CN111781141A - 一种基于近红外偏振成像的深度声场成像装置及方法 - Google Patents

一种基于近红外偏振成像的深度声场成像装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于近红外偏振成像的深度声场成像装置及方法，装置包括LED光源、透镜组、液晶偏振调制器、反射镜、半透半反镜、物镜、波片、检偏器、成像透镜、CCD相机、液晶控制器和计算机。所述液晶偏振调制器将准直后的LED光变为线偏振光，经过反射镜组和半透半反镜后入射到样品上，样品内部存在激光激发产生的光声信号，经物镜、波片、检偏器和成像透镜透射后被CCD相机接收成像。其中用计算机驱动液晶控制器，使液晶偏振调制器改变入射光的偏振角度，并控制CCD相机拍摄图像，再利用算法得到偏振参数图像。本发明具有直观、成像快速、无损、成像深、调节精度高、分辨率高等优点。

Description

一种基于近红外偏振成像的深度声场成像装置及方法
技术领域
本发明属于光学和超声交叉领域，具体为一种基于近红外偏振成像的深度声场成像装置及方法。
背景技术
生物光学成像是了解生物体组织结构，阐明生物体各种生理功能的一种重要研究手段，在临床前和临床成像中都发挥着重大作用，且由于其检测仪器发展快速、成像直观、成像速度快等优点成为生物医学成像的研究重点。但在生物组织的光学成像中，许多情况下表面反射是一个严重的问题，而近红外有较强的组织穿透能力和较小的光散射，可以对生物组织进行深度成像。偏振参数成像技术能够利用目标与背景偏振特征的差异，提高目标与背景的对比度，从而对目标探测识别的能力有所提升。所以将红外成像和偏振成像技术结合可以提高生物组织深度成像的对比度和分辨率，能够为生物医学领域提供有效的探测手段。
超声是超过正常人耳能听到的声波，频率在20000赫兹(Hz)以上。超声检查是利用超声的物理特性和人体器官组织声学性质上的差异，以波形、曲线或图像的形式显示和记录，借以进行疾病诊断的检查方法。其中超声成像是利用超声声束扫描人体，通过对反射信号的接收、处理，以获得体内器官的图像。超声成像价廉、简便、无电离辐射性、成像速度快、实时成像、无痛苦，属于非损伤性检查，易被多数患者使用，因此，在临床上应用已普及，但不足之处在于图像的对比度和空间分辨率不如CT和MRI高，诊断准确性影响因素较多，受操作者经验技巧影响。
发明内容
本发明的目的在于提出了一种基于近红外偏振成像的深度声场成像装置。
为实现上述目的，本发明采取如下技术方案：一种基于近红外偏振成像的深度声场成像装置，包括LED光源、沿LED光源出射光束方向依次同轴设置的准直透镜组、液晶偏振调制器和反射镜，沿反射镜反射光方向同轴设置的可移动反射镜，沿可移动反射镜反射光方向同轴设置的半透半反镜，沿半透半反镜反射光方向依次同轴设置的物镜和载物台，以及沿所述反射光经半透半反镜透射的方向依次同轴设置的第二波片、检偏器、成像透镜、CCD相机；所述液晶偏振调制器通过液晶控制器和计算机连接，CCD相机和计算机连接。
优选地，所述LED光源、准直透镜组、液晶偏振调制器、反射镜、可移动反射镜、半透半反镜、物镜、第二波片、检偏器、成像透镜和CCD相机均工作于近红外波段。
优选地，所述液晶偏振调制器包括沿LED光源出射光束方向依次同轴设置的线偏振片、全波液晶延迟器和第一波片。
优选地，所述第一波片和第二波片均为1/4波片。
本发明还提出了一种基于近红外偏振成像的深度声场成像方法，包括以下步骤：
步骤1、打开LED光源，计算机通过液晶控制器控制全波液晶延迟器使液晶偏振调制器改变出射光束的偏振角度，同时计算机控制CCD相机拍摄不同偏振光状态下的深度声场图；
步骤2、计算机对采集到的样品在不同偏振光状态下的深度声场图进行计算处理，得到样品的不同参数图。
优选地，所述样品的不同参数图包括相位差δ图像、方位角
Figure BDA0002574016370000021
图像、Stokes参数S0、S1、S2和S3图像
优选地，计算机对采集到的样品在不同偏振光状态下的深度声场图进行计算处理，得到样品的不同参数图的具体方法为：
根据不同偏振光状态下深度声场图对应的光强表达式，利用傅里叶级数求解系数法获得相位差和方位角；
根据Jones矩阵和Mueller矩阵的关系计算出自然光入射样品后的出射光波斯托克斯矢量，具体公式为：
Figure BDA0002574016370000022
式中，Ibp为平均光强，
Figure BDA0002574016370000023
为方位角，δ为相位差。
优选地，所述光强表达式具体为：
Figure BDA0002574016370000024
式中，I0为入射光光强，θ为全波液晶延迟器的相位延迟量。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
本发明基于近红外偏振成像的技术基础，对样品深处的声场进行成像，结合了超声成像和光学成像的方法；本发明利用近红外偏振成像代替超声波探测器探测成像，不需要图像重构，结果直观、成像快速；本发明采用光学的成像方法，式样无损；本发明使用近红外光照射成像，对生物样品成像深度比可见光更深；本发明通过改变全波液晶延迟器的电压来改变入射光束的偏振状态，调节精度较高；本发明通过偏振成像获取样品的不同偏振参数图，从而获得对比度更高的结果。
下面结合附图对本发明作进一步详细的描述。
