CN114018873B - 一种快速大视场高分辨的光学内窥显微系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大视场快速高分辨的光学内窥显微方法，所涉及整个系统包括光源、光学透镜、二维色散元件、孔径光阑、分束镜、探测器等，其中，二维色散元件、光纤和微型光学透镜被集成在光学内窥镜头端，该光源通过光频梳芯片的调制，出射光为光学电磁频域离散的光谱信号，进一步，所述电磁频域离散光谱信号通过二维色散元件，生成空间二维分布的共聚焦照明光斑阵列，并被用于对被观测样品进行二维共焦照明成像，结合锁模与干涉增强技术，通过对所获取样品表面信息干涉信息的傅里叶解析，得到被观测样品表面高分辨强度图像和相位信息，本发明所提方法借助飞秒脉冲光的超快特性，可以实现对被观测样品表面像的视频级成像。
Description
技术领域
本发明涉及光学显微内窥的技术领域，具体涉及一种快速大视场高分辨的光学内窥显微系统及方法。
背景技术
光纤内镜作为一种新型的内窥成像器械，是今年来最有前景的一种超细内镜实现方案。光纤内镜技术利用光学纤维束或者单根光学纤维实现内窥照明和像的接收，结合光场的可调谐器械实现对被观测样品的共聚焦成像等功能。得益于光学纤维的柔软特性和超细特性，以及光纤内镜系统的照明、调制和成像等模块均位于体外，光纤内镜插入部可以做到外径1 mm量级，为狭小区域的内窥显微观察提供可能。
光纤内镜的插入部采用纯光学设计方案，可与近年来快速发展的光学显微成像方法结合，打破传统电子内镜的成像分辨率不足的局限性，开创亚细胞尺度的病理研究和超精细缺陷检测等。比如，近年来，不少研究者报道了光纤束或者多模光纤与共聚焦技术相结合成像方案，并将系统分辨率提升到微米量级。目前，已报道的光纤内镜技术都基于光场调制技术，实现对被观测样品的共焦成像，成像速度易受限。同时，相关成像技术的单次照明成像视场范围较小，以光纤束内镜为例：~300μm *300μm。
针对当前光纤内镜领域所存在的以上问题，本发明提出一种基于光频梳调制照明的新型光纤内镜成像方案，该方案在保持光纤共聚焦内窥成像高分辨性能的基础上，将单次成像视场范围提升至~1mm2，同时，利用脉冲光的超快特性，可实现视频级（>20帧/秒）的内窥显微观察。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种快速大视场高分辨的光学内窥显微系统及方法，以实现对样品的快速大视场内窥显微观察。
为解决上述技术问题，本发明基于光频梳芯片调制照明的大视场高分辨光纤内窥显微系统，包括第一光频梳光源、第二光频梳光源、第一带通滤光片、第二带通滤光片、分光镜、第一透镜元件、第二透镜元件、第三透镜元件、第四透镜元件、第一孔径光阑、第二孔径光阑、内窥探头、被观测样品、第一反射镜、第二反射镜、偏振分束镜、探测器，所述的第一光频梳光源出射的光依次经过第一带通滤光片、分光镜、第一透镜元件、第一孔径光阑、第二透镜元件、内窥探头投射到被观测样品表面形成信号光，该信号光被内窥探头接收并依次通过第二透镜元件、第一孔径光阑、第一透镜元件以及分光镜之后被反射镜偏折，再经过第三透镜元件、第二孔径光阑、第四透镜元件到达偏振分束镜，同时来自第二光频梳光源的参考光经过第二带通滤光片、第二反射镜后与信号光在偏振分束镜内进行合束，生成的干涉信号由探测器接收。
进一步地，所述的内窥探头包括按顺序依次排列的光纤、第五透镜元件、第六透镜元件以及包覆在外部的内窥探头保护套。
进一步地，所述的内窥探头还包括二维色散元件，该二维色散元件位于光纤和第五透镜元件之间。
进一步地，所述的二维色散元件由柱面镜、平面平性腔、衍射光栅构成，入射光首先通过柱面镜，生成线聚焦光斑；之后通过平行平面腔，宽谱光将沿着线聚焦光斑的方向离散扩展；最后，利用衍射光栅，将生成的离散扩展光斑沿着垂直于线聚焦光斑的方向上生成二维光斑阵列。所述二维色散元件也可由具有二维色散特性的光纤代替。
