CN114504292A - 一种小型化高分辨高帧率光纤内窥成像装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小型化高分辨高帧率光纤内窥成像装置及方法，装置包括激光器、光电探测器、控制电路板、算力服务器，物光的光路上设有声光偏转器、二向色镜、单根光纤以及相机，本装置在实时成像之前需对当前光纤的传输特性进行标定，对当前光纤的传输特性进行标定时，将光纤的输出端连接至相机，将相机采集的标定数据经控制电路板传递至算力服务器保存，用于光纤图像解调时使用；进行对样品的成像时，将相机从光纤输出端卸下，并将样品放置于光纤的输出端，本发明光路系统所包含的光学元件数量较少，体积较小，可显著减小光纤内窥装置的整体体积，有利于光纤内窥装置的小型化，可实现高分辨，高帧率的光纤内窥图像。

Description

一种小型化高分辨高帧率光纤内窥成像装置及方法

技术领域

本发明涉及光纤显微内镜领域，具体地说，涉及一种小型化高分辨高帧率光纤内窥成像装置及方法。

背景技术

光纤内窥镜是一种成像装置，通过将导光管连接光源，并操作控制其进入待检测的区域，通过后端的成像装置即可实现对待检测区域的观测成像。光纤内窥镜由于具有优秀的传像能力及可弯曲特性，且不受外界电磁场及温度变化的影响，被广泛应用于医疗诊断及工业检测中。

单模光纤束是目前最常用于光纤内窥镜的光纤类型，但由于需要在光纤束的端面加装微透镜，因此其端面的尺寸较大，难以应用于侵入性与破坏性小的内窥应用场景；且由于光纤束中单模光纤之间的不透光间隔层，在后端成像的图像中会形成蜂窝状网格噪声，影响内窥镜显示图像的展示和辨识。近年来新出现了采用单根光纤作为导光管的光纤内窥镜，虽然其相较于光纤束内窥镜可以减小光纤探头端面尺寸，但受限于光束扫描速度与模式耦合图像解调机制，仅可得到分辨率和帧率都十分有限的内窥图像，难以实际应用于医疗诊断。

发明内容

针对现有光纤内窥镜所存在的诸多问题，本发明提出一种小型化高分辨高帧率光纤内窥成像装置及方法。该方案采用单根光纤制备内窥镜，具有更高的光收集效率和更低的制备成本，更高的光收集效率可以保证在输出端光强不变的情况下尽可能减小光源的功率及尺寸，有利于内窥镜系统整体的小型化；阻碍单根光纤难以被用于进行实时高分辨高帧率成像的模式耦合问题，也随着近年来理论、器件、控制电路与处理计算能力的快速发展而得到解决；可进行实时高分辨高帧率成像、直径仅有数百微米的单根光纤作为探头的光纤内窥镜在全新的、侵入性与破坏性小、进入狭窄腔体的内窥成像领域有着广阔的应用前景。

为了实现上述目的，本发明提供的一种小型化高分辨高帧率光纤内窥成像装置，包括沿光路方向依次设置的激光器、用于采集样品反射光光强的光电探测器、用于对装置进行综合控制的控制电路板、用于解调光纤图像数据的算力服务器，所述激光器的出射光路上设有对物光进行扫描调制的声光偏转器（AODF）、用于反射和透射物光的二向色镜、用于传输物光的光纤以及用于记录当前光纤的传输特性数据的与控制电路板相连接的相机，所述光纤的输入端设有光纤物镜，光纤的输出端设有相机物镜。

上述技术方案中，将激光器出射的光束经过两个偏转方向垂直的声光偏转器组合偏转后射入二向色镜，经过二向色镜反射后经过第一物镜输入单根光纤中，光束经由单根光纤射出并照射至样品，经样品反射后的光束沿原路返回至二向色镜，经二向色镜透射之后射入与控制电路板连接的光电探测器中，获取单像素的光强值；两个声光偏转器在控制电路板的控制下使光束按照顺序发生两个垂直方向的偏转，使光束实现二维扫描，得益于声光偏转器的高速光束偏转能力，光束可以以极快的速度改变偏转角度，也因此可以大大提高二维扫描的分辨率和帧率；光束完成一帧图像的二维扫描之后，控制电路板会按照按顺序获取的单像素光强值序列生成一帧原始光强图像，并将原始光强图像发送至搭载有图像处理器的服务器进行图像的解调，解调完成后的图像会由服务器再传回控制电路板，最终显示在与控制电路板连接的显示器上。

