專利名稱：一種基于光纖束的散斑類共聚焦系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于激光成像技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于光纖束的散斑類共聚焦系統(tǒng)(FBSQCS)，具有層析能力強(qiáng)及帶內(nèi)窺裝置等優(yōu)點(diǎn)。它適用 于醫(yī)學(xué)臨床診斷，工業(yè)檢査等多種領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
從20世紀(jì)60年代開始，激光應(yīng)用的早期，激光散斑現(xiàn)象被認(rèn)為是對 光學(xué)系統(tǒng)的一種干擾，它嚴(yán)重影響了成像的分辨能力?？茖W(xué)家們嘗試使用 多種方法來減弱散斑現(xiàn)象。然而沒過多久，科學(xué)家們就開始研究散斑的特 有性質(zhì)，同時(shí)發(fā)展激光散斑技術(shù)的實(shí)踐應(yīng)用。激光散斑在信息處理、天文 物理、工業(yè)測量和生命科學(xué)等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。目前關(guān)于散斑的應(yīng)用已經(jīng)有較多的文章和專利。Cathie Ventalon和 Jerome Mertz在"Quasi-confocal fluorescence sectioning with dynamic speckle illumination"((^3tics Letters/Vol.30，No.24/December 15,2005)中將散斑與共聚 焦顯微成像原理結(jié)合，組成散斑類共聚焦系統(tǒng)。如圖1所示，為散斑類共 聚焦顯微鏡(Speckle Quasi-Confocal Microscope, SQCM)成像原理圖。散斑類共聚焦顯微鏡利用隨機(jī)變動(dòng)的散斑場照明樣品激發(fā)熒光，利用熒光信 號的波動(dòng)記錄樣品信息。由于物鏡焦平面附近散斑信號的波動(dòng)程度不相同，可以利用這個(gè)原理濾除焦面以外的熒光信號從而達(dá)到層析成像的目的。激 光器1發(fā)出的激光照射到可旋轉(zhuǎn)的散射屏2，在屏上形成一個(gè)激光斑點(diǎn)，該 斑點(diǎn)被第一透鏡3和第二透鏡4成像于物鏡5的后焦面，通過物鏡5后平 行出射，在樣品6表面形成動(dòng)態(tài)散斑場。樣品發(fā)出的熒光由物鏡5收集后 通過二色鏡7，然后由第三透鏡8會(huì)聚于CCD靶面9成像。其中，第一透 鏡3和第二透鏡4共焦，散射屏2與樣品6關(guān)于物鏡5形成共聚焦結(jié)構(gòu)。 理論分析得出，假設(shè)在一個(gè)強(qiáng)散斑場中，照明和探測中都使用高斯-洛倫茲近似，得到SQCM的軸向分辨率符合一個(gè)簡單的表達(dá)式- ,仏"其中J為常數(shù)，C為熒光團(tuán)濃度，〈/》為樣品中的平均散斑強(qiáng)度，^為 聚焦激光束的瑞利長度。z比大時(shí)軸向分辨率/ MS的變化正比于l/z。在 共聚焦顯微鏡中/ MS的變化正比于l/z2，因此SQCM能提供類似共聚焦的 層析效果。如圖2所示，為SQCM與共聚焦顯微鏡系統(tǒng)的層析能力對比，曲線1 指用熒光樣品時(shí)得到的散斑類共聚焦分辨率曲線；曲線2指不用散射屏2 但使用小孔得到的分辨率曲線。用同一套系統(tǒng)在不同成像情況下得到的 SQCM系統(tǒng)的分辨率為8toi，略大于共聚焦分辨率4to,證明了 SQCM系 統(tǒng)具有類似于共聚焦成像的性質(zhì)，分辨率高，層析能力好。但是，這套已有的散斑類共聚焦系統(tǒng)有其一定的局限性，在醫(yī)學(xué)應(yīng)用 領(lǐng)域不夠靈活，尤其是在耳鼻喉及體內(nèi)檢査時(shí)受到很大局限，它不能深入 到體內(nèi)進(jìn)行檢査。