CN217525095U

CN217525095U - 一种基于透射式探测的激光散斑成像装置及投影装置

Info

Publication number: CN217525095U
Application number: CN202220268853.3U
Authority: CN
Inventors: 朱; 李东宇; 夏晴; 俞婷婷; 朱京谭
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2022-01-30
Filing date: 2022-01-30
Publication date: 2022-10-04
Anticipated expiration: 2032-01-30

Abstract

本实用新型属于光学成像技术领域，更具体地，涉及一种基于透射式探测的激光散斑成像装置及投影装置。沿光路依次包括激光光源、位移台、成像物镜、滤光片、线偏振片以及相机，激光光源从放置在位移台上的样品底部入射，通过样品后，进入成像物镜，后通过滤光片和线偏振片，被相机成像记录。通过透射式探测，与常规使用的反射式探测相比，一方面能够提升到达探测器的信号中包含的深层组织信号占比，从而提升厚组织成像的信噪比；另一方面，由于透射式探测的是前向散射光，其保偏性强于常规反射式探测的背向散射光，从而提升了相干性，对散斑衬比分析更有利，进而也能够提升探测灵敏度。

Description

一种基于透射式探测的激光散斑成像装置及投影装置

技术领域

本实用新型属于光学成像技术领域，更具体地，涉及一种基于透射式探测的激光散斑成像装置及投影装置。

背景技术

激光散斑衬比成像技术通过分析激光照射在运动的散射介质上发生随机干涉而形成的散斑，即可生成测量样品的二维流速分布图，具有非接触测量、高时空分辨率等优势，目前在血流成像监测中发挥重要作用。

但是，现有的基于反射式探测的激光散斑衬比成像装置用于厚组织样本探测时，空间分辨率和成像信噪比很差。这是因为，对于厚组织样本，当探测目标并非位于表层，而是位于深处时，当激光到达目标之前，需穿过上层的混浊组织，从而产生很强的静态散斑，甚至掩盖目标所产生的动态散斑信号。

在血管显影领域，传统的技术是利用血液中血红蛋白对近红外光的吸收强于其他组织的原理，能够实时的将血管原位、1:1地投影在皮肤表面，显示血管的粗细、走向、分布和轮廓，常被用于辅助静脉注射。但是，这种技术只能显影血管的结构，并不能反应血管的功能，比如血流分布信息。事实上，血流速度是重要的临床参数，如果能将血管中的血流分布信息原位投影在皮肤表面，能够为临床诊断提供重要依据。

实用新型内容

针对现有技术的缺陷，本实用新型提供了一种基于透射式探测的激光散斑成像装置及投影装置，能够解决现有反射式激光散斑技术中存在的上层组织的背景信号过强、深层血流信号信噪比低，以及现有血管显影技术只能提供血管结构信息、无法提供血管内血流信息的技术问题。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种基于透射式探测的激光散斑成像装置，其特征在于，沿光路依次包括：

激光光源，用于发射激光光束以照射待测样品；

位移台，用于放置待测样品；所述位移台能够允许所述激光光源发出的光线穿过，并从所述待测样品底部入射；

成像物镜；用于收集从所述待测样品前向散射的光，并对散斑图像进行初步放大；

滤光片，用于滤除环境光，使通过的光只包含与所述激光光源波长一致的光；

线偏振片，用于滤除从所述待测样品散射退偏的光子，使从所述待测样品散射的光子选择性地通过；和

相机，用于对散射光进行采集成像。

优选地，所述激光光源为近红外一区激光光源；且所述激光光源发出的激光为线偏振光。

进一步优选地，所述激光光源为近红外激光光源，其近红外激光二极管波长处于700-900nm，带宽小于20nm，功率大于100mW。

可选地，所述激光光源发出的激光包含不同偏振方向的偏振光，所述激光光源和所述位移台之间还设置有起偏器，所述起偏器用于使通过的光变成线偏振光。

可选地，所述位移台采用能够供光线透过的透明材质，或该位移台上设置有供光线穿过且直射在待测样品上的孔。

可选地，所述成像物镜为体式显微镜，该体式显微镜在700-900nm波段的透过率大于70％。

可选地，所述体式显微镜为近红外优化的连续变倍体视显微镜。

可选地，所述滤光片为窄带滤光片，所述窄带滤光片半高全宽小于20nm，透过率不小于70％。

可选地，所述相机为近红外相机，其在700-900nm波段响应率大于90％。

按照本实用新型的另一个方面，提供了一种基于所述成像装置的激光散斑投影装置，包括所述的成像装置，还包括计算机和微型投影仪，所述计算机的输入端与所述相机的输出端相连接，所述计算机的输出端与所述微型投影仪的输入端相连接，且所述微型投影仪射出的光线投影至所述待测样品所在的位置。

