本發(fā)明屬于共聚焦顯微內(nèi)鏡領(lǐng)域，特別涉及一種基于光子重組的光纖環(huán)陣共振型壓電掃描方法及裝置。

背景技術(shù)：

共聚焦顯微成像技術(shù)是利用激光束經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)形成的點光源對樣品內(nèi)物鏡焦平面的每一點進行掃描。光源、被照物點和探測器處在彼此對應(yīng)的共軛位置，光源經(jīng)物鏡在樣品內(nèi)聚焦成衍射極限的光點，其熒光(或反射光)再次通過物鏡或聚光鏡到達空間濾波器的共焦針孔內(nèi)，由靠近針孔后面的探測接收器接受信號，并通過掃描聚光點在樣品內(nèi)的位置對樣品進行三維成像，而焦平面以外的點不會在探測針孔處成像，這樣得到的共聚焦圖像就是樣品內(nèi)物鏡焦平面的光學(xué)橫斷面。利用共聚焦顯微成像技術(shù)可以對包括生物組織在內(nèi)的各種樣品進行可視化的定量測量并提供重要的形態(tài)結(jié)構(gòu)細節(jié)信息。這些信息能夠為疾病的診斷提供重要幫助，在組織活檢和外科手術(shù)之前定位病變組織輪廓。

但從各種光學(xué)顯微成像方法到實際臨床應(yīng)用之間還存在著一個重要的挑戰(zhàn)：需要設(shè)計開發(fā)適用于臨床環(huán)境的小型化激光掃描器件。目前單根光纖共振型壓電掃描器能夠以非常緊湊的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)掃描，因而有望實現(xiàn)傳統(tǒng)掃描器件難以實現(xiàn)的小型化。

在傳統(tǒng)的單根光纖共振型壓電掃描共聚焦顯微內(nèi)鏡裝置(如圖1所示)中，包括激光器1，二向分色鏡2，光纖耦合器3，單模光纖4，Z軸壓電陶瓷5，XY軸壓電陶瓷6，第一物鏡7，第二物鏡8，樣品9，探測器10，透鏡11，濾光片12，反射鏡13、計算機14。

采用圖1所示的裝置所實現(xiàn)的單根光纖共振型壓電掃描共聚焦顯微內(nèi)鏡，其過程如下：

(1)激光器1發(fā)出照明光，經(jīng)二向分色鏡2和光纖耦合器耦合進單模光纖4中；

(2)單模光纖4尖端懸臂在XY軸壓電陶瓷6的驅(qū)動下發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從單模光纖4出射的光經(jīng)第一物鏡7和第二物鏡8聚焦到熒光樣品9上；

(3)激光照明熒光樣品9后激發(fā)樣品產(chǎn)生熒光，再經(jīng)過第一物鏡7和第二物鏡8和單模光纖4收集后，由單模光纖4出射的熒光經(jīng)過光纖耦合器3，并由二向分色鏡2反射至反射鏡13，經(jīng)濾光片12濾除樣品反射的激光及其他雜散光，僅使熒光出射，出射的熒光經(jīng)透鏡11會聚后，聚焦到探測器10上；探測器10將光信號轉(zhuǎn)變成電信號，并將電信號傳送至計算機14，得到一個物點所對應(yīng)的圖像；

(4)XY軸壓電陶瓷6和Z軸壓電陶瓷5與計算機14相連，通過計算機14來控制驅(qū)動XY軸壓電陶瓷6和Z軸壓電陶瓷5的信號，使單模光纖4尖端懸臂發(fā)生偏轉(zhuǎn)和Z軸方向的移動，完成三維掃描，得到樣品對應(yīng)的三維圖像。

