CN114967104A - 一种基于光场调控的传像束大视场三维成像装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光场调控的传像束大视场三维成像装置及其方法，属于光纤内窥显微成像领域。装置中的光源模块包括线偏振激光器、扩束准直镜、半波片、偏振分束镜和第一反射镜，参考模块包括沿光束传递方向依次设置的第三显微物镜、单模光纤和第四显微物镜，调制模块包括沿光束传递方向依次设置的数字微镜阵列、第二反射镜、光学4F系统、二向色镜和第一显微物镜，探测模块包括传像束、散射介质、第四透镜和光电探测器，校正模块包括第二显微物镜、第三透镜、分束镜和相机。本发明基于光场调控，将传像束与散射介质组成的整体作为传输媒介，利用其获取目标信息进行成像，能够获得更好的成像效果。

Description

一种基于光场调控的传像束大视场三维成像装置及其方法

技术领域

本发明属于光纤显微内窥成像领域，具体涉及一种基于光场调控的传像束大视场三维成像装置及其方法。

背景技术

光学内窥成像能够进入不可破坏的物体内部进行探测，典型的内窥镜是一种通过柔软或硬质的管体深入一些常规成像装置不便于探测的部位进行成像的装置，其可以实现原本难以成像结构的可视化，在医疗和工业上有着重要的应用。

目前商用的内窥镜主要为电子内窥镜和光纤束内窥镜，电子内窥镜探头直径较大，并且成像分辨率也无法做到很高；光纤束内窥镜探头由透镜系统和单模光纤束组成，其直径在毫米级别，由于光纤束之间存在模式串扰，分辨率同样受限，同时成像受到蜂窝状噪声影响；二者均在使用中受到限制。

因此需要研究具有更细探头和更高分辨率的新型内窥镜。多模光纤就是一种很好的选择，其直径仅为百微米左右，光纤内部存在多种相互独立的传输模式，光场能够在这些模式中并行传输信息。为使用多模光纤进行成像，首先要克服其自身模式色散，易受外界条件影响等问题。研究中常用的方法是采用光场调制的方式补偿输入到多模光纤后引起的波前畸变，将无法辨识的散斑图案调制为聚焦光点，通过在样品上逐点扫描的方式进行显微成像。

理想的内窥镜应兼具微创甚至无创、高分辨率和大视场等特性，使用多模光纤进行成像，不仅能够提升传输图像的分辨率，还能够有效减小内窥镜的镜头半径，实现超细内窥显微。但是单根多模光纤成像也面临着一些问题，成像视场小，受制于自身的数值孔径，视场一般与多模光纤的直径相匹配，仅为100μm左右，并且经单根多模光纤出射的光场强度分布不均匀，视场边缘的成像结果不清晰，同时收集样本信号时其光强一般较弱，在探测时存在困难。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的缺陷，并提供一种基于光场调控的传像束大视场三维成像装置及其方法。该装置在基于光场调控的多模光纤内窥成像的基础上，将单根多模光纤替换为传像束，并在其探测端增加散射介质，使出射光场强度分布更均匀，扩大成像视场，增强探测能力，同时利用传像束中数根不同的多模光纤分别进行照明，对图像合成拼接，获得更好的成像效果。

本发明所采用的具体技术方案如下：

第一方面，本发明提供了一种基于光场调控的传像束大视场三维成像装置，包括光源模块、调制模块、探测模块、参考模块和校正模块；

所述光源模块用于提供经扩束准直后的线偏振激光，并将其可控的分配到调制模块和参考模块，包括线偏振激光器、扩束准直镜、半波片、偏振分束镜和第一反射镜；线偏振激光器发出的光束能依次经扩束准直镜、半波片和偏振分束镜后分成第一光束和第二光束，第一光束用于进入参考模块，第二光束经第一反射镜作用后能进入调制模块；

所述参考模块用于提供能与探测模块产生的探测光发生干涉的参考光，包括沿光束传递方向依次设置的第三显微物镜、单模光纤和第四显微物镜；第三显微物镜用于接收第一光束，第四显微物镜的出射光作为参考光；

所述调制模块用于对第二光束进行调控以使其能够在经传像束和散射介质作用后于样品处形成聚焦点，包括沿光束传递方向依次设置的数字微镜阵列、第二反射镜、光学4F系统、二向色镜和第一显微物镜；所述数字微镜阵列用于接收第二光束，第一显微物镜用于光纤耦合；

