基于頻譜編碼的共焦顯微成像裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光電成像技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種基于頻譜編碼的共焦顯微成像裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]共焦顯微術(shù)主要原理是點(diǎn)光源發(fā)出的光經(jīng)過物鏡聚焦到物體表面，由物體表面反射或者透射后再經(jīng)過透鏡聚焦到探測(cè)器上。點(diǎn)光源、樣品、探測(cè)器前面的針孔形成共軛，對(duì)于物鏡焦平面處發(fā)出的光在針孔處可以得到很好的會(huì)聚，使得全部通過針孔被探測(cè)器接收，而雜散光及離焦平面信息會(huì)在針孔處形成直徑很大的光斑，大部分無法通過針孔，從而使得離焦信息絕大部分被消除，因而使它獲得比普通顯微鏡更高的分辨率，廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)，精密測(cè)量等領(lǐng)域。
[0003]共焦顯微術(shù)具有高分辨，高信噪比的特點(diǎn)，但是采用的點(diǎn)聚焦方式，使得獲得高分辨率圖像的同時(shí)不能獲得大視場(chǎng)的圖像，需要采用大范圍的掃描才能獲取足夠大的視場(chǎng)。此外，內(nèi)窺鏡作為一種光學(xué)儀器，由體外通過人體自然管道進(jìn)入體內(nèi)，對(duì)體內(nèi)疾病進(jìn)行檢查?，F(xiàn)行的微小型內(nèi)窺鏡主要采用光纖束傳輸二維圖像，但由于硬度和成像不足，微型內(nèi)窺鏡并不廣泛適用。采用單根光纖進(jìn)行內(nèi)窺成像時(shí)，雖然利用二維微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)可以減小整個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)的大小，但還是無法在小尺寸下保持大的掃描范圍。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種能進(jìn)行快速共焦顯微成像、并有內(nèi)窺化潛力的基于頻譜編碼的共焦顯微成像裝置及方法。
[0005]實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為:一種基于頻譜編碼的共焦顯微成像裝置，包括寬帶光源、計(jì)算機(jī)、光環(huán)形器、樣品臂、光譜儀，寬帶光源接入光環(huán)形器的第一端口，光環(huán)形器的第二端口與樣品臂連接，光環(huán)形器的第三端口接入光譜儀；所述樣品臂包括沿光路依次設(shè)置的第一準(zhǔn)直透鏡、第一光柵、第一會(huì)聚透鏡和載物臺(tái)，載物臺(tái)固定于線性位移臺(tái)上，線性位移臺(tái)的信號(hào)控制端接入計(jì)算機(jī)；光譜儀包括沿光路依次設(shè)置的第二準(zhǔn)直透鏡、第二光柵、第二會(huì)聚透鏡和線陣CCD相機(jī)，線陣CCD相機(jī)的輸出端接入計(jì)算機(jī)；
[0006]所述寬帶光源發(fā)射出的低相干光，經(jīng)過光纖耦合器接入光環(huán)形器的第一端口，然后該低相干光通過光環(huán)形器的第二端口入射至樣品臂中；在樣品臂中，光纖出射光首先經(jīng)過第一準(zhǔn)直透鏡得到準(zhǔn)直光束，該準(zhǔn)直光束入射至第一光柵，由第一光柵衍射后的光束經(jīng)過第一會(huì)聚透鏡會(huì)聚成一條編碼線照射在載物臺(tái)的樣品上；從樣品臂沿原路返回的光攜帶有樣品信息，該返回光經(jīng)過光環(huán)形器的第三端口耦合至光譜儀中；在光譜儀中，樣品臂中返回的光經(jīng)過第二準(zhǔn)直透鏡入射到第二光柵上，經(jīng)過第二光柵衍射后的光入射至第二會(huì)聚透鏡，會(huì)聚光照射到線陣CCD相機(jī)的感光元件上，由線陣CCD相機(jī)獲得的光譜信息輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行顯示。
