大视场角多层共轭自适应光学聚焦和显微系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种大视场角多层共轭自适应光学聚焦和显微系统及方法。从激光器发出的光入射到三个空间光调制器上，空间光调制器调制后的光束聚焦到散射介质上，再经成像透镜成像；散射介质分两层，包括两个共轭型空间光调制器和一个光瞳型空间光调制器，两个共轭型空间光调制器分别共轭于两层散射介质，光瞳型空间光调制器置于两个共轭型空间光调制器和散射介质之间。本发明专利技术使用多个导引星和多个波前校正器同时校正生物样品不同厚度处产生的像差，克服了传统自适应光学成像技术视场角小、非目标点校正效果差、校正速度慢的缺点，可以实现大视场多区域高质量聚焦和高分辨显微成像。

Large field angle multi layer conjugate adaptive optical focusing and microscopy system and method

The invention discloses a wide field angle of multi conjugate adaptive optics and micro focusing system and method. From the laser light incident to the three spatial light modulator, spatial light modulator modulated beam into the scattering medium, the imaging lens imaging; scattering medium is divided into two layers, including two conjugated type spatial light modulator and a pupil type spatial light modulator, two conjugated type spatial light modulator are conjugate to the two layer scattering medium, between pupil type spatial light modulator in two conjugate type spatial light modulator and scattering medium. The invention uses a plurality of guide star and a plurality of wavefront corrector to correct aberrations from biological samples at different depth, to overcome the traditional adaptive optics imaging technology view angle and non target point correcting the disadvantage of poor effect, and can achieve a large field of multi regional high quality focus and high resolution imaging.

