CN212489863U - 一种快速高效自适应光学补偿的受激拉曼散射成像系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种快速高效自适应光学补偿的受激拉曼散射成像系统。两个半波片与偏振分束器布置在激光器输出端前，激光器发射出两束光束，均经半波片与偏振分束器，第一束光束依次经声光调制器、扩束模块入射到反射镜，第二束光束经扩束模块、相位延迟模块后入射到二向色镜，反射后经二向色镜透射后和经二向色镜反射的第二束光束分隔间距地合束入射到可变形镜的两个区域，反射成一束光束，经扫描模块入射显微物镜聚焦，实验样品透射产生散射光束被接收探测。本实用新型优化调整可变形镜的补偿相位值，使得光束进行相位补偿后能够在样品内部形成中心光强更强的聚焦光斑，以更好地激发非线性效应，提升了散射介质内部深处成像的质量。
Description
技术领域
本实用新型属于光学显微成像领域的一种光学补偿散射成像系统，特别涉及了一种快速高效自适应光学补偿的受激拉曼散射成像系统，并应用于非侵入型深穿透无标记光学显微成像。
背景技术
在生物医学光学领域，光学散射是制约光学成像质量的主要因素。多数深部组织成像的光学技术(例如，激光共聚焦成像，双光子显微镜和光学相干层析扫描)主要利用非散射光子(即弹道光子)成像。弹道光子的数量随深度增加呈指数式衰减，因此将光学聚焦范围往往限制在了1mm的深度。
早先应用在天文学中的自适应光学技术，为实现深层生物组织成像提供了新的技术支持。
现有的非侵入式自适应光遗传学技术是基于自适应光学的精确相位校正技术，或基于相干光自适应技术来进行相位补偿，从而在样本内校正畸变相位，形成良好的光束聚焦，从而激发出已经标记于样本中的特定物质，使其吸收一定程度的光子能量并发出另一特定波长的荧光信号。
但是以上方法(包括激光共聚焦成像，双光子显微镜等)都需要事先对样本进行荧光标记。虽然目前已经有部分荧光染料已经被证明无害，但是大多数材料仍然由于其或长期或短期的毒性不能用于活体样本上。
受激拉曼散射技术利用物质本身的拉曼光谱，通过两束有特定频率差的光束，通过适应于物质本身的特定拉曼光谱，产生受激拉曼散射信号，得到强度发生周期性变化的原有频率的散射光信号，通过锁相放大器只收集与调制频率相同的出射散射信号并放大。由于受激拉曼散射属于非线性效应，因此只对焦点部分才会产生更明显的所需信号，使其本身便具有了光学切片效应，无需切片即可得到不同深度的图像。由于不同物质的拉曼光谱的敏感性，可以避免掉荧光染色经常会产生的背景噪声并实现高分辨率成像。
虽然受激拉曼散射成像能够进行无标记的成像，但是由于其非线性效应本身比较弱，因此所得到的信号仍然不够强。在散射较为严重的样本中，可能无法形成足够良好的焦点从而得到所需的信号。在完成无标记高分辨率成像的同时保证良好的信号强度和成像速度也是目前生物应用中亟待解决的问题。
实用新型内容
为了解决背景技术中存在的问题，本实用新型目的在于提出了一种快速高效自适应光学补偿的受激拉曼散射成像系统，利用图像刷新率较高的可变形镜用于解决传统应用于生物医学的自适应光学中的空间光调制器耗时较长的问题。
为了实现上述目的，本实用新型的技术方案包括以下步骤：
系统包括激光器、半波片、偏振分束器、声光调制器、扩束模块、反射镜、二向色镜、相位延迟模块、合束模块、可变形镜、扫描模块、显微物镜、实验样品和光强探测模块；两个半波片与两个偏振分束器布置在激光器输出端前，激光器发射出两束不同波长的光束，两束光束均经各自的半波片与偏振分束器被调节为相同的偏振方向，第一束光束从偏振分束器出射后依次经声光调制器、扩束模块入射到反射镜，第二束光束依次经扩束模块、相位延迟模块后入射到二向色镜，第一束光束被反射镜反射后经二向色镜透射后和经二向色镜反射的第二束光束一起分隔间距地经过合束模块入射到可变形镜的两个区域上，再经由可变形镜反射到合束模块形成一束光束，该光束再经过扫描模块入射到显微物镜聚焦，实验样品位于显微物镜焦平面上，经实验样品透射产生散射光束被光强探测模块接收进行探测，实验样品受激拉曼反射激发产生非线性信号，非线性信号通过光强探测模块接收进行探测。
每个所述扩束模块包括一个前扩束模块透镜和一个后扩束模块透镜；前扩束模块透镜和后扩束模块透镜沿光轴依次布置在偏振分束器之后，激光器出射的两束光束依次经各自的扩束模块之后被扩束到相同直径。
