CN109445089B - 一种基于高速波前调制的多模光纤三维成像装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于高速波前调制的多模光纤三维成像装置及方法，属于光纤显微内镜领域，装置包括激光器、将激光器的光束分为物光和参考光的第一分束镜、用于测量传输矩阵的测量组件以及用于记录样品反射光或样品荧光的光强信息的光电探测器，物光的光路上设有对物光进行调制的数字微镜阵列和用于传输调制后物光的多模光纤，多模光纤的输入端设有将调制后物光进行耦合的第一物镜；测量组件包括第二物镜、第二分束镜、相机以及与相机通讯连接的计算机；测量传输矩阵时，将多模光纤的输出端连接至第二物镜，利用测量组件得到第二物镜的焦平面对应的三维空间传输矩阵；收集样品三维图像时，将样品放置到所述多模光纤的输出端。

Description

一种基于高速波前调制的多模光纤三维成像装置及方法

技术领域

本发明涉及光纤显微内镜领域，具体地说，涉及一种基于高速波前调制的多模光纤三维成像装置及方法。

背景技术

光纤内镜是一种成像器械，它简单有效的结合了纤维光学、可调谐器械、以及远测目视装置。在使用器械时，先将导光管接上相应的光源，通过导管插入需要检测的区域，控制操作部件即可实现对观察区域的成像。这种器械由于兼具优秀的传像能力与弯曲性能，且很强的抗电磁场、高温能力，被广泛使用在医疗和工业检测当中。

单模光纤束是目前最常用的内窥光纤，但是这种光学系统的探测端为了取得较好的成像效果，通常需要加装微透镜，导致光纤端面尺寸增大，给细微通道探测带来了困难。同时光纤束中单模光纤与单模光纤的间隔，及蜂窝状排布还会带来蜂窝噪声。这些缺陷限制了其进一步的应用。

与单模光纤束相比，多模光纤具有以下优势：更高的耦合效率、同直径下容纳的模式数量更多、更高的光收集效率、更低的制备成本。过去由于模式色散的限制，多模光纤难以用于成像，而近年来快速发展的波前整形技术可以很好的消除多模光纤的模式色散，并进行成像，使其在内耳诊断，深度脑部观察等领域成为一种强有力的内窥器件。目前的研究成果已经展现出这一领域良好的发展应用前景。

目前常用的基于波前整形的多模光纤成像设备工作方式主要是点扫描，依据生成聚焦光斑的方法不同，有以下几种类型的系统：

(1)相位共轭型

相位共轭型系统运用相位共轭波，即在偏振、振幅不改变情况下与初始光波的相位彼此共轭、互为时间反演的光波，校正光在多模光纤中的传播畸变，以此来生成聚焦光斑。这种方法的重要限制在于系统要求调制器件和探测器件有极为精确的光学对准，易受到温度、震动等环境的干扰。

(2)迭代优化型

迭代优化型系统主要是将探测器收集到的光强信号作为反馈信号，以此为信标不断优化空间光调制器件的对于入射光的调制。由于其本质上是一种闭环迭代技术，每一轮迭代只能计算一个单个聚焦点所需的调制，所以在实际的成像应用中速度缓慢，限制了该技术在实用化上的进一步发展。

(3)传输矩阵型

传输矩阵型系统(如图1所示)，激光器1发出照明光，由分束镜2分束，一路光被空间光调制器4调制为E__in，称为调制光，另一路被反射镜3反射回分束镜2，称为自参考光。然后调制光及自参考光再经过物镜6耦合到光纤7中，物镜8和透镜9组成的系统，将物镜8前焦面14的光斑成像在透镜9的后焦面即相机10上，结合自参考光、调制光通过计算机11可以解出调制光在出射端面的复振幅分布E__out。将光纤输入输出端面的复振幅连系用矩阵K描述出来，对传输矩阵的测量即获得入射光波模式在多模光纤众多通道中的线性组合。矩阵一旦测量得到，就可以在前焦面14生成任意模式的光斑图案，再利用分束镜5，透镜12，相机13构成的光收集系统，收集前焦面14返回的反射光进行重构成像，此方法在成像方面具有明显优势。