在基于單根光纖共振型壓電掃描器的共聚焦顯微內(nèi)窺鏡中，光纖既充當照明點光源又起到探測小孔的作用，大大提高了分辨率。但傳統(tǒng)的單根光纖共振型壓電掃描器所使用的單模光纖纖徑小，雖然極大地提高了分辨率，但過小的孔徑在分辨率提高的同時也會導(dǎo)致信噪比的降低，因此這種方法和裝置存在著分辨率與信噪比之間的矛盾。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種基于光子重組的光纖環(huán)陣共振型壓電掃描方法及裝置，提出中心光纖出射激發(fā)，光纖環(huán)陣多通道并行探測信號，再利用光子重組的算法將數(shù)據(jù)融合的新型探頭設(shè)計方案。相對于其他單根光纖共振型壓電掃描器，該裝置是基于共聚焦顯微內(nèi)鏡，其結(jié)構(gòu)簡單，便于操作，系統(tǒng)成像分辨率由單根光纖決定，信噪比由光纖環(huán)陣束決定，系統(tǒng)分辨率和信噪比同時兼得，可用于共聚焦顯微內(nèi)鏡領(lǐng)域。

本裝置以光纖環(huán)陣代替單根光纖，采用探測器陣列取代傳統(tǒng)共焦顯微成像中放置于像面上的單個針孔探測器。通過壓電陶瓷的伸縮作用驅(qū)動光纖懸臂，使光纖束發(fā)生偏轉(zhuǎn)，如圖3所示。激發(fā)光耦合進中心光纖，照亮樣品，樣品的后向反射光或激發(fā)的熒光通過光纖環(huán)陣，如圖4(a)所示，被陣列探測器同時收集，再利用光子重組的算法將數(shù)據(jù)融合，達到分辨率與信噪比同時兼得的目的。

本發(fā)明的具體技術(shù)方案如下：

一種基于光子重組的光纖環(huán)陣共振型壓電掃描方法，針對熒光樣品包括以下步驟：

(1)激光器發(fā)出照明光束，透過一個二色鏡后被耦合進一根光纖，激發(fā)光從光纖的另一端出射，經(jīng)過復(fù)消色差物鏡模塊聚焦到熒光樣品上，對樣品進行激發(fā)；

(2)所述熒光樣品被激發(fā)出熒光后，得到的熒光先經(jīng)過復(fù)消色差物鏡模塊，被光纖束收集，中心光纖收集到的光從近端出射，經(jīng)二色鏡反射，再經(jīng)第二透鏡聚焦并濾除雜散光后，被光電探測器接收，光纖環(huán)陣每根光纖收集到的光則直接由陣列探測器中對應(yīng)的探測器接收；

(3)所述光電探測器將光信號轉(zhuǎn)換為電信號并傳給計算機，計算機將每個探測器探測到的光斑做相應(yīng)的處理后疊加，得到最終光斑的圖像，完成了對樣品一個點的信息讀入和處理；

(4)通過X/Y/Z向獨立的壓電陶瓷在共振模式下進行圖像高速掃描，壓電陶瓷在具有共振頻率的驅(qū)動信號下伸縮，驅(qū)動光纖懸臂以螺旋線軌跡運動,完成對圖像的三維掃描。

