CN117539112A - 一种精细化数字仿体投影装置及投影方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种精细化数字仿体投影装置及投影方法，所述装置包括：激光光源，激光光源出射光束，入射至空间光调制器进行调制，调制后的光束入射至缩小透镜组；所述缩小透镜组包括依次布置的双胶合透镜和第一物镜；所述缩小透镜组将调制后的光束缩小，在缩小透镜组的焦平面位置形成中间像，所述中间像即为数字仿体；将数字仿体耦合到光学成像系统中；所述光学成像系统包括依次设置的第二物镜、套管透镜和成像传感器。本发明利用缩小镜头组压缩数字仿体的空间尺寸，提高了光学分辨率，得到了精细化数字仿体，具有空间精度高、光利用率高等优点。
Description
技术领域
本发明涉及医疗设备技术领域，尤其涉及一种精细化数字仿体投影装置及投影方法。
背景技术
成像是研究探索自然界物体及生命现象的重要手段，可以提供人眼无法直接看到的结构信息。成像方式多种多样，包括CT、光声、荧光等。如何检验成像的性能以及成像的结果是否正确，在CT和光声领域，有专门的仿体；然而在荧光领域，相关的仿体较少，存在一定的问题。荧光仿体是一种具有确切光学信息的工具，相当于荧光成像系统对已知的荧光仿体进行成像，用已知的荧光仿体来检验未知的荧光成像系统。例如最常规的荧光成像系统采用滤色片和相机等器件，对探测的光谱和光强敏感，因此针对此类荧光成像系统，荧光仿体应该具有确定的发射光谱、光强信息。现有的荧光仿体精细程度不够，无法满足高分辨率荧光成像系统的检测需求。
从生产的角度来说，在医用光学设备领域，医光设备的创新研究、生产制造、质量检验、设备调校等环节均离不开仿体。在现有仿体的基础上，进一步提高仿体的精细化程度，对于荧光成像的标准化具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种精细化数字仿体投影装置及投影方法。
第一方面，本发明实施例提供了一种精细化数字仿体投影装置，所述装置包括：激光光源，激光光源出射光束，入射至空间光调制器进行调制，调制后的光束入射至缩小透镜组；所述缩小透镜组包括依次布置的双胶合透镜和第一物镜；所述缩小透镜组将调制后的光束缩小，在缩小透镜组的焦平面位置形成中间像，所述中间像即为数字仿体；将数字仿体耦合到光学成像系统中；所述光学成像系统包括依次设置的第二物镜、套管透镜和成像传感器。
进一步地，所述空间光调制器上设有图案，所述图案作为物面。
进一步地，中间像的精细程度为空间光调制器的像素尺寸与缩小镜头组的缩小倍率之比。
进一步地，缩小镜头组的缩小倍率为双胶合透镜的焦距与第一物镜的焦距之比。
进一步地，将数字仿体耦合到光学成像系统中包括：将数字仿体以空间或显示的形式耦合进入光学成像系统；
其中，数字仿体以显示的形式耦合进入光学成像系统具体为：将数字仿体经光纤板或者光纤束进行显示，再以显示的形式耦合进入光学成像系统；所述数字仿体位于光纤的端面。
第二方面，本发明实施例提供了一种精细化数字仿体投影方法，所述方法包括：
步骤S1，激光光源出射光束，入射至空间光调制器进行调制，输出调制后的光束；
步骤S2，调制后的光束入射至缩小透镜组，通过缩小透镜组将调制后的光束缩小，在缩小透镜组的焦平面位置形成中间像，所述中间像即为数字仿体；其中，所述缩小透镜组包括依次布置的双胶合透镜和第一物镜；
步骤S3，将数字仿体耦合到光学成像系统中；所述光学成像系统包括依次设置的第二物镜、套管透镜和成像传感器。
进一步地，空间光调制器对光束进行调制包括：
依据测试目的，选择测试标靶；根据测试标靶生成待成像图片，将待成像图片输入至空间光调制器，光束入射至空间光调制器进行调制使得光束光斑面的光强分布与测试标靶一致；控制空间光调制器对应的像素的翻转情况，实现对测试标靶的模拟，形成模拟标靶；模拟标靶通过缩小透镜组后形成数字仿体。
进一步地，中间像的精细程度为空间光调制器的像素尺寸与缩小镜头组的缩小倍率之比；缩小镜头组的缩小倍率为双胶合透镜的焦距与第一物镜的焦距之比。
进一步地，将数字仿体耦合到光学成像系统中包括：将数字仿体以空间或显示的形式耦合进入光学成像系统；
其中，数字仿体以显示的形式耦合进入光学成像系统具体为：将数字仿体经光纤板或者光纤束进行显示，再以显示的形式耦合进入光学成像系统；所述数字仿体位于光纤的端面。