但在目前的多模光纤传输矩阵测量系统中，测量得到的矩阵对应的只是距离光纤出射端面某一距离的一个面，即物镜的前焦面(如图2中A情况下的前焦面14)，所以得到的传输矩阵只能用于调制这个面上聚焦光斑的分布。同时测量得到的传输矩阵由于含有随机因子，无法通过在频域与自由空间传递函数相乘来实现下一个面(如图2中B情况下的前焦面14)的聚焦光斑可控移动。想要实现不同面上的聚焦光斑可控移动，目前只能通过移动物镜测量不同面的传输矩阵来实现，这就给实际的测量过程带来了大量的测量复杂度及测量误差，所需要的数据储存空间也非常巨大。

发明内容

本发明的目的为提供一种基于高速波前调制的多模光纤三维装置，该装置在基于波前整形多模光纤内窥成像的基础上，用参考臂提供的平面波参考光代替自参考光，整个装置结构简单，便于操作，减少了测量复杂度及测量误差。

本发明的另一目的为提供一种基于高速波前调制的多模光纤三维成像方法，该方法基于上述多模光纤三维装置实现。

为了实现上述目的，本发明提供的基于高速波前调制的多模光纤三维成像装置，包括激光器、将激光器的光束分为物光和参考光的第一分束镜、用于测量传输矩阵的测量组件以及用于记录样品反射光或样品荧光的光强信息的光电探测器，物光的光路上设有对物光进行调制的数字微镜阵列和用于传输调制后物光的多模光纤，多模光纤的输入端设有将调制后物光进行耦合的第一物镜；测量组件包括设置在多模光纤的输出端的第二物镜、用于反射参考光并使物光与参考光进行干涉的第二分束镜、用于记录物光与参考光的干涉情况的相机以及与相机通讯连接的计算机；测量传输矩阵时，将多模光纤的输出端连接至第二物镜，利用测量组件得到第二物镜的焦平面对应的三维空间传输矩阵；收集样品三维图像时，将样品放置到所述多模光纤的输出端。

上述技术方案中，将激光器出射的激光由分束器分为两束光，一束光由数字微镜阵列调制并通过光纤作为物光，另一束光作为平面波不经过光纤只通过反射镜进行角度调节直接在相机上与物光进行同轴干涉，由于与物光不共路并且不通过光纤称之为独立参考光，用以代替自参考光，在这种情况下，到达探测器的参考光在每一个探测通道上的相位相同，四步相移解出来的物光复振幅没有包含由于随机参考光相位带来的影响，实现了真实传输矩阵的测量。再结合光在自由空间中的传递函数可直接算出三维空间的传输矩阵，从而不再需要通过移动物镜去进行多个面的传输矩阵测量，大大减少了测量复杂度及测量误差。最后通过数字微镜阵列加载相应全息图，使聚焦光斑可在三维空间下实现移动扫描，达到三维高分辨成像的目的。

作为优选，物光的光路上还设有将物光反射到的数字微镜阵列的反射镜，经数字微镜阵列反射的物光的光路上设有第一4F系统和将样品光强信息传输至光电探测器的传输件。物光由反射镜反射依照特殊角度反射到数字微镜阵列上，第一4F系统有两个透镜用于光束的扩束。

由于全息图生成衍射光中只有-1级衍射光含有预设相位信息，为了只通过-1级衍射光，作为优选，第一4F系统的频谱面上设有用于滤掉除-1级衍射光之外的光的光阑。滤掉除-1级衍射光之外的光，来达到对入射光相位的调制。