[0007]一種基于頻譜編碼的共焦顯微成像方法，包括以下步驟:
[0008]步驟1，寬帶光源發(fā)射出的低相干光，經(jīng)過光纖耦合器接入光環(huán)形器的第一端口，然后該低相干光通過光環(huán)形器的第二端口入射至樣品臂中；
[0009]步驟2，在樣品臂中，光纖出射光首先經(jīng)過第一準(zhǔn)直透鏡得到準(zhǔn)直光束，該準(zhǔn)直光束入射至第一光柵，由第一光柵衍射后的光束經(jīng)過第一會(huì)聚透鏡會(huì)聚成一條編碼線照射在載物臺(tái)的樣品上；
[0010]步驟3，從樣品臂沿原路返回的光攜帶有樣品信息，該返回光經(jīng)過光環(huán)形器的第三端口耦合至光譜儀中；
[0011]步驟4，在光譜儀中，樣品臂中返回的光經(jīng)過第二準(zhǔn)直透鏡入射到第二光柵上，經(jīng)過第二光柵衍射后的光入射至第二會(huì)聚透鏡，會(huì)聚光照射到線陣CCD相機(jī)的感光元件上；
[0012]步驟5，通過計(jì)算機(jī)控制線性位移臺(tái)，使得載物臺(tái)上的樣品沿著與樣品上編碼線垂直的方向平移，由線陣CCD相機(jī)獲得整個(gè)樣品的表面光譜信息并輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行顯示。
[0013]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)為:(I)采用光柵進(jìn)行分光，將不同波長在空間上分散到不同位置，使得無需掃描便可獲得一條編碼線的圖像，大大提高了成像速度，在快速成像應(yīng)用中具有廣闊的前景；(2)采用了光纖代替針孔的光纖式共焦結(jié)構(gòu)。采用光纖便于安裝調(diào)教，由于光纖的靈活性，可以分布式擺放，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了抗干擾能力和可靠性，共焦系統(tǒng)排除了離焦光線的干擾，具有分辨率高，高對(duì)比度的有點(diǎn)；(3)無需掃描單次成像即可獲得一條線的信息，與普通共焦結(jié)構(gòu)相比視場(chǎng)和可分辨率點(diǎn)數(shù)大大提高；
(4)樣品臂部分光學(xué)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，元件個(gè)數(shù)很少，便于緊湊化，微小化處理，具有內(nèi)窺應(yīng)用的巨大潛力。
【附圖說明】
[0014]圖1為本發(fā)明基于頻譜編碼的共焦顯微成像裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015]圖2為本發(fā)明基于頻譜編碼的共焦顯微成像裝置的頻譜編碼示意圖。
[0016]圖3為本發(fā)明基于頻譜編碼的共焦顯微成像方法中CCD獲取信息的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017]下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0018]本發(fā)明基于頻譜編碼的共焦顯微成像裝置及方法，寬帶光源發(fā)出的光進(jìn)入光纖耦合器，由單模光纖發(fā)射出的復(fù)色光經(jīng)過一個(gè)衍射光柵和微小透鏡后，不同的波長照射組織表面的不同位置，這樣就實(shí)現(xiàn)了空間光譜編碼代替快速掃描。樣品反射回來的光沿著原光路進(jìn)入光環(huán)形器中，然后進(jìn)入光譜儀中進(jìn)行分析顯示，第二維的圖像用慢速的機(jī)械掃描來獲得。