第三方面，本发明实施例提供了一种精细化数字仿体投影装置在评测荧光成像系统中的应用。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明通过一种精细化数字仿体投影装置，利用空间光调制器对光束进行调制，提高了数字荧光仿体的稳定性、可控性；再通过缩小透镜组调整数字仿体的精细程度，提高了数字仿体的空间精度、光利用率。同时，本发明提供的精细化数字仿体还可以用于高分辨率的荧光成像系统的性能检测。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的精细化数字仿体投影装置的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的精细化数字仿体投影方法的流程示意图；
图3是本发明实施例提供的精细化数字仿体的实验效果图。
图中，1-激光光源；2-空间光调制器；3-缩小透镜组；4-光纤板；5-光纤束；6-光学成像系统；7-双胶合透镜；8-第一物镜；9-第二物镜；10-套管透镜；11-成像传感器。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。
在本发明使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
应当理解，尽管在本发明可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本发明范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。
下面结合附图，对本发明进行详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施方式中的特征可以相互组合。
如图1所示，本发明提供了一种精细化数字仿体投影装置，所述装置包括：激光光源1，所述激光光源1出射光束，入射至空间光调制器2进行调制，调制后的光束入射至缩小透镜组3，所述缩小透镜组3包括依次布置的双胶合透镜7和第一物镜8，所述缩小透镜组3将调制后的的光束缩小，在缩小透镜组3焦平面位置形成中间像，所述中间像即为数字仿体；将数字仿体耦合到光学成像系统6中；所述光学成像系统6包括依次设置的第二物镜9、套管透镜10和成像传感器11。所述成像传感器11采用CCD成像传感器或CMOS成像传感器。
进一步地，所述空间光调制器2上设有图案，所述图案作为物面。物面的精细程度受空间光调制器的像素影响。
进一步地，中间像的精细程度为空间光调制器2的像素尺寸与缩小镜头组3的缩小倍率之比。具体地，假设空间光调制器DMD的像素尺寸为W，缩小镜头组的缩小倍率为M，则中间像的精细程度y=W/M。缩小镜头组3的缩小倍率为双胶合透镜7的焦距与第一物镜8的焦距之比。
进一步地，将数字仿体耦合到光学成像系统6中包括：将数字仿体以空间或显示的形式耦合进入光学成像系统6。
其中，将数字仿体以空间的形式耦合进入光学成像系统6具体为：缩小透镜组3与光学成像系统6位于同一水平线；缩小透镜组3将调制后的光束缩小，在缩小透镜组3的焦平面位置形成中间像，生成数字仿体；数字仿体不经显示介质直接耦合进入光学成像系统6。
其中，数字仿体以显示的形式耦合进入光学成像系统6具体为：在缩小透镜组3与光学成像系统6间设置有显示介质，所述显示介质可以采用光纤板4或者光纤束5。缩小透镜组3将调制后的光束缩小，在缩小透镜组3的焦平面位置形成中间像，生成数字仿体；将数字仿体经光纤板4或者光纤束5进行显示，再以显示的形式耦合进入光学成像系统6；所述数字仿体位于光纤的端面。
如图2所示，本发明实施例提供了一种精细化数字仿体投影方法，所述方法包括以下步骤：
步骤S1，激光光源1出射光束，入射至空间光调制器2进行光场调制，输出调制后的光束。
其中，空间光调制器上设有图案，该图案为物面；物面的精细程度受空间光调制器的像素影响。
步骤S2，调制后的光束入射至缩小透镜组3，通过缩小透镜组3将调制后的光束缩小，在缩小透镜组3的焦平面位置形成中间像，所述中间像即为数字仿体；其中，所述缩小透镜组3包括依次布置的双胶合透镜7和第一物镜8；