作为优选，样品为荧光样品，传输件为二向色镜。

作为优选，样品为非荧光样品，传输件为分束镜。利用分束镜的反射光光强进行成像，可以更好适用于非荧光样本。

作为优选，多模光纤上设有沿光纤且垂直设置的夹持机构。

作为优选，激光器与第一分束镜之间设有用于对激光器发出的激光光束进行扩束的第二4F系统。

多模光纤可以选用阶跃折射率光纤、渐变折射率光纤等。

为了实现上述另一目的，本发明提供的基于高速波前调制的多模光纤三维成像方法基于上述多模光纤三维成像装置实现，其包括以下步骤：

1)将激光器发出的激光光束分为物光和参考光；

2)利用数字微镜阵列对物光进行相位调制，并将调制后的物光耦合到多模光纤中；

3)物光经所述多模光纤出射后形成的光斑与参考光进行干涉，对干涉图样进行记录；

4)计算机根据相机记录的干涉图样计算三维空间的传输矩阵；

5)利用三维空间的传输矩阵在数字微镜阵列上加载全息图来调制入射光，入射光经耦合进入多模光纤中，并在三维空间生成聚焦光斑或在多模光纤的输出端进行三维点扫描；

6)由光电探测器接收样品反射光或样品荧光的光强信息，按照设定的扫描顺序将光强信息重组得到图像，并在三维方向上合成，得到样品的三维高分辨成像。

作为优选，步骤4)包括：

通过计算机解出物光从多模光纤中输出的光斑的复振幅分布E_out；

变换数字微镜子阵列的全息图，将入射光复振幅E_in和出射光复振幅E_out建立联系E_out＝KE_in，得出物镜焦平面对应的传输矩阵K；

将得到的传输矩阵K在频率域乘上相应位置的空间传递函数Trans，得出三维空间的传输矩阵K'。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

相对于现有的多模光纤显微内镜需要移动物镜实现三维成像，本发明只需要测量一个面上传输矩阵，再通过传递函数与传输矩阵的相互作用得到三维空间的传输矩阵。

利用数字微镜阵列的超高帧率，可以实现三维样品扫描高速成像。

附图说明

图1为背景技术中传统多模光纤内窥显微成像装置的示意图，虚线内组件为测量传输矩阵时所需要安装的但实际扫描样品时需要拆除的部分；

图2为背景技术中传统多模光纤内窥显微成像装置在测量距离光纤出射端面不同位置的平面的传输矩阵示意图；

图3为本发明实施例中基于高速波前调制的多模光纤三维成像装置的示意图，虚线内组件为测量传输矩阵时需要安装的但实际扫描样品时需要拆除的部分；

图4(a)为本发明实施例中数字微镜阵列的全息图，(b)为全息图对应的相位调制图；

图5为本发明实施例中多模光纤的夹持机构的示意图；

图6为二维聚焦与三维聚焦的对比图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合实施例及其附图对本发明作进一步说明。

实施例1

参见图3，本实施例基于高速波前调制的多模光纤三维成像装置包括：

激光器101，用于出射激发光，实现对应的荧光成像或反射式强度成像；

反射镜102，反射激光器101发射的激光；

第一4F系统103，用于光束的扩束；

分束镜104，用于分离物光和参考光；

反射镜105，用于将物光依照特殊角度反射到数字微镜阵列106上；

数字微镜阵列106，用于实现对于激光的波前调制；

第二4F系统107，用于在频谱面上进行滤波；

光阑121，用于滤掉除-1级衍射光之外的光；

多模光纤113，用于传输光束；

第一物镜111，用于将入射光耦合到多，多模光纤113中；

第二物镜114和透镜115，用于将多模光纤113出射端面的光斑成像到相机117上；

二向分色镜110，用于透射激发光以及反射样品发出的荧光；

光电探测器120，用于收集样品激发的荧光；

反射镜108和反射镜109，用于反射物光；

分束镜116，用于反射参考光并使物光与参考光进行干涉；

相机117，用于记录光纤出射端光斑分布；

计算机118，用于计算三维空间的传输矩阵，以及编码聚焦光斑在三维空间中的分布，生成对应全息图,然后结合光电探测器120收集的光强信息实现最终图像重构。

本实例中，多模光纤113可以选用阶跃折射率光纤或渐变折射率光纤等。为了得到更小的聚焦光斑，光纤的数值孔径应该尽可能大。光纤的尺寸要根据实际情况确定，比如观察的病理区、观察物的最小尺寸等信息。

