CN110572553A - 一种基于光纤阵列的多光谱光学成像装置及其成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于光纤阵列的多光谱光学成像装置及其成像方法，其光谱覆盖400‑1000nm。该成像装置及成像方法为光信号经光纤阵列传导，应用由马赫‑增德尔干涉仪光开关或微环谐振腔光开关形成的可调谐滤波模块将各个波段的光信号分时传输，通过单个光学图像传感器将每个波段的光信号转化成电信号并分别成像，从而实现多光谱成像功能。该成像装置具有成像光谱范围动态可调以及系统集成度高等优点。

Description

一种基于光纤阵列的多光谱光学成像装置及其成像方法

技术领域

本发明涉及光学成像领域，具体涉及一种基于光纤阵列的多光谱光学成像装置及其成像方法。

背景技术

近年来由于光学成像技术和传感器技术的不断进步，各种类型成像光谱仪的空间分辨率和光谱分辨率迅速地提高，各种类型成像光谱仪所采集的图谱数据的数量呈现爆炸性地增长，图像中包含的信息量也是成数量级的增加。那么如何从获得的大量光谱图像数据中挖掘出有用的光谱信息便成了当今科学研究与工程应用领域的一个亟待决的问题。

在一些视频多光谱相机中，通过透镜阵列将探测器整体进行区域分块，一个透镜对应探测器的一块区域，每一块区域单独成像，这样就可以在整个探测器上形成同一地物的多个相同图像，在透镜阵列前面加上滤光膜阵列，滤光膜阵列是由不同谱段的滤光片组成的，每一个波段的滤光膜对应一个透镜，在探测器上不同区域就能形成同一地物的多光谱图像，从而在探测器一帧积分时间内采集到目标的多光谱图像，得到视频光谱数据。采用滤光片的方式对不同波段进行成像，其缺点在于滤光片的透光特性在其表面薄膜结构设计好之后就是固定的，只能对一个波长范围内做出恒定的区域划分，无法对多光谱成像中形成各图像的光信号的光谱中心波长进行选择，灵活性较差。此外高性能滤光片价格昂贵，造成该类成像系统成本偏高。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明的首要目的是：提供一种基于光纤阵列的多光谱光学成像装置及其成像方法。

基于上述目的，本发明至少采用如下技术方案：

一种基于光纤阵列的多光谱光学成像装置，其包括，

第一透镜，用于收集可见光以及荧光激发光信号，将所述光信号汇聚至同一个焦平面上；

第一光纤阵列，用于传输所述焦平面的光信号；

可调谐滤波模块，包含光开关单元阵列，用于对所述第一光纤阵列传输的所述光信号进行分时传输；

第二光纤阵列，用于输出所述可调谐滤波模块传输的光信号；

光学图像传感器，用于接收所述第二光纤阵列传输的光信号，并将所述光信号转化为电信号。

进一步的，所述可调谐滤波模块中，所述光开关单元由两个或两个以上的光开关器件级联组成，每个所述光开关单元对应单根光纤，所述光开关单元中任意两个光开关的工作衍射级次不同。

进一步的，所述可调谐滤波模块中，所述光开关为MZI型光开关或微环共振谐振腔型光开关，其中通过调节流经所述可调谐滤波模块的电流大小，获得连续可调的输出光信号频谱范围，从而实现光谱中心可调的滤波功能。

进一步的，所述光学图像传感器的光响应波长范围为400-1000nm。

进一步的，所述第一光纤阵列以及所述第二光纤阵列均经v型槽阵列与所述可调谐滤波模块耦合。

进一步的，所述第二光纤阵列输出的所述光信号经第二透镜放大后传输至所述光学图像传感器。

一种基于光纤阵列的多光谱光学成像装置，所述成像装置可用于医学成像。

一种基于光纤阵列的多光谱光学成像方法，其包括：

波段涉及可见光及荧光激发光的光信号经第一透镜收集并汇聚至焦平面上；

第一光纤阵列将所述焦平面的光信号传输至可调谐滤波模块；

所述可调谐滤波模块通过改变电流大小间接选择所述光信号的输出，并将所述光信号传输至第二光纤阵列；

第二光纤阵列将接收的所述光信号传输至光学图像传感器，实现将所述光信号转换为电信号；

所述电信号经显示设备还原为图像。

进一步的，所述可调谐滤波模块中，通过调节流经所述可调谐滤波模块电极的电流大小，获得连续可调的输出光信号频谱范围。

进一步的，所述多光谱光学成像方法用于医学成像。

与现有技术相比，本发明至少具有如下有益效果：

本发明采用MZI型光开关或微环共振谐振腔型光开关构建可协调滤波模块，将各个波段的光信号分时传输，通过单个光学图像传感器将每个波段的光信号转换为电信号分别成像，从而实现了多光谱成像功能。构建可调谐滤波模块的每个光开关单元采用两个或两个以上的同类型开关器件级联而成，同一开关单元的每个开关器件采用不同的工作衍射级次，从而提高成像光谱分辨率，同时避免了由于自由光谱范围减小而带来的多余光谱信号干扰。该成像装置成像光谱范围动态可调，且系统集成度高，成本较低。

