[发明专利]一种基于光子重组的光纤环阵共振型压电扫描方法及装置

说明书

技术领域

本发明属于共聚焦显微内镜领域，特别涉及一种基于光子重组的光纤环阵共振型压电扫描方法及装置。

背景技术

共聚焦显微成像技术是利用激光束经光学系统形成的点光源对样品内物镜焦平面的每一点进行扫描。光源、被照物点和探测器处在彼此对应的共轭位置，光源经物镜在样品内聚焦成衍射极限的光点，其荧光(或反射光)再次通过物镜或聚光镜到达空间滤波器的共焦针孔内，由靠近针孔后面的探测接收器接受信号，并通过扫描聚光点在样品内的位置对样品进行三维成像，而焦平面以外的点不会在探测针孔处成像，这样得到的共聚焦图像就是样品内物镜焦平面的光学横断面。利用共聚焦显微成像技术可以对包括生物组织在内的各种样品进行可视化的定量测量并提供重要的形态结构细节信息。这些信息能够为疾病的诊断提供重要帮助，在组织活检和外科手术之前定位病变组织轮廓。

但从各种光学显微成像方法到实际临床应用之间还存在着一个重要的挑战：需要设计开发适用于临床环境的小型化激光扫描器件。目前单根光纤共振型压电扫描器能够以非常紧凑的结构实现扫描，因而有望实现传统扫描器件难以实现的小型化。

在传统的单根光纤共振型压电扫描共聚焦显微内镜装置(如图1所示)中，包括激光器1，二向分色镜2，光纤耦合器3，单模光纤4，Z轴压电陶瓷5，XY轴压电陶瓷6，第一物镜7，第二物镜8，样品9，探测器10，透镜11，滤光片12，反射镜13、计算机14。

采用图1所示的装置所实现的单根光纤共振型压电扫描共聚焦显微内镜，其过程如下：

(1)激光器1发出照明光，经二向分色镜2和光纤耦合器耦合进单模光纤4中；

(2)单模光纤4尖端悬臂在XY轴压电陶瓷6的驱动下发生偏转，从单模光纤4出射的光经第一物镜7和第二物镜8聚焦到荧光样品9上；

(3)激光照明荧光样品9后激发样品产生荧光，再经过第一物镜7和第二物镜8和单模光纤4收集后，由单模光纤4出射的荧光经过光纤耦合器3，并由二向分色镜2反射至反射镜13，经滤光片12滤除样品反射的激光及其他杂散光，仅使荧光出射，出射的荧光经透镜11会聚后，聚焦到探测器10上；探测器10将光信号转变成电信号，并将电信号传送至计算机14，得到一个物点所对应的图像；

(4)XY轴压电陶瓷6和Z轴压电陶瓷5与计算机14相连，通过计算机14来控制驱动XY轴压电陶瓷6和Z轴压电陶瓷5的信号，使单模光纤4尖端悬臂发生偏转和Z轴方向的移动，完成三维扫描，得到样品对应的三维图像。

在基于单根光纤共振型压电扫描器的共聚焦显微内窥镜中，光纤既充当照明点光源又起到探测小孔的作用，大大提高了分辨率。但传统的单根光纤共振型压电扫描器所使用的单模光纤纤径小，虽然极大地提高了分辨率，但过小的孔径在分辨率提高的同时也会导致信噪比的降低，因此这种方法和装置存在着分辨率与信噪比之间的矛盾。

发明内容

本发明提供了一种基于光子重组的光纤环阵共振型压电扫描方法及装置，提出中心光纤出射激发，光纤环阵多通道并行探测信号，再利用光子重组的算法将数据融合的新型探头设计方案。相对于其他单根光纤共振型压电扫描器，该装置是基于共聚焦显微内镜，其结构简单，便于操作，系统成像分辨率由单根光纤决定，信噪比由光纤环阵束决定，系统分辨率和信噪比同时兼得，可用于共聚焦显微内镜领域。

本装置以光纤环阵代替单根光纤，采用探测器阵列取代传统共焦显微成像中放置于像面上的单个针孔探测器。通过压电陶瓷的伸缩作用驱动光纤悬臂，使光纤束发生偏转，如图3所示。激发光耦合进中心光纤，照亮样品，样品的后向反射光或激发的荧光通过光纤环阵，如图4(a)所示，被阵列探测器同时收集，再利用光子重组的算法将数据融合，达到分辨率与信噪比同时兼得的目的。

本发明的具体技术方案如下：

一种基于光子重组的光纤环阵共振型压电扫描方法，针对荧光样品包括以下步骤：

(1)激光器发出照明光束，透过一个二色镜后被耦合进一根光纤，激发光从光纤的另一端出射，经过复消色差物镜模块聚焦到荧光样品上，对样品进行激发；

(2)所述荧光样品被激发出荧光后，得到的荧光先经过复消色差物镜模块，被光纤束收集，中心光纤收集到的光从近端出射，经二色镜反射，再经第二透镜聚焦并滤除杂散光后，被光电探测器接收，光纤环阵每根光纤收集到的光则直接由阵列探测器中对应的探测器接收；

(3)所述光电探测器将光信号转换为电信号并传给计算机，计算机将每个探测器探测到的光斑做相应的处理后叠加，得到最终光斑的图像，完成了对样品一个点的信息读入和处理；