CN115356844A - 一种光谱编码的多模光纤内窥镜成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光谱编码的多模光纤内窥镜成像系统，该系统中宽带光源的输出经单模光纤传入可编程滤波器选择光谱后，经单模光纤耦合入照明多模光纤并传输至CCD相机采集散斑图案进行预校准；使用预校准的不同光谱形成的不同空间位置聚焦，对待测物体进行扫描成像，由收光多模光纤接收物体的反射光强，并由光电二极管采集；计算机对采集信息进行数据处理，确定对应位置的灰度值，重建原物体图像。本发明在保证相同或更高分辨率的情况下，具有更小的探测尺寸，无需进行机械扫描可获得大的成像视场；不需要光路准直与严格保持光学系统稳定，不用测量复杂的传输矩阵，校准阶段操作简单、易于实现、聚焦速度快。

Description

一种光谱编码的多模光纤内窥镜成像系统

技术领域

本发明涉及多模光纤内窥镜成像技术领域，特别涉及一种基于光谱编码的多模光纤内窥镜成像系统。

背景技术

在生物医学成像领域，基于光纤的成像系统具有创伤小、装置灵活、探测尺寸小等优势，近年来在生物体内部成像、微腔探测等领域被广泛研究。光纤成像技术分为采用光纤束的结构以及单根多模光纤。传统的光纤成像主要使用多根单模光纤形成的光纤束，系统分辨率取决光纤数量，且需要探头扫描才能获得较大的视场，此外受制备工艺的影响，纤芯直径比较大且不同纤芯之间有串扰，这些因素限制了分辨率、视场角等成像质量，设备难以微型化，并没有充分发挥光纤的优势。

多模光纤(MMF)能够支持多个空间模式，可并行传输大量的信息，同时，由于其直径较小(亚毫米量级)，因此有望突破传统内窥镜的极限，扩展内窥镜的应用范围(腔体结构、无腔体结构)。要实现这一应用的一个前提是能够使探照光经过多模光纤后在组织内部聚焦。然而，信号光在多模光纤中传输时，会受到模式色散、杂质的散射等影响，发生严重的波前畸变，使得光的传播方向变的杂乱无章，入射光的相位和振幅等信息丢失，无法对待观测物体形成光学聚焦。可以说，模式色散等现象的存在，严重地制约了多模光纤内窥镜在生物医疗等方面的应用前景。因此，在将单根多模光纤用于内窥显微成像的照明引导与信号传输的情况下，研究如何实现快速聚焦成像，提高成像质量，具有十分重要的现实意义和广阔的应用前景。

为了克服光在多模光纤中传播时多重散射带来的影响，以实现光透过多模光纤的聚焦成像，近年来，国内外各研究小组研究和发展出了多种有效的方法，主要分为三类：基于波前整形的迭代优化技术、测量传输矩阵以及光学相位共轭法。其中，迭代优化型波前整形技术主要通过反馈逐步地优化出理想的输入相位，并且每次实现不同位置的聚焦都必须重复优化过程，具有聚焦时间太长的缺点。而传输矩阵法则是直接测量出多模光纤的传输矩阵，再通过矩阵求逆来得到理想的输入相位。这种方法需要测量计算大型的传输矩阵，本身难度大。复杂的成像过程导致这两种技术的应用场景均受到一定限制。至于光学相位共轭技术，一方面，该技术需要通过超声调制才能实现光线在无序介质内部聚焦，这无疑增加了装置的成本；另一方面，该技术的成像条件也较为苛刻，尤其是中间相位共轭器需要较准确地设置在总色散值一半的地方，还要控制偏振波动，以免影响相位共轭波的时间反演特性。这些缺陷都限制了光学相位共轭技术的适用范围。