需要说明的是，经过缩小镜头组3实现了从物面到中间像的中继且缩小的过程，缩小镜头组3影响中间像的精细程度。具体地，中间像的精细程度为空间光调制器2的像素尺寸与缩小镜头组3的缩小倍率之比。假设空间光调制器DMD的像素尺寸为W，缩小镜头组的缩小倍率为M，则中间像的精细程度y=W/M。缩小镜头组3的缩小倍率为双胶合透镜7的焦距与第一物镜8的焦距之比。
同时，空间光调制器还包括对光束实施振幅调制，则产生的数字仿体为二维数字仿体。具体地，依据测试目的，选择测试标靶；根据测试标靶生成待成像图片，将待成像图片输入至空间光调制器，光束入射至空间光调制器2进行调制使得光束光斑面的光强分布与测试标靶一致；控制空间光调制器对应的像素的翻转情况，翻转时间与数字仿体的荧光强度成正比，从而实现对测试标靶的模拟，形成模拟标靶；模拟标靶通过缩小透镜组3后形成数字仿体。
步骤S3，将数字仿体耦合到光学成像系统6中；所述光学成像系统6包括依次设置的第二物镜9、套管透镜10和成像传感器11。
进一步地，将数字仿体耦合到光学成像系统6中包括：将数字仿体以空间或显示的形式耦合进入光学成像系统6。
其中，将数字仿体以空间的形式耦合进入光学成像系统6具体为：缩小透镜组3与光学成像系统6位于同一水平线；缩小透镜组3将调制后的光束缩小，在缩小透镜组3的焦平面位置形成中间像，生成数字仿体；数字仿体不经任何显示介质直接耦合进入光学成像系统6，数字仿体的分辨率不受显示介质影响。
进一步地，当采用自由空间耦合形式的数字仿体时，数字仿体位于缩小透镜组3的第一物镜的焦平面处，数字仿体的发散角度取决于缩小透镜组3的第一物镜的NA。当光学成像系统6为显微系统时，光学成像系统6为包括依次设置的第二物镜9、套管透镜10和成像传感器11。若第二物镜9的NA不大于缩小透镜组3中第一物镜的NA，则数字仿体以空间光的形式耦合进入光学成像系统6中。
其中，数字仿体以显示的形式耦合进入光学成像系统6具体为：在缩小透镜组3与光学成像系统6间设置有显示介质，所述显示介质可以采用光纤板4或者光纤束5。缩小透镜组3将调制后的光束缩小，在缩小透镜组3的焦平面位置形成中间像，生成数字仿体；将数字仿体经光纤板4或者光纤束5进行显示，再以显示的形式耦合进入光学成像系统6；所述数字仿体位于光纤的端面，即数字仿体从多根光纤的一端进入，从另外一端出来，显示在光纤的端面上。
进一步地，当显示介质采用光纤板4时，光纤板4通过密集光纤将图像从入射表面传输到出射表面，常用于显示器、传感器耦合、成像和图像增强等。在本实例中，采用的光纤板4的像素大小为6微米，厚度3mm，NA=1，缩小透镜组3的第一物镜的焦平面处的数字仿体经过光纤板4耦合之后，从另一端的输出处理，第一物镜的发散角不大于光纤板的NA。第一物镜的发散角决定了数字仿体的应用范围，当光学成像系统6的收光角小于数字仿体的发散角时，数字仿体适用。
进一步地，当显示介质采用光纤束5时，光纤束5是由大量光纤按一定规则相关排列的光学器件，它利用密集光纤作为传像元件实现光能在空间二维分布上的传输。光纤束5的输入端口与数字仿体耦合，输出端口可自由移动，可以较为方便地应用于成像系统检测领域。
实施例1
临床医学常用注射吲哚青绿的方法来对病灶进行显影，吲哚青绿是一种近红外的荧光染料，染料的峰值发射波长在810nm位置。本发明实施例使用中心波长808nm的激光作为光源，光源的最大功率为10W，扩束光斑直径至20mm，可以覆盖整个空间光调制器的芯片表面。空间光调制器编码生成一张8位图像，用来调制光束截面的光能量分布。接着，光束经过由200mm焦距的双胶合透镜和45mm焦距/4X倍率的物镜组成的缩小透镜组，缩小镜头组的缩小倍率为200/45=4.5，即尺寸缩小了4.5倍，使得图像像素的尺寸也由原来的10.8微米变化为2.43微米，从而实现代表着数字仿体的精细化。
除此之外，如果保持物镜不变，将双胶合透镜的焦距更换为150mm，则对应的缩小倍率为3.3倍（150/45=3.3），使得图像像素的尺寸也由原来的10.8微米变化为3.24微米，实现代表着数字仿体的精细化。
如果保持双胶合透镜不变，将物镜更换为18mm焦距/10X倍率的物镜，则对应的缩小倍率为11.11（200/18=11.11），对应的精细程度为0.97微米。
如图3所示，将DMD的图案设置成圆环状，圆环中心设置若干线条，以该图案为测试标靶，空间光调制器模拟该测试标靶，经过3.3X缩小镜头组压缩空间尺寸，最终形成精细化数字仿体；途中给出了线条的放大插图，以及该线条的强度变化曲线，经过测量，该线条的空间分辨率约为4微米。