【技术实现步骤摘要】
大视场角多层共轭自适应光学聚焦和显微系统及方法
本专利技术涉及基于自适应算法的光学显微成像领域，尤其是涉及一种大视场角多层共轭自适应光学聚焦和显微系统及方法。
技术介绍
在生物医学研究中，由生物组织样品折射率不均匀性引起的像差严重影响了生物样品的成像质量，并且随着可观测生物样品厚度的增加，理想的聚焦变得更加困难。将自适应光学技术应用于生物医学成像领域中，可利用可变形反射镜或空间光调制器，对畸变波前进行补偿和校正，从而实现在生物组织内部或者穿透生物组织的聚焦，得到衍射极限分辨率的图像。在传统的自适应光学技术中，都采用单个波前校正器来校正单个引导星波前产生的畸变，波前校正器一般位于与显微物镜光瞳面共轭的位置，称之为光瞳型波前校正器(pupiladaptiveoptical,PAO)。如图1所示为传统的聚焦显微结构，包括激光器16、准直扩束透镜17、准直扩束透镜18、空间光调制器19、聚焦透镜20、散射介质21、成像透镜22、工业相机23。这种自适应光学系统只能校正光学系统引入的相对恒定像差，而无论是生物组织还是大气湍流一般都是三维物体，不同位置产生的像差也是空间变化的，所以有效校正视场角很小。
技术实现思路
为了克服上述问题，为了实现对空间变化的像差进行大视场角校正，本专利技术的目的在于提供了一种大视场角多层共轭自适应光学聚焦和显微系统，采用多层共轭自适应光学方式(multi-conjugateadaptiveoptical,MCAO)在生物医学成像领域，使用多个导引星和多个波前校正器同时校正散射介质不同厚度处产生的像差，克服了传统自适应光学成像技术视场角小、非目标点校正误差大、校正速度慢的缺点，可以实现大视场范围内的多区域聚焦和高分辨成像。本专利技术的目的是通过如下的技术方案实现的：一、一种大视场角多层共轭自适应光学聚焦和显微系统：从激光器发出的光经过扩束镜扩束后依次入射到三个空间光调制器上，空间光调制器调制后的光束聚焦到散射介质内部焦平面上，再经成像透镜通过工业相机或者光电倍增管探测成像；光束经其中两个空间光调制器校正散射介质造成的像差，光束经另一个空间光调制器校正光学系统引入的相对恒定像差。所述的散射介质分为两层，进入散射介质的光束经过散射后聚焦在散射介质靠近成像侧的表面；所述的三个空间光调制器包括两个共轭型空间光调制器和一个光瞳型空间光调制器，两个共轭型空间光调制器分别共轭于两层散射介质，分别以校正两层散射介质层各自在最终成像面上造成的像差；一个光瞳型空间光调制器放置于两个共轭型空间光调制器和散射介质之间，并位于聚焦透镜靠近入射侧的焦平面处，以校正光学系统在最终成像面上造成的相对恒定像差。所述的散射介质可采用离体生物组织、活体生物组织、含非荧光小球的琼脂，或毛玻璃等其中的一种。所述系统具体包括沿同一光轴依次布置的激光器、扩束系统、第一汇聚透镜、第一共轭型空间光调制器、第一准直透镜、第二汇聚透镜、第二共轭型空间光调制器、第二准直透镜、光瞳型空间光调制器、聚焦透镜、第一散射介质、第二散射介质和聚焦成像系统；从激光器发出的光经过扩束系统平行扩束后入射到第一汇聚透镜，第一汇聚透镜的出射光经第一共轭型空间光调制器调制后入射到第一准直透镜，第一准直透镜出射平行光并入射到第二汇聚透镜汇聚，第二汇聚透镜出射光经第二共轭型空间光调制器调制后入射到第二准直透镜，第二准直透镜出射光经光瞳型空间光调制器调制后入射到聚焦透镜，第一散射介质和第二散射介质相叠后布置在聚焦透镜出射端前方，聚焦透镜出射光依次经第一散射介质和第二散射介质后被聚焦成像系统接收，聚焦透镜出射光聚焦到第二散射介质靠近聚焦成像系统侧的表面。所述的两个共轭型空间光调制器需要通过4f系统进行耦合转接，两个共轭型空间光调制器分别共轭于两层散射介质。所述的第二共轭型空间光调制器、第二准直透镜、聚焦透镜、第一散射介质构成了一套4f光学系统；所述的第一共轭型空间光调制器、第一准直透镜、第二汇聚透镜、第二准直透镜、聚焦透镜、第二散射介质构成了两套相串接的4f光学系统；所述的第一个共轭型空间光调制器共轭于第二层散射介质的中间平面处，用于校正第二层(深层)散射介质造成的像差；所述的第二个共轭型空间光调制器共轭于第一层散射介质的中间平面处，用于校正第一层(浅层)散射介质造成的像差。具体来说是，第一共轭型空间光调制器依次经第一准直透镜、第二汇聚透镜后会成像到第二汇聚透镜前方的一个虚拟面处，第一共轭型空间光调制器、第一准直透镜、第二汇聚透镜和虚拟面构成了第一套4f光学系统，虚拟面依次经第二准直透镜、聚焦透镜后会成像到第二散射介质，虚拟面、第二准直透镜、聚焦透镜和第二散射介质构成了第二套4f光学系统。所述的第一准直透镜焦点与第一汇聚透镜焦点重合，第二汇聚透镜焦点与第一准直透镜焦点重合，第二准直透镜焦点与第二汇聚透镜焦点重合，光瞳型空间光调制器置于聚焦透镜焦平面处，散射介质靠近聚焦成像系统一侧的表面位于聚焦透镜的焦平面处；第一共轭型空间光调制器和第一汇聚透镜之间沿光轴的距离等于第二层散射介质的中间平面和聚焦透镜之间沿光轴的距离，第二共轭型空间光调制器和第二汇聚透镜之间沿光轴的距离等于第一层散射介质的中间平面和聚焦透镜之间沿光轴的距离。所述的扩束系统包括第一准直扩束透镜和第二准直扩束透镜，第一准直扩束透镜和第二准直扩束透镜依次布置在激光器发射端的前方，从激光器发出的光依次经过第一准直扩束透镜和第二准直扩束透镜平行扩束后入射到第一汇聚透镜。所述的聚焦成像系统包括成像透镜和工业相机，从散射介质发出的光经成像透镜后被工业相机接收采集，使得散射介质聚焦的焦点光斑成像在工业相机上。二、一种大视场角多层共轭自适应光学聚焦和显微方法，其特征在于：1)使用三个空间光调制器对系统进行自适应校正；2)用校正后的系统对进行光学聚焦和显微。所述步骤1)具体为：1.1)先对第一个共轭型空间光调制器和第二个共轭型空间光调制器作未调制处理，使用光瞳型空间光调制器对系统引入的相对恒定像差进行校正；1.2)对第一个共轭型空间光调制器作未调制处理，对光瞳型空间光调制器采用步骤1.1)的校正结果进行调制处理，然后使用第二个共轭型空间光调制器对第一层(浅层)散射介质造成的像差进行校正，1.3)对光瞳型空间光调制器采用步骤1.1)的校正结果进行调制处理，对第二个共轭型空间光调制器采用步骤1.2)的校正结果进行调制处理，最后使用第一个共轭型空间光调制器对第二层(深层)散射介质造成的像差进行校正。所述步骤1.2)和1.3)均采用构建引导星的方式进行校正：a)在空间光调制器的像面中心建立一个中心引导星，接着在中心引导星分别和四角之间的四条对角连线段的中点均建立一个角引导星，从而构建五个引导星b)在系统的光路中加入X轴、Y轴振镜进行扫描后，分别在五个引导星处进行聚焦，对于每个引导星采用相干光学自适应矫正算法获得矫正相位，以矫正相位加载到空间光调制器上获得在散射介质内的中间平面上的光强分布，根据光强分布获得五个引导星各自周围光强大于校正光强阈值的像面区域；c)将五个像面区域的矫正相位拼合在一起，并且中心引导星和角引导星的像面区域之间的重叠区域的校正相位选取中心引导星的像面区域的校正相位。d)空间光调制器工作时在每个像面区域加载各自的校正相本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种大视场角多层共轭自适应光学聚焦和显微系统，其特征在于：从激光器发出的光经过扩束镜扩束后依次入射到三个空间光调制器上，空间光调制器调制后的光束聚焦到散射介质上，再经成像透镜通过工业相机或者光电倍增管探测成像；光束经其中两个空间光调制器校正散射介质造成的像差，光束经另一个空间光调制器校正光学系统引入的相对恒定像差。