发明内容

本发明针对目前传统多模光纤成像技术的局限性，提出了一种基于光谱编码实现聚焦扫描成像的多模光纤内窥镜成像系统，该系统基于输入光谱形状与多模光纤散斑的映射关系，对波长的光谱编码实现光学聚焦，进而采用逐点扫描成像，能够实现光透过多模光纤后聚焦的效果。相比于传统的基于波前整形的迭代优化技术、测量传输矩阵以及光学相位共轭法这三类多模光纤成像方法，基于光谱编码聚焦的方式在成像质量上有所提升，并且不需要光路准直和校对，不用测量复杂的传输矩阵，校准阶段也非常简单易行，并同时显著提高光学聚焦的速度，在生物医疗的检测成像中更具有优势。

本发明提供的一种基于光谱编码的多模光纤内窥镜成像系统，该系统包括：宽带光源、可编程滤波器、单模光纤、照明多模光纤、收光多模光纤、CCD相机、光电二极管和后端数据处理模块(如计算机)。本发明所述的多模光纤内窥镜成像系统，成像过程分为三个阶段：预校准阶段、扫描阶段和图像重建阶段。在预校准阶段，宽带光源的输出经单模光纤传入可编程滤波器中，经可编程滤波器选择后，被耦合入照明多模光纤传输至CCD相机，进而采集散斑图案进行预校准；扫描阶段，使用预校准光场对待测物体进行扫描，通过光电二极管测量待测物体光强；待测物体的图像重建阶段，将待测物体光强的数值传入后端数据处理模块，根据预校准的信息和扫描的待测物体光强数值进行重建，实现简单快速的高质量成像。

具体地，首先是预校准阶段，所述的多模光纤内窥镜成像系统，在测量实际物体前，先使用预校准模块对照明多模光纤进行预校准，获取宽带光源不同波长经过照明多模光纤传输后的散斑图案。预校准过程包括：宽带光源的输出，经单模光纤传送至可编程滤波器；可编程滤波器依次过滤出该宽带光源某个波段的n个波长(n的大小可根据聚焦的质量设定)，经单模光纤耦合入照明多模光纤内，并使用CCD相机采集每个波长经过照明多模光纤传输后的散斑图案，共计采集n幅散斑。然后，选定感兴趣的待聚焦空间位置；在校准过程中得到的n幅散斑图案中挑选能够点亮该待聚焦空间位置的散斑图案，也即挑选能够点亮该待聚焦空间位置的波长；再经由可编程滤波器，将这些挑选的波长组成一个光谱后，同时送入照明多模光纤，便能在选定的待聚焦位置形成一个焦点。同理，可产生聚焦于成像视场中其他空间位置的光谱，共计形成一组光谱，该组光谱中，每一个光谱对应一个空间位置的聚焦，当这组光谱产生的焦点能够遍历成像视场的所有空间位置时，完成预校准阶段。

在扫描阶段，根据预校准阶段产生的光谱，输入这组光谱中的一个光谱，用其产生的焦点照明成像视场的一个空间位置，该空间位置的反射光，经收光多模光纤传输至光电二极管，采集到一个光强数值。重复上述步骤，用这组光谱产生的所有焦点，扫描成像视场空间，并完成光强的数值采集。

最后，物体图像的重建阶段，后端数据处理模块(如计算机)根据预校准阶段光谱与焦点位置的映射关系，以及扫描阶段采集的光强数值，进行待测物体的图像重建，实现简单快速的成像。

本发明与现有技术相比，具有以下优势和积极效果：(1)针对传统的单模光纤束内窥镜的成像质量一般，探头直径大等问题，本发明采用多模光纤进行照明与信息接收，提出的内窥镜在保证相同或更高分辨率的情况下，具有更小的探测尺寸。同时，本发明无需进行机械扫描，即可获得大的成像视场。(2)针对多模光纤内窥镜已有研究中基于传统波前整形技术的聚焦时间长，运算量复杂等问题，本发明应用了光谱编码进行多模光纤输出端面的光场聚焦。该方案基于输入光谱形状与多模光纤散斑的映射关系，不需要经过迭代计算，也不需要求解计算量巨大的传输矩阵，采用可编程滤波器等数字化调制器件，能在短时间内实现聚焦，在生物医疗、工业检测等方面具有更好的发展前景。(3)针对多模光纤内窥镜已有研究中光学相位共轭法的装置成本高，光路搭建复杂等问题，本发明使用单模光纤实现激光的耦合，简化了光路系统。同时，成像过程中不需要光路准直和校对，校准阶段也非常简单易行，在生物医疗检测方面具有更广阔的应用场景。