作为优选，在第一次运行前或更换光纤之后，光纤内窥装置需进行光纤图像传输特性的标定，此时需在光纤末端探头处安装相机及相机物镜，使用相机将光纤输出端输出的图像按照单像素扫描顺序依次记录并整合为光纤特性数据，经由控制电路板发送至算力服务器供图像解调时使用。

本发明使用单根光纤进行图像的传输，使用声光偏转器（AODF）实现光束的高速二维扫描，并配合光电传感器获得各像素点的光强值，进而获得高分辨高帧率的光纤图像，图像数据将发送至算力服务器进行光纤图像的解调，解调完成的图像数据也将传回光纤内窥装置并显示在与其连接的显示器上。

本发明还提供了基于上述装置的一种小型化高分辨高帧率光纤内窥成像方法，其包括光纤特性标定和实时成像两个部分。

其中，光纤特性标定部分包括以下步骤：

S1：激光器发出激发光，经声光偏转器组合进行偏转，由二向色镜反射后经物镜输入光纤中，光束经光纤传导，由相机物镜输出至相机；

S2：通过控制电路板控制声光偏转器组合与相机，通过声光偏转器组合控制光束偏转，并控制相机采集光束在不同偏转下的图像数据；

S3：采集完毕之后控制电路板将数据汇总，并通过有线或无线通讯的方式发送至算力服务器，完成一种小型化高分辨高帧率光纤内窥成像装置的标定。

实时成像部分包括以下步骤：

T1：激光器发出激发光，经声光偏转器组合进行偏转，由二向色镜反射后经物镜输入光纤中，光束经光纤传导，照射待测样品后反射，反射光束经光纤传回，由物镜与二向色镜透射后射入光电探测器中，获得当前单像素的光强强度值；

T2：通过控制电路板控制声光偏转器组合与光电探测器，通过声光偏转器组合控制光束进行二维扫描，并控制光电探测器采集各个像素点的光强值，形成一帧原始光强图；

T3：采集一帧原始光强图像之后，控制电路板将原始光强图像通过有线或无线通讯的方式发送至算力服务器，由算力服务器进行原始光强图像的实时解调，解调完成的图像再发送回控制电路板，由与控制电路板连接的显示器进行内窥图像的实时显示。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

相对于现有的光纤内窥镜，本发明利用可以实现高速光束偏转的声光偏转器可实现高分辨，高帧率的光纤内窥图像。

本发明中的光路系统所包含的光学元件数量较少，体积较小，可显著减小光纤内窥装置的整体体积，有利于光纤内窥装置的小型化。

通过将图像的解调由光纤内窥装置之外的算力服务器来实现，可以极大地提高图像的解调速度，同时缩小控制电路板的体积，有利于光纤内窥装置的小型化。

附图说明

图1为本发明实施例1中小型化高分辨高帧率光纤内窥成像装置标定模式下的示意图；

图2为本发明实施例2中小型化高分辨高帧率光纤内窥成像装置成像模式下的示意图。

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。

一种小型化高分辨高帧率光纤内窥成像装置，包括沿光路方向依次设置的激光器1、用于采集样品反射光光强的光电探测器6、用于对装置进行综合控制的控制电路板7、用于解调光纤图像数据的算力服务器8；

所述激光器1的出射光路上设有对物光进行扫描调制的声光偏转器组合2、用于反射和透射物光的二向色镜3、用于传输物光的光纤5以及用于记录当前光纤的传输特性数据的与控制电路板7相连接的相机10，所述光纤5的输入端设有光纤物镜4，光纤5的输出端设有相机物镜9；

所述激光器1出射的光束经过两个偏转方向垂直的声光偏转器组合2偏转后射入二向色镜3，经过二向色镜3反射后经过光纤物镜4输入单根光纤5中，光束经由单根光纤5射出并照射至样品11，经样品11反射后的光束沿原路返回至二向色镜3，经二向色镜3透射之后射入与控制电路板7连接的光电探测器6中，获取单像素的光强值；声光偏转器组合在控制电路板7的控制下使光束按照顺序发生两个垂直方向的偏转，使光束实现二维扫描；光束完成一帧图像的二维扫描之后，控制电路板7会按照按顺序获取的单像素光强值序列生成一帧原始光强图像，并将原始光强图像发送至搭载有图像处理器的算力服务器8进行图像的解调，解调完成后的图像会由算力服务器8再传回控制电路板7，最终显示在与控制电路板7连接的显示器上。