發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提供一種基于光纖束的散斑類共聚焦系統(tǒng)，該系 統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)高分辨率的非掃描成像，光纖束能夠深入體內(nèi)進(jìn)行檢測。本實(shí)用新型提供的基于光纖束的散斑類共聚焦系統(tǒng)，包括激光器、可 旋轉(zhuǎn)的散射屏、第一至第三透鏡、物鏡、二色鏡和CCD靶面，其中，第一 透鏡和第二透鏡共焦，散射屏與樣品關(guān)于物鏡形成共聚焦結(jié)構(gòu)，第二透鏡 和第三透鏡關(guān)于二色鏡共軛；其特征在于該系統(tǒng)還包括內(nèi)窺裝置，內(nèi)窺裝置由光纖束和位于其二端的第四、第 五透鏡構(gòu)成，光纖束的一個(gè)端面位于第四透鏡的前焦面上，光纖束的另一 個(gè)端面位于第五透鏡的后焦面上；第五透鏡和物鏡組成望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)；激光器發(fā)出的激光束照射到可旋轉(zhuǎn)的散射屏，散射屏上的激光光斑經(jīng)過第一透鏡和第二透鏡照射在二色鏡上，由二色鏡反射，進(jìn)入內(nèi)窺裝置中 進(jìn)行傳輸，并成像到物鏡的后焦面上，通過物鏡后平行出射，在樣品表面形成動(dòng)態(tài)散斑場；樣品發(fā)出的熒光由物鏡收集后再次通過內(nèi)窺裝置傳輸， 再經(jīng)過二色鏡，由第三透鏡會(huì)聚于CCD靶面成像。本實(shí)用新型提供的基于光纖束的散斑類共焦系統(tǒng)，將散斑與共聚焦顯 微成像原理結(jié)合，形成一種散斑類共聚焦系統(tǒng)，具有共焦系統(tǒng)層析能力強(qiáng) 的優(yōu)點(diǎn)；并將光纖束引入系統(tǒng)中，在保證高分辨率的條件下實(shí)現(xiàn)了內(nèi)窺裝 置。本實(shí)用新型在將散斑與共聚焦顯微成像原理相結(jié)合的基礎(chǔ)上，將光纖 束引入系統(tǒng)，使得系統(tǒng)具有與共聚焦顯微成像相當(dāng)?shù)膶游瞿芰?，同時(shí)也具 有內(nèi)窺作用，光路簡單容易實(shí)現(xiàn)。本實(shí)用新型系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)非掃描的高分辨 率成像，成像速度快，光路簡單便于實(shí)現(xiàn)，光纖束的引用使得系統(tǒng)具有內(nèi) 窺功能，大大提高了系統(tǒng)的實(shí)用性。適用于醫(yī)學(xué)臨床研究，工業(yè)檢查等領(lǐng) 域。


圖1為現(xiàn)有的散斑類共聚焦顯微系統(tǒng)(SQCM)的原理圖； 圖2為散斑類共聚焦顯微系統(tǒng)與共聚焦顯微系統(tǒng)的軸向分辨率對比圖； 圖3為本實(shí)用新型基于光纖束的散斑共聚焦系統(tǒng)(FBSQCS)原理圖， 其中虛線框部分為光纖束，即內(nèi)窺裝置； 圖4為內(nèi)窺裝置成像原理圖圖5為當(dāng)N取不同值時(shí)基于光纖束的散斑共聚焦系統(tǒng)的軸向分辨率曲線；圖6為基于光纖束的散斑系統(tǒng)的軸向分辨率隨N的變化關(guān)系 圖7為散斑類共聚焦顯微系統(tǒng)與基于光纖束的散斑類共聚焦系統(tǒng)的軸 向分辨率曲線比較。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)例對本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。 