CN114967131B - 一种具有波前整形的自校准多光轴成像***及其成像方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种具有波前整形的自校准多光轴成像***及其成像方法，该成像***包括激光器、第一分光棱镜、参考光反射结构、空间光调制器、二维振镜、光纤耦合***、相干光纤束、半透半反射镜、第三分光棱镜、第四分光棱镜、相机和雪崩光电探测器；扫描成像前，先通过空间光调制器调制光束，使其只通过相干光纤束的一个纤芯，纤芯光束经半透半反射镜反射后，与参考光束在相机处形成干涉条纹，经全息测量得到半透半反射镜的反射光相位；扫描成像时，将所得相位的共轭相位加载到空间光调制器，对入射波面进行逐点补偿。成像***可以接近视频速率对待测物进行断层扫描，获得三维图像。
Description
技术领域
本发明属于光学***领域，具体涉及成像***。
背景技术
近些年来,随着使用空间光调制器优化入射光的波前、样品反射/传输矩阵测量和时间反演等技术的出现,人们提出了很多新型的穿透散射介质成像和聚焦的技术,这其中就包括波前整形技术，一种极具前景的光场调控技术。它可以通过对入射光波前的振幅或者相位进行调制,以实现光透过散射介质的重新聚焦或成像。波前整形技术最大优势在于可以应用在较厚的强散射介质中,并且经过算法优化获得的光聚焦点具有超衍射极限分辨率,最高可达纳米级别。迄今为止,在众多学者的探索研究下波前整形技术已有了大量的新应用,如光学捕获、超分辨率成像、内窥镜、密码学、光动力治疗、光遗传学以及光通信等。在波前整形研究领域,不断提高光控性能一直是研究者努力的目标。
为了防止成像***中扫描端回射光束与凝视端接收光轴有偏差使得凝视端接收到的光能量不足，可利用光学组件分光合束的方法实现光束的特定走向。而光学组件在外界因素影响下会发生相应的姿态改变进而引起各光轴的相对变化，即同轴度误差。其中的在轨温度变化导致的同轴度误差可通过设计自校准功能进行在轨校准。近些年，一种新的成像方法为使用双涂层旋转回拉纤维成像导管，但由于该技术是通过一次性光纤尖端扫描形成的图像，无法收集时间分辨图像序列。引入2D振镜扫描仪和自适应透镜则可实现3D扫描。采用干涉仪测量相位，可以实现占空间更小的全息多光轴成像***。而设计多光轴***结合空间光调制器可利用数字光学相位共轭技术实现自校准功能。
发明内容
本发明目的在于提出一种具有波前整形的自校准多光轴成像***及其成像方法，解决波前整形和快速扫描的技术问题。
具体技术方案为：
一种具有波前整形的自校准多光轴成像***，该成像***包括激光器、第一分光棱镜、参考光反射结构、空间光调制器、二维振镜、光纤耦合***、相干光纤束、半透半反射镜、第三分光棱镜、第四分光棱镜、相机、雪崩光电探测器；激光器发射的激光由第一分光棱镜分成第一光束和第二光束，其中第一光束为成像光束，第二光束为参考光束；第二光束经参考光反射结构反射，经第三分光棱镜和第四分光棱镜后进入相机；第一光束依次经空间光调制器、二维振镜、第三分光棱镜、光纤耦合***、相干光纤束后射向半透半反射镜，并经半透半反射镜反射后，原路返回至第三分光棱镜，并经第三分光棱镜后与第二光束合束，共同进入相机；待测物位于半透半反射镜后方，表面粘附有荧光颗粒，第一光束经半透半反镜透射后，照射到待测物激发出荧光，荧光经半透半反射镜、相干光纤束、光纤耦合***、第三分光棱镜后，再经第四分光棱镜反射后进入雪崩光电探测器。
所述激光器为CW激光器，在激光器之后设置有自适应透镜。
所述自适应透镜与参考光反射结构之间，依次设置第一反射镜和扩束准直结构，所述第一反射镜用于折叠光路。
所述参考光反射结构包括依次设置的第二反射镜、第二分光棱镜和第三反射镜，第二反射镜将第一分光棱镜反射的第二光束偏转，使得第二光束和第一光束平行，偏转后的第二光束经第二分光棱镜射向第三反射镜，第三反射镜垂直设置在光路上。
所述扩束准直结构包括第一透镜和第二透镜。
所述空间光调制器和二维振镜间设置4f***，该4f***包括第三透镜、光阑和第四透镜。
所述第三分光棱镜与光纤耦合***间还包括第六透镜，该第六透镜与光纤耦合***组成4f***。
在第四分光棱镜与雪崩光电探测器之间，还设置有第五透镜，用于聚焦成像。
进一步，在第五透镜和雪崩光电探测器之间设置有滤波片，滤光片仅允许荧光通过。
