

为解决上述问题，本发明采用的技术方案是：一种用于双光子荧光内窥镜的物镜组，从光纤方向开始，依次包括第一至第五透镜；第一透镜为双凸透镜，用于控制物方数值孔径与光纤数值孔径相匹配，第二透镜为厚弯月透镜，用于校正系统的匹兹伐和；第三透镜为在光阑附近的双胶合透镜，用于控制系统轴向色差达到理论计算的数值，第三透镜包括平凸透镜和弯月透镜；第四透镜为平凸透镜，第五透镜为平凸透镜，第四和第五透镜组成齐明结构，用以校正大数值孔径光引入的球差。

进一步的，本发明物镜组运用的内窥镜系统使用920nm激光作为光源进行成像设计，系统波长为920nm，放大倍数为-3倍，物方数值孔径为0.6，像方数值孔径为0.2，像方扫描视场为1.2mm，物方视野为0.4mm，物镜组件在920nm和460nm之间的轴向色差F控制在367μm左右。

进一步的，第一至第五透镜的结构参数如下表所示：

进一步的，第一透镜的材料为石英材料，第二透镜、第五透镜以及第三透镜中的平凸透镜的材料为成都光明玻璃厂的H-ZF7LA材料,第四透镜以及第三透镜中的弯月透镜的材料为成都光明玻璃厂的H-ZK11材料。

本发明的有益效果是：本发明通过对轴向色差的控制，实现了收集效率的提高。同时保证了400um视场范围内的成像质量。而且其外型结构，材料选择均适合显微内窥成像的应用需求。随着微型化双光子成像技术的发展，该高收集效率高成像质量的光学系统将会得到更加广泛的应用。

以下结合附图及实施例对本发明的技术方案作进一步详细描述，应当注意的是，实施例仅仅是为了帮助读者更好地理解本发明的技术构思，并不用以限制本发明权利要求的保护范围。

附图说明

图1为PZT光纤扫描内窥镜的结构原理图；

图2为信号光轴向色差的计算原理图；

图3为实施例提供的物镜光学系统的结构图；

图4为实施例提供的物镜光学系统的光路图；

图5a、5b、5c分别为实施例提供的物镜光学系统在0.2mm物方半视场、0.141mm物方半视场、0mm物方半视场三个视场下的光学传递函数；

图6为实施例提供的物镜光学系统的场曲和畸变图。

图中编号：A为第一透镜，B为第二透镜，C-1为第三透镜的平凸透镜，C-2为第三透镜的弯月透镜，E为第四透镜，F为第五透镜，1为物面，2为第一透镜的前表面，3为第一透镜的后表面，4为第二透镜的前表面，5为第二透镜的后表面，6为第三透镜的前表面，7为第三透镜的胶合面，8为第三透镜的后表面，9为第四透镜的前表面，10为第四透镜的后表面，11为第五透镜的前表面，12为第五透镜的后表面，13为像面，S1为激光耦合及型号采集装置，S2为空心光子晶体光纤，S3为压电陶瓷管，S4为物镜，S5为样本。

具体实施方式

在介绍实施例的物镜组之前，本发明首先对PZT光纤扫描内窥镜的结构原理进行简要说明。PZT光纤扫描内窥镜的结构原理如图1所示，激发光为长波长的飞秒脉冲激光，经过激光耦合及型号采集装置S1耦合进入空心光子晶体光纤S2。空心光子晶体光纤S2固定在压电陶瓷管S3的一端，通过给压电陶瓷管S3两个方向加载特定的电压信号，可以使压电陶瓷管S3快速周期性弯曲，带动空心光子晶体光纤S2周期性抖动。从而使光纤端面扫描整个视场。激发光从空心光子晶体光纤S2纤芯射出，经过物镜组S4汇聚在样本S5上。由于双光子激发的特点，信号光只在焦点处产生。在系统中，信号光通过物镜返回到光纤端面，进入光纤的包层中传输到信号收集系统中。其中信号光为低波长的连续光，无法在光纤的空心部分传输，所以光纤端面的有效接收区域呈环形。激发光和信号光通过同一个根光纤传输，实现点对点激发，并点对点收集。收集系统记录下视场中每一个点的灰度值，通过软件算法重构出完整的图像。由于激发光和信号光波长相差很多，收集系统通过二向色镜分光即可同时完成激发光耦合和信号光收集。

生物组织中产生自发荧光的物质主要为NADH和FAD。实施例的内窥镜系统对荧光物质FAD进行观测，使用920nm激光作为光源进行成像设计，其对应的信号波段分别为460nm的二次谐波信号和510nm的荧光信号。

由双光子成像的特点，当激发光汇聚到样本上时，只有焦点处产生信号光，并且信号光向周围整个4π空间角发射。所以物镜的像方数值孔径需要尽可能大，一方面是因为大数值孔径物镜的衍射极限更小，另一方面也是因为大数值孔径物镜的信号收集效率更高。数值孔径NA和信号收集效率C的关系由下式表示：

NA＝n·sinθ，

其中n为生物组织液折射率，θ为物镜像方孔径角的一半。光学系统为有限远显微物镜，物镜的放大倍数M和数值孔径的关系可以表示为：

其中，NA物为光纤的数值孔径，NA像为样本方向数值孔径。显微物镜的衍射极限为：

由于内窥镜的应用需求，物镜的视场应越大越好。同时为了提高分辨率和信号收集效率，像方数值孔径也应越大越好。然而像方数值孔径越大导致放大倍数越大，在光纤扫描范围一定的情况下视场越小。故物镜的视场和数值孔径之间存在制约关系。在本实施例的内窥镜系统中，光纤的扫描范围为1.2mm，输入光纤数值孔径NA物为0.2。该内窥镜所需观察的肠道样本最小结构尺寸为3μm。综合考虑分辨率、收集效率和视场系统范围，该内窥镜像方视场为400μm，相比目前商用梯度折射率物镜的视野范围提高一倍。像方数值孔径为NA像0.6。物镜的衍射极限为0.93μm，理论收集效率为13.6％。

由于信号光通过光纤环形区域收集，为了提高460nm和510nm信号光的收集效率，460nm信号光在光纤端面处的光斑直径应与光纤包层直径相同，如图2所示。因此,由三角关系可得，实施例的物镜组在920nm和460nm之间的轴向色差F应控制在367μm左右。

为实现上述轴向色差控制，如图3和图4所示，实施例所提供的物镜光学系统从样本方向开始，依次包括物面1、第一至第五透镜、像面13；其中，第一透镜A为双凸透镜，用于控制物方数值孔径与光纤数值孔径相匹配，第二透镜B为厚弯月透镜，用于校正系统的匹兹伐和；第三透镜为在光阑附近的双胶合透镜，用于控制系统轴向色差达到理论计算的数值，第三透镜包括平凸透镜C-1和弯月透镜C-2；第四透镜D为平凸透镜，第五透镜E为平凸透镜，第四透镜D和第五透镜E组成齐明结构，用以校正大数值孔径光引入的球差。考虑到第一透镜A与生物样本接触，所以需要较高的耐腐蚀性，故采用石英材料。第二透镜B、第五透镜E以及第三透镜中的平凸透镜C-1采用成都光明玻璃厂的高折射率高色散材料H-ZF7LA材料,第四透D镜以及第三透镜中的弯月透镜C-2采用成都光明玻璃厂的普通冕牌玻璃H-ZK11材料。

上述物镜光学系统为有限显微物镜系统，系统波长为920nm，放大倍数为-3倍，物方数值孔径为0.6，像方数值孔径为0.2，像方扫描视场为1.2mm，物方视野为0.4mm，经过申请人长期试验、优化，最终总结得出物镜光学系统结构参数如表1所示：

表1物镜光学系统的结构参数表

表1中，曲率半径为无限表示该面为平面。中心厚度为当前表面到下一表面的距离，材料及折射率阿贝数表示当前表面和下一表面之间的介质数据

由于内窥镜需要贴在生物组织上使用，且观测目标区域在组织表面以下约100-200μm左右，故实施例物镜组的像方的工作距离为150um，介质为生理盐水。并且由于生物组织为厚样本，双光子的轴向分辨率为5μm左右，故在优化过程中在像面上朝向物镜引入了5um的失高差以放宽对光学系统场曲的要求。为提升成像质量，边缘视场引入了7％的渐晕，以光学传递函数(MTF)做为成像质量评价标准，实施例所提供的物镜光学系统在0.2mm物方半视场、0.141mm物方半视场、0mm物方半视场三个视场下的MTF图分别如图5a、5b、5c所示，图中实线表示光瞳子午方向的光的MTF曲线，虚线表示光瞳弧失方向的光的MTF结果，综合图5a、5b和5c可以得出最终优化得到系统在700lp/mm处对比度大于0.25。系统的场曲为5μm以内，全视场畸变在0.3％以内，如图6所示。综上成像质量符合系统指标。

