一种基于相干接收机的飞秒激光高速数字显微成像方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种基于数字相干接收机的高速数字显微成像方法及装置，所述方法包括以下步骤：飞秒激光经滤波和增益色散后一分二成信号光与参考光；信号光先经衍射空间散开，后进入透镜成像系统，携带样品信息后沿光路返回；信号光与参考光一起接入数字相干接收机完成相干，后由高速示波器采集，最后经计算机算法解调复原图像。本发明专利技术与日常生活中广泛应用的CCD和CMOS两种图像控制器对比，在保证同等量级成像分辨率的情况下，能获得超高的百MHZ帧率，而且基于数字相干接收机的全数字数据采集有利于后期实时分析以及图像的优化处理。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于显微成像
，具体涉及超快成像技术，更具体地涉及一种基于数字相干接收机的高速数字显微成像方法。
技术介绍
光学成像是现如今广泛应用于检测与诊断的一种工具。现今大部分的实验工作都旨在提高成像检测系统的空间分辨率；更近一步地，应用于检测光学流氓波、细胞变异、神经变化等细微动态过程的在时间上有着高分辨率的成像系统同样也是十分重要的，高速且有着高时间分辨率的成像系统对于生物化学工作者对细胞组织的微小变化的研究工作有着越来越重要的意义。CCD和CMOS图像传感器是现今在光成像系统中应用最广泛的技术。它有着微米级的空间分辨率、大量的成像像素、较高的性价比等优点。在日常生活中，这两种成像器一般只会拥有30HZ的帧率。尽管通过减少像素数量可以获得1KHZ的帧率，但必然会降低成像质量。这种成像器的像素灵敏度即像素点的捕捉能力和图片扫描频率相互之间是存在较大限制的。要想保证图像越清晰即像素越灵敏，相应的图片的扫描频率必须越低；相反地，如果图片的扫描频率越高，那么像素点的捕捉时间越短，图片也就会越不清晰。这种灵敏度与帧率之间的互相限制也几乎影响着所有的成像系统。因此，急需寻找一种新的光学成像技术来适应现代实验工作或实际生产的需要。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术人经过长期研究，提出一种基于相干接收机的飞秒激光高速数字显微成像方法，其能够在保证拍摄清晰度的前提下大幅提高图片的扫描频率，同时全数字信息的输出也便于后期优化处理。依据本专利技术的第一方面，提供一种基于相干接收机的飞秒激光高速数字显微成像方法，其特征在于，包括以下步骤：S1.飞秒激光经滤波和增益色散后一分二成信号光与参考光。S2.信号光先经衍射空间散开，后进入透镜成像系统，携带样品信息后沿光路返回。S3.加载完样品信息的信号光与参考光先经光程匹配和偏振态控制以满足相干条件，然后一起接进集成相干接收机完成数字相干，后经高速ADC模块转化为全数字信息的输出，之后由高速示波器采集全数字相干数据，最后将数据存储于计算机并经由编程算法解调复原图像。其中，步骤S1具体为：飞秒激光先经滤波器滤波，后经色散光纤与掺铒光纤放大器完成增益色散傅里叶变换，然后等比一分二成信号光与参考光。其中，步骤S2具体为：信号光先由衍射光栅空间展开，后进入透镜成像系统，由物镜聚焦在样品上，完成信息的加载过程，然后反射回来进入相干采集系统；参考光接延迟线进入相干采集系统。依据本专利技术的第二方面，提供一种实现上述方法的成像装置，其特征在于包括：飞秒光源、衍射光栅、色散光纤、数字集成相干接收机和高速示波器；所述飞秒光源、色散光纤、衍射光栅、数字集成相干接收机和高速示波器顺次相接以组成整套成像系统的主体框架，以完成光源频域上加载信息、频域到时域的傅里叶变换、时域上数据相干采集与复原的整个成像过程；所述飞秒光源作为成像光源有着100MHz左右的高重复频率及持续时间几十个皮秒的锁模脉冲输出；所述衍射光栅可以将一束空间光按频率大小依次散开；所述色散光纤将飞秒脉冲时域上展宽到纳秒量级，其作用等效于宽带激光频域到时域的傅里叶变换；所述数字集成相干接收机与高速示波器完成图片信息以全数字的形式的相干采集。进一步地，所述装置还包括：光纤起偏器、偏振控制器、环形器、空间光准直透镜、λ/4空间波片、λ/2空间波片、衍射光栅、4F透镜组、光耦合器、光延迟线、光谱仪；所述光纤起偏器、偏振控制器、环形器、空间光准直透镜、λ/4空间波片、λ/2空间波片、衍射光栅、4F透镜组空间上顺次相连，组成完整具体的成像系统，环形器的返回输出端口依次接光耦合器、光延迟线，光耦合器的另一输出端接光谱仪；所述光纤起偏器、偏振控制器用来控制信号光与参考光的偏振态；所述空间光准直透镜将激光变成平行空间光；所述λ/4空间波片、λ/2空间波片用来改变信号光进入成像系统前的偏振态；所述4F透镜组完成信号光的聚焦成像；所述光延迟线用来匹配信号光与参考光的光程；所述耦合器将加载完样品信息的信号光分两路，一路输入到所述光谱仪以便实验观察，一路顺次接回系统与参考光完成数字相干，最后由计算机算法解调复原。