本實(shí)用新型基于光纖束的散斑類共聚焦系統(tǒng)是在SQCM的基礎(chǔ)上，增加了光纖束和透鏡組成的成像系統(tǒng)，即內(nèi)窺裝置。如圖3所示，內(nèi)窺裝置 10由光纖束11和位于其二端的第四、第五透鏡12、 13構(gòu)成，第四、第五 透鏡12、 13用于耦合光束。內(nèi)窺裝置10成像原理如圖4所示，第五透鏡13和物鏡5組成望遠(yuǎn)鏡 結(jié)構(gòu)，樣品6置于物鏡5前焦面，光纖束11端面置于第五透鏡13后焦面。 樣品6發(fā)出的熒光被物鏡5收集，以平行光出射，然后由第五透鏡13會(huì)聚 于光纖束11的端面。使用第四、第五透鏡12、 13耦合光束的目的是保證 樣品6的細(xì)節(jié)信息能夠完全到達(dá)光纖束11端面，此時(shí)物鏡5的分辨率并不 會(huì)損失。光纖束ll依靠其中的光纖傳輸光信息，而光纖是有一定尺寸的， 在到達(dá)這個(gè)尺寸范圍之內(nèi)的所有光信息通過同一根光纖傳輸，在傳輸過程 中這些光信息互相干擾而損失了原有的細(xì)節(jié)信息，因此光纖束ll中的光纖 成了傳輸信息的最小單位。內(nèi)窺鏡的光學(xué)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致樣品細(xì)節(jié)信息混疊，從 而影響EBSQCS的軸向分辨率。激光器1發(fā)出的激光束照射到可旋轉(zhuǎn)的散射屏2，散射屏2上的激光光 斑經(jīng)過第一透鏡3和第二透鏡4照射在二色鏡7上，由二色鏡7反射，進(jìn) 入內(nèi)窺裝置10中進(jìn)行傳輸，并成像到物鏡5的后焦面上，通過物鏡5后平 行出射，在樣品6表面形成動(dòng)態(tài)散斑場。樣品發(fā)出的熒光由物鏡5收集后 再次通過內(nèi)窺裝置10傳輸，再經(jīng)過二色鏡7，由第三透鏡8會(huì)聚于CCD靶 面9成像。其中，第二透鏡4和第三透鏡8關(guān)于二色鏡7共軛，第一透鏡3 和第二透鏡4共焦，散射屏2與樣品6關(guān)于物鏡5形成共聚焦結(jié)構(gòu)。經(jīng)理論推導(dǎo)與分析，本實(shí)用新型系統(tǒng)得到的軸向分辨率為<formula>formula see original document page 6</formula>其中，N為每根光纖通光面積可容納的散斑斑點(diǎn)數(shù)目，即使用光纖束 時(shí)探測器探測到的信號是N個(gè)原始探測信號的平均值，A為入射光波長， NA為物鏡數(shù)值孔徑。如圖5所示，為當(dāng)N取不同值時(shí)本實(shí)用新型系統(tǒng)的軸向分辨率曲線，N=l表示沒有通過光纖束的情況，N二14對應(yīng)的是通過光纖束傳輸后系統(tǒng) 的軸向分辨率。由圖5可以看出，EBSQCS雖然相對于SQCM軸向分辨率 有所下降，但仍保持了一定的軸向分辨率即層析能力。如圖6所示，為本實(shí)用新型裝置的軸向分辨率隨N的變化關(guān)系，可以 看出其軸向分辨率隨著N增大而逐漸變差。因此實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)先用合 適的系統(tǒng)參數(shù)，避免增大N值。如圖7所示，為FBSQCS和SQCM的軸向分辨率曲線比較。實(shí)驗(yàn)中先 測量SQCM軸向分辨率，然后加入光纖束(內(nèi)窺裝置，圖3虛線框所示)， 測量FBSQCM的軸向分辨率。EBSQCS的軸向分辨率曲線比SQCM的軸 向分辨率曲線寬，EBSQCS的軸向分辨率曲線的半高全寬是SQCM的2.3 倍，與理論計(jì)算值相符(見圖6)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，F(xiàn)BSQCS也具有很好的 軸向分辨率特性，在不掃描的條件下能得到與共聚焦顯微鏡類似的層析能 力。