一种扫描成像方法，使用所述的具有波前整形的自校准多光轴成像***，扫描成像前，先用空间光调制器调制光束，使其只通过相干光纤束的一个纤芯，纤芯光束经半透半反射镜反射后，与参考光束在相机处形成干涉条纹，相机采集干涉条纹，经全息测量得到半透半反射镜的反射波的相位；扫描成像时，将所得相位的共轭相位加载到空间光调制器，对入射波面进行逐点补偿，使激光在光纤束后形成较好的聚焦效果。
有益效果
1、本发明使用2D振镜扫描仪以及自适应透镜，实现了焦点的横向和轴向移动，进而实现了快速扫描。
2、本发明使用相干光纤束实现了光信号的传输。相干光纤束同时作为远程相控阵，其特性类似于具有六边形孔径的衍射光学元件，孔间距对应着光纤间距。
3、本发明采用基于数字相位共轭的波前整形技术。通过同轴全息术测量相干光纤束失真的相位，使用空间光调制器加载共轭相位对入射波面进行逐点补偿，从而使激光在光纤束后形成较好的聚焦效果。
附图说明
图1.数字光学相位共轭与虚拟导星的原位校准原理示意图。
图2.本发明成像***结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实例，对本发明提出的一种具有波前整形的自校准多光轴成像***作进一步详细说明。需要说明的是，附图采用简化的形式，使用的非精准的比例，仅用于明了地表示出***所用的元件及光路，以及辅助说明。
图1为数字光学相位共轭与虚拟导星的原位校准原理示意图。结构包括相机101、分光棱镜102、相干光纤束104、反射面106，其中107为虚拟导星，103为光纤近端面、105为光纤远端面。检测光纤近端光的相位，进行原位校准。在光纤束近端选择一根纤芯，将光束引导至光纤束远端。光束发散照射到反射面106上，光经反射面106反射，进入到相干光纤束104中，这些反射光可以看作起源于虚拟导星的位置。利用同轴全息术，即通过相机101接收受上述反射光以及参考光束，测得上述反射光的相位。将该相位的共轭相位加载在空间光调制器，由光学相位共轭原理，即相位共轭波与时间反演波等价，经调制的光束入射到光纤后，将沿上述反射光的轨迹反向行进，聚焦于虚拟导星的位置，从而实现光束相位校准。根据光学成像原理，反射面106放置在距离相干光纤束远端面105 150μm时，则虚拟导星距相干光纤束后端面105的距离为300μm。
图2为本发明提出的具有波前整形的自校准多光轴成像***，的结构示意图。所述***包括激光器1，自适应透镜2，第一平面反射镜3， 第一透镜4，第二透镜5，二维振镜6，第三透镜7，第一分光棱镜8，可变光阑9，第二平面反射镜10，第二分光棱镜11，第三平面反射镜12，空间光调制器13，第四透镜14，第三分光棱镜15，第四分光棱镜16，相机17，第五透镜18，滤光片19，雪崩光电二极管20，第六透镜21，空间光-光纤耦合***22，相干光纤束23，半透半反镜24。25为待测物。
激光器1为CW激光器，波长为532nm的绿光。激光器发出激光，通过自适应透镜2。自适应透镜2为可调焦距的透镜，通过使光波前弯曲改变***焦点的轴向位置。自适应透镜2后，激光经过第一平面反射镜3弯折90°，经第一透镜（扩束透镜）4扩束，第二透镜（准直透镜）5准直变成平行光。激光入射到第一分光棱镜8，分作两束互相垂直的平行光。垂直于激光束原本传播方向的光束记作光束a（第二光束，为参考光束），仍沿原激光束传播方向的光束记作光束b（第一光束，为成像光束）。光束a入射到第二平面反光镜10后，偏折90°，传播方向变成与光束b相同。光束a入射到第二分光棱镜11，透射而出，经平面反射镜12反射，原路返回，经第二分光棱镜11，偏折90°，再穿过第三分光棱镜15和第四分光棱镜16，被相机17捕捉。光束a作为全息测量中的参考光。
本发明的其他实施方式中，第一反射镜、第二分光棱镜和第三反射镜可看成为参考光反射结构，其结构不限于上述方式，本领域技术人员应该明白，还可以采用其他形式，只要实现参考光束的偏转，与成像光束共同形成干涉光路即可。
光束b离开第一分光棱镜8后，经空间光调制器13反射。光束b通过第四透镜14，可变光阑9以及第三透镜7组成的4f***，经二维振镜6偏折，回到光束b起初的传播方向。可变光阑9用于去除光的高的衍射级。光束b自二维振镜6偏折后，透过第三分光棱镜15，过第六透镜21和光纤耦合***22组成的4f***，入射到相干光纤束23的近端面。且经两个4f***，空间光调制器13与二维振镜6都成像到光纤束近端面。
光束b经光纤传输，入射到半透半反射镜24。先用空间光调制器调制光束，使其只通过一个纤芯（据此可得到虚拟导星的位置），经半透半反射镜24反射后，反射波经第三分光棱镜15和第四分光棱镜16后，与参考光a干涉，相机采集干涉条纹，经全息测量得到反射波相位。将所得相位的共轭相位加载到空间光调制器，对入射波面进行逐点补偿。