附图说明
图1为本发明的基于近红外偏振成像的深度声场成像装置结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，一种基于近红外偏振成像的深度声场成像装置，包括LED光源1,沿LED光源1出射光束方向依次同轴设置的准直透镜组2、液晶偏振调制器6和反射镜7，沿反射镜7反射光方向同轴设置的可移动反射镜8，沿可移动反射镜8反射光方向同轴设置的半透半反镜9，沿半透半反镜9反射光方向依次同轴设置的物镜10和载物台11，以及沿所述反射光经半透半反镜9透射的方向依次同轴设置的第二波片12、检偏器13、成像透镜14、CCD相机15；所述液晶偏振调制器6通过液晶控制器16和计算机17连接，CCD相机15和计算机17连接；
所述LED光源1发出的光经过透镜准直后进入液晶偏振调制器6，再经反射镜7和可移动反射镜8分别反射，之后经半透半反镜9反射后透过物镜10聚焦到置于载物台11的待测样品，经样品反射后的光束经物镜10和半透半反镜9透射后，依次通过第二波片12、检偏器13、成像透镜14后被CCD相机15接收。在上述过程中，利用激光在载物台11上的待测样品内激发声场，计算机17通过液晶控制器16控制全波液晶延迟器4使液晶偏振调制器6对出射光束进行偏振调制，同时，计算机17控制CCD相机15进行同步拍照，收集样品在不同偏振光状态下的图像。
通过计算机17对采集到的样品在不同偏振光状态下的深度声场图进行计算处理，得到样品的不同参数图，包括相位差δ图像、方位角
Figure BDA0002574016370000041
图像、Stokes参数S0、S1、S2和S3图像。本发明基于近红外偏振成像的技术基础，对样品深处的声场进行成像，结合了超声成像和光学成像的方法。
进一步的实施例中，所述LED光源1、准直透镜组2、液晶偏振调制器6、反射镜7、可移动反射镜8、半透半反镜9、物镜10、第二波片12、检偏器13、成像透镜14和CCD相机15均工作于近红外波段。
进一步的实施例中，所述液晶偏振调制器6包括沿LED光源1出射光束方向依次同轴设置的线偏振片3、全波液晶延迟器4和第一波片5。
进一步的实施例中，所述第一波片5和第二波片12均为1/4波片。
本发明利用近红外偏振成像技术对样品深处的声场进行成像，结合了超声成像和光学成像的方法。该方法与超声成像对比具有更高的对比度和分辨率，与纯光学成像对比可以得到组织更多的光吸收特征信息。
一种基于近红外偏振成像的深度声场成像方法，包括以下步骤：
步骤1、打开LED光源1，出射光束经过透镜组2准直后，被液晶偏振调制器6调制为线偏振光，之后经反射镜7、可移动反射镜8和半透半反镜9反射后透过物镜10聚焦到置于载物台11上的待测样品，样品内部存在激光激发的声场，反射光经半透半反镜9、第二波片12、检偏器13和成像透镜14透射后被CCD相机15接收，计算机17通过液晶控制器16控制全波液晶延迟器4使液晶偏振调制器6改变出射光束的偏振角度，同时计算机17控制CCD相机15拍摄不同偏振光状态下的图像；
步骤2、计算机17对采集到的样品在不同偏振光状态下的深度声场图进行计算处理，得到样品的不同参数图，包括相位差δ图像、方位角
Figure BDA0002574016370000042
图像、Stokes参数S0、S1、S2和S3图像。具体方法为：
根据Mueller矩阵计算确定各个参数：δ、
Figure BDA0002574016370000043
S0、S1、S2和S3，具体过程为：根据入射光的Stokes矢量为Sin，全波液晶延迟器4的Mueller矩阵为MLc，第一波片5的Mueller矩阵为MQWP1，样品的Mueller矩阵为MSUM，第二波片12的Mueller矩阵为MQWP2，检偏器13的Mueller矩阵为MLP，确定出射光的Stokes矢量Sout：
Figure BDA0002574016370000051
最终的光强公式可简化为：
Figure BDA0002574016370000052
上式表示的是一个偏振状态下的光强公式，只需要通过获得的不同偏振光状态下的图就可以得到多个偏振状态下的光强公式,再根据已知的I和θ，利用傅里叶级数求解系数的方法求得式中的参数δ和
Figure BDA0002574016370000053
根据Jones矩阵和Mueller矩阵的关系计算出自然光入射样品后的出射光波Stokes参量：
Figure BDA0002574016370000054
式中，MLP、MQWP2、MSUM、MQWP1、MLC分别为检偏器、第二波片、样品、第一波片和全波液晶延迟器的Mueller矩阵，I0为入射光光强，δ为相位差，
Figure BDA0002574016370000055
为方位角，θ为全波液晶延迟器的相位延迟量，Idp为平均光强，S0、S1、S2、S3为Stokes的四个参数。
综上，本发明基于近红外偏振成像的技术基础，对样品深处的声场进行成像，结合了超声成像和光学成像的方法。利用近红外偏振成像代替超声波探测器探测成像，不需要图像重构，结果直观、成像快速。且与纯光学成像相比，探测光与样品内部激励声场相互作用，可以表现出样品内部物质的弹性性质。另外，使用近红外光照射成像，对生物样品成像深度比可见光更深；使用偏振成像技术，提高图像对比度和分辨率，具有直观、成像快速、无损、成像深、调节精度高、分辨率高等优点。