附图说明

图1是本发明多光谱成像装置的工作原理图。

图2是本发明多光谱成像装置的原理框图。

图3是本发明采用的单臂MZI型1×1热光开关示意图。

图4是本发明采用的微环共振谐振腔结构示意图。

具体实施方式

下面来对本发明做进一步详细的说明。

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；

对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。下面结合实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

本发明的基于光纤阵列的多光谱光学成像装置可用于待测物体的形貌成像，例如可作为医学成像装置用于医学成像。图1是本发明成像装置的原理框图，图2是本发明成像装置中光纤阵列、可调谐滤波模块原理流程示意图。如图所示，该成像装置包括光源、第一透镜、第一光纤阵列、可调谐滤波模块、第二光纤阵列、第二透镜、光学图像传感器、控制器以及处理单元。

光源以及可调谐滤波模块由控制器调整，控制器经由信号线与光源以及可调谐滤波模块连接，控制器可经由信号线调整光源的强度，光学图像传感器以及处理单元经由信号线与控制器连接，光学图像传感器与处理单元连接。控制器中通过参数的设置可以调整光源的强度、波长范围的选择、可调谐滤波模块的电流大小、第一透镜以及第二透镜的位置等。

光源包括可见光光源以及特定波长的激光光源。光源照射待测物体，待测物体反射可见光并发射荧光激发带。该实施例中以吲哚菁绿荧光试剂为例，选用785nm的激光作为激光光源。使光源照射待测物体，光源中的激光光源激发吲哚菁绿荧光试剂发射荧光激发带，荧光激发带的主波长不同于激光光源的波长。

第一透镜将待测物体反射的可见光以及发射的荧光激发带汇聚至同一个焦平面上。在该实施例中，第一透镜为一物镜。该焦平面上放置一个线性排列的第一光纤阵列，每一根光纤相当于一个像素点，由于图像的不同，每根光纤接收到的光信号也不同。光信号经第一光纤阵列传输到达可调谐滤波模块，该实施例中可调谐滤波模块为一光子芯片，在可调谐滤波模块中，通过改变电流的大小，可以间接选择光信号的输出，选择后的光信号经由第二光纤阵列输出，传输至第二透镜，在该实施例中，第二透镜为一目镜。光信号经由目镜接收并放大，传输至光学图像传感器，光信号经光学图像传感器转变为电信号，传输至处理器，处理器将电信号转换为对应波长的图像，在显示部上显示。使用这种多光谱成像方法将这些光信号分波段分别接收并处理，可以分析不同波段的光信号的差异，区分正常组织与病变组织，确定病变组织的病变程度，为精准诊断提供依据。

在该多光谱光学成像装置中，采用光纤阵列收集并传播光信号的方式，经过传播途中可调谐滤波模块的滤波作用，将采集到的光信号按照波长分别送入光学图像传感器中，进行信号分析，其过程如图2所示。光纤阵列接收到光信号，由于图像的不同(形状大小颜色等特征)，N根光纤采集到的信号各不相同，将每根光纤按照顺序排列，然后使用v型槽阵列，将N根光纤依次耦合进入可调谐滤波模块中。可调谐滤波模块中包含有光开关单元阵列，每个光开关单元由两个或两个以上的光开关器件级联组成，每一根光纤对应一个光开关单元，所有光开关单元具有相同的开关设计参数。同一个光开关单元内的任意两个光开关的工作衍射级次均不相同。在该实施例中，可调谐滤波模块为一光子芯片，该光子芯片中集成多个光开关器件。

光信号由光纤进入具有选择波长功能的光开关器件中。根据待测物体反射的可见光以及荧光激发带，选择光开关的输出波长范围。经过选择的光信号将再次通过v型槽阵列耦合进入与输入端相同排列顺序的光纤阵列中，还原输入端的线性排列方式。输出端的光纤阵列在经过第二透镜之后将光信号汇聚至光学图像传感器上，通过设置拍照时间控制光学图像传感器的拍照。在该实施例中，光学图像传感器可以是有宽光谱响应CCD等图像传感器。此时光学图像传感器接收特定波段的光信号，将光信号转化成电信号输入到处理单元，处理单元将电信号转化为相应的图像，在显示设备上实现每个波段图像的重现及实时展示。