附图说明

图1是本发明设计的光谱编码聚焦原理示意图；

图2是本发明实施光谱编码聚焦的预校准过程阶段和扫描成像阶段装置示意图；

图3是实施例一中，待聚焦位置的全光谱分布示意图；

图4是实施例一中，聚焦所选择的光谱形状示意图；

图5是实施例一中，聚焦的效果展示图；

图6实施例二中，应用校准的光谱聚焦，对物体扫描成像的效果展示图；

仪器与元件标号说明：1-宽带光源；2/4-单模光纤；3-可编程滤波器；:5-照明多模光纤；6-待测物体；7-收光多模光纤；8：光电二极管；9-预校准模块，10：Lens-物镜；11：CCD-探测相机。其中预校准阶段包含的仪器为：1,2,3,4,5,10,11；扫描阶段包含的仪器为1,2,3,4,5,6,7,8。

具体实施方式

下面将结合附图与实施案例，对本发明的技术方法进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明方法的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明方法，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

多模光纤可以支持成百上千的光场模式数，这些模式在多模光纤内传播时，会发生模式色散等行为，造成不同模式间的随机相位差，因此在输出端形成随机的干涉图样，也即散斑。当输入场与多模光纤固定时，散斑也是固定的。这种散斑对多模光纤的几何长度、外界扰动、输入空间模式以及输入光谱形状都是极为敏感的，细微的参数变化都会形成不同的散斑，具有一一映射关系。本实验方案考虑输入光谱形状与多模光纤散斑的映射关系，调制多模光纤近端输入光谱以实现输出端面光场聚焦，进而采用逐点扫描的方式，对多模光纤远端的物体成像。

图1为本发明提出的光谱编码聚焦方案的原理示意图，是除了传统的传输矩阵法、光学相位共轭法、波前调制迭代优化法之外的第四类多模光纤聚焦方法。(a)为一宽带光源的光谱分布；(b)为该宽带光源的n个单波长。单波长λ₁,λ₂以及λ_n经过多模光纤后产生的散斑分别为图(d)中第一行第一、二列，第二行第一列所示散斑。测定n个波长的散斑后，挑选出其中m个能够点亮感兴趣位置的散斑及其对应的波长，感兴趣的位置如图(d)白色圆圈所示，所挑选的m个波长为λ₁,...,λ_i,λ_j,...,λ_m如图(c)所示，其中λ_i和λ_j泛指所挑选的波长，m＜n(1≤i,j≤m)。将图(c)所示挑选的波长构成的光谱送入多模光纤后形成的聚焦如图(d)第二行第二列所示。

本发明提供的一种基于光谱编码的多模光纤内窥镜成像系统，该系统包括：宽带光源、可编程滤波器、单模光纤、照明多模光纤、收光多模光纤、CCD相机、光电二极管和后端数据处理模块(如计算机)。本发明所述的多模光纤内窥镜成像系统，成像过程分为三个阶段：预校准阶段、扫描阶段和图像重建阶段。在预校准阶段，宽带光源的输出经单模光纤传入可编程滤波器中，经可编程滤波器选择后，被耦合入照明多模光纤传输至CCD相机，进而采集散斑图案进行预校准；扫描阶段，使用预校准光场对待测物体进行扫描，通过光电二极管测量待测物体光强；待测物体的图像重建阶段，将待测物体光强的数值传入后端数据处理模块，根据预校准的信息和扫描的待测物体光强数值进行重建，实现简单快速的高质量成像。