所述探测模块包括传像束、散射介质、第四透镜和光电探测器；通过二向色镜出射后的探测光能依次经第一显微物镜和传像束进入散射介质，传像束用于照明和收集信号，散射介质用于提升成像视场；通过二向色镜反射后的光束能经第四透镜进入光电探测器，光电探测器用于接收和处理光强信号；

所述校正模块用于在样品成像前对传像束中多模光纤的散斑进行校正，包括第二显微物镜、第三透镜、分束镜和相机；经散射介质出射的探测光能依次经第二显微物镜和第三透镜照射至分束镜，分束镜用于将探测光和参考光合束处理；相机用于测量分束镜的传输矩阵，并与计算机相连以进一步处理信号和合成图像。

作为优选，所述光学4F系统包括第一透镜和第二透镜；第一透镜的焦点位于数字微镜阵列处，第二透镜的焦点位于传像束的入射端面处，第一透镜和第二透镜之间的距离等于两透镜焦距之和。

作为优选，所述散射介质为表面涂覆有二氧化钛层或氧化锌层的玻璃。

作为优选，所述线偏振激光器、扩束准直镜、半波片和偏振分束镜同轴设置。

作为优选，所述传像束为若干根多模光纤组成的极细传像束。

进一步的，所述传像束中的一根多模光纤用于照明，其余多模光纤均用于收集光强信号。

第二方面，一种利用第一方面任一所述基于光场调控的传像束大视场三维成像装置的成像方法，具体如下：

S1：将光源模块、调制模块、探测模块、参考模块和校正模块进行连接，相机与计算机相连；线偏振激光器发出的光束通过扩束准直镜的扩束准直后、经半波片和偏振分束镜均匀分成第一光束和第二光束；第一光束依次经第三显微物镜、单模光纤和第四显微物镜传递后作为参考光进入分束镜；第二光束通过调制模块对光场进行调制，随后经传像束和散射介质作用后作为探测光进入分束镜；通过相机记录分束镜内参考光和探测光的干涉图样，通过离轴全息的方式恢复物光的信息，利用计算机测量传像束中经过的多模光纤和散射介质整体的传输矩阵；利用传输矩阵计算出所需的相位图并加载到数字微镜阵列上，通过调制模块对光场进行调制；

S2：撤掉参考模块和校正模块，将目标样品放到散射介质的出射光处；通过调节第一显微物镜，使线偏振激光器发出的光束能通过传像束中的某根多模光纤，经散射介质扩散后在样品上进行点扫描，在相位图上再附加二次相位以进行深度扫描，实现三维成像；利用传像束接收样品发射的光强信息，通过光电探测器记录并按照扫描顺序重组图像，从而得到样品的三维成像。

作为优选，所述半波片和偏振分束镜配合作用以调节探测光和参考光的光强大小。

作为优选，所述数字微镜阵列采用相位调制的方式对入射到传像束中的光场进行调制。

作为优选，光束通过所述传像束中的一根多模光纤，在样品上进行点扫描照明以进行单次成像。

本发明相对于现有技术而言，具有以下有益效果：

1)相比于现有的多模光纤内窥成像方案，本发明可以提供更大的视场，能够获取更多的样本信息，更利于样本目标区域的探索。

2)本发明采用成像束和散射介质结合的方式进行成像与照明，能够形成更均匀的点扫描分布，成像时获取频谱成分更丰富。

3)本发明可以实现用单根传像束得到大视场图像，同时为提升成像质量，可以进行多次成像并对图像进行合成。

附图说明

图1为本发明实施例中的基于光场调控的传像束大视场三维成像装置的示意图，虚线标出的部件表示传像束末端与散射介质组成的探头。

图2为传像束的一种截面图，其中包含数根多模光纤，图中用散斑图像表示其分布，圆形虚线框内为选取的照明光纤。

图3为对样品进行点扫描过程示意图，(a)为激发荧光过程，受调制的光束经传像束中的某根多模光纤传播后，在样品上进行扫描。(b)为收集荧光过程，受激发的荧光经传像束收集后传输到光电探测器。

图4为成像过程流程图。

图中附图标记为：线偏振激光器1、扩束准直镜2、半波片3、偏振分束镜4、第一反射镜5、数字微镜阵列6、第二反射镜7、第一透镜8、第二透镜9、二向色镜10、第一显微物镜11、传像束12、散射介质13、第二显微物镜14、第三透镜15、分束镜16、相机17、计算机18、第三显微物镜19、单模光纤20、第四显微物镜21、第四透镜22、光电探测器23。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。