在该实施例中，可调谐滤波模块可以采用MZI(马赫-增德尔)型光开关来选择波长。MZI型热光开关器件是利用材料的热光效应，使介质的温度变化，导致光在介质中传播时介质的折射率和光的相位发生改变来控制开关输出。当两臂光信号的相位差达到2π的整数倍或π的奇数倍时，输出端口的光信号发生相干相长或相干相消，实现光信号切换。热光波导开关可以实现亚微秒至毫秒量级的端口切换。本实施例采用单臂1x1型MZI热光开关，如图3所示，可通过调节输入电流大小来调节MZI开关其中一臂的介质折射率以及光信号在其中传输的相位变化，从而改变相移器的相移数值。单臂型MZI热光开关中的热光相移器的相移满足下式时开关输出光信号达到最大值，为开启状态：

其中，λ是波长，ΔT是相移器上热调谐的温度改变量，L是相移器的长度即设有电极的一臂的臂长，是未施加电流时的相移器原始相移值，m是工作衍射级次，为整数。从上式可以看出，在某一特定的注入电流(即对应特定的温度变化)下，对于不同的波长λ来说，MZI器件的双臂相位差即上式所述相移器的相移不同。当某一波长下相移达到2π的整数倍时此波长的光信号在输出端相干加强，具有最大输出功率。因此，通过连续改变电极的注入电流大小，可以调节光开关输出光信号的中心波长，从而实现可调谐滤波的功能。

为进一步详细说明其滤波工作方式，以下以氧化硅为波导材料给出一个MZI热光开关的具体设计实例，其中MZI选择图3所示单臂MZI型1×1热光开关。氧化硅波导的有效折射率一般约为1.46，设MZI的双臂长分别为L及L＇，其中L为设有电极的一臂，对应上式中的相移器长度。令L＇＝100微米，L＝100.274微米。未施加电流时的相移器原始相移在波长400纳米处为0.274*1.46/0.4*2*π＝m*2π，其中m即上式中的工作衍射级次(m为整数)，此时m为1。由MZI原理可知，在电极无注入电流时MZI的可通过波长窗口中心位于400纳米处，此时终端的光学图像传感器对400纳米中心附近的反射光进行成像。当需要对波长为700纳米处的反射光成像时，需要通过增加注入电流，使得由于热光效应导致设有电极的一臂对应折射率增加0.00205。此时相移器的相移在波长700纳米处为(0.274*1.46+0.00205*L)/0.7*2π＝2π。因此这时的通过波长窗口中心飘移至700纳米处，可见该光开关具有较高的温度灵敏度。增加MZI开关的相移器长度L可进一步提升灵敏度，但会牺牲器件尺寸。然而与分立器件构成的滤波模块相比，即使灵敏度再提升一个数量级，MZI开关长度也只是在1毫米左右，整个光子芯片仍然十分紧凑。

上述例子可以发现，当工作衍射级次较小时，自由光谱范围很大，可以覆盖整个待成像波段(400-1000纳米)。即MZI开关的波长透过窗口在该波段范围内只有一个峰值中心，不存在第二个透过窗口。因此，不会形成其他透射窗口对目标波长的干扰。但是其缺点在于带宽很大，达百纳米以上，不利于精细光谱成像。例如对于吲哚菁绿类荧光剂，其激发波长一般在785纳米附近，荧光峰值波长一般随着剂量、溶剂种类等不同在810-820纳米附近波动。为避免激发光对荧光成像的干扰，通常需要在过滤激发波长的情况下对荧光波长成像，因此需要较窄的带宽。此时需要提高MZI器件的工作衍射级次m。以上述氧化硅MZI为例，例如可以将工作衍射级次设计为8，则其带宽将缩小为原来的几分之一。此时，同样令L＇＝100微米，则L＝102.192微米，无注入电流时相移器的原始相移值在400纳米处恰好等于8*2π。然而，由于工作衍射级次的大幅增大，其自由光谱范围亦大大减少，从而在400-1000纳米范围内形成多个透射峰值，依次约为400纳米、457纳米、533纳米、640纳米、800纳米，对应的衍射级次依次为8、7、6、5、4，其中8为设定的目标工作衍射级次，其余皆为干扰衍射级次。此时单个MZI无法区分来自各透射窗口处的信号光。为解决这一问题，可以采用将多个具有不同工作衍射级次的MZI开关进行级联。例如，以工作衍射级次为8的MZI作为开关1，后面级联工作衍射级次为5的MZI开关2。开关2的其他透射峰值波长依次为500纳米、667纳米、1000纳米，与开关1的透射峰除了在400纳米处重合以外，其余皆错开，因此可以过滤掉其余所有干扰波长。此时开关2的L＇＝100微米，L＝101.4微米，无注入电流时相移器原始相移值在400纳米处等于5*2π。如果需要进一步降低干扰，亦可以继续级联更多的具有不同工作衍射级次的MZI光开关，在此不再赘述。当级联双开关滤波模块需要调节成像波长时，需注意由于两个开关的工作衍射级不同，因而有可能二者的电极注入电流以及折射率变化值并不完全相同，只需要使二者在各自的工作衍射级次下具有相同的波长飘移即可。