【技术特征摘要】
1.一种大视场角多层共轭自适应光学聚焦和显微系统，其特征在于：从激光器发出的光经过扩束镜扩束后依次入射到三个空间光调制器上，空间光调制器调制后的光束聚焦到散射介质上，再经成像透镜通过工业相机或者光电倍增管探测成像；光束经其中两个空间光调制器校正散射介质造成的像差，光束经另一个空间光调制器校正光学系统引入的相对恒定像差。2.根据权利要求1所述的一种大视场角多层共轭自适应光学聚焦和显微系统，其特征在于：所述的散射介质分为两层，进入散射介质的光束经过散射后聚焦在散射介质靠近成像侧的表面；所述的三个空间光调制器包括两个共轭型空间光调制器和一个光瞳型空间光调制器，两个共轭型空间光调制器分别共轭于两层散射介质，分别以校正两层散射介质层各自在最终成像面上造成的像差；一个光瞳型空间光调制器放置于两个共轭型空间光调制器和散射介质之间，以校正光学系统在最终成像面上造成的相对恒定像差。3.根据权利要求1所述的一种大视场角多层共轭自适应光学聚焦和显微系统，其特征在于：所述系统具体包括沿同一光轴依次布置的激光器(1)、扩束系统、第一汇聚透镜(4)、第一共轭型空间光调制器(5)、第一准直透镜(6)、第二汇聚透镜(7)、第二共轭型空间光调制器(8)、第二准直透镜(9)、光瞳型空间光调制器(10)、聚焦透镜(11)、第一散射介质(12)、第二散射介质(13)和聚焦成像系统；从激光器(1)发出的光经过扩束系统平行扩束后入射到第一汇聚透镜(4)，第一汇聚透镜(4)的出射光经第一共轭型空间光调制器(5)调制后入射到第一准直透镜(6)，第一准直透镜(6)出射平行光并入射到第二汇聚透镜(7)汇聚，第二汇聚透镜(7)出射光经第二共轭型空间光调制器(8)调制后入射到第二准直透镜(9)，第二准直透镜(9)出射光经光瞳型空间光调制器(10)调制后入射到聚焦透镜(11)，第一散射介质(12)和第二散射介质(13)相叠后布置在聚焦透镜(11)出射端前方，聚焦透镜(11)出射光依次经第一散射介质(12)和第二散射介质(13)后被聚焦成像系统接收，聚焦透镜(11)出射光聚焦到第二散射介质(13)靠近聚焦成像系统侧的表面。4.根据权利要求3所述的一种大视场角多层共轭自适应光学聚焦和显微系统，其特征在于：所述的第二共轭型空间光调制器(8)、第二准直透镜(9)、聚焦透镜(11)、第一散射介质(12)构成了一套4f光学系统；所述的第一共轭型空间光调制器(5)、第一准直透镜(6)、第二汇聚透镜(7)、第二准直透镜(9)、聚焦透镜(11)、第二散射介质(13)构成了两套相串接的4f光学系统；所述的第一个共轭型空间光调制器(5)共轭于第二层散射介质(13)的中间平面处；所述的第二个共轭型空间光调制器(8)共轭于第一层散射介质(12)的中间平面处。5.根据权利要求3或4所述的一种大视场角多层共轭自适应光学聚焦和显微系统，其特征在于：所述的第一准直透镜(6)焦点与第一汇聚透镜(4)焦点重合，第二汇聚透镜(7)焦点与第一准直透镜(6)焦点重合，第二准直透镜(9)焦点与第二汇聚透镜(7)焦点重合，光瞳型空间光...

【专利技术属性】
技术研发人员：斯科，龚薇，赵琪，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33