本發(fā)明還提供了一種基于光子重組的光纖環(huán)陣共振型壓電掃描裝置，針對熒光樣品包括：

(1)激光器，用于發(fā)出激發(fā)光，實現(xiàn)對熒光樣品的照明激發(fā)；

(2)耦合系統(tǒng)，用于將激發(fā)照明光耦合進單模光纖中；

(3)中心單模光纖，用于出射激發(fā)照明光；

(4)光纖環(huán)陣，也稱光纖束，由多根單模光纖組成，用于多通道并行接收熒光信號；

(5)壓電陶瓷，用于控制光纖懸臂X/Y/Z三個方向的移動，完成對樣品的三維掃描；

(6)復(fù)消色差物鏡組，用于激發(fā)照明光會聚到樣品面上，收集熒光樣品被激發(fā)后所發(fā)出的熒光；

(7)二向分色鏡，用于透射激發(fā)光以及激發(fā)光照射樣品產(chǎn)生的后向散射光，反射樣品激發(fā)出的熒光；

(8)第一濾波片、第二濾波片，用于濾除經(jīng)樣品面反射回來的激光，而僅使熒光樣品發(fā)出的熒光通過參與成像；

(9)透鏡，用于將熒光樣品發(fā)出的熒光會聚到探測器陣列上；

(10)探測器陣列，由多個帶有針孔的光電探測器所組成的陣列，用于將探測到的光信號轉(zhuǎn)換為電信號并傳送至計算機；

(11)計算機，用于處理探測器的信號，同時控制共振壓電掃描器的驅(qū)動信號，完成對樣品的三維平面掃描。

本發(fā)明原理如下：

在通用的共聚焦顯微內(nèi)鏡裝置基礎(chǔ)上，將激光發(fā)出的通過二向分色鏡全部透射而出的照明光束耦合進一根單模光纖中，該單模光纖與光纖環(huán)陣的尖端組合的光纖懸臂在壓電陶瓷的驅(qū)動下對樣品進行高速掃描。從單模光纖出射的激發(fā)照明光經(jīng)物鏡聚焦到熒光樣品表面發(fā)生全反射，激發(fā)樣品發(fā)出熒光。激發(fā)出的熒光被光纖環(huán)陣的各根光纖收集，每根光纖收集到的熒光在對應(yīng)陣列探測器單元處成像，其記錄的光強為：

其中，代表樣品上被掃描的位置矢量，O為物強度函數(shù)，代表物空間上的物的位置矢量，代表探測器所在的位置矢量，其有效點擴散函數(shù)(PSF_eff)與激發(fā)點擴散函數(shù)(PSF_exc)和探測點擴散函數(shù)(PSF_det)的關(guān)系為：

當探測器單元不處在共軛焦點上時，該探測器單元所探測到的探測點擴散函數(shù)將發(fā)生平移，從而使有效點擴散函數(shù)的峰值產(chǎn)生平移，如圖5的點虛線和線虛線所示，故假如直接將每個探測器單元所獲得的有效點擴散函數(shù)加起來，則所獲得的有效點擴散函數(shù)將產(chǎn)生較大的輪廓，從而與未采用針孔探測器的共焦顯微一樣降低了分辨率，如圖6點虛線所示。所以，在已知探測器陣列中每個探測單元的實際位置時，將每個探測器單元所獲得的圖像與偏移點擴散函數(shù)反卷積，得到無偏移圖像，然后再相加，這一過程被稱為光子重組，用公式表示即：

這樣一來，探測器陣列中的每個探測單元所獲得的有效點擴散函數(shù)都與中心探測器單元所得到的圖像重合，使作光子重組后的有效點擴散函數(shù)變成一個較窄的輪廓，如圖6線虛線所示，同時強度相比單根光纖收集到的更強，從而有效的提高了分辨率和信噪比。

如此便完成了對單個物點的圖像讀入和處理過程。當光纖懸臂在壓電陶瓷的驅(qū)動下對樣品進行X/Y/Z三個方向的高速掃描時，便可實現(xiàn)對樣品的三維高分辨成像。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果：

(1)相對于原有的共聚焦顯微內(nèi)鏡，通過光纖環(huán)陣和光子重組方法同時實現(xiàn)高分辨率與高信噪比。

(2)利用共振放大，實現(xiàn)低電壓驅(qū)動的高幀速大范圍掃描。

(3)裝置結(jié)構(gòu)簡單，數(shù)據(jù)處理方便。

附圖說明

圖1為傳統(tǒng)的單根光纖共振型壓電掃描共聚焦顯微內(nèi)鏡裝置示意圖；

圖2為本發(fā)明中的光纖環(huán)陣共振型壓電掃描共聚焦顯微內(nèi)鏡裝置示意圖；

圖3為圖2裝置的虛線框部分的壓電掃描探頭的放大圖；

圖4(a)圖2裝置的虛線框部分的懸臂部分光路放大圖；圖4(b)為圖4(a)虛線處的橫切圖，即光纖環(huán)陣的橫切圖；

圖5實線為中心光纖所收集的信號被探測器陣列探測到的點擴散函數(shù)的示意圖；圖5線虛線為與中心光纖相鄰的位于左側(cè)的一根光纖被探測器陣列探測到的點擴散函數(shù)示意圖；圖5點虛線為與中心光纖相鄰的位于右側(cè)的一根光纖被探測器陣列探測到的點擴散函數(shù)示意圖；