总体而言，通过本实用新型所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

(1)本实用新型提供的一种基于透射式探测的激光散斑成像装置，沿光路依次包括激光光源、位移台、成像物镜、滤光片、线偏振片以及相机，激光光源从放置在位移台上的样品底部入射，通过样品后，进入成像物镜，后通过滤光片和线偏振片，被相机成像记录。通过透射式探测，与常规使用的反射式探测相比，一方面能够提升到达探测器的信号中包含的深层组织信号占比，从而提升厚组织成像的信噪比；另一方面，由于透射式探测的是前向散射光，其保偏性强于常规反射式探测的背向散射光，从而提升了相干性，对散斑衬比分析更有利，进而也能够提升探测灵敏度。

(2)优选实施例中采用近红外波段进行探测，其在组织中的穿透能力强，保证了整套系统对厚组织的适应能力；同时，对近红外优化的连续变倍体视显微镜及近红外高响应的相机能够保证整套系统对近红外光的收集效率。

(3)本实用新型窄带滤光片能够消除待测光以外的外部光源对探测结果的影响；偏振片能够减小光在组织的传输过程中产生的退偏效应对探测结果的影响。

(4)基于本实用新型透射式探测的激光散斑投影装置在上述成像装置的基础上，增设微型投影仪，能够将透射式探测的激光散斑衬比成像系统测得的样品流速分布信息实时、原位且1:1地投影在待测样品表面。

附图说明

图1为本实用新型一些实施例中基于透射式探测的激光散斑成像装置示意图。

图2为本实用新型另一些实施例中基于透射式探测的激光散斑成像装置示意图。

图3是本实用新型一个实施例中对手指关节进行成像得到的血流分布成像图。

图4为本实用新型一些实施例中基于透射式探测的激光散斑投影装置示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-激光光源；2-位移台；3-待测样品；4-成像物镜；5-滤光片；6-线偏振片； 7-相机；8-起偏器；9-计算机；10-微型投影仪。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

本实用新型一些实施例中提供的一种基于透射式探测的激光散斑成像装置，如图1所示，沿光路依次包括：激光光源1，用于发射激光光束，照射待测样品3；位移台2，用于放置待测样品3；所述位移台2能够允许所述激发光源1 发出的光线穿过，并从所述待测样品3底部入射；成像物镜4；用于收集从所述待测样品前向散射的光，并对散斑图像进行初步放大；滤光片5，用于滤除环境光，使通过的光波长与激光光源波长一致；线偏振片6，用于滤除从所述待测样品散射退偏的光子，使从所述待测样品散射的光子选择性地通过；和相机7，用于对散射光进行采集成像。

本实用新型成像装置能够适用于厚组织样本的透射式探测激光散斑成像，一些实施例中，所述激光光源1为近红外一区激光光源；可以是激光器，也可以是激光二极管；且所述激光光源发出的激光为线偏振光。其近红外激光二极管波长处于700-900nm，带宽小于20nm，功率大于100mW。

另一些实施例中，所述激光光源1发出的激光包含不同偏振方向的偏振光，如图2所示，该成像装置中所述激光光源和所述位移台之间还设置有起偏器，所述起偏器用于使通过的光变成线偏振光。

本实用新型所述位移台2采用能够供光线透过的透明材质，比如玻璃材质，或该位移台上设置有供光线穿过且直射在待测样品上的孔，一般孔尺寸略小于待测样品的尺寸，使得该待测样品可以放置于位移台上，也能够确保光线从位移台底部穿过该小孔入射。位移台2可以为手动调节的水平位移台或三维位移台，也可以为电动水平位移台或三维位移台。

本实用新型成像装置适用的待测样品3可以是微流控芯片，也可以是生物组织(动植物、人体等)；对于厚度为1cm厚及以上的待测样品均能适用。

本实用新型成像装置除了适用于生物组织样品，也适用于微流控芯片样品。微流控芯片技术是把生物、化学、医学分析过程的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到一块微米尺度的芯片上，自动完成分析全过程。由于它在生物、化学、医学等领域的巨大潜力，已经发展成为一个生物、化学、医学、流体、电子、材料、机械等学科交叉的崭新研究领域。在微流控芯片的生产测试阶段，需要对其中液体的流速分布进行测量，确认其与设计参数的一致性。微流控芯片的流速检测可通过本实用新型成像装置来实现。

一些实施例中，所述成像物镜4为体式显微镜，所述体式显微镜优选为近红外优化的体视显微镜，该体式显微镜在700-900nm波段的透过率大于70％；进一步优选为近红外优化的连续变倍体视显微镜。对放大倍数没有特殊要求时，也可以采用定倍定焦相机。本实用新型通过对体式显微镜的镜头进行常规镀膜处理，以实现近红外优化，提高近红外光的透过率。