为解决现有单根多模光纤成像视场较小，并且获取的样本光强信号较弱等问题，本发明提供了一种基于光场调控的传像束大视场三维成像装置，如图1所示。该装置基于光场调控，将传像束与散射介质组成的整体作为传输媒介，利用其获取目标信息进行成像。本发明的三维成像装置主要包括光源模块、调制模块、探测模块、参考模块和校正模块。

本装置的光源模块用于提供经扩束准直后的线偏振激光，并将其可控的分配到调制模块和参考模块。光源模块主要包括线偏振激光器1、扩束准直镜2、半波片3、偏振分束镜4和第一反射镜5。具体的，线偏振激光器1、扩束准直镜2、半波片3和偏振分束镜4同轴设置。线偏振激光器1发出的光束能依次经扩束准直镜2、半波片3和偏振分束镜4后分成第一光束和第二光束，第一光束用于进入参考模块，第二光束经第一反射镜5作用后能进入调制模块。其中，扩束准直镜2用于光束的扩束准直，半波片3和偏振分束镜4配合作用将光束均匀分配参考模块和调制模块。

本装置的参考模块用于提供能与探测模块产生的探测光发生干涉的参考光，参考模块主要包括沿光束传递方向依次设置的第三显微物镜19、单模光纤20和第四显微物镜21。第三显微物镜19用于接收第一光束，第四显微物镜21的出射光作为参考光。其中，第三显微物镜19和第四显微物镜21用于调节与光纤耦合，单模光纤20用于光束传输。

本装置的调制模块用于对第二光束进行调控以使其能够在经传像束12和散射介质13作用后于样品处形成聚焦点，调制模块包括沿光束传递方向依次设置的数字微镜阵列6、第二反射镜7、光学4F系统、二向色镜10和第一显微物镜11。数字微镜阵列6用于接收第二光束并对光束进行调制，光学4F系统能利用数字微镜阵列6实现相位调制，第一显微物镜11用于光纤耦合。

在本实施例中，光学4F系统包括第一透镜8和第二透镜9。其中，第一透镜8的焦点位于数字微镜阵列6处，第二透镜9的焦点位于传像束12的入射端面处，第一透镜8和第二透镜9之间的距离等于两透镜焦距之和。

本装置的探测模块用于激发并收集样品的荧光信号，同时对获得的信号进行处理与图像合成。探测模块主要包括传像束12、散射介质13、第四透镜22和光电探测器23。通过二向色镜10出射后的探测光能依次经第一显微物镜11和传像束12进入散射介质13。其中，散射介质13用于用于扩大视场、使光场更加均匀。传像束12用于照明和收集信号，本实施例采用的传像束12为若干根多模光纤组成的极细传像束，其截面图如图2所示，其内部包含数根多模光纤，图中表示为多模光纤的散斑图案，在照明过程中选择其中一根，图中用圆形虚线框表示，即传像束12中的一根多模光纤用于照明，其余多模光纤均用于收集光强信号。通过二向色镜10反射后的光束能经第四透镜22进入光电探测器23，光电探测器23用于接收和处理光强信号，第四透镜22用于收集样本荧光信号。

在本实施例中，散射介质13为表面涂覆有二氧化钛层或氧化锌层的玻璃。

本装置的校正模块用于在样品成像前对传像束12中多模光纤的散斑进行校正，具体是通过记录参考光与探测光的干涉图样，从而测量所经过的多模光纤与散射介质的传输矩阵实现。校正模块主要包括第二显微物镜14、第三透镜15、分束镜16和相机17。经散射介质13出射的探测光能依次经第二显微物镜14和第三透镜15照射至分束镜16，分束镜16用于将探测光和参考光合束处理。相机17用于测量分束镜16的传输矩阵，并与计算机18相连以进一步处理信号和合成图像。该校正模块只有在测量传输矩阵的过程中发挥作用，测量完成后即可将该部分替换为要探测的样品。

本装置在传像束的出射端放置散射介质，使光经多模光纤后再经散射介质扩散，能够有效扩大照明范围，使出射的光场强度分布更加均匀。对于散射介质而言，作为线性系统，其具有空间不变性，均匀的光强分布使其形成的聚焦点质量与所处的位置无关，能够增强照明能力。从频谱的角度来看，散射介质能够使原来无法会聚的光束形成聚焦点，保留了更多的高频信息，频谱得到了展宽，能够增强成像能力。

