一種基于相干接收機(jī)的飛秒激光高速數(shù)字顯微成像方法及裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于數(shù)字相干接收機(jī)的高速數(shù)字顯微成像方法及裝置，所述方法包括以下步驟：飛秒激光經(jīng)濾波和增益色散后一分二成信號(hào)光與參考光；信號(hào)光先經(jīng)衍射空間散開(kāi)，后進(jìn)入透鏡成像系統(tǒng)，攜帶樣品信息后沿光路返回；信號(hào)光與參考光一起接入數(shù)字相干接收機(jī)完成相干，后由高速示波器采集，最后經(jīng)計(jì)算機(jī)算法解調(diào)復(fù)原圖像。本發(fā)明與日常生活中廣泛應(yīng)用的CCD和CMOS兩種圖像控制器對(duì)比，在保證同等量級(jí)成像分辨率的情況下，能獲得超高的百M(fèi)HZ幀率，而且基于數(shù)字相干接收機(jī)的全數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)采集有利于后期實(shí)時(shí)分析以及圖像的優(yōu)化處理。
【專利說(shuō)明】
一種基于相干接收機(jī)的飛秒激光高速數(shù)字顯微成像方法及裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明屬于顯微成像技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及超快成像技術(shù)，更具體地涉及一種基于數(shù)字相干接收機(jī)的高速數(shù)字顯微成像方法。
【背景技術(shù)】
[0002]光學(xué)成像是現(xiàn)如今廣泛應(yīng)用于檢測(cè)與診斷的一種工具?，F(xiàn)今大部分的實(shí)驗(yàn)工作都旨在提高成像檢測(cè)系統(tǒng)的空間分辨率;更近一步地，應(yīng)用于檢測(cè)光學(xué)流氓波、細(xì)胞變異、神經(jīng)變化等細(xì)微動(dòng)態(tài)過(guò)程的在時(shí)間上有著高分辨率的成像系統(tǒng)同樣也是十分重要的，高速且有著高時(shí)間分辨率的成像系統(tǒng)對(duì)于生物化學(xué)工作者對(duì)細(xì)胞組織的微小變化的研究工作有著越來(lái)越重要的意義。
[0003]CCD和CMOS圖像傳感器是現(xiàn)今在光成像系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的技術(shù)。它有著微米級(jí)的空間分辨率、大量的成像像素、較高的性價(jià)比等優(yōu)點(diǎn)。在日常生活中，這兩種成像器一般只會(huì)擁有30HZ的幀率。盡管通過(guò)減少像素?cái)?shù)量可以獲得IKHZ的幀率，但必然會(huì)降低成像質(zhì)量。這種成像器的像素靈敏度即像素點(diǎn)的捕捉能力和圖片掃描頻率相互之間是存在較大限制的。要想保證圖像越清晰即像素越靈敏，相應(yīng)的圖片的掃描頻率必須越低;相反地，如果圖片的掃描頻率越高，那么像素點(diǎn)的捕捉時(shí)間越短，圖片也就會(huì)越不清晰。這種靈敏度與幀率之間的互相限制也幾乎影響著所有的成像系統(tǒng)。
[0004]因此，急需尋找一種新的光學(xué)成像技術(shù)來(lái)適應(yīng)現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)工作或?qū)嶋H生產(chǎn)的需要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明人經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期研究，提出一種基于相干接收機(jī)的飛秒激光高速數(shù)字顯微成像方法，其能夠在保證拍攝清晰度的前提下大幅提高圖片的掃描頻率，同時(shí)全數(shù)字信息的輸出也便于后期優(yōu)化處理。
[0006]依據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種基于相干接收機(jī)的飛秒激光高速數(shù)字顯微成像方法，其特征在于，包括以下步驟:
