CN114563879B - 一种基于频率域追踪的多模光纤稳定成像方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于频率域追踪的多模光纤稳定成像方法及装置，包括：激发光经多模光纤传输后在出射端及反射端频率域交替生成聚焦点，通过出射端聚焦点进行扫描成像，对反射端频率域焦点强度进行实时探测，一旦外界环境发生改变，通过预设矩阵补偿，本发明相对于原有的多模光纤显微内镜，通过添加反射频率域监控追踪实现了反射传输矩阵与透射传输矩阵的联系，并能够以高速高灵敏方式实现了高分辨高信噪比稳定成像。

Description

一种基于频率域追踪的多模光纤稳定成像方法及装置
技术领域
本发明属于纤维内镜领域，特别涉及一种基于频率域追踪的多模光纤稳定成像方法及装置。
背景技术
多模光纤是一种极具潜力的成像介质。利用像头发一样细的多模光纤作为微创内窥镜，克服了光学元件大小和信息容量之间的权衡，是一种很有前途的策略。波前整形已经成为控制这种复杂传播行为的有力工具。 这种能力的核心是传输矩阵概念，它将散射描述为一种线性操作，将入射在光纤一侧的一组输入空间光模式与另一侧的一组新的输出模式相关联。通过在需要检测的区域插入导管进行光斑点扫描，对收集光强进行重建即可实现对观察区域的成像。
但在目前的多模光纤成像装置中，这种器械由于无法在自身几何形变及温度变化环境下，兼具优秀的成像能力。近年来几种方法已经被提出使得光纤在特定情况下稳定成像。 例如，在光纤远端放置反射器组件，利用不同波长的反射光进行传输矩阵计算，然而由于每种传播模式都需要复杂的反射器设计且传输矩阵计算过程复杂，时延大，无法实时稳定成像。 另一种方法是通过精确测量弯曲参数结合波导理论模型计算传输矩阵，这种方法由于实际检测过程中难以精准探测光纤形变及温度变化，难以被广泛使用在医疗、化学、生物和工业检测当中。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出一种基于频率域追踪的多模光纤稳定成像方法及装置方案，该方案在保证光纤高分辨高信噪比性能的基础上，实现实时动态（>15帧/秒）的稳定成像。
为实现以上目的，本发明提出一种基于频率域追踪的多模光纤稳定成像方法，包括以下步骤：
激光器发出激发光束，经过扩束镜进行光束直径扩大以覆盖空间光调制器件调制区域，经由空间光调制器反射到空间滤波系统进行级次滤波后，耦合进入多模光纤。物光在光纤透射后形成的光斑经物镜和透镜传输同时被相机记录。通过离轴全息术、强度传输方程或同轴相移解出物光复振幅分布，之后不断变换空间光调制器件的全息图，将入射光复振幅
Figure 686259DEST_PATH_IMAGE002
和出射光复振幅
Figure 416317DEST_PATH_IMAGE004
建立完备联系
Figure 757300DEST_PATH_IMAGE006
，得出光纤对应的透射传输矩阵
Figure 170570DEST_PATH_IMAGE008
；
光纤出射端面会产生反射光信号，经由光纤回传，经过物镜，被第二相机捕捉空间频率信号。之后不断变换空间光调制器件的全息图，将入射光复振幅
Figure 862583DEST_PATH_IMAGE010
和出射光复振幅
Figure 130753DEST_PATH_IMAGE012
建立完备联系
Figure 44352DEST_PATH_IMAGE006
，得出光纤对应的反射传输矩阵
Figure 5354DEST_PATH_IMAGE008
；
利用光纤透射传输矩阵在空间光调制器上加载全息图来调制激发光，在光纤出射端可成聚焦光斑。同时通过光纤反射传输矩阵在空间光调制器上加载全息图在光纤反射端频率域可形成聚焦光斑。利用出射端聚焦光斑对样品扫描，激发出信号光后，得到的光被同一根多模光纤接收，经分束反射，由光电探测器接收，实现了对一个样品的成像。同时通过根据反射频率域的聚焦光斑强度判断当前形变及温度变化，并通过预设透射传输矩阵进行实时补偿，消除复杂环境带来的影响，得到样品的稳定成像。
本发明还提供一种基于频率域追踪的多模光纤稳定成像装置，包括激光器、第一透镜、空间光调制器、空间滤波系统、第一分束镜、第一物镜、多模光纤、可编程门控阵列（FPGA）、第二分束镜、第二相机、滤光片、光电探测器，空间光调制器和可编程门控阵列电路连接，所述的激光器发出激发光，经过第一透镜扩束后再经空间光调制器反射到空间滤波系统进行滤波，再通过第一分束镜和第一物镜耦合进入多模光纤，在多模光纤中形成出射光和反射光，出射光传输到可编程门控阵列上并保存，反射光由多模光纤回传并经过第一物镜、第一分束镜、第二分束镜、滤光片后被光电探测器接收，并在通过第二分束镜后被第二相机捕捉空间频率信号。