本专利技术实施例对比现今日常生活中广泛应用的CCD和CMOS两种图像控制器来说有如下优点和效果：在极大的百MHz量级的帧率下，能保证成像出来的图片分辨率和CCD与CMOS芯片成像器达到同等量级，而且正是由于飞秒脉冲100MHz的高重复频率，此系统还可以用来观测几近实时的微观变化；基于数字相干接收机的全数字数据采集，本实施例可获得是关于拍摄样品的全数字信息，非常有利于对照样品对数字信息做实时分析以及对恢复出来的图像做各种优化处理。附图说明图1是依据本专利技术的基于相干接收机的飞秒激光高速数字微观成像装置的结构示意图；图2是依据本专利技术的数字相干接收机原理结构图。图3是数字相干接收机的电源驱动原理图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。另外地，不应当将本专利技术的保护范围仅仅限制至下述具体模块或具体参数。本专利技术基于色散傅立叶变换的时域展宽成像技术被作为有可能应用于细胞实时观测的一种高速显微成像技术得到了专利技术与广泛研究。在本专利技术中，一种基于相干接收机的飞秒激光高速数字微观成像方法包括以下步骤：S1.飞秒激光经滤波和增益色散后一分二成信号光与参考光。S2.信号光先经衍射空间散开，后进入透镜成像系统，携带样品信息后沿光路返回。S3.信号光与参考光一起接入数字相干接收机完成相干，后由高速示波器采集，最后经计算机算法解调复原图像。上述S1的具体步骤为：飞秒激光器后依次接滤波器、色散光纤、掺铒光纤放大器、可调衰减器、一分二耦合器，以完成对激光器输出激光的滤波、增益、色散，之后一分二成信号光与参考光。所述飞秒激光器中心波长在C波段，脉冲重复频率100MHZ，脉冲持续时间几个皮秒。所述色散光纤的色散量相当于40km单模光纤，可将脉冲展宽到纳秒级。上述S2的具体步骤为：信号光后依次接激光准直透镜、衍射光栅、凸透镜、样品、反射镜，先将激光转为平行空间光，然后空间散开，之后由物镜聚焦在样品上完成样品信息的加载，最后由反射镜反射回光纤回路。所述衍射光栅为每毫米1200线的光栅，对比普通600线的光栅，可以获得更大的空间光衍射角即空间分辨率。所述光加载样品信息的过程为，一束平行光经衍射光栅散开后，不同频率的光照射到样品上不同的位置，携带样品不同位置上的信息。更具体地，如图1所示，基于相干接收机的飞秒激光高速数字微观成像方法包含三个部分。一是飞秒激光的处理：滤波器2先对飞秒激光器1出射的激光滤波，选定中心波长1550nm以及合适的光谱宽度。色散光纤3、掺铒光纤放大器4、可调衰减本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于相干接收机的飞秒激光高速数字显微成像方法，其特征在于，包括以下步骤：S1.飞秒激光经滤波和增益色散后一分二成信号光与参考光；S2.信号光先经衍射空间散开，后进入透镜成像系统，携带样品信息后沿光路返回；S3.加载完样品信息的信号光与参考光先经光程匹配和偏振态控制以满足相干条件，然后一起接进集成相干接收机完成数字相干，后经高速ADC模块转化为全数字信息的输出，之后由高速示波器采集全数字相干数据，最后将数据存储于计算机并经由编程算法解调复原图像。

【技术特征摘要】
1.一种基于相干接收机的飞秒激光高速数字显微成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.飞秒激光经滤波和增益色散后一分二成信号光与参考光；
S2.信号光先经衍射空间散开，后进入透镜成像系统，携带样品信息后沿光路返回；
S3.加载完样品信息的信号光与参考光先经光程匹配和偏振态控制以满足相干条件，然后
一起接进集成相干接收机完成数字相干，后经高速ADC模块转化为全数字信息的输出，之后
由高速示波器采集全数字相干数据，最后将数据存储于计算机并经由编程算法解调复原图像。
2.根据权利要求1所述的基于相干接收机的飞秒激光高速数字显微成像方法，其特征在
于，步骤S1具体为：飞秒激光先经滤波器滤波，后经色散光纤与掺铒光纤放大器完成增益色
散傅里叶变换，然后等比一分二成信号光与参考光。
3.根据权利要求1所述的基于相干接收机的飞秒激光高速数字显微成像方法，其特征在
于，步骤S2具体为：信号光先由衍射光栅空间展开，后进入透镜成像系统，由物镜聚焦在样
品上，完成信息的加载过程，然后反射回来进入相干采集系统；参考光接延迟线进入相干采
集系统。
4.一种实现如权利要求1-3任一项所述方法的成像装置，其特征在于包括：飞秒光源、
衍射光栅、色散光纤、数字集成相干接收机和高速示波器；所述飞秒光源、色散光纤、衍射
光栅、数字集成相干接收机和高速示波器顺次相接以组成整套成像系统的主体框架，以完成
光源频域上加载信息、频域到时域的傅里叶变换、时域上数据相干采集与复原的整个成像过
程。
5.根据权利要求4所述的成像装置，其特征在于：所述飞秒光源作...

【专利技术属性】
技术研发人员：李朝晖，冯元华，宋露，
申请(专利权)人：李朝晖，
类型：发明
国别省市：广东;44