所述的相位延迟模块包括沿光路依次布置的出射反射镜、前偏转反射镜、后偏转反射镜和入射反射镜，未经声光调制器调制的第二束光束入射到出射反射镜，依次经出射反射镜反射、前偏转反射镜反射、后偏转反射镜反射、入射反射镜反射后出射到二向色镜；前偏转反射镜与出射反射镜之间的距离、后偏转反射镜和入射反射镜之间的距离均能调节，从而达到不同的延迟效果。
所述的激光器发射出的两束光束均为脉冲光束，通过相位延迟模块的不同延迟调节使得两束光束的脉冲同步。
所述的合束模块包括左分束器和右分束器；左分束器和右分束器之间连线平行于可变形镜的反射面放置，左分束器和右分束器具体均为半透半反镜，第一束光束透射过右分束器后入射到可变形镜反射，经由可变形镜反射回的光束入射到右分束器反射产生第一反射光束，第二束光束透射过左分束器后入射到可变形镜反射，第二束光束经由可变形镜反射回的光束入射到左分束器反射产生第二反射光束，第二反射光束入射到右分束器透射后和第一反射光束合束，使得从可变形镜反射回的两束光束分别入射到左分束器和右分束器之后反射后形成同轴。
所述的可变形镜是主要由数个可三维调整反射面面型的微镜紧密阵列构成，具体可采用空间光调制器。
所述的扫描模块包括前扫描振镜、前光束准直透镜、后光束准直透镜、后扫描振镜、前扫描模块透镜和后扫描模块透镜；前扫描振镜、前光束准直透镜、后光束准直透镜、后扫描振镜、前扫描模块透镜和后扫描模块透镜沿光路依次布置在合束模块之后，合束模块合束后出射的光束依次经前扫描振镜反射、前光束准直透镜、后光束准直透镜、后扫描振镜反射、前扫描模块透镜和后扫描模块透镜后入射到显微物镜；
所述的光强探测模块包括聚光器、滤光片、准直聚焦透镜、光电二极管和锁相放大器，设计为透射式系统，聚光器、滤光片、准直聚焦透镜、光电二极管和锁相放大器沿光路依次布置在实验样品之后，实验样品内的散射光束依次经过聚光器、滤光片和准直聚焦透镜后进入光电二极管和锁相放大器收集并放大信号。
所述实验样品为但不限于活体生物组织、离体生物组织、含小球的琼脂块等。
本实用新型的有益效果是：
本实用新型利用可变形镜的设置实现了快速的自适应光束聚焦补偿，利用可变形镜快速的图像刷新速率，克服了以往利用空间光调制器进行相位校正时速度慢的问题，提升了光束聚焦的速度。
本实用新型基于受激拉曼散射的原理，通过将受激拉曼散射成像技术于自适应光学技术相结合，得到于散射样本相契合的分区相位值，从而使聚焦中心的光强显著提升，提高了入射光利用率，能够有效地提高拉曼信号的收集率，在提升自适应光学聚焦质量的同时，实现分辨率更高的无标记成像，减小对生物组织的损害和毒性。
附图说明
图1为本实用新型系统的结构示意图；
图2为理想情况下300mm透镜聚焦850nm光时产生的艾里斑结果图；
图3为在透镜f/2处放置散射介质后产生的散射光斑结果图；
图4为模拟散射介质所使用的随机相位结果图；
图5为调制散射光所使用的补偿相位值结果图；
图6为经过自适应调制后的聚焦光斑结果图。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本实用新型作进一步说明。
如图1所示，具体实施包括激光器1、半波片2、3、偏振分束器4、5、声光调制器6、扩束模块、反射镜11、二向色镜16、相位延迟模块、合束模块、可变形镜19、扫描模块、显微物镜26、实验样品27和光强探测模块；两个半波片2、3与两个偏振分束器4、5布置在激光器1输出端前，激光器发射出两束不同波长的光束，两束光束均经各自的半波片2、3与偏振分束器4、5被调节为相同的偏振方向，第一束光束从偏振分束器4、5出射后依次经声光调制器6、扩束模块入射到反射镜11，第二束光束依次经扩束模块、相位延迟模块后入射到二向色镜16，第一束光束被反射镜11反射后经二向色镜16透射后和经二向色镜16反射的第二束光束一起分隔间距地经过合束模块入射到可变形镜19的两个区域上，再经由可变形镜19反射到合束模块形成一束光束，该光束再经过扫描模块入射到显微物镜26聚焦，实验样品27位于显微物镜26焦平面上，经实验样品27透射产生散射光束被光强探测模块接收进行探测，实验样品受激拉曼反射激发产生非线性信号，非线性信号通过光强探测模块接收进行探测。
每个扩束模块包括一个前扩束模块透镜7/8和一个后扩束模块透镜9/10；前扩束模块透镜7/8和后扩束模块透镜9/10沿光轴依次布置在偏振分束器4/5之后，激光器1出射的两束光束依次经各自的扩束模块之后被扩束到相同直径。