经空间光调制器调制后的光束进入光纤，透过半反射镜24，聚焦于虚拟导星的位置。通过二维振镜6和自适应透镜2，可以在一定范围内改变焦点位置。虚拟导星位置处放置待测物25，根据图1所示，待测物25与半透半反射镜24的距离与半透半反射镜24与相干光纤束23后端面间距大致相同。待测物25表面粘附有荧光颗粒。透射的激光激发出荧光，荧光通过相干光纤束23传回，通过光纤耦合***22和第六透镜21，再经第三分光棱镜15和第四分光棱镜16两次反射，通过第五透镜18聚焦。第五透镜18后放置滤光片，滤光片仅允许荧光通过，荧光通过滤光片19后被雪崩光电二极管接受。通过记录收集雪崩二极管所测得的焦点以及亮度值的位置数据，合成待测物的3D图像。
本发明另一种实施方式，即一种扫描成像方法，使用前述的具有波前整形的自校准多光轴成像***，扫描成像前，先用空间光调制器调制光束，使其只通过相干光纤束的一个纤芯，纤芯光束经半透半反射镜反射后，与参考光束在相机处形成干涉条纹，相机采集干涉条纹，经全息测量得到半透半反射镜的反射光相位；扫描成像时，将所得相位的共轭相位加载到空间光调制器，对入射波面进行逐点补偿，从而使激光在光纤束后形成较好的聚焦效果。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。
Claims (10)
1.一种具有波前整形的自校准多光轴成像***，其特征在于，该成像***包括激光器、第一分光棱镜、参考光反射结构、空间光调制器、二维振镜、光纤耦合***、相干光纤束、半透半反射镜、第三分光棱镜、第四分光棱镜、相机、雪崩光电探测器；激光器发射的激光由第一分光棱镜分成第一光束和第二光束，其中第一光束为成像光束，第二光束为参考光束；第二光束经参考光反射结构反射，经第三分光棱镜和第四分光棱镜后进入相机；第一光束依次经空间光调制器、二维振镜、第三分光棱镜、光纤耦合***、相干光纤束后射向半透半反射镜，并经半透半反射镜反射后，原路返回至第三分光棱镜，并经第三分光棱镜后与第二光束合束，共同进入相机；待测物位于半透半反射镜后方，表面粘附有荧光颗粒，第一光束经半透半反镜透射后，照射到待测物激发出荧光，荧光经半透半反射镜、相干光纤束、光纤耦合***、第三分光棱镜后，再经第四分光棱镜反射后进入雪崩光电探测器。
2.根据权利要求1所述的具有波前整形的自校准多光轴成像***，其特征在于，激光器为CW激光器，在激光器之后设置有自适应透镜。
3.根据权利要求2所述的具有波前整形的自校准多光轴成像***，其特征在于，在自适应透镜与第一分光棱镜之间，依次设置第一反射镜和扩束准直结构，所述第一反射镜用于弯折光路。
4.根据权利要求1所述的具有波前整形的自校准多光轴成像***，其特征在于，所述参考光反射结构包括依次设置的第二反射镜、第二分光棱镜和第三反射镜，第二反射镜将第一分光棱镜反射的第二光束偏转，使得第二光束和第一光束平行，偏转后的第二光束经第二分光棱镜射向第三反射镜，第三反射镜垂直设置在光路上。
5.根据权利要求3所述的具有波前整形的自校准多光轴成像***，其特征在于，所述扩束准直结构包括第一透镜和第二透镜。
6.根据权利要求1所述的具有波前整形的自校准多光轴成像***，其特征在于，空间光调制器和二维振镜间设置4f***，该4f***包括第三透镜、光阑和第四透镜。
7.根据权利要求1所述的具有波前整形的自校准多光轴成像***，其特征在于，第三分光棱镜与光纤耦合***间还包括第六透镜，该第六透镜与光纤耦合***组成4f***。
8.根据权利要求1所述的具有波前整形的自校准多光轴成像***，其特征在于，在第四分光棱镜与雪崩光电探测器之间，还设置有第五透镜，用于聚焦成像。
9.根据权利要求8所述的具有波前整形的自校准多光轴成像***，其特征在于，在第五透镜和雪崩光电探测器之间设置有滤波片，滤光片仅允许荧光通过。
10.一种扫描成像方法，其特征在于，使用权利要求1-9中任一项所述的具有波前整形的自校准多光轴成像***，扫描成像前，先用空间光调制器调制光束，使其只通过相干光纤束的一个纤芯，纤芯光束经半透半反射镜反射后，与参考光束在相机处形成干涉条纹，相机采集干涉条纹，经全息测量得到半透半反射镜的反射波的相位；扫描成像时，将所得相位的共轭相位加载到空间光调制器，对入射波面进行逐点补偿。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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