光纖束(內(nèi)窺裝置)在一定程度上減弱了 FBSQCS的層析能力，但是 這種影響可以通過控制實(shí)驗(yàn)條件得到改善。實(shí)例1采用Rhodamine6G為樣品，在SQCM系統(tǒng)中分別在焦面處離焦10 |im 處拍攝的散斑場原始圖像。然后采用散斑重建算法得到焦面處圖像，系統(tǒng) 分辨率為8 pm(c)。通過散斑類共聚焦成像算法重建后得到的焦面處圖像對比度明顯好于 原始圖像，濾除了焦平面以外熒光的影響。同時(shí)能夠改善橫向分辨率。實(shí)例2使用樣品為rhodamine6G，在FBSQCS系統(tǒng)進(jìn)行成像，比較在z方向 不同深度處基于光纖束的散斑類共聚焦系統(tǒng)所得原始圖片以及用散斑算法 重建后效果。由此可知，基于光纖束的散斑類共聚焦系統(tǒng)具有類共聚焦特 性，層析能力強(qiáng)，帶內(nèi)窺裝置。
權(quán)利要求1. 一種基于光纖束的散斑類共聚焦系統(tǒng)，包括激光器(1)、可旋轉(zhuǎn)的散射屏(2)、第一至第三透鏡(3、4、8)、物鏡(5)、二色鏡(7)和CCD靶面(9)，其中，第一透鏡(3)和第二透鏡(4)共焦，散射屏(2)與樣品(6)關(guān)于物鏡(5)形成共聚焦結(jié)構(gòu)，第二透鏡(4)和第三透鏡(8)關(guān)于二色鏡(7)共軛；其特征在于該系統(tǒng)還包括內(nèi)窺裝置(10)，內(nèi)窺裝置(10)由光纖束(11)和位于其二端的第四、第五透鏡(12、13)構(gòu)成，光纖束(11)的一個(gè)端面位于第四透鏡(12)的前焦面上，光纖束(11)的另一個(gè)端面位于第五透鏡(13)的后焦面上；第五透鏡(13)和物鏡(5)組成望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)；激光器(1)發(fā)出的激光束照射到可旋轉(zhuǎn)的散射屏(2)，散射屏(2)上的激光光斑經(jīng)過第一透鏡(3)和第二透鏡(4)照射在二色鏡(7)上，由二色鏡(7)反射，進(jìn)入內(nèi)窺裝置(10)中進(jìn)行傳輸，并成像到物鏡(5)的后焦面上，通過物鏡(5)后平行出射，在樣品(6)表面形成動(dòng)態(tài)散斑場；樣品發(fā)出的熒光由物鏡(5)收集后再次通過內(nèi)窺裝置(10)傳輸，再經(jīng)過二色鏡(7)，由第三透鏡(8)會(huì)聚于CCD靶面(9)成像。
專利摘要一種基于光纖束的散斑類共聚焦系統(tǒng)，包括激光器、可旋轉(zhuǎn)的散射屏、第一至第三透鏡、物鏡、二色鏡、CCD靶面和內(nèi)窺裝置，內(nèi)窺裝置由光纖束和位于其二端的第四、五透鏡構(gòu)成，光纖束的端面分別位于第四、五透鏡的前、后焦面上；第五透鏡和物鏡組成望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)。激光束照射到可旋轉(zhuǎn)的散射屏，經(jīng)過第一、第二透鏡后由二色鏡反射，進(jìn)入內(nèi)窺裝置中進(jìn)行傳輸，并成像到物鏡的后焦面上，通過物鏡后平行出射，在樣品表面形成動(dòng)態(tài)散斑場；樣品發(fā)出的熒光由物鏡收集后再次通過內(nèi)窺裝置傳輸，再經(jīng)過二色鏡，由第三透鏡會(huì)聚于CCD靶面成像。本實(shí)用新型可實(shí)現(xiàn)非掃描的高分辨率成像，成像速度快，光路簡單，光纖束的引用使得系統(tǒng)具有內(nèi)窺功能，大大提高了系統(tǒng)的實(shí)用性。
文檔編號A61B1/00GK201088575SQ20072008417
公開日2008年7月23日 申請日期2007年4月13日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月13日
發(fā)明者萍 吳, 張智濤, 曾紹群, 駱清銘 申請人:華中科技大學(xué)