采用图3所示的装置实现的基于高速波前调制的多模光纤三维成像方法，作为一种反射式扫描显微镜，为了获得图像，需要在光纤的出射端生成聚焦光斑并对样品进行扫描，其过程如下：

(1)激光器101发出激发光，经第一4F系统103扩束，被分束镜104分出物光及参考光，其中物光由反射镜105反射依照特殊角度反射到数字微镜阵列106上。

(2)通过计算机118生成用于测量的全息图，加载到数字微镜阵列106上，全息图(如图4所示)生成的衍射光中只有-1级衍射光含有预设相位信息，为了只通过-1级衍射光，需要让衍射光通过第二4F系统107，并在第二4F系统107中间频谱面放上光阑121，滤掉除-1级衍射光之外的光，来达到对入射光相位的调制，其复振幅被描述为E_in。

(3)将被调制过的光E_in通过第一物镜111耦合到多模光纤113中，为了能够得到多模光纤出射端的光斑复振幅E_out分布，将出射光由第二物镜114及透镜115传输并与分束镜116反射的参考光干涉，被相机117数字记录，传输到计算机118上并保存。

(4)不断变换数字微镜阵列106的相位图案，将入射光复振幅E_in和出射光复振幅E_out建立联系E_out＝KE_in，得出物镜焦平面对应的传输矩阵K。

(5)通过算法处理距离光纤端面不同距离的平面的传输矩阵K'＝Trans·K，将测量到的矩阵通过自由空间的传输特性对应到相应的平面上，最终得到多模光纤113的出射端在三维空间上的传输矩阵K'(如图6所示)。

(6)利用计算得到的三维空间上的传输矩阵K'，结合数字微镜阵列106在多模光纤113输出端进行三维点扫描(扫描的点阵分布是根据预设算法编码设计的)。

(7)拆除图3中虚线所围的组件，在多模光纤113出射端放置样品122，依照编码设计的点阵分布依次激发荧光样品，受激发的荧光通过索寞光纤113，及第一物镜111，二向色镜110反射，经透镜119聚焦到光电探测器120上，光强信息被数字记录。

(8)根据扫描顺序将光强信息重组为图像，结合预设算法将离焦平面上同样受激发的荧光带来的噪声去除，最终得到样品的高分辨三维图像。

如图5所示为基于高速波前调制的多模光纤三维成像装置的夹持机构112，多模光纤113的夹持机构112采用了垂直设计，其中113为多模光纤，112为夹持装置，122为样品，该设计可以更好的观察生物样本。

基于高速波前调制的多模光纤三维成像方法包含在上述过程中，此处不再赘述。

实施例2

本实施例基于高速波前调制的多模光纤三维成像装置除了将样品光强信息传输至光电探测器的传输件与实施例1不同外，其余均与实施例1相同，本实施例的传输件为分束镜，即将实施例1中的二向色镜110改为分束镜，利用反射光光强进行成像，可以更好地适用于非荧光样本。

本实施例的工作过程如下：

(1)激光器101发出激发光，经第一4F系统103扩束，被分束镜104分出物光及参考光，物光由反射镜105反射依照特殊角度照射到数字微镜阵列106上。

(2)通过计算机118生成用于测量的全息图,加载到数字微镜阵列106上，全息图生成的衍射光通过第二4F系统107，经中间频谱面上的光阑121滤掉除-1级衍射光之外的光，达到对入射光相位的调制，其复振幅被描述为E_in。

(3)将被调制过的光E_in，通过第一物镜111耦合到光纤113中，将出射光由第二物镜114及透镜115传输并与分束镜116反射的参考光干涉，被相机117数字记录，传输到计算机118上并保存。

(4)不断变换数字微镜阵列106的相位图案，将入射光复振幅E_in和出射光复振幅E_out建立联系E_out＝KE_in，得出物镜焦平面对应的传输矩阵K。

(5)通过算法处理距离光纤端面不同距离的平面的传输矩阵K'＝Trans·K，将测量到的矩阵通过自由空间的传输特性对应到相应的平面上，最终得到多模光纤113出射端三维空间上的传输矩阵K'(如图6所示)。