本装置在第一次使用及更换传像光纤后需对光纤的传输特性进行标定；对当前光纤5的传输特性进行标定时，将光纤5的输出端连接至相机10，将相机10采集的标定数据经控制电路板传递至算力服务器保存，用于光纤图像解调时使用。

实施例1

参见图1，本实施例一种小型化高分辨高帧率光纤内窥成像装置的标定模式，包括沿光路方向依次设置的以下部件：

激光器1，用于出射激光光束，实现光强强度成像；

声光偏转器组合2，用于偏转激光器1发射的激光实现二维扫描；

二向色镜3，用于反射激光器1射出的光束及透射返回光束；

光纤物镜4，用于将光束输入或输出光纤；

光纤5，用于光束的传导；

光电探测器6，用于感知返回光的光强值；

控制电路板7，用于控制声光偏转器组合2及采集光电探测器6与相机10的数据，将图像数据发送给算力服务器8进行解调，并接收及显示解调后图像；

算力服务器8，用于实时解调图像数据，并将解调完成的图像发送回控制电路板7；

相机物镜9，用于将光纤传导的光束输入相机10；

相机10，用于获取光纤标定图像。

采用图1所示的装置实现的一种小型化高分辨高帧率光纤内窥成像装置的标定方法，作为一种反射式扫描显微镜，在进行成像前，需对光纤的传输特性进行标定，其过程如下：

S1：激光器1发出激发光，经声光偏转器组合2进行偏转，由二向色镜3反射后经光纤物镜4输入光纤5中，光束经光纤5传导，由相机物镜9输出至相机10。

S2：通过控制电路板7控制声光偏转器组合2与相机10，通过声光偏转器组合2控制光束偏转，并控制相机10采集光束在不同偏转下的图像数据。

S3：采集完毕之后控制电路板7将数据汇总，并通过有线或无线通讯的方式发送至算力服务器8，完成一种小型化高分辨高帧率光纤内窥成像装置的标定。

实施例2

参见图2，本实施例一种小型化高分辨高帧率光纤内窥成像装置及成像方法，包括沿光路方向依次设置的以下部件：

激光器1，用于出射激光光束，实现光强强度成像；

声光偏转器组合2，用于偏转激光器1发射的激光实现二维扫描；

二向色镜3，用于反射激光器1射出的光束及透射返回光束；

光纤物镜4，用于将光束输入或输出光纤；

光纤5，用于光束的传导；

光电探测器6，用于感知返回光的光强值；

控制电路板7，用于控制声光偏转器组合2及采集光电探测器6与相机10的数据，将图像数据发送给算力服务器8进行解调，并接收及显示解调后图像；

算力服务器8，用于实时解调图像数据，并将解调完成的图像发送回控制电路板7；

待测样品9，用于进行内窥成像的样品。

本实施例的工作过程如下：

T1：激光器1发出激发光，经声光偏转器组合2进行偏转，由二向色镜3反射后经光纤物镜4输入光纤5中，光束经光纤5传导，照射待测样品9后反射，反射光束经光纤5传回，由物镜4与二向色镜3透射后射入光电探测器6中，获得当前单像素的光强强度值。

T2：通过控制电路板7控制声光偏转器组合2与光电探测器6，通过声光偏转器组合2控制光束进行二维扫描，并控制光电探测器6采集各个像素点的光强值，形成一帧原始光强图。

T3：采集一帧原始光强图像之后，控制电路板7将原始光强图像通过有线或无线通讯的方式发送至算力服务器8，由算力服务器8进行原始光强图像的实时解调，解调完成的图像再发送回控制电路板7，由与控制电路板7连接的显示器进行内窥图像的实时显示。

本发明所述的一种小型化高分辨高帧率光纤内窥成像方法基于上述光纤内窥装置实现，具体包括以下步骤：

（1）将激光器发出的激光光束经过两个偏转方向垂直的声光偏转器进行偏转；

（2）将偏转后的光束经二向色镜反射后，通过光纤物镜射入单根光纤中；

（3）使用与控制电路板连接的相机拍摄记录光纤输出端的图像；

（4）使用控制电路板控制声光偏转器使光束在不同角度偏转，同时使用相机记录光纤输出端在不同光束偏转角度下的图像，并发送给算力服务器作为图像解调时的光纤特性数据；

（5）将相机与相机物镜从光纤输出端卸下，并将光纤输出端对准待观测样品；

（6）使用控制电路控制声光偏转器使光束在不同角度偏转，实现光束的二维扫描，偏转后的光束经二向色镜反射后，通过物镜射入单根光纤中，光束从光纤输出端射出后照射至样品，经样品反射后沿原路返回，反射光束经光纤、物镜、二向色镜透射后，射入二向色镜后的与控制电路板相连接的光电探测器内，获得单像素的光强值，通过记录光束二维扫描时获得的单像素光强值序列，即可整理获得单帧图像的原始光强图像；