对于传像束中密集排列的数根多模光纤，本装置在单次成像过程中仅选用一根进行照明用于样品荧光的激发，在完成单次成像过程后，调节耦合使用不同的照明光纤，再次进行成像。通过使用多根照明光纤的方式，获取到不同照明角度和光场分布的多幅图像，利用计算机将这些图像进行合成，从而获得更高对比度的图像。

如图4所示，利用上述三维成像装置的成像方法，具体如下：

S1：将光源模块、调制模块、探测模块、参考模块和校正模块进行连接，相机17与计算机18相连。线偏振激光器1发出的光束通过扩束准直镜2的扩束准直后、经半波片3和偏振分束镜4均匀分成第一光束和第二光束。第一光束依次经第三显微物镜19、单模光纤20和第四显微物镜21传递后作为参考光进入分束镜16。第二光束通过调制模块对光场进行调制，随后经传像束12和散射介质13作用后作为探测光进入分束镜16。参考光和探测光在分束镜16内会发生干涉，通过相机17记录分束镜16内参考光和探测光的干涉图样，通过离轴全息的方式恢复物光的信息，利用计算机18测量传像束12中经过的多模光纤和散射介质13整体的传输矩阵。利用传输矩阵计算出所需的相位图并加载到数字微镜阵列6上，通过调制模块(具体是光学4F系统)对光场进行调制。

S2：撤掉参考模块和校正模块，将目标样品放到散射介质13的出射光处。通过调节第一显微物镜11，使线偏振激光器1发出的光束能通过传像束12中的某根多模光纤，经散射介质13扩散后在样品上进行点扫描，在相位图上再附加二次相位以进行深度扫描，实现三维成像。利用传像束12接收样品发射的光强信息，通过光电探测器23记录并按照扫描顺序重组图像，从而得到样品的三维成像。也就是说，将校正模块替换为待测样品，经由调制后的光束在样品上进行点扫描，激发得到不同位置处的荧光信号，再由传像束传输，经二向色镜10反射后，由透镜22聚焦到光电探测器23中，将记录到的光强信号按照探测位置还原得到样品图像。

此外，若要增强成像质量，提高图像对比度，选取传像束12中不同的另一根多模光纤作为照明光纤，重复步骤S2，进行多次实验，将成像结果合成为一幅图像，以提升图像对比度。该步骤可以根据成像结果判断是否需要进行，若单次获得的图像对比度足够高，可以省略多次实验，节约成像时间。

在本实施例中，半波片3和偏振分束镜4配合作用以调节探测光和参考光的光强大小。数字微镜阵列6采用相位调制的方式对入射到传像束12中的光场进行调制。光束通过传像束12中的一根多模光纤，在样品上进行点扫描照明以进行单次成像。

使用上述装置激发和收集样品荧光信息的过程如图3所示，图3(a)中为激发过程，利用传像束中的某根多模光纤作为照明光纤，调制后的光场经多模光纤和散射介质传播后形成聚焦点，通过在样品上进行逐点扫描激发不同位置的荧光信号。图3(b)为样品发射的荧光信号，利用传像束中全部的多模光纤进行收集，并将光强信号传输到光电探测器，利用计算机进行处理，图中箭头表示光束的传播方向。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于光场调控的传像束大视场三维成像装置，其特征在于，包括光源模块、调制模块、探测模块、参考模块和校正模块；

所述光源模块用于提供经扩束准直后的线偏振激光，并将其可控的分配到调制模块和参考模块，包括线偏振激光器(1)、扩束准直镜(2)、半波片(3)、偏振分束镜(4)和第一反射镜(5)；线偏振激光器(1)发出的光束能依次经扩束准直镜(2)、半波片(3)和偏振分束镜(4)后分成第一光束和第二光束，第一光束用于进入参考模块，第二光束经第一反射镜(5)作用后能进入调制模块；

所述参考模块用于提供能与探测模块产生的探测光发生干涉的参考光，包括沿光束传递方向依次设置的第三显微物镜(19)、单模光纤(20)和第四显微物镜(21)；第三显微物镜(19)用于接收第一光束，第四显微物镜(21)的出射光作为参考光；

所述调制模块用于对第二光束进行调控以使其能够在经传像束(12)和散射介质(13)作用后于样品处形成聚焦点，包括沿光束传递方向依次设置的数字微镜阵列(6)、第二反射镜(7)、光学4F系统、二向色镜(10)和第一显微物镜(11)；所述数字微镜阵列(6)用于接收第二光束，第一显微物镜(11)用于光纤耦合；