在采用图1所述原理进行聚焦扫描成像前，需要先进行简单的光谱-聚焦预校准，找出能够在感兴趣的位置形成聚焦的光谱，进行扫描成像时便可用该光谱实现对特定位置的聚焦照明。找出能聚焦到不同位置的不同光谱，当找出充足的光谱数量，其对应聚焦点能遍历整个成像视场后，便可实现对整个待测物体的扫描。

预校准过程的实验装置如图2所示，包括仪器编号1,2,3,4,5,10,11。超连续激光产生的宽带光谱(使用的超连续激光光源，型号：SuperK EXTREME EXU，可产生400-2300nm的超宽脉冲激光，也可使用任意宽带光源)，经单模光纤送入可编程滤波器，选择波长范围与波长线宽(如550-630nm波段，0.4nm波长线宽，线宽要大于光纤散斑的退相干带宽)，调控可编程滤波器输出单个波长，由单模光纤耦合进一段固定的照明多模光纤产生散斑，该照明多模光纤后端放置一个物镜和CCD相机，对散斑成像，重复进行n次测量，完成n个波长的散斑测量。

完成n个波长的散斑测量，得到n幅散斑，挑选出其中m₁幅能够点亮感兴趣空间坐标的散斑，记录下对应的波长，这些波长即一条能够在特定位置聚焦的光谱形状。重复测量，继续挑选能够点亮下一处空间坐标的m₂幅散斑及对应的光谱(m₁,m₂＜n)，依次类推，直到产生足够的光谱数量，所有光谱经过照明多模光纤后传输后的焦点能够遍历成像空间的整个视场，若x×y为成像视场的二维空间大小，则需要产生x×y个预校准光谱，每个光谱实现一个空间点的聚焦。

完成预校准过程后，可进行扫描成像过程，其装置示意图如图2所示，包括仪器编号1,2,3,4,5,6,7,8。扫描阶段光源不变，控制可编程滤波器，依次输出不同聚焦位置对应的光谱，输出光谱经过另一根单模光纤传输后耦合入一根照明多模光纤，经多模光纤传输后聚焦到待测物体，通过遍历聚焦位置，即可实现对物体的扫描；待测物体的反射光经一段收光的多模光纤传输后，由PD(光电二极管)进行单像素光强采集。具体为，在预校准阶段装置的基础上，将CCD与物镜替换为待测物体。用一节收光多模光纤接收待测物体反射的光强，并由光电二级管探测光强信号。在照明多模光纤输入端按照时间顺序依次送入x×y个预校准光谱，每个预校准光谱产生一个焦点，产生一个焦点相当于扫描一个位置。以预设的扫描速率去扫描x×y个焦点的位置，便可完成对处于视场空间的待测物体的扫描。

物体的图像重建阶段，由计算机对采集的信息数据处理，实现简单快速的图像重建。预校准的x×y个光谱中，每个光谱均对应一个空间扫描点，反映视场空间的位置信息，每个光谱产生的焦点从物体反射回来的光强，反映视场空间点的灰度信息，由此，根据位置信息和灰度信息恢复出待测物体的二维形状。

在预校准和扫描过程需要注意以下两点：

一、预校准的聚焦过程中，散斑能量并非完全会聚到焦点，背景也有能量分布。若预校准的一条光谱包含m′个波长，由于背景的散斑是m′个散斑的随机叠加，焦点处的能量则是m′正向增长，因此在m′次散斑叠加后焦点处的能量占比远大于背景。在挑选能够点亮焦点的散斑时，通过设置合适的光强阈值，能够改善聚焦的信噪比。