[0019]寬帶光源發(fā)出的探測(cè)光經(jīng)過光纖耦合器后進(jìn)入樣品臂，進(jìn)入樣品臂部分的光經(jīng)過短焦距準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直成直徑很小的細(xì)光束，準(zhǔn)直后的光束以滿足利特羅條件入射至透射式光柵上，即衍射角與入射角大小一致以獲得最大衍射效率。衍射后光束入射至?xí)弁哥R在焦平面處形成一條編碼線，編碼線上不同位置對(duì)應(yīng)著不同波長。在該編碼線處照射的樣品反射表面信息后沿著原光路依次經(jīng)過會(huì)聚透鏡，光柵，準(zhǔn)直透鏡后，進(jìn)入在準(zhǔn)直透鏡后焦點(diǎn)處的光纖芯。光纖芯替代一般共焦顯微鏡的針孔，使得該頻譜編碼結(jié)構(gòu)也形成了共焦系統(tǒng)。進(jìn)入光纖芯的反射光經(jīng)過光環(huán)形器進(jìn)入自制光譜儀。入射到光譜儀的光首先經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直，然后入射至光柵使得光束按照不同波長分散開，經(jīng)過會(huì)聚透鏡會(huì)聚到線陣C⑶的感光材料上，此時(shí)CCD上不同像素處對(duì)應(yīng)不同波長，連接計(jì)算機(jī)，通過采集，保存，顯示程序來得到獲得的編碼線處的樣品圖像。通過放置載物臺(tái)的線性位移臺(tái)的移動(dòng)，獲取不同位置處的編碼線圖像以獲得表面二維信息。
[0020]結(jié)合圖1，本發(fā)明基于頻譜編碼的共焦顯微成像裝置，包括寬帶光源1、計(jì)算機(jī)2、光環(huán)形器3、樣品臂13、光譜儀14，寬帶光源I接入光環(huán)形器3的第一端口，光環(huán)形器3的第二端口與樣品臂13連接，光環(huán)形器3的第三端口接入光譜儀14 ;所述樣品臂13包括沿光路依次設(shè)置的第一準(zhǔn)直透鏡4、第一光柵5、第一會(huì)聚透鏡6和載物臺(tái)7，載物臺(tái)7固定于線性位移臺(tái)8上，線性位移臺(tái)8的信號(hào)控制端接入計(jì)算機(jī)2 ;光譜儀14包括沿光路依次設(shè)置的第二準(zhǔn)直透鏡9、第二光柵10、第二會(huì)聚透鏡11和線陣CXD相機(jī)12，線陣CXD相機(jī)12的輸出端接入計(jì)算機(jī)2 ；
[0021]所述寬帶光源I發(fā)射出的低相干光，經(jīng)過光纖耦合器接入光環(huán)形器3的第一端口，然后該低相干光通過光環(huán)形器3的第二端口入射至樣品臂13中；在樣品臂13中，光纖出射光首先經(jīng)過第一準(zhǔn)直透鏡4得到準(zhǔn)直光束，該準(zhǔn)直光束入射至第一光柵5，由第一光柵5衍射后的光束經(jīng)過第一會(huì)聚透鏡6會(huì)聚成一條編碼線照射在載物臺(tái)7的樣品上；從樣品臂13沿原路返回的光攜帶有樣品信息，該返回光經(jīng)過光環(huán)形器3的第三端口耦合至光譜儀14中；在光譜儀14中，樣品臂13中返回的光經(jīng)過第二準(zhǔn)直透鏡9入射到第二光柵10上，經(jīng)過第二光柵10衍射后的光入射至第二會(huì)聚透鏡11，會(huì)聚光照射到線陣CCD相機(jī)12的感光元件上，由線陣CCD相機(jī)12獲得的光譜信息輸入計(jì)算機(jī)2進(jìn)行顯示。
[0022]所述第一光柵5的入射角和衍射角滿足利特羅結(jié)構(gòu)。所述線性位移臺(tái)8為thorlabs公司的LNR50S/M帶梯形步進(jìn)器的50毫米TravelMax平臺(tái)、最大行程為50毫米，增量運(yùn)動(dòng)的最小單位為0.05微米。
[0023]本發(fā)明基于頻譜編碼的共焦顯微成像方法，包括以下步驟:
[0024]步驟1，寬帶光源I發(fā)射出的低相