进一步地，所述的第一光频梳光源和第二光频梳光源由同一台光频梳调制的可调谐宽谱激光器进行分光实现，或者由工作波段相同或相近的两台飞秒激光器实现。
进一步地，所述的第一透镜元件、第二透镜元件、第三透镜元件、第四透镜元件、第五透镜元件、第六透镜元件均为光学透镜或光学透镜组。
进一步地，所述的探测器为平衡探测器或光电倍增管探测器。
本发明还提供了基于上述系统的一种快速大视场高分辨的光学内窥显微方法，包含以下步骤：
（1）通过所述系统获取被观测样品的干涉信号；
（2）对干涉信号进行傅里叶解析，得到被观测样品表面的强度信息和相位信息。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：（1）本发明利用光频梳芯片对可调谐飞秒激光器进行调制，生成在光学电磁频域上离散且等间距分布的脉冲序列，这些脉冲序列间的周期较小，具有超快传输特性，可实现20frame/s以上的视频级成像。（2）本发明利用二维色散元件生成二维分布的共聚焦照明光斑，可对内窥被观测样品表面实现大视场下的高分辨观察。（3）本发明采用干涉测量方法，通过傅里叶变换解析，可以同时获取内窥被观测样品表面的强度信息和相位信息。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明中内窥探头的结构示意图；
图3是本发明实施例中所生成二维共聚焦照明光斑图；
图4是本发明实施例中离散的光脉冲信号依次被探测器探测的示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例，对本发明的技术方案作进一步阐述。
如图1-2所示，本发明所述的一种大视场快速高分辨的光学内窥显微系统，包括第一光频梳光源102、第二光频梳光源101、第一带通滤光片103、第二带通滤光片110、分光镜104、第一透镜元件105、第二透镜元件107、第三透镜元件112、第四透镜元件114、第一孔径光阑106、第二孔径光阑113、内窥探头108、被观测样品109、第一反射镜111、第二反射镜115、偏振分束镜116、探测器117，所述的第一光频梳光源102出射的光通过第一带通滤光片103及分光镜104后，经过第一透镜元件105、第二透镜元件107组成的4f系统后，在第二透镜元件107的后焦面处耦合进内窥探头108中的光纤201中，在第一透镜元件105的后焦面上由第一孔径光阑106对入射光进行滤光处理，光纤201的出射端位于第五透镜元件204的前焦面，光纤201本身可以作为二维色散元件，但为提升不同波长光的二维色散效果，进一步引入二维色散元件203，所述二维色散元件203由柱面镜、平面平性腔、衍射光栅构成，入射光首先通过柱面镜，生成线聚焦光斑；之后通过平行平面腔，宽谱光将沿着线聚焦光斑的方向离散扩展；最后，利用衍射光栅，将生成的离散扩展光斑沿着垂直于线聚焦光斑的方向上生成二维光斑阵列，所述二维色散元件203也可由具有二维色散特性的光纤代替，最终，经过色散调制生成的二维共聚焦光斑阵列通过第六透镜元件205投射到被观测样品109表面；
来自被观测样品109表面的信号光通过第六透镜元件205被接收，并依次通过内窥探头108、第二透镜元件107、第一孔径光阑106、第一透镜元件105以及分光镜104，随后，样品散射的信号光被反射镜111偏折，借助第三透镜元件112、第二孔径光阑113、第四透镜元件114组成的空间滤光模块对信号光进行滤光处理，同时，来自第二光频梳光源101的参考光经过第二带通滤光片110和反射镜115的偏折，与信号光通过偏振分束镜116进行合束，所生成干涉信号由探测器117接收；最后，对所样品表面信息的干涉信号进行傅里叶解析，得到被观测样品109表面的强度信息和相位信息。
如图3所示，来自第二光频梳光源101的光经过二维色散元件203的调制后，生成二维离散的共聚焦照明光斑，其中每个光斑对应各自波长，且成像于成像视场范围内中的不同位置处。同时，如图4所示，不同波长（对应不同成像位置）的信号光按照时序依次被探测器117所接收。因此，可以通过分时获取，依次解析重构不同照明波长下的样品信号，结合图像拼接算法，获取被观测样品的宽场像。