二、扫描过程中，多模光纤照明待测物体，不仅有焦点处较强的会聚光，也有背景中未聚焦的杂散光。但杂散光相比会聚光要弱的多，从物体表面反射回接收装置时，主要是会聚光的峰值，背景光淹没于或等同于噪声，通过设置信号接收阈值，或在后续数据处理时可以滤除背景光。相比于该聚集方式带来技术手段的简易，这种背景噪声是可以接受的。

下面是关于重建图像的质量，在本系统方案中考虑成像速率、成像分辨率和成像视场三个参数。

关于预设的扫描速率的说明。扫描速率取决于光谱编码的速度，以本发明使用的可编程滤波器为例，其核心元件为一个DLP/DMD(数字光路处理器件/数字微镜)加一个色散光栅，色散光栅将宽带光源的光谱空间色散到DLP/DMD器件表面，该器件通过加载数字图像掩模，过滤出特定的光谱形状。因此扫描速率取决于DLP/DMD的掩模加载和刷新速率，可达到几万赫兹以上。

关于成像分辨率的说明。成像分辨率为焦点的尺寸。可以通过设置较小的焦点尺寸以实现微米量级的超分辨成像，焦点尺寸由散斑的单个颗粒大小决定，更长的多模光纤、更短的波长均能够带来更细的散斑颗粒。但长的多模光纤意味着它更易受到外界的扰动，比如机械振动、温度变化，导致光谱输出散斑退相关，使得校准的光谱-聚集出现误差。同时若焦点过小，意味着扫描光与背景光的能量比值降低，将会降低探测的信噪比。因此实际应用时应该兼顾探测信噪比与成像分辨率。

关于成像视场的说明。从多模光纤远端输出的光束是具有扩散角的扩束光，该扩散角与光纤的数值孔径有关。当待测物体位于CCD校准平面时，视场为校准过程中焦点能扫描的x×y空间大小。实际上，校准完成后，待测物体可以位于CCD校准平面前，也可以位于CCD校准平面后，视场大小随之改变，但视场角不变。

视场大小的变化会带来成像分辨率的变化，二者呈负相关。大的视场意味着焦点变大，空间分辨率下降。

此外，接收待测物体反射的光强信号时，采用的收光多模光纤，仅仅是收光元件，无需固定。

多模光纤内窥镜系统整体的探头的尺寸为照明多模光纤和收光多模光纤的直径和，在亚微米量级，比如，可使用两节105μm纤芯直径的相同多模光纤分别用于照明与收光。

下面分别给出光谱聚焦和扫描成像的实施例。

实施例一：

实施光谱聚焦并记录其对应的光谱形状，其装置为图2所包含的预校准模块所示。选择宽带光源550nm-630nm的光谱范围；单个波长的线宽为0.4nm，总计校准单波长数目为200；视场大小为128×128像素；焦点位置选择在成像视场的中心，大小为4×4个像素大小。

如图3所示的光谱，是成像视场中心所有光谱的强度分布。

设置强度阈值为0.33，挑选图3中高于所述强度阈值的波长，形成图4所示的能够产生视场中央聚焦的光谱。

将图4所示的光谱送入照明多模光纤，产生图5所示的中心聚焦图样，图像整体大小为128×128像素，成像视场大小为75×75像素，中心的焦点大小为4×4像素。

同理产生可聚焦于其他视场位置的光谱。

为了评价聚焦的质量，定义峰值背景比μ＝I_focus/I_background，其中I_focus是焦点的光强，I_background是背景的光强之和。若将背景规模设定为视场中心位置的20×20像素大小，则图6的峰值背景比为0.2。

实施例二：

扫描成像装置如图2所示。

依次在多模光纤近端输入x×y个光谱，在远端实现x×y次焦点扫描。扫描成像效果如图6所示。左图是标准的二值化待测物体，右图是扫描恢复图样。

实施例一与实施例二说明，光谱编码的多模光纤内窥镜成像系统能够实现较好的聚集效果与成像质量，同时由于其实验装置简单，不用进行光路准直、复杂的计算与测量，也不需要严格稳定的系统，整个系统仅需保证照明的多模光纤固定即可，系统也仅在校准阶段使用一个物镜扩束成像，成像阶段属于无透镜的成像系统，这些优势极大简化了多模光纤成像的难度。本发明提出的光谱编码聚焦扫描成像系统，突破了传统多模光纤聚焦技术中所涉及的三大类方案，有望成为一类全新的技术路线，其研究价值不言而喻，特别是该方案有极大的潜力推动多模光纤在生物活体内部成像、微腔结构成像以及工业检测等领域的应用。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (6)