在另一实施例中，可调谐滤波模块可以采用微环共振谐振腔型光开关单元来选择波长。在其谐振腔内，通带的减少能导致内建场的增强，能极大地增强非线性效应。微环谐振腔的基本结构如图4所示，其中包括一个环形的结构，环结构的旁边是一个直波导，其对应的光信号的输入和输出方向分别称为输入端和直通端。在环结构另一侧的直波导两端分别对应下路端和上路端(上路端与本实施例的应用无关，故未标出)。环形共振谐振腔的谐振条件由构成谐振腔的波导折射率以及环形结构的半径等因素共同决定。光在微环中传播一周的相移满足下式时可满足腔体共振条件，此时对应波长的光信号产生谐振并从下路端输出，而未达到该谐振条件的光信号从直通端输出，从而实现滤波功能。

其中，λ是谐振模式波长，n是环形波导区域的介质折射率，R是环形谐振腔的半径，m是工作衍射级次。微环谐振腔型光开关通常在环形波导区域放置电极，与MZI光开关类似地，通过注入电流改变环形波导区域的介质折射率n，从而可以调节谐振波长，即起到可调滤波的效果，在此亦不再赘述。同时，为解决自由光谱范围小的问题，亦需要采用两个或两个以上的微环级联结构。微环共振谐振腔与MZI器件相比，区别在于品质因素较高，输出波长的带宽更小。因而可根据实际需要，需要宽谱成像时使用MZI等大带宽开关，需要窄谱成像时使用微环谐振腔等小带宽开关，对该多光谱系统进行灵活的调整。

应当理解，本发明所示的各个步骤还可以包括多个子步骤，所述子步骤可以根据适合的各种顺序执行，可根据具体应用添加步骤或删除步骤。本领域普通技术人员将认识到许多变化、修改和替代。附图中描述位置关系的仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于光纤阵列的多光谱光学成像装置，其特征在于，其包括，

第一透镜，用于收集可见光以及荧光激发光信号，将所述光信号汇聚至同一个焦平面上；

第一光纤阵列，用于传输所述焦平面的光信号；

可调谐滤波模块，包含光开关单元阵列，用于对所述第一光纤阵列传输的所述光信号进行分时传输；

第二光纤阵列，用于输出所述可调谐滤波模块传输的光信号；

光学图像传感器，用于接收所述第二光纤阵列传输的光信号，并将所述光信号转化为电信号。

2.根据权利要求1的所述多光谱光学成像装置，其特征在于，所述可调谐滤波模块中，所述光开关单元由两个或两个以上的光开关器件级联组成，每个所述光开关单元对应单根光纤，所述光开关单元中任意两个光开关的工作衍射级次不同。

3.根据权利要求1或2的所述多光谱光学成像装置，其特征在于，所述可调谐滤波模块中，所述光开关为MZI型光开关或微环共振谐振腔型光开关，其中通过调节流经所述可调谐滤波模块的电流大小，获得连续可调的输出光信号频谱范围，从而实现光谱中心可调的滤波功能。

4.根据权利要求1的所述多光谱光学成像装置，其特征在于，所述光学图像传感器的光响应波长范围为400-1000nm。

5.根据权利要求1的所述多光谱光学成像装置，其特征在于，所述第一光纤阵列以及所述第二光纤阵列均经v型槽阵列与所述可调谐滤波模块耦合。

6.根据权利要求1的所述多光谱光学成像装置，其特征在于，所述第二光纤阵列输出的所述光信号经第二透镜放大后传输至所述光学图像传感器。

7.一种基于光纤阵列的多光谱光学成像装置，所述成像装置采用权利要求1-6的所述多光谱光学成像装置，所述多光谱光学成像装置可用于医学成像。

8.一种基于光纤阵列的多光谱光学成像方法，其特征在于，其包括：

波段涉及可见光及荧光激发光的光信号经第一透镜收集并汇聚至焦平面上；

第一光纤阵列将所述焦平面的光信号传输至可调谐滤波模块；

所述可调谐滤波模块通过改变电流大小间接选择所述光信号的输出，并将所述光信号传输至第二光纤阵列；

第二光纤阵列将接收的所述光信号传输至光学图像传感器，实现将所述光信号转换为电信号；

所述电信号经显示设备还原为图像。

9.根据权利要求8的所述多光谱光学成像方法，其特征在于，所述可调谐滤波模块中，通过调节流经所述可调谐滤波模块电极的电流大小，获得连续可调的输出光信号频谱范围。

10.根据权利要求8或9的所述多光谱光学成像方法，其特征在于，所述多光谱光学成像方法用于医学成像。