作为优选，本装置还包括设置于多模光纤和可编程门控阵列之间的校准机构。
作为优选，所述校准机构包括沿光路方向设置的第二物镜、第二透镜和第一相机，第二物镜和第二透镜对多模光纤的出射光进行校准并传输给第一相机数字记录，传输到可编程门控阵列上并保存。
本发明提出在基于波前整形光纤点扫描成像的基础上，通过规划路径，对光纤形状进行大致估计，预先校准传输矩阵，并建立入射、反射、透射三者的频率对应关系。在成像过程中添加监控回路，检测光纤反射空间频率信号。因为在这种情况下，位于反射频率域中心区域的光斑敏感度最高，且强度最大易于被探测器进行高速捕捉，这是频率域追踪的一大优点，再结合光纤在形变及温度变化下的矩阵规律性变化，可以大大减少所需追踪数目。最后通过在空间光调制器件加载响应的补偿全息图，使聚焦光斑在环境改变后（几何形变、温度）重新实现聚焦，实现高信噪比高分辨率稳定成像。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
(1)相对于原有的多模光纤显微内镜，只需要添加反射光空间频率探测，再通过强度检索建立与预设传输矩阵的联系；
(2)利用频率聚焦点高灵敏高强度特性可实现快速反馈补偿；
(3)装置结构简单，数据处理方便，为光纤内镜成像领域提供了良好的研究手段。
附图说明
图1为本发明中一种基于频率域追踪的多模光纤稳定成像装置示意图，虚线内装置标定透射传输矩阵时所需而实际成像时可去除的的校准光路；
图2为多模光纤透射及反射频率对应关系示意图；
图3 稳定光纤成像应用实施例图；
图4为反馈补偿程序流程图；
图5a为形变控制简单装置示意图；
图5b为反射空间频率聚焦光斑强度随形变状态下降图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
实施例1
如图1所示，一种基于频率域追踪的多模光纤稳定成像装置，包括激光器1、第一透镜2、空间光调制器3、空间滤波系统4、第一分束镜5、第一物镜6、多模光纤7、可编程门控阵列12、第二分束镜13、第二相机14、滤光片15、光电探测器16，空间光调制器3和可编程门控阵列12电路连接，所述的激光器1发出激发光，经过第一透镜2扩束后再经空间光调制器3反射到空间滤波系统4进行滤波，再通过第一分束镜5和第一物镜6耦合进入多模光纤7，在多模光纤7中形成出射光和反射光，出射光传输到可编程门控阵列12上并保存，反射光由多模光纤7回传并经过第一物镜6、第一分束镜5、第二分束镜13、滤光片15后被光电探测器16接收，并在通过第二分束镜13后被第二相机14捕捉空间频率信号。
进一步的，本装置还包括设置于多模光纤7和可编程门控阵列12之间的校准机构，所述校准机构包括沿光路方向设置的第二物镜9、第二透镜10和第一相机11，第二物镜9和第二透镜10对多模光纤7的出射光进行校准并传输给第一相机11数字记录，传输到可编程门控阵列12上并保存。
本实例中，应用领域可包括人体腔道探测，长管道管壁，微流控监测等，通过光纤探头实现细胞级内窥成像，如图3所示。多模光纤材质上可以选用石英光纤、塑料光纤、玻璃光纤、光子晶体光纤等。光纤的直径和长度取决于所研究区域的狭窄程度及深度决定。空间光调制器件可选用数字微镜子阵列、液晶空间光调制器、变形镜等一系列可以自由调控光波前的装置。第二相机可更换为更高速的光电倍增管、雪崩二级管等高速光电探测器。可编程门控阵列为便携嵌入式开发使用，可更换为个人台式主机或服务器等。
作为一种反射/荧光扫描显微镜，为了稳定获得图像，需要在光纤的出射端生成聚焦光斑并对样品进行扫描，并进行实时补偿。其过程如下：
（1）激光器1发出激发光，经第一透镜2扩束至能覆盖空间光调制器3调制范围，入射到空间光调制器3上；
（2）通过可编程门控阵列12生成用于测量的全息图, 加载到空间光调制器3上，通过衍射角度结合空间光调制器3闪耀光栅的性质将光能集中到-1衍射级同时含有预设相位信息，通过空间滤波系统4，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
Figure 653504DEST_PATH_IMAGE002
；
（3）将被调制过的光
Figure 459786DEST_PATH_IMAGE002