所述探测模块包括传像束(12)、散射介质(13)、第四透镜(22)和光电探测器(23)；通过二向色镜(10)出射后的探测光能依次经第一显微物镜(11)和传像束(12)进入散射介质(13)，传像束(12)用于照明和收集信号，散射介质(13)用于提升成像视场；通过二向色镜(10)反射后的光束能经第四透镜(22)进入光电探测器(23)，光电探测器(23)用于接收和处理光强信号；

所述校正模块用于在样品成像前对传像束(12)中多模光纤的散斑进行校正，包括第二显微物镜(14)、第三透镜(15)、分束镜(16)和相机(17)；经散射介质(13)出射的探测光能依次经第二显微物镜(14)和第三透镜(15)照射至分束镜(16)，分束镜(16)用于将探测光和参考光合束处理；相机(17)用于测量分束镜(16)的传输矩阵，并与计算机(18)相连以进一步处理信号和合成图像。

2.根据权利要求1所述的基于光场调控的传像束大视场三维成像装置，其特征在于，所述光学4F系统包括第一透镜(8)和第二透镜(9)；第一透镜(8)的焦点位于数字微镜阵列(6)处，第二透镜(9)的焦点位于传像束(12)的入射端面处，第一透镜(8)和第二透镜(9)之间的距离等于两透镜焦距之和。

3.根据权利要求1所述的基于光场调控的传像束大视场三维成像装置，其特征在于，所述散射介质(13)为表面涂覆有二氧化钛层或氧化锌层的玻璃。

4.根据权利要求1所述的基于光场调控的传像束大视场三维成像装置，其特征在于，所述线偏振激光器(1)、扩束准直镜(2)、半波片(3)和偏振分束镜(4)同轴设置。

5.根据权利要求1所述的基于光场调控的传像束大视场三维成像装置，其特征在于，所述传像束(12)为若干根多模光纤组成的极细传像束。

6.根据权利要求5所述的基于光场调控的传像束大视场三维成像装置，其特征在于，所述传像束(12)中的一根多模光纤用于照明，其余多模光纤均用于收集光强信号。

7.一种利用权利要求1～6任一所述基于光场调控的传像束大视场三维成像装置的成像方法，其特征在于，具体如下：

S1：将光源模块、调制模块、探测模块、参考模块和校正模块进行连接，相机(17)与计算机(18)相连；线偏振激光器(1)发出的光束通过扩束准直镜(2)的扩束准直后、经半波片(3)和偏振分束镜(4)均匀分成第一光束和第二光束；第一光束依次经第三显微物镜(19)、单模光纤(20)和第四显微物镜(21)传递后作为参考光进入分束镜(16)；第二光束通过调制模块对光场进行调制，随后经传像束(12)和散射介质(13)作用后作为探测光进入分束镜(16)；通过相机(17)记录分束镜(16)内参考光和探测光的干涉图样，通过离轴全息的方式恢复物光的信息，利用计算机(18)测量传像束(12)中经过的多模光纤和散射介质(13)整体的传输矩阵；利用传输矩阵计算出所需的相位图并加载到数字微镜阵列(6)上，通过调制模块对光场进行调制；

S2：撤掉参考模块和校正模块，将目标样品放到散射介质(13)的出射光处；通过调节第一显微物镜(11)，使线偏振激光器(1)发出的光束能通过传像束(12)中的某根多模光纤，经散射介质(13)扩散后在样品上进行点扫描，在相位图上再附加二次相位以进行深度扫描，实现三维成像；利用传像束(12)接收样品发射的光强信息，通过光电探测器(23)记录并按照扫描顺序重组图像，从而得到样品的三维成像。

8.根据权利要求1所述的基于光场调控的传像束大视场三维成像装置的成像方法，其特征在于，所述半波片(3)和偏振分束镜(4)配合作用以调节探测光和参考光的光强大小。

9.根据权利要求1所述的基于光场调控的传像束大视场三维成像装置的成像方法，其特征在于，所述数字微镜阵列(6)采用相位调制的方式对入射到传像束(12)中的光场进行调制。

10.根据权利要求1所述的基于光场调控的传像束大视场三维成像装置的成像方法，其特征在于，光束通过所述传像束(12)中的一根多模光纤，在样品上进行点扫描照明以进行单次成像。

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