相位延迟模块包括沿光路依次布置的出射反射镜12、前偏转反射镜13、后偏转反射镜14和入射反射镜15，未经声光调制器6调制的第二束光束入射到出射反射镜12，依次经出射反射镜12反射、前偏转反射镜13反射、后偏转反射镜14反射、入射反射镜15反射后出射到二向色镜16；前偏转反射镜13与出射反射镜12之间的距离、后偏转反射镜14和入射反射镜15之间的距离均能调节，从而达到不同的延迟效果。
激光器发射出的两束光束均为脉冲光束，通过相位延迟模块的不同延迟调节使得两束光束的脉冲同步。
合束模块包括左分束器17和右分束器18；左分束器17和右分束器18之间连线平行于可变形镜19的反射面放置，左分束器17和右分束器18具体均为半透半反镜，第一束光束透射过右分束器18后入射到可变形镜19反射，经由可变形镜19反射回的光束入射到右分束器18反射产生第一反射光束，第二束光束透射过左分束器17后入射到可变形镜19反射，第二束光束经由可变形镜19反射回的光束入射到左分束器17反射产生第二反射光束，第二反射光束入射到右分束器18透射后和第一反射光束合束，使得从可变形镜19反射回的两束光束分别入射到左分束器17和右分束器18之后反射后形成同轴。
可变形镜19是主要由数个可三维调整反射面面型的微镜紧密阵列构成，具体可采用空间光调制器。
扫描模块包括前扫描振镜20、前光束准直透镜21、后光束准直透镜22、后扫描振镜23、前扫描模块透镜24和后扫描模块透镜25；前扫描振镜20、前光束准直透镜21、后光束准直透镜22、后扫描振镜23、前扫描模块透镜24和后扫描模块透镜25沿光路依次布置在合束模块之后，合束模块合束后出射的光束依次经前扫描振镜20反射、前光束准直透镜21、后光束准直透镜22、后扫描振镜23反射、前扫描模块透镜24和后扫描模块透镜25后入射到显微物镜26；
光强探测模块包括聚光器28、滤光片29、准直聚焦透镜30、光电二极管31和锁相放大器32，设计为透射式系统，聚光器28、滤光片29、准直聚焦透镜30、光电二极管31和锁相放大器32沿光路依次布置在实验样品27之后，实验样品27内的散射光束依次经过聚光器28、滤光片29和准直聚焦透镜30后进入光电二极管31和锁相放大器32收集并放大信号。
本实用新型的实施例及其实施过程如下：
1)将可变形镜19分为两个区域，分别对应两种不同波长的光束；
2)物镜的焦平面处不放置试验样品，用分区后的可变形镜19进行光束聚焦，在物镜的焦平面处得到理想聚焦光斑，如图2，并记录理想聚焦光斑的聚焦中心位置Of和信号光强值作为参考，图2中的理想聚焦光斑信号光强值为0.042139(a.u.)；
3)将实验样品置于物镜焦平面处，用分区后的可变形镜19预加载初始的全0相位，并进行光强探测，记录散射后得到的畸变聚焦光斑的聚焦中心位置Of′和信号光强值，如图3，其中畸变聚焦光斑中心位置的光强信号值为0.00042439(a.u.)，模拟所使用的散射介质在仿真中放置于透镜焦距f/2处，如图4；
4)针对可变形镜19的两个区域以相位调制的方式进行相位补偿，最终此光束对应分区完整的调制相位。对调制另一束光的分区采取同样的操作，并处理所获得另一分区中各个区域对应的补偿相位值，本次对其中850nm波长的光束进行仿真(聚焦焦距300mm)，所得到的可变形镜19上加载的相位如图5；
5)将所得到的补偿相位值加载到可变形镜19上进行光强探测，在实验样品内形成最终光学聚焦补偿光斑，如图6，调制后的光强值为0.027333(a.u.)，相比于畸变聚焦光斑，最终光学聚焦补偿光斑能够在聚焦中心位置获得增强了约64.41倍的信号值，从而在聚焦中心位置为Of′处激发出更强的非线性信号。
6)得到的信号通过光电二极管31采集和锁相放大器32进行放大，即得到该点的信号值。
7)利用扫描模块扫描整个实验样本，并对每个扫描点重复步骤3)到步骤6)即可得到整个扫描区域每个点的信号值从而组成图像。
由此，相比于传统的受激拉曼散射成像(SRS)系统，快速高效自适应光学补偿的受激拉曼散射成像系统能够在同样散射程度的样品中得到更好的焦点质量，更有效地利用光功率，减少过大功率对生物组织地损耗，在输入光强相同的情况下能够得到更高的信噪比，有效提高成像速度和分辨率。
Claims (7)