一些实施例中，滤光片5为窄带滤光片，窄带滤光片可以是对应激光光源波长，半高全宽小于20nm，透过率不小于70％。线偏振片7偏振方向与光源的偏振方向一致。

一些实施例中，所述相机8为近红外一区相机，其在700-900nm波段响应率大于90％。可以是CCD，也可以是CMOS。

一些实施例中，利用本实用新型的成像装置对待测样品进行成像时，所述激光光源发出的激光从放置在位移台上的样品底部入射，通过样品后，进入连续变倍体视显微镜，后通过窄带滤光片和偏振片，被近红外相机成像记录，进而用软件算法对图像进行衬比分析，获取样本的流速分布，具体步骤如下：

1.用红外相机连续拍摄至少20幅图片(单张曝光时间统一，>5μs)

2.对获取的所有图片，对每张图像中的每个像素位置的值按照如下公式进行时间衬比运算

其中K_t(x,y)代表每个像素的时间衬比值，σ_(x,y)代表拍摄图像中对应像素点的值的标准差，<I_(x,y)>代表拍摄图像中对应像素点的平均值。

3.所得到的每个像素位置的时间衬比值构成的图像即为时间衬比图像。

4.对所得时间衬比图像中的每一个像素值进行如下运算，得到相对流速图像

v_(x,y)＝1/(K_t(x,y))²

其中v(x,y)代表每个像素位置对应的相对流速。

图3内容(a)和内容(b)分别为利用现有技术反射式激光散斑成像装置和本实用新型透射式激光散斑成像装置对成人手指关节血管中血流分布的成像图。从图3内容(a)可以看出，反射式激光散斑成像装置无法分辨血管，而采用本实施例中的透射式激光散斑成像(图3内容(b))可以分辨单根血管中的血流分布(颜色反应了流速的相对大小)。其中现有技术反射式激光散斑成像装置与本实用新型透射式激光散斑成像装置的不同是，把激光光源从样品下方改为放置在样品上方照射样品。

本实用新型还提供了一种基于所述成像装置的激光散斑投影装置，如图4 所示，除了包括上述成像装置，还包括计算机和微型投影仪，计算机的输入端与所述相机的输出端相连接，所述计算机的输出端与所述微型投影仪的输入端相连接，且所述微型投影仪射出的光线投影至所述待测样品所在的位置。计算机用于将相机采集到的实时图像传输给微型投影仪，微型投影仪其焦距不低于 50cm，帧率不低于24帧/秒。本实用新型在对样品进行实时原位投影时，先通过成像装置获取样品的实时流速分布图像，然后通过上述微型投影仪将该流速分布图像实时、原位、1:1地投影在样品表面。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种基于透射式探测的激光散斑成像装置，其特征在于，沿光路依次包括：

激光光源，用于发射激光光束以照射待测样品；

位移台，用于放置所述待测样品；所述位移台能够允许所述激光光源发出的光线穿过，并从所述待测样品底部入射；

相机，用于对散射光进行采集成像。

2.如权利要求1所述的成像装置，其特征在于，所述激光光源为近红外一区激光光源；且所述激光光源发出的激光为线偏振光。

3.如权利要求1所述的成像装置，其特征在于，所述激光光源为近红外激光光源，其近红外激光二极管波长处于700-900nm，带宽小于20nm，功率大于100mW。

4.如权利要求1所述的成像装置，其特征在于，所述激光光源发出的激光包含不同偏振方向的偏振光，所述激光光源和所述位移台之间还设置有起偏器，所述起偏器用于使通过的光变成线偏振光。

5.如权利要求1所述的成像装置，其特征在于，所述位移台采用能够供光线透过的透明材质，或该位移台上设置有供光线穿过且直射在待测样品上的孔。

6.如权利要求1所述的成像装置，其特征在于，所述成像物镜为体式显微镜，该体式显微镜在700-900nm波段的透过率大于70％。

7.如权利要求6所述的成像装置，其特征在于，所述体式显微镜为近红外优化的连续变倍体视显微镜。

8.如权利要求1所述的成像装置，其特征在于，所述滤光片为窄带滤光片，所述窄带滤光片半高全宽小于20nm，透过率不小于70％。

9.如权利要求1所述的成像装置，其特征在于，所述相机为近红外相机，其在700-900nm波段响应率大于90％。

10.一种基于如权利要求1至9任一项所述成像装置的激光散斑投影装置，其特征在于，包括如权利要求1至9任一项所述的成像装置，还包括计算机和微型投影仪，所述计算机的输入端与所述相机的输出端相连接，所述计算机的输出端与所述微型投影仪的输入端相连接，且所述微型投影仪射出的光线投影至所述待测样品所在的位置。