Claims (8)

1.一种基于近红外偏振成像的深度声场成像装置，其特征在于，包括LED光源(1)、沿LED光源(1)出射光束方向依次同轴设置的准直透镜组(2)、液晶偏振调制器(6)和反射镜(7)，沿反射镜(7)反射光方向同轴设置的可移动反射镜(8)，沿可移动反射镜(8)反射光方向同轴设置的半透半反镜(9)，沿半透半反镜(9)反射光方向依次同轴设置的物镜(10)和载物台(11)，以及沿所述反射光经半透半反镜(9)透射的方向依次同轴设置的第二波片(12)、检偏器(13)、成像透镜(14)、CCD相机(15)；所述液晶偏振调制器(6)通过液晶控制器(16)和计算机(17)连接，CCD相机(15)和计算机(17)连接。
2.根据权利要求1所述的基于近红外偏振成像的深度声场成像装置，其特征在于，所述LED光源(1)、准直透镜组(2)、液晶偏振调制器(6)、反射镜(7)、可移动反射镜(8)、半透半反镜(9)、物镜(10)、第二波片(12)、检偏器(13)、成像透镜(14)和CCD相机(15)均工作于近红外波段。
3.根据权利要求1所述的基于近红外偏振成像的深度声场成像装置，其特征在于，所述液晶偏振调制器(6)包括沿LED光源(1)出射光束方向依次同轴设置的线偏振片(3)、全波液晶延迟器(4)和第一波片(5)。
4.根据权利要求3所述的基于近红外偏振成像的深度声场成像装置，其特征在于，所述第一波片(5)和第二波片(12)均为1/4波片。
5.基于权利要求1至4任一所述的装置的成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、打开LED光源(1)，计算机(17)通过液晶控制器(16)控制全波液晶延迟器(4)使液晶偏振调制器(6)改变出射光束的偏振角度，同时计算机(17)控制CCD相机(15)拍摄不同偏振光状态下的深度声场图；
步骤2、计算机(17)对采集到的样品在不同偏振光状态下的深度声场图进行计算处理，得到样品的不同参数图。
6.根据权利要求5所述的基于近红外偏振成像的深度声场成像方法，其特征在于，所述样品的不同参数图包括相位差δ图像、方位角
Figure FDA0002574016360000011
图像、Stokes参数S0、S1、S2和S3图像。
7.根据权利要求5所述的基于近红外偏振成像的深度声场成像方法，其特征在于，计算机(17)对采集到的样品在不同偏振光状态下的深度声场图进行计算处理，得到样品的不同参数图的具体方法为：
根据不同偏振光状态下深度声场图对应的光强表达式，利用傅里叶级数求解系数法获得相位差和方位角；
根据Jones矩阵和Mueller矩阵的关系计算出自然光入射样品后的出射光波斯托克斯矢量，具体公式为：
Figure FDA0002574016360000021
式中，Idp为平均光强，
Figure FDA0002574016360000022
为方位角，δ为相位差。
8.根据权利要求7所述的基于近红外偏振成像的深度声场成像方法，其特征在于，所述光强表达式具体为：
Figure FDA0002574016360000023
式中，I0为入射光光强，θ为全波液晶延迟器的相位延迟量。
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