1.一种光谱编码的多模光纤内窥镜成像系统，其特征在于，该系统包括：宽带光源、可编程滤波器、单模光纤、照明多模光纤、收光多模光纤、CCD相机、光电二极管和后端数据处理模块；所述多模光纤内窥镜成像系统的成像过程主要分为三个阶段：预校准阶段、扫描阶段和图像重建阶段，在预校准阶段，宽带光源的输出经单模光纤传入可编程滤波器中，经可编程滤波器选择后，被耦合入照明多模光纤传输至CCD相机，进而采集散斑图案进行预校准；扫描阶段，使用预校准光场对待测物体进行扫描，通过光电二极管测量待测物体光强；待测物体的图像重建阶段，将待测物体光强的数值传入后端数据处理模块，根据预校准的信息和扫描的待测物体光强数值进行重建，实现成像。

2.根据权利要求1所述的光谱编码的多模光纤内窥镜成像系统，其特征在于，所述预校准阶段具体包括：

所述多模光纤内窥镜成像系统在测量实际物体前，先使用预校准模块对照明多模光纤进行预校准，获取宽带光源不同波长经过照明多模光纤传输后的散斑图案，预校准过程包括：宽带光源的输出经单模光纤传送至可编程滤波器；可编程滤波器依次过滤出该宽带光源某个波段的n个波长，经单模光纤耦合入照明多模光纤内，并使用CCD相机采集每个波长经过照明多模光纤传输后的散斑图案，共计采集n幅散斑；然后，选定感兴趣的待聚焦空间位置；在校准过程中得到的n幅散斑图案中挑选能够点亮该待聚焦空间位置的散斑图案，也即挑选能够点亮该待聚焦空间位置的波长；再经由可编程滤波器，将这些挑选的波长组成一个光谱后，同时送入照明多模光纤，便能在选定的待聚焦位置形成一个焦点；同理可产生聚焦于成像视场中其他空间位置的光谱，共计形成一组光谱，该组光谱中，每一个光谱对应一个空间位置的聚焦，当这组光谱产生的焦点能够遍历成像视场的所有空间位置时，完成预校准阶段。

3.根据权利要求2所述的光谱编码的多模光纤内窥镜成像系统，其特征在于，所述扫描阶段具体包括：

在扫描阶段，根据预校准阶段产生的一组光谱，输入这组光谱中的一个光谱，用其产生的焦点照明成像视场的一个空间位置，该空间位置的反射光经收光多模光纤传输至光电二极管，采集到一个光强数值；重复上述操作，用这组光谱产生的所有焦点，扫描成像视场空间，并完成光强的数值采集。

4.根据权利要求3所述的光谱编码的多模光纤内窥镜成像系统，其特征在于，所述图像重建阶段具体包括：

在待测物体的图像重建阶段，后端数据处理模块根据预校准阶段光谱与焦点位置的映射关系，以及扫描阶段采集的光强数值，进行待测物体的图像重建，实现简单快速的成像。

5.根据权利要求4所述的光谱编码的多模光纤内窥镜成像系统，其特征在于，所述后端数据处理模块为计算机。

6.根据权利要求5所述的光谱编码的多模光纤内窥镜成像系统，其特征在于，所述n的大小根据聚焦的质量进行设定，其中聚焦的质量由峰值背景比μ＝I_focus/I_background评价，这里I_focus是焦点的光强，I_background是背景的光强之和。

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