[0007]S1.飛秒激光經(jīng)濾波和增益色散后一分二成信號(hào)光與參考光。
[0008]S2.信號(hào)光先經(jīng)衍射空間散開(kāi)，后進(jìn)入透鏡成像系統(tǒng)，攜帶樣品信息后沿光路返回。
[0009]S3.加載完樣品信息的信號(hào)光與參考光先經(jīng)光程匹配和偏振態(tài)控制以滿足相干條件，然后一起接進(jìn)集成相干接收機(jī)完成數(shù)字相干，后經(jīng)高速ADC模塊轉(zhuǎn)化為全數(shù)字信息的輸出，之后由高速示波器采集全數(shù)字相干數(shù)據(jù)，最后將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)并經(jīng)由編程算法解調(diào)復(fù)原圖像。
[0010]其中，步驟SI具體為:飛秒激光先經(jīng)濾波器濾波，后經(jīng)色散光纖與摻鉺光纖放大器完成增益色散傅里葉變換，然后等比一分二成信號(hào)光與參考光。
[0011]其中，步驟S2具體為:信號(hào)光先由衍射光柵空間展開(kāi)，后進(jìn)入透鏡成像系統(tǒng)，由物鏡聚焦在樣品上，完成信息的加載過(guò)程，然后反射回來(lái)進(jìn)入相干采集系統(tǒng);參考光接延遲線進(jìn)入相干米集系統(tǒng)。
[0012]依據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供一種實(shí)現(xiàn)上述方法的成像裝置，其特征在于包括:飛秒光源、衍射光柵、色散光纖、數(shù)字集成相干接收機(jī)和高速示波器;所述飛秒光源、色散光纖、衍射光柵、數(shù)字集成相干接收機(jī)和高速示波器順次相接以組成整套成像系統(tǒng)的主體框架，以完成光源頻域上加載信息、頻域到時(shí)域的傅里葉變換、時(shí)域上數(shù)據(jù)相干采集與復(fù)原的整個(gè)成像過(guò)程;所述飛秒光源作為成像光源有著10MHz左右的高重復(fù)頻率及持續(xù)時(shí)間幾十個(gè)皮秒的鎖模脈沖輸出；所述衍射光柵可以將一束空間光按頻率大小依次散開(kāi);所述色散光纖將飛秒脈沖時(shí)域上展寬到納秒量級(jí)，其作用等效于寬帶激光頻域到時(shí)域的傅里葉變換;所述數(shù)字集成相干接收機(jī)與高速示波器完成圖片信息以全數(shù)字的形式的相干采集。
[0013]進(jìn)一步地，所述裝置還包括:光纖起偏器、偏振控制器、環(huán)形器、空間光準(zhǔn)直透鏡、λ/4空間波片、λ/2空間波片、衍射光柵、4F透鏡組、光耦合器、光延遲線、光譜儀;所述光纖起偏器、偏振控制器、環(huán)形器、空間光準(zhǔn)直透鏡、λ/4空間波片、λ/2空間波片、衍射光柵、4F透鏡組空間上順次相連，組成完整具體的成像系統(tǒng)，環(huán)形器的返回輸出端口依次接光耦合器、光延遲線，光耦合器的另一輸出端接光譜儀;所述光纖起偏器、偏振控制器用來(lái)控制信號(hào)光與參考光的偏振態(tài);所述空間光準(zhǔn)直透鏡將激光變成平行空間光;所述λ/4空間波片、λ/2空間波片用來(lái)改變信號(hào)光進(jìn)入成像系統(tǒng)前的偏振態(tài);所述4F透鏡組完成信號(hào)光的聚焦成像;所述光延遲線用來(lái)匹配信號(hào)光與參考光的光程;所述耦合器將加載完樣品信息的信號(hào)光分兩路，一路輸入到所述光譜儀以便實(shí)驗(yàn)觀察，一路順次接回系統(tǒng)與參考光完成數(shù)字相干，最后由計(jì)算機(jī)算法解調(diào)復(fù)原。
[0014]本發(fā)明實(shí)施例對(duì)比現(xiàn)今日常生活中廣泛應(yīng)用的CCD和CMOS兩種圖像控制器來(lái)說(shuō)有如下優(yōu)點(diǎn)和效果:在極大的百M(fèi)Hz量級(jí)的幀率下，能保證成像出來(lái)的圖片分辨率和CCD與CMOS芯片成像器達(dá)到同等量級(jí)，而且正是由于飛秒脈沖10MHz的高重復(fù)頻率，此系統(tǒng)還可以用來(lái)觀測(cè)幾近實(shí)時(shí)的微觀變化;基于數(shù)字相干接收機(jī)的全數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)采集，本實(shí)施例可獲得是關(guān)于拍攝樣品的全數(shù)字信息，非常有利于對(duì)照樣品對(duì)數(shù)字信息做實(shí)時(shí)分析以及對(duì)恢復(fù)出來(lái)的圖像做各種優(yōu)化處理。
【附圖說(shuō)明】
[0015]圖1是依據(jù)本發(fā)明的基于相干接收機(jī)的飛秒激光高速數(shù)字微觀成像裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016]圖2是依據(jù)本發(fā)明的數(shù)字相干接收機(jī)原理結(jié)構(gòu)圖。
[0017]圖3是數(shù)字相干接收機(jī)的電源驅(qū)動(dòng)原理圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018]下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明的一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。另外地，不應(yīng)當(dāng)將本發(fā)明的保護(hù)范圍僅僅限制至下述具體模塊或具體參數(shù)。
[0019]本發(fā)明基于色散傅立葉變換的時(shí)域展寬成像技術(shù)被作為有可能應(yīng)用于細(xì)胞實(shí)時(shí)觀測(cè)的一種高速顯微成像技術(shù)得到了發(fā)明與廣泛研究。
[0020]在本發(fā)明中，一種基于相干接收機(jī)的飛秒激光高速數(shù)字微觀成像方法包括以下步驟:
[0021]S1.飛秒激光經(jīng)濾波和增益色散后一分二成信號(hào)光與參考光。
[0022]S2.信號(hào)光先經(jīng)衍射空間散開(kāi)，后進(jìn)入透鏡成像系統(tǒng)，攜帶樣品信息后沿光路返回。
[0023]S3.信號(hào)光與參考光一起接入數(shù)字相干接收機(jī)完成相干，后由高速示波器采集，最后經(jīng)計(jì)算機(jī)算法解調(diào)復(fù)原圖像。
[0024]上述SI的具體步驟為:飛秒激光器后依次接濾波器、色散光纖、摻鉺光纖放大器、可調(diào)衰減器、一分二親合器，以完成對(duì)激光器輸出激光的濾波、增益、色散，之后一分二成信號(hào)光與參考光。
[0025]所述飛秒激光器中心波長(zhǎng)在C波段，脈沖重復(fù)頻率100MHZ，脈沖持續(xù)時(shí)間幾個(gè)皮秒。
[0026]所述色散光纖的色散量相當(dāng)于40km單模光纖，可將脈沖展寬到納秒級(jí)。
[0027]上述S2的具體步驟為:信號(hào)光后依次接激光準(zhǔn)直透鏡、衍射光柵、凸透鏡、樣品、反射鏡，先將激光轉(zhuǎn)為平行空間光，然后空間散開(kāi)，之后由物鏡聚焦在樣品上完成樣品信息的加載，最后由反射鏡反射回光纖回路。
[0028]所述衍射光柵為每毫米1200線的光柵，對(duì)比普通600線的光柵，可以獲得更大的空間光衍射角即空間分辨率。
[0029]所述光加載樣品信息的過(guò)程為，一束平行光經(jīng)衍射光柵散開(kāi)后，不同頻率的光照射到樣品上不同的位置，攜帶樣品不同位置上的信息。
[0030]更具體地，如圖1所示，基于相干接收機(jī)的飛秒激光高速數(shù)字微觀成像方法包含三個(gè)部分。一是飛秒激光的處理:濾波器2先對(duì)飛秒激光器I出射的激光濾波，選定中心波長(zhǎng)1550nm以及合適的光譜寬度。色散光纖3、摻鉺光纖放大器4、可調(diào)衰減器5對(duì)濾波后的激光完成適當(dāng)?shù)脑鲆嫔?，將飛秒脈沖展寬到納秒量級(jí)。處理完的激光經(jīng)3dB耦合器6—分二為信號(hào)光與參考光。