1.一种基于快速高效自适应光学补偿的受激拉曼散射成像系统，其特征在于：包括激光器(1)、半波片、偏振分束器、声光调制器(6)、扩束模块、反射镜(11)、二向色镜(16)、相位延迟模块、合束模块、可变形镜(19)、扫描模块、显微物镜(26)、实验样品(27)和光强探测模块；两个半波片与两个偏振分束器布置在激光器(1)输出端前，激光器发射出两束光束，两束光束均经各自的半波片与偏振分束器被调节为相同的偏振方向，第一束光束从偏振分束器出射后依次经声光调制器(6)、扩束模块入射到反射镜(11)，第二束光束依次经扩束模块、相位延迟模块后入射到二向色镜(16)，第一束光束被反射镜(11)反射后经二向色镜(16)透射后和经二向色镜(16)反射的第二束光束一起分隔间距地经过合束模块入射到可变形镜(19)的两个区域上，再经由可变形镜(19)反射到合束模块形成一束光束，该光束再经过扫描模块入射到显微物镜(26)聚焦，实验样品(27)位于显微物镜(26)焦平面上，经实验样品(27)透射产生散射光束被光强探测模块接收进行探测。
2.根据权利要求1所述的一种基于快速高效自适应光学补偿的受激拉曼散射成像系统，其特征在于：每个所述扩束模块包括一个前扩束模块透镜和一个后扩束模块透镜；前扩束模块透镜和后扩束模块透镜沿光轴依次布置在偏振分束器之后，激光器(1)出射的两束光束依次经各自的扩束模块之后被扩束到相同直径。
3.根据权利要求1所述的一种基于快速高效自适应光学补偿的受激拉曼散射成像系统，其特征在于：所述的相位延迟模块包括沿光路依次布置的出射反射镜(12)、前偏转反射镜(13)、后偏转反射镜(14)和入射反射镜(15)，未经声光调制器(6)调制的第二束光束入射到出射反射镜(12)，依次经出射反射镜(12)反射、前偏转反射镜(13)反射、后偏转反射镜(14)反射、入射反射镜(15)反射后出射到二向色镜(16)。
4.根据权利要求1所述的一种基于快速高效自适应光学补偿的受激拉曼散射成像系统，其特征在于：所述的合束模块包括左分束器(17)和右分束器(18)；左分束器(17)和右分束器(18)之间连线平行于可变形镜(19)的反射面放置，第一束光束透射过右分束器(18)后入射到可变形镜(19)反射，经由可变形镜(19)反射回的光束入射到右分束器(18)反射产生第一反射光束，第二束光束透射过左分束器(17)后入射到可变形镜(19)反射，第二束光束经由可变形镜(19)反射回的光束入射到左分束器(17)反射产生第二反射光束，第二反射光束入射到右分束器(18)透射后和第一反射光束合束，使得从可变形镜(19)反射回的两束光束分别入射到左分束器(17)和右分束器(18)之后反射后形成同轴。
5.根据权利要求1所述的一种基于快速高效自适应光学补偿的受激拉曼散射成像系统，其特征在于：所述的可变形镜(19)是主要由数个可三维调整反射面面型的微镜紧密阵列构成。
6.根据权利要求1所述的一种基于快速高效自适应光学补偿的受激拉曼散射成像系统，其特征在于：所述的扫描模块包括前扫描振镜(20)、前光束准直透镜(21)、后光束准直透镜(22)、后扫描振镜(23)、前扫描模块透镜(24)和后扫描模块透镜(25)；前扫描振镜(20)、前光束准直透镜(21)、后光束准直透镜(22)、后扫描振镜(23)、前扫描模块透镜(24)和后扫描模块透镜(25)沿光路依次布置在合束模块之后，合束模块合束后出射的光束依次经前扫描振镜(20)反射、前光束准直透镜(21)、后光束准直透镜(22)、后扫描振镜(23)反射、前扫描模块透镜(24)和后扫描模块透镜(25)后入射到显微物镜(26)；所述的光强探测模块包括聚光器(28)、滤光片(29)、准直聚焦透镜(30)、光电二极管(31)和锁相放大器(32)，聚光器(28)、滤光片(29)、准直聚焦透镜(30)、光电二极管(31)和锁相放大器(32)沿光路依次布置在实验样品(27)之后，实验样品(27)内的散射光束依次经过聚光器(28)、滤光片(29)和准直聚焦透镜(30)后进入光电二极管(31)和锁相放大器(32)收集并放大信号。
7.根据权利要求1所述的一种基于快速高效自适应光学补偿的受激拉曼散射成像系统，其特征在于：所述实验样品(27)为但不限于活体生物组织、离体生物组织、含小球的琼脂块。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |