[发明专利]一种基于高速波前调制的多模光纤三维成像装置及方法

说明书

本发明公开了一种基于高速波前调制的多模光纤三维成像装置及方法，属于光纤显微内镜领域，装置包括激光器、将激光器的光束分为物光和参考光的第一分束镜、用于测量传输矩阵的测量组件以及用于记录样品反射光或样品荧光的光强信息的光电探测器，物光的光路上设有对物光进行调制的数字微镜阵列和用于传输调制后物光的多模光纤，多模光纤的输入端设有将调制后物光进行耦合的第一物镜；测量组件包括第二物镜、第二分束镜、相机以及与相机通讯连接的计算机；测量传输矩阵时，将多模光纤的输出端连接至第二物镜，利用测量组件得到第二物镜的焦平面对应的三维空间传输矩阵；收集样品三维图像时，将样品放置到所述多模光纤的输出端。

技术领域

本发明涉及光纤显微内镜领域，具体地说，涉及一种基于高速波前调制的多模光纤三维成像装置及方法。

背景技术

光纤内镜是一种成像器械，它简单有效的结合了纤维光学、可调谐器械、以及远测目视装置。在使用器械时，先将导光管接上相应的光源，通过导管插入需要检测的区域，控制操作部件即可实现对观察区域的成像。这种器械由于兼具优秀的传像能力与弯曲性能，且很强的抗电磁场、高温能力，被广泛使用在医疗和工业检测当中。

单模光纤束是目前最常用的内窥光纤，但是这种光学系统的探测端为了取得较好的成像效果，通常需要加装微透镜，导致光纤端面尺寸增大，给细微通道探测带来了困难。同时光纤束中单模光纤与单模光纤的间隔，及蜂窝状排布还会带来蜂窝噪声。这些缺陷限制了其进一步的应用。

与单模光纤束相比，多模光纤具有以下优势：更高的耦合效率、同直径下容纳的模式数量更多、更高的光收集效率、更低的制备成本。过去由于模式色散的限制，多模光纤难以用于成像，而近年来快速发展的波前整形技术可以很好的消除多模光纤的模式色散，并进行成像，使其在内耳诊断，深度脑部观察等领域成为一种强有力的内窥器件。目前的研究成果已经展现出这一领域良好的发展应用前景。

目前常用的基于波前整形的多模光纤成像设备工作方式主要是点扫描，依据生成聚焦光斑的方法不同，有以下几种类型的系统：

(1)相位共轭型

相位共轭型系统运用相位共轭波，即在偏振、振幅不改变情况下与初始光波的相位彼此共轭、互为时间反演的光波，校正光在多模光纤中的传播畸变，以此来生成聚焦光斑。这种方法的重要限制在于系统要求调制器件和探测器件有极为精确的光学对准，易受到温度、震动等环境的干扰。

(2)迭代优化型

迭代优化型系统主要是将探测器收集到的光强信号作为反馈信号，以此为信标不断优化空间光调制器件的对于入射光的调制。由于其本质上是一种闭环迭代技术，每一轮迭代只能计算一个单个聚焦点所需的调制，所以在实际的成像应用中速度缓慢，限制了该技术在实用化上的进一步发展。

(3)传输矩阵型

传输矩阵型系统(如图1所示)，激光器1发出照明光，由分束镜2分束，一路光被空间光调制器4调制为E__in，称为调制光，另一路被反射镜3反射回分束镜2，称为自参考光。然后调制光及自参考光再经过物镜6耦合到光纤7中，物镜8和透镜9组成的系统，将物镜8前焦面14的光斑成像在透镜9的后焦面即相机10上，结合自参考光、调制光通过计算机11可以解出调制光在出射端面的复振幅分布E__out。将光纤输入输出端面的复振幅连系用矩阵K描述出来，对传输矩阵的测量即获得入射光波模式在多模光纤众多通道中的线性组合。矩阵一旦测量得到，就可以在前焦面14生成任意模式的光斑图案，再利用分束镜5，透镜12，相机13构成的光收集系统，收集前焦面14返回的反射光进行重构成像，此方法在成像方面具有明显优势。