圖6實線中心光纖所收集的信號被探測器陣列探測到的點擴散函數(shù)的示意圖；圖6點虛線為將每個探測器單元所獲得的有效點擴散函數(shù)直接相加后的點擴散函數(shù)示意圖；圖6線虛線分別為光子重組后得到的點擴散函數(shù)示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合實施例和附圖來詳細說明本發(fā)明，但本發(fā)明并不限于此。

實施例1

如圖2所示，一種基于光子重組的光纖環(huán)陣共振型壓電掃描共聚焦顯微內(nèi)鏡裝置，包括激光器1，二向分色鏡2，光纖耦合器3，中心單模光纖4，第一濾光片5，壓電陶瓷15，第一物鏡7，第二物鏡8，樣品9，探測器陣列16，透鏡11，第二濾光片12，由6根單模光纖排列成環(huán)狀的光纖環(huán)陣17，計算機14。

采用圖2所示的裝置所實現(xiàn)的基于光子重組的光纖環(huán)陣共振型壓電掃描顯微內(nèi)窺方法，其過程如下：

(1)激光器1發(fā)出照明光，經(jīng)二向分色鏡2和光纖耦合器耦合進中心單模光纖4中；

(2)中心單模光纖4與光纖環(huán)陣17組成的光纖懸臂在壓電陶瓷15的驅(qū)動下發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從單模光纖4出射的光經(jīng)第一物鏡7和第二物鏡8聚焦到熒光樣品9上；

(3)激光照明熒光樣品9后激發(fā)樣品產(chǎn)生熒光，再經(jīng)過第一物鏡7、第二物鏡8、被中心單模光纖4和光纖環(huán)陣17收集后，由中心單模光纖4出射的熒光經(jīng)過光纖耦合器，并由二向分色鏡2反射至第二濾光片12，經(jīng)第二濾光片12濾除樣品反射的激光及其他雜散光后，僅使熒光出射，出射的熒光經(jīng)透鏡11會聚后，聚焦到探測器陣列16上；而由光纖環(huán)陣17出射的熒光，經(jīng)第一濾光片5濾除雜散光后，聚焦到探測器陣列16上；探測器陣列16將光信號轉(zhuǎn)變成電信號，并將電信號傳送至計算機14；

(4)計算機14將探測器陣列16中的每個探測器單元所獲得的信號作相應(yīng)的圖像處理后得到一個物點所對應(yīng)的圖像；

(5)壓電陶瓷15與計算機14相連，通過計算機14來控制驅(qū)動壓電陶瓷15的信號，使中心單模光纖4與光纖環(huán)陣17組成的光纖懸臂發(fā)生偏轉(zhuǎn)完成三維掃描，得到樣品對應(yīng)的三維圖像。

實施例2

如圖2所示，一種基于光子重組的光纖環(huán)陣共振型壓電掃描共聚焦顯微內(nèi)鏡裝置，包括激光器1，二向分色鏡2，光纖耦合器3，中心單模光纖4，第一濾光片5，壓電陶瓷15，第一物鏡7，第二物鏡8，樣品9，探測器陣列16，透鏡11，第二濾光片12，由18根單模光纖排列成環(huán)狀的光纖環(huán)陣17，計算機14。

采用圖2所示的裝置所實現(xiàn)的基于光子重組的光纖環(huán)陣共振型壓電掃描顯微內(nèi)窺方法，其過程如下：

(1)激光器1發(fā)出照明光，經(jīng)二向分色鏡2和光纖耦合器耦合進中心單模光纖4中；

(2)中心單模光纖4與光纖環(huán)陣17組成的光纖懸臂在壓電陶瓷15的驅(qū)動下發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從單模光纖4出射的光經(jīng)第一物鏡7和第二物鏡8聚焦到熒光樣品9上；

(3)激光照明熒光樣品9后激發(fā)樣品產(chǎn)生熒光，再經(jīng)過第一物鏡7、第二物鏡8、被中心單模光纖4和光纖環(huán)陣17收集后，由中心單模光纖4出射的熒光經(jīng)過光纖耦合器，并由二向分色鏡2反射至第二濾光片12，經(jīng)第二濾光片12濾除樣品反射的激光及其他雜散光后，僅使熒光出射，出射的熒光經(jīng)透鏡11會聚后，聚焦到探測器陣列16上；而由光纖環(huán)陣17出射的熒光，經(jīng)第一濾光片5濾除雜散光后，聚焦到探測器陣列16上；探測器陣列16將光信號轉(zhuǎn)變成電信號，并將電信號傳送至計算機14；

(4)計算機14將探測器陣列16中的每個探測器單元所獲得的信號作相應(yīng)的圖像處理后得到一個物點所對應(yīng)的圖像；

(5)壓電陶瓷15與計算機14相連，通過計算機14來控制驅(qū)動壓電陶瓷15的信號，使中心單模光纖4與光纖環(huán)陣17組成的光纖懸臂發(fā)生偏轉(zhuǎn)完成三維掃描，得到樣品對應(yīng)的三維圖像。

實施例3

如圖2所示，一種基于光子重組的光纖環(huán)陣共振型壓電掃描共聚焦顯微內(nèi)鏡裝置，包括激光器1，二向分色鏡2，光纖耦合器3，中心單模光纖4，第一濾光片5，壓電陶瓷15，第一物鏡7，第二物鏡8，樣品9，探測器陣列16，透鏡11，第二濾光片12，由36根單模光纖排列成環(huán)狀的光纖環(huán)陣17，計算機14。

采用圖2所示的裝置所實現(xiàn)的基于光子重組的光纖環(huán)陣共振型壓電掃描顯微內(nèi)窺方法，其過程如下：

(1)激光器1發(fā)出照明光，經(jīng)二向分色鏡2和光纖耦合器耦合進中心單模光纖4中；

(2)中心單模光纖4與光纖環(huán)陣17組成的光纖懸臂在壓電陶瓷15的驅(qū)動下發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從單模光纖4出射的光經(jīng)第一物鏡7和第二物鏡8聚焦到熒光樣品9上；

(3)激光照明熒光樣品9后激發(fā)樣品產(chǎn)生熒光，再經(jīng)過第一物鏡7、第二物鏡8、被中心單模光纖4和光纖環(huán)陣17收集后，由中心單模光纖4出射的熒光經(jīng)過光纖耦合器，并由二向分色鏡2反射至第二濾光片12，經(jīng)第二濾光片12濾除樣品反射的激光及其他雜散光后，僅使熒光出射，出射的熒光經(jīng)透鏡11會聚后，聚焦到探測器陣列16上；而由光纖環(huán)陣17出射的熒光，經(jīng)第一濾光片5濾除雜散光后，聚焦到探測器陣列16上；探測器陣列16將光信號轉(zhuǎn)變成電信號，并將電信號傳送至計算機14；

(4)計算機14將探測器陣列16中的每個探測器單元所獲得的信號作相應(yīng)的圖像處理后得到一個物點所對應(yīng)的圖像；

(5)壓電陶瓷15與計算機14相連，通過計算機14來控制驅(qū)動壓電陶瓷15的信號，使中心單模光纖4與光纖環(huán)陣17組成的光纖懸臂發(fā)生偏轉(zhuǎn)完成三維掃描，得到樣品對應(yīng)的三維圖像。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施舉例，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。