实施例利用Zemax光学设计软件的非序列模式，仿真光纤环形包层对信号光的收集效率。由于生物组织并非完全透明，光在组织中传播会发生一定程度的散射，造成信号光到达光纤断面时小部分能量溢出理论圆形光斑的区域。

光源为4π空间角发射的点光源，总功率为1mW。探测器置于光纤端面处，通过物镜收集到0.190mW,为光源总能量的19％，其值大于理论计算的13.6％主要原因在于样本存在散射，使得一部分本不能进入光学系统的光因散射而进入到系统并被探测器接收。通过在探测器前添加与空心光纤尺寸相同的环型光孔，即可模拟包层对信号光的收集过程。模拟结果显示：探测器接收460nm的二次谐波信号能量为0.103mW，收集效率为54％；接收510nm的荧光信号能量为0.105mW，收集效率为55％。

为了验证收集效率提高的程度，本实施例在序列模式下，计算梯度折射率透镜的轴向色差，在非序列模式下沿光轴方向平移探测器来等效梯度折射率透镜引入的轴向色差进而模拟光纤收集效率。仿真结果显示：探测器接收460nm能量为0.028mW，仅为本实施例物镜设计收集效率的27.1％；接受510nm能量为0.045mW，仅为实施例的物镜设计的43.4％。因此，相对于梯度折射率透镜的收集效率，本发明的收集效率提高了2倍以上。

综上，实施例为光纤扫描式双光子成像系统设计了一款高荧光收集效率、直径400μm大视场、结构紧凑的物镜组。在该物镜组所运用的内窥镜系统中，920nm激光从光纤纤芯空心部分出射后，经过物镜组对样本进行荧光激发，激发出的460nm二次谐波和510nm荧光再次经过物镜被收集到光纤包层中，在此过程中，为了提高荧光收集效率，我们对物镜组进行轴向色差设计，以使更多的荧光进入光纤包层部分。利用Zemax光学设计软件进行系统优化设计，设计结果表明，物镜组在920nm波长下全视场范围内的调制传递函数在700lp/mm处大于0.25，满足激发光的使用要求；同时在Zemax软件非序列模式下对实施例设计的物镜和传统梯度折射物镜的信号光收集效率进行比较，仿真结果显示，实施例物镜的信号光收集效率高达55％，比传统梯度折射率物镜提高了2倍以上。

Claims (4)

1.一种用于双光子荧光内窥镜的物镜组，其特征在于，从光纤方向开始，依次包括第一至第五透镜；第一透镜为双凸透镜，用于控制物方数值孔径与光纤数值孔径相匹配，第二透镜为厚弯月透镜，用于校正系统的匹兹伐和；第三透镜为在光阑附近的双胶合透镜，用于控制系统轴向色差达到理论计算的数值，第三透镜包括平凸透镜和弯月透镜；第四透镜为平凸透镜，第五透镜为平凸透镜，第四和第五透镜组成齐明结构，用以校正大数值孔径光引入的球差。

2.如权利要求1所述的一种用于双光子荧光内窥镜的物镜组，其特征在于，第一至第五透镜的结构参数如下表所示：

3.如权利要求2所述的一种用于双光子荧光内窥镜的物镜组，其特征在于，第一透镜的材料为石英材料，第二透镜、第五透镜以及第三透镜中的平凸透镜的材料为H-ZF7LA材料,第四透镜以及第三透镜中的弯月透镜的材料为H-ZK11材料。

4.如权利要求2所述的一种用于双光子荧光内窥镜的物镜组，其特征在于，物镜组在920nm和460nm之间的轴向色差F控制在367μm。