[0031]二是信號(hào)光的信息加載過(guò)程:信號(hào)光先經(jīng)偏振控制器10和光纖起偏器11以保證空間光的線偏和最大的光強(qiáng)。然后信號(hào)光由環(huán)形器12、激光準(zhǔn)直透鏡13導(dǎo)入后續(xù)的空間光成像系統(tǒng)。λ/4空間波片14和λ/2空間波片15的波片組，可以任意改變空間光的偏振態(tài)。衍射光柵16可以將空間光按波長(zhǎng)大小依次散開(kāi)，然后經(jīng)透鏡組17聚焦在樣品上，最后由平面反射鏡19將加載完樣品信息的信號(hào)光反射回光纖。
[0032]三是數(shù)字相干及圖像還原:加載完信息的信號(hào)光經(jīng)環(huán)形器12重新回到光纖環(huán)路，之后經(jīng)耦合器20—分二，I %的光接光譜儀便于觀測(cè)信號(hào)光的光譜變化，99%的光接偏振控制器21后接入數(shù)字相干采集模塊23;由3dB耦合器6分出的參考光依次經(jīng)過(guò)光纖延遲線7、偏振控制器8、光纖起偏器9、數(shù)字相干采集模塊23，以此完成兩路光的光程匹配以及保證參考光的線偏和最大光強(qiáng)，最后與信號(hào)光完成數(shù)字相干，采集模塊采集相干數(shù)據(jù)。計(jì)算機(jī)24將采集獲得的相干數(shù)據(jù)存儲(chǔ)起來(lái)，并由算法解調(diào)復(fù)原出樣品原圖。
[0033]基于相干接收機(jī)的飛秒激光高速數(shù)字微觀成像方法中的具體數(shù)字相干采集模塊的結(jié)構(gòu)原理如圖2所不，信號(hào)光與參考光分別經(jīng)偏振分束器2301、偏振分束器2302，分出X與Y方向的光場(chǎng)，之后信號(hào)光與參考光的X、Y光場(chǎng)分別進(jìn)入90°光學(xué)混頻器2303、2304發(fā)生混頻?；祛l后就能獲得完整的Χ、Υ偏振方向的信號(hào)光信息。Χ、Υ兩偏振方向的光場(chǎng)信息分別由光電探測(cè)器2305、2306、2307、2308探測(cè)，然后由模數(shù)轉(zhuǎn)換器2309接收轉(zhuǎn)換，最后由高速示波器2310采集。其中90°光學(xué)混頻器的具體結(jié)構(gòu)如圖2右下角所示，X方向偏振的信號(hào)光經(jīng)3dB親合器301—分二，X方向偏振的參考光經(jīng)3dB親合器303—分二，一部分信號(hào)光與一部分參考光經(jīng)3dB耦合器302耦合，輸出光場(chǎng)經(jīng)平衡探測(cè)器306探測(cè)輸出復(fù)信號(hào)的實(shí)部;一部分參考光先經(jīng)偏振旋轉(zhuǎn)器305旋轉(zhuǎn)90°，然后與另一部分信號(hào)光經(jīng)3dB親合器304親合，輸出光場(chǎng)經(jīng)平衡探測(cè)器307探測(cè)輸出復(fù)信號(hào)的虛部，可由這兩部分復(fù)原X方向偏振的信號(hào)光信息。
[0034]以上所述，僅為本發(fā)明較佳的【具體實(shí)施方式】，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。本領(lǐng)域普通的技術(shù)人員可以理解，在不背離所附權(quán)利要求定義的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以在形式和細(xì)節(jié)中做出各種各樣的修改。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于相干接收機(jī)的飛秒激光高速數(shù)字顯微成像方法，其特征在于，包括以下步驟: 51.飛秒激光經(jīng)濾波和增益色散后一分二成信號(hào)光與參考光； 52.信號(hào)光先經(jīng)衍射空間散開(kāi)，后進(jìn)入透鏡成像系統(tǒng)，攜帶樣品信息后沿光路返回； 53.加載完樣品信息的信號(hào)光與參考光先經(jīng)光程匹配和偏振態(tài)控制以滿足相干條件，然后一起接進(jìn)集成相干接收機(jī)完成數(shù)字相干，后經(jīng)高速ADC模塊轉(zhuǎn)化為全數(shù)字信息的輸出，之后由高速示波器采集全數(shù)字相干數(shù)據(jù)，最后將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)并經(jīng)由編程算法解調(diào)復(fù)原圖像。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于相干接收機(jī)的飛秒激光高速數(shù)字顯微成像方法，其特征在于，步驟SI具體為:飛秒激光先經(jīng)濾波器濾波，后經(jīng)色散光纖與摻鉺光纖放大器完成增益色散傅里葉變換，然后等比一分二成信號(hào)光與參考光。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于相干接收機(jī)的飛秒激光高速數(shù)字顯微成像方法，其特征在于，步驟S2具體為:信號(hào)光先由衍射光柵空間展開(kāi)，后進(jìn)入透鏡成像系統(tǒng)，由物鏡聚焦在樣品上，完成信息的加載過(guò)程，然后反射回來(lái)進(jìn)入相干采集系統(tǒng);參考光接延遲線進(jìn)入相干采集系統(tǒng)。4.一種實(shí)現(xiàn)如權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述方法的成像裝置，其特征在于包括:飛秒光源、衍射光柵、色散光纖、數(shù)字集成相干接收機(jī)和高速示波器;所述飛秒光源、色散光纖、衍射光柵、數(shù)字集成相干接收機(jī)和高速示波器順次相接以組成整套成像系統(tǒng)的主體框架，以完成光源頻域上加載信息、頻域到時(shí)域的傅里葉變換、時(shí)域上數(shù)據(jù)相干采集與復(fù)原的整個(gè)成像過(guò)程。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的成像裝置，其特征在于:所述飛秒光源作為成像光源有著10MHz左右的高重復(fù)頻率及持續(xù)時(shí)間幾十個(gè)皮秒的鎖模脈沖輸出。6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的成像裝置，其特征在于:所述衍射光柵可以將一束空間光按頻率大小依次散開(kāi)；7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的成像裝置，其特征在于:所述色散光纖將飛秒脈沖時(shí)域上展寬到納秒量級(jí)，其作用等效于寬帶激光頻域到時(shí)域的傅里葉變換。8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的成像裝置，其特征在于:所述數(shù)字集成相干接收機(jī)與高速示波器完成圖片信息以全數(shù)字的形式的相干采集。9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的成像裝置，其特征在于還包括:光纖起偏器、偏振控制器、環(huán)形器、空間光準(zhǔn)直透鏡、λ/4空間波片、λ/2空間波片、衍射光柵、4F透鏡組、光耦合器、光延遲線、光譜儀;所述光纖起偏器、偏振控制器、環(huán)形器、空間光準(zhǔn)直透鏡、λ/4空間波片、λ/2空間波片、衍射光柵、4F透鏡組空間上順次相連，組成完整具體的成像系統(tǒng)。10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的成像裝置，其特征在于:環(huán)形器的返回輸出端口依次接光耦合器、光延遲線，光耦合器的另一輸出端接光譜儀;所述光纖起偏器、偏振控制器用來(lái)控制信號(hào)光與參考光的偏振態(tài);所述空間光準(zhǔn)直透鏡將激光變成平行空間光;所述λ/4空間波片、λ/2空間波片用來(lái)改變信號(hào)光進(jìn)入成像系統(tǒng)前的偏振態(tài);所述4F透鏡組完成信號(hào)光的聚焦成像;所述光延遲線用來(lái)匹配信號(hào)光與參考光的光程;所述耦合器將加載完樣品信息的信號(hào)光分兩路，一路輸入到所述光譜儀以便實(shí)驗(yàn)觀察，另一路順次接回系統(tǒng)與參考光完成數(shù)字相干，最后由計(jì)算機(jī)算法解調(diào)復(fù)原。
【文檔編號(hào)】G01N21/01GK105823728SQ201510955037
【公開(kāi)日】2016年8月3日
【申請(qǐng)日】2015年12月17日
【發(fā)明人】李朝暉, 馮元華, 宋露
【申請(qǐng)人】李朝暉