，通过分束镜5及第一物镜6耦合到多模光纤7中，为了通过离轴全息或者同轴相移、强度传输方程得到光纤出射端的光斑复振幅
Figure DEST_PATH_IMAGE014
分布，将调制光纤7的出射光由物镜9及透镜10传输到相机11数字记录，传输到可编程门控阵列12上并保存；
（4） 之后将一组测量基矢通过可编程门控阵列12输入空间光调制器3，将入射光复振幅
Figure DEST_PATH_IMAGE016
和出射光复振幅
Figure 198198DEST_PATH_IMAGE004
建立联系
Figure DEST_PATH_IMAGE018
，得出物镜焦平面对应的传输矩阵
Figure 720315DEST_PATH_IMAGE008
；
（5）多模光纤7出射端面在激发过程中会产生反射光信号，反射光经由多模光纤7回传，经过第一物镜6，分束镜5，分束镜13被第二相机14捕捉空间频率信号，之后将一组测量基矢通过可编程门控阵列12输入空间光调制器3，将入射光复振幅
Figure DEST_PATH_IMAGE020
和出射光复振幅
Figure DEST_PATH_IMAGE022
建立完备联系
Figure DEST_PATH_IMAGE024
，得出光纤对应的反射传输矩阵
Figure 183657DEST_PATH_IMAGE008
；
（6）利用多模光纤7透射传输矩阵在空间光调制器3上加载全息图来调制激发光，在多模光纤7出射端生成扫描聚焦光斑，同时通过光纤反射传输矩阵在空间光调制器上加载全息图在光纤反射端频率域可形成聚焦光斑，如图2所示,其中每一个聚焦点对应一个形变及温度改变，并且出射与入射相互一一对应。利用出射端聚焦光斑对样品8扫描，激发出信号光后，得到的光被同一根多模光纤接收，经第一物镜6，分束镜5，分束反13反射，滤光片15最后由光电探测器16接收，根据扫描顺序将光强信息重组实现了对一个样品的成像，如图5所示。同时通过根据反射频率域的聚焦光斑强度判断当前形变及温度变化，并通过预设透射传输矩阵进行实时补偿，重新调取空间光调制器11上传新全息图，消除复杂环境带来的影响，得到样品的稳定成像，流程如图4所示。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于频率域追踪的多模光纤稳定成像装置，其特征在于：包括激光器、第一透镜、空间光调制器、空间滤波系统、第一分束镜、第一物镜、多模光纤、可编程门控阵列、第二分束镜、第二相机、滤光片、光电探测器，空间光调制器和可编程门控阵列电路连接，所述的激光器发出激发光，经过第一透镜扩束后再经空间光调制器反射到空间滤波系统进行滤波，再通过第一分束镜和第一物镜耦合进入多模光纤，在多模光纤中形成出射光和反射光，出射光传输到可编程门控阵列上并保存，反射光由多模光纤回传并经过第一物镜、第一分束镜、第二分束镜、滤光片后被光电探测器接收，并在通过第二分束镜后被第二相机捕捉空间频率信号；
所述多模光纤稳定成像装置还包括设置于多模光纤和可编程门控阵列之间的校准机构；所述校准机构包括沿光路方向设置的第二物镜、第二透镜和第一相机，第二物镜和第二透镜对多模光纤的出射光进行校准并传输给第一相机数字记录，传输到可编程门控阵列上并保存。
2.一种基于频率域追踪的多模光纤稳定成像装置的成像方法，其特征在于，用于权利要求1所述的基于频率域追踪的多模光纤稳定成像装置，包括以下步骤：
步骤S1：测量光纤透射及反射传输矩阵，让激发光经多模光纤传输后在出射端及反射端频率域交替生成聚焦光斑；
步骤S2：利用出射聚焦光斑对样品进行扫描，并利用反射频率域信号生成的聚焦光斑进行外界环境监控；所述利用反射频率域信号生成的聚焦光斑进行外界环境监控是指，利用反射频率域聚焦光斑的强度变化与外界环境的变化建立灵敏的对应关系，根据反射频率域的聚焦光斑强度判断外界环境的当前形变及温度变化；
步骤S3：通过预设传输矩阵进行补偿，得到样品的高信噪比图像；所述通过预设传输矩阵进行补偿是指，通过预计环境变化，预先通过实际测量或根据对应物理参数模拟计算对应传输矩阵进行实时补偿。
3.根据权利要求2所述的一种基于频率域追踪的多模光纤稳定成像装置的成像方法，其特征在于：所述步骤S1中测量光纤透射及反射传输矩阵是指利用波前调制测量光纤入射光与透射/反射光的变化关系，测量方式包括离轴全息或者同轴相移、强度传输方程。
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