（7）将控制电路板获得的原始光强图像发送至算力服务器进行图像解调，解调完成后的图像再发回控制电路板，并显示在与控制电路板连接的显示器上，实现内窥图像的实时显示。

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 (7)

1.一种小型化高分辨高帧率光纤内窥成像装置，包括沿光路方向依次设置的激光器、用于采集样品反射光光强的光电探测器、用于对装置进行综合控制的控制电路板、用于解调光纤图像数据的算力服务器，其特征在于：

所述激光器的出射光路上设有对物光进行扫描调制的声光偏转器组合、用于反射和透射物光的二向色镜、用于传输物光的光纤以及用于记录当前光纤的传输特性数据的与控制电路板相连接的相机；

所述激光器出射的光束经过两个偏转方向垂直的声光偏转器组合偏转后射入二向色镜，经过二向色镜反射后输入单根光纤中，光束经由单根光纤射出并照射至样品，经样品反射后的光束沿原路返回至二向色镜，经二向色镜透射之后射入与控制电路板连接的光电探测器中，获取单像素的光强值；声光偏转器在控制电路板的控制下使光束按照顺序发生两个垂直方向的偏转，使光束实现二维扫描；光束完成一帧图像的二维扫描之后，控制电路板会按照按顺序获取的单像素光强值序列生成一帧原始光强图像，并将原始光强图像发送至搭载有图像处理器的算力服务器进行图像的解调，解调完成后的图像会由算力服务器再传回控制电路板，最终显示在与控制电路板连接的显示器上。

2.根据权利要求1所述的一种小型化高分辨高帧率光纤内窥成像装置，其特征在于：所述光纤的输入端设有光纤物镜，光纤的输出端设有相机物镜。

3.根据权利要求1所述的一种小型化高分辨高帧率光纤内窥成像装置，其特征在于：本装置在第一次使用及更换传像光纤后需对光纤的传输特性进行标定；对当前光纤的传输特性进行标定时，将光纤的输出端连接至相机，将相机采集的标定数据经控制电路板传递至算力服务器保存，用于光纤图像解调时使用。

4.根据权利要求1所述的一种小型化高分辨高帧率光纤内窥成像装置，其特征在于：进行对样品的实时成像时，将相机从光纤输出端卸下，并将样品放置于光纤的输出端。

5.一种小型化高分辨高帧率光纤内窥成像方法，其特征在于：采用权利要求1-4任一项所述的成像装置进行成像，其实施步骤包括光纤特性标定和实时成像。

6.根据权利要求5所述的一种小型化高分辨高帧率光纤内窥成像方法，其特征在于，所述光纤特性标定过程包括以下步骤：

S1：激光器发出激发光，经声光偏转器组合进行偏转，由二向色镜反射后经物镜输入光纤中，光束经光纤传导，由相机物镜输出至相机；

S2：通过控制电路板控制声光偏转器组合与相机，通过声光偏转器组合控制光束偏转，并控制相机采集光束在不同偏转下的图像数据；

S3：采集完毕之后控制电路板将数据汇总，并通过有线或无线通讯的方式发送至算力服务器，完成装置的光纤特性标定。

7.根据权利要求5所述的一种小型化高分辨高帧率光纤内窥成像方法，其特征在于，所述实时成像的过程包括以下步骤：

T1：激光器发出激发光，经声光偏转器组合进行偏转，由二向色镜反射后经物镜输入光纤中，光束经光纤传导，照射待测样品后反射，反射光束经光纤传回，由物镜与二向色镜透射后射入光电探测器中，获得当前单像素的光强强度值；

T2：通过控制电路板控制声光偏转器组合与光电探测器，通过声光偏转器组合控制光束进行二维扫描，并控制光电探测器采集各个像素点的光强值，形成一帧原始光强图；

T3：采集一帧原始光强图像之后，控制电路板将原始光强图像通过有线或无线通讯的方式发送至算力服务器，由算力服务器进行原始光强图像的实时解调，解调完成的图像再发送回控制电路板，由与控制电路板连接的显示器进行内窥图像的实时显示。

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