由此可见，数字仿体精细程度可以达到微米级别，随着缩小透镜组的倍率上升，数字仿体可以达到亚微米级别分辨率，足够用于高性能成像系统的分辨率检测。
综上所述，本发明通过一种精细化数字仿体投影装置，利用空间光调制器对光束进行调制，提高了数字荧光仿体的稳定性、可控性；再通过缩小透镜组调整数字仿体的精细程度，提高了数字仿体的空间精度、光利用率。同时，本发明提供的精细化数字仿体还可以用于高分辨率的荧光成像系统的性能检测。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的内容后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的。
应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。
Claims (10)
1.一种精细化数字仿体投影装置，其特征在于，所述装置包括：激光光源（1），激光光源（1）出射光束，入射至空间光调制器（2）进行调制，调制后的光束入射至缩小透镜组（3）；所述缩小透镜组（3）包括依次布置的双胶合透镜（7）和第一物镜（8）；所述缩小透镜组（3）将调制后的光束缩小，在缩小透镜组（3）的焦平面位置形成中间像，所述中间像即为数字仿体；将数字仿体耦合到光学成像系统（6）中；所述光学成像系统（6）包括依次设置的第二物镜（9）、套管透镜（10）和成像传感器（11）。
2.根据权利要求1所述的精细化数字仿体投影装置，其特征在于，所述空间光调制器（2）上设有图案，所述图案作为物面。
3.根据权利要求1所述的精细化数字仿体投影装置，其特征在于，中间像的精细程度为空间光调制器（2）的像素尺寸与缩小镜头组（3）的缩小倍率之比。
4.根据权利要求3所述的精细化数字仿体投影装置，其特征在于，缩小镜头组（3）的缩小倍率为双胶合透镜（7）的焦距与第一物镜（8）的焦距之比。
5.根据权利要求1所述的精细化数字仿体投影装置，其特征在于，将数字仿体耦合到光学成像系统（6）中包括：将数字仿体以空间或显示的形式耦合进入光学成像系统（6）；
其中，数字仿体以显示的形式耦合进入光学成像系统（6）具体为：将数字仿体经光纤板（4）或者光纤束（5）进行显示，再以显示的形式耦合进入光学成像系统（6）；所述数字仿体位于光纤的端面。
6.一种精细化数字仿体投影方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤S1，激光光源（1）出射光束，入射至空间光调制器（2）进行调制，输出调制后的光束；
步骤S2，调制后的光束入射至缩小透镜组（3），通过缩小透镜组（3）将调制后的光束缩小，在缩小透镜组（3）的焦平面位置形成中间像，所述中间像即为数字仿体；其中，所述缩小透镜组（3）包括依次布置的双胶合透镜（7）和第一物镜（8）；
步骤S3，将数字仿体耦合到光学成像系统（6）中；所述光学成像系统（6）包括依次设置的第二物镜（9）、套管透镜（10）和成像传感器（11）。
7.根据权利要求6所述的一种精细化数字仿体投影方法，其特征在于，空间光调制器（2）对光束进行调制包括：
依据测试目的，选择测试标靶；根据测试标靶生成待成像图片，将待成像图片输入至空间光调制器，光束入射至空间光调制器（2）进行调制使得光束光斑面的光强分布与测试标靶一致；控制空间光调制器对应的像素的翻转情况，实现对测试标靶的模拟，形成模拟标靶；模拟标靶通过缩小透镜组（3）后形成数字仿体。
8.根据权利要求6所述的一种精细化数字仿体投影方法，其特征在于，中间像的精细程度为空间光调制器（2）的像素尺寸与缩小镜头组（3）的缩小倍率之比；缩小镜头组（3）的缩小倍率为双胶合透镜（7）的焦距与第一物镜（8）的焦距之比。
9.根据权利要求6所述的一种精细化数字仿体投影方法，其特征在于，将数字仿体耦合到光学成像系统（6）中包括：将数字仿体以空间或显示的形式耦合进入光学成像系统（6）；
其中，数字仿体以显示的形式耦合进入光学成像系统（6）具体为：将数字仿体经光纤板（4）或者光纤束（5）进行显示，再以显示的形式耦合进入光学成像系统（6）；所述数字仿体位于光纤的端面。
10.一种权利要求1-5任一项所述的精细化数字仿体投影装置在评测荧光成像系统中的应用。
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