(6)利用计算得到的三维空间上的传输矩阵K'，结合数字微镜阵列106在多模光纤113输出端进行三维点扫描。

(7)拆除矩形虚线包围的装置，在不放置样品的情况下，将聚焦点在三维空间进行点阵扫描，此时光学原件的反射光收集到光电探测器120中作为背景噪声。

(8)将样品122放置在多模光纤113的出射端，依照编码设计的聚焦光斑点阵分布依次扫描样品，反射光通过多模光纤113，及第一物镜111，二向色镜110反射，经透镜119聚焦到光电探测器120上，光强信息被数字记录。

(9)根据扫描顺序将光强信息重组为图像，结合预设算法将离焦平面上同样受激发的荧光带来的噪声去除，同时减去步骤(5)中的背景噪声。最终得到样品的高分辨三维图像。

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 (8)

1.一种基于高速波前调制的多模光纤三维成像装置，包括激光器、将所述激光器的光束分为物光和参考光的第一分束镜、用于测量传输矩阵的测量组件以及用于记录样品反射光或样品荧光的光强信息的光电探测器，其特征在于：

所述物光的光路上设有对所述物光进行调制的数字微镜阵列和用于传输调制后物光的多模光纤，所述多模光纤的输入端设有将所述调制后物光进行耦合的第一物镜；

所述测量组件包括设置在所述多模光纤的输出端的第二物镜、用于反射所述参考光并使所述物光与所述参考光进行干涉的第二分束镜、用于记录所述物光与所述参考光的干涉情况的相机以及与所述相机通讯连接的计算机；

测量传输矩阵时，将所述多模光纤的输出端连接至所述第二物镜，利用所述测量组件得到第二物镜的焦平面对应的三维空间传输矩阵；收集样品三维图像时，将样品放置到所述多模光纤的输出端；

所述的物光的光路上还设有将所述物光反射到所述的数字微镜阵列的反射镜，经所述数字微镜阵列反射的物光的光路上设有第一4F系统和将样品光强信息传输至所述光电探测器的传输件。

2.根据权利要求1所述的多模光纤三维成像装置，其特征在于：所述的第一4F系统的频谱面上设有用于滤掉除-1级衍射光之外的光的光阑。

3.根据权利要求1所述的多模光纤三维成像装置，其特征在于：所述的样品为荧光样品，所述的传输件为二向色镜。

4.根据权利要求1所述的多模光纤三维成像装置，其特征在于：所述的样品为非荧光样品，所述的传输件为分束镜。

5.根据权利要求1所述的多模光纤三维成像装置，其特征在于：所述的多模光纤上设有沿光纤且垂直设置的夹持机构。

6.根据权利要求1所述的多模光纤三维成像装置，其特征在于：所述的激光器与所述的第一分束镜之间设有用于对激光器发出的激光光束进行扩束的第二4F系统。

7.一种基于高速波前调制的多模光纤三维成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将激光器发出的激光光束分为物光和参考光；

2)利用数字微镜阵列对物光进行相位调制，并将调制后的物光耦合到多模光纤中；

3)物光经所述多模光纤出射后形成的光斑与参考光进行干涉，对干涉图样进行记录；

4)计算机根据相机记录的干涉图样计算三维空间的传输矩阵；

5)利用三维空间的传输矩阵在数字微镜阵列上加载全息图来调制入射光，入射光经耦合进入多模光纤中，并在三维空间生成聚焦光斑或在多模光纤的输出端进行三维点扫描；

6)由光电探测器接收样品反射光或样品荧光的光强信息，按照设定的扫描顺序将光强信息重组得到图像，并在三维方向上合成，得到样品的三维高分辨成像。

8.根据权利要求7所述的多模光纤三维成像方法，其特征在于，步骤4)包括：

通过计算机解出物光从多模光纤中输出的光斑的复振幅分布E_out；

变换数字微镜子阵列的全息图，将入射光复振幅E_in和出射光复振幅E_out建立联系E_out＝KE_in，得出物镜焦平面对应的传输矩阵K；

将得到的传输矩阵K在频率域乘上相应位置的空间传递函数Trans，得出三维空间的传输矩阵K'。

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