本系统结合锁模技术，可生成光学电磁频域上离散且等间距分布的脉冲序列。所述光学内窥显微系统的图像获取速度等效于两路光频梳光源的频率间隔差，如所采用第一光频梳光源工作频率间隔为100387960 Hz，第二光频梳光源工作频率间隔为100387984Hz，利用锁模技术，可以对两路光频梳光源工作频率间隔进行稳频，相应的图像采集速度可以稳定在24Hz。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，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)
1.一种大视场快速高分辨的光学内窥显微系统，其特征在于：包括第一光频梳光源（102）、第二光频梳光源（101）、第一带通滤光片（103）、第二带通滤光片（110）、分光镜（104）、第一透镜元件（105）、第二透镜元件（107）、第三透镜元件（112）、第四透镜元件（114）、第一孔径光阑（106）、第二孔径光阑（113）、内窥探头（108）、被观测样品（109）、第一反射镜（111）、第二反射镜（115）、偏振分束镜（116）、探测器（117），所述的第一光频梳光源（102）出射的光依次经过第一带通滤光片（103）、分光镜（104）、第一透镜元件（105）、第一孔径光阑（106）、第二透镜元件（107）、内窥探头（108）投射到被观测样品（109）表面形成信号光，该信号光被内窥探头（108）接收并依次通过第二透镜元件（107）、第一孔径光阑（106）、第一透镜元件（105）以及分光镜（104）之后被反射镜（111）偏折，再经过第三透镜元件（112）、第二孔径光阑（113）、第四透镜元件（114）到达偏振分束镜（116），同时来自第二光频梳光源（101）的参考光经过第二带通滤光片（110）、第二反射镜（115）后与信号光在偏振分束镜（116）内进行合束，生成的干涉信号由探测器（117）接收；
所述的内窥探头（108）包括按顺序依次排列的光纤（201）、第五透镜元件（204）、第六透镜元件（205）以及包覆在外部的内窥探头保护套（202），所述的内窥探头（108）还包括二维色散元件（203），该二维色散元件（203）位于光纤（201）和第五透镜元件（204）之间，所述的二维色散元件（203）由柱面镜、平面平性腔、衍射光栅构成，入射光首先通过柱面镜，生成线聚焦光斑；之后通过平行平面腔，宽谱光将沿着线聚焦光斑的方向离散扩展；最后，利用衍射光栅，将生成的离散扩展光斑沿着垂直于线聚焦光斑的方向上生成二维光斑阵列；所述二维色散元件（203）也可由具有二维色散特性的光纤代替。
2.根据权利要求1所述的一种大视场快速高分辨的光学内窥显微系统，其特征在于：所述的第一光频梳光源（102）和第二光频梳光源（101）由同一台光频梳调制的可调谐宽谱激光器进行分光实现，或者由工作波段相同或相近的两台飞秒激光器实现。
3.根据权利要求1所述的一种大视场快速高分辨的光学内窥显微系统，其特征在于：所述的第一透镜元件（105）、第二透镜元件（107）、第三透镜元件（112）、第四透镜元件（114）、第五透镜元件（204）、第六透镜元件（205）均为光学透镜或光学透镜组。
4.根据权利要求1所述的一种大视场快速高分辨的光学内窥显微系统，其特征在于：所述的探测器（117）为平衡探测器或光电倍增管探测器。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的一种大视场快速高分辨的光学内窥显微系统的内窥显微方法，其特征在于：所述方法包含以下步骤：
（1）通过所述系统获取被观测样品（109）的干涉信号；
（2）对干涉信号进行傅里叶解析，得到被观测样品（109）表面的强度信息和相位信息。
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