基于光谱角度增强和时间延迟的二维扫描激光成像系统技术方案

本发明专利技术提供了基于光谱角度增强和时间延迟的二维扫描激光成像系统，包括入射激光模块，衍射光栅，第一透镜，分光镜，第二透镜，光谱时间延迟器，光学系统，任意波形发生器，声光调制器，待测样品和数据采集与处理部件。本发明专利技术利用波长无关的色散效应，在自由空间中引入群速度色散，在可见光波段内引入1ns nm

【技术实现步骤摘要】
基于光谱角度增强和时间延迟的二维扫描激光成像系统


[0001]本专利技术涉及高速动态成像领域，特别涉及基于光谱角度增强和时间延迟的二维扫描激光成像系统。

技术介绍

[0002]高速动态时间延迟成像，在癌症生物学(Hoppe,P.,Coutu,D.&Schroeder,T.Single
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cell technologies sharpen up mammalian stem cell research.Nat.Cell Biol.16,919
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927(2014).)、再生医学(Fritzsch FS,Dusny C,Frick O,Schmid A.Single
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cell analysis in biotechnology,systems biology,and biocatalysis.Annual Review of Chemical and Biomolecular Engineering 3,129
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155(2012))等领域中有着极其重要的作用。然而传统的动态成像存在诸如扫描速率不足，透过率不高的问题。检流计扫瞄镜成像只能达到10kHz的扫描速率(Marshall GF,Stutz GE.Handbook of Optical and Laser Scanning,2nd edn.Boca Raton:CRC Press(2011).)，旋转多边形反射镜成像也只能达到100kHz的扫描速率(Choi S,Kim P,Boutilier R,Kim MY,Lee YJ et al.Development of a high speed laser scanning confocal microscope with an acquisition rate up to 200frames per second.Opt.Express 21,23611
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23618(2013).)，后来发展起来的光谱角度增强和时间延迟成像技术，虽然能够在MHz级的超快频率下实现高速动态成像(Lau AKS,Wong TTW,Ho KKY,Tang MTH,Chan ACS et al.Interferometric time
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stretch microscopy for ultrafast quantitative cellular and tissue imaging at 1μm.J Biomed.Opt.19,076001(2014).)，但是成像空间分辨率不高。
[0003]若想提高成像空间分辨率，需要利用时间延迟成像技术，使用高色散率的介质(>1ns nm
‑1)引入群速度色散。在基础生物学和生物医学诊断领域(Fritzsch FSO,Dusny C,Frick O,Schmid A.Single
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cell analysis in biotechnology,systems biology,and biocatalysis.Annu.Rev.Chem.Biomol.Eng 3,129
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155(2012).)中，可见光波段时间延迟成像有巨大作用，但在可见光波段，利用光纤引入群速度色散伴随着极高的光学损耗(>50dB)，不能满足人们的使用需求。

技术实现思路

[0004]本专利技术所要解决的问题是实现基于光谱角度增强和时间延迟的二维激光扫描的方法和系统，利用波长无关的色散效应，在自由空间中引入群速度色散，在可见光波段内(以700nm为例)引入1ns nm
‑1的GVD仅引入4～7dB的损耗，这在提高了系统分辨率的同时提高了成像清晰度，可实现高清晰度、准确的成像效果；本系统采用声光调制器与任意波形发生器结合，利用射频信号调制压电转换器激发声波，并对内部的晶体施加影响，改变晶体的折射率，由此改变出射光的角度，将一维扫描提升为二维扫描，提高了成像的维度，可获取更多图像信息。
[0005]本专利技术至少通过如下技术方案之一实现。
[0006]基于光谱角度增强和时间延迟的二维扫描激光成像系统，包括入射激光模块，衍射光栅，第一透镜，分光镜，第二透镜，光谱时间延迟器，光学系统，任意波形发生器，声光调制器，待测样品和数据采集与处理部件；
[0007]所述入射激光模块，用于产生脉冲激光；
[0008]所述衍射光栅，用于对入射脉冲激光光谱分光，入射脉冲激光以立体锥角θ出射；
[0009]所述第一透镜，用于准直脉冲激光并防止扩束；
[0010]所述分光镜，入射脉冲激光透过分光镜后入射至光谱时间延迟器中形成返回光，返回光再通过分光镜反射耦合至由镜筒透镜和物镜组成的光学系统中；
[0011]所述第二透镜，用于聚焦脉冲激光入射至光谱时间延迟器中；
[0012]所述光学系统，用于校正系统的像差并准直；
[0013]所述任意波形发生器与声光调制器连接，任意波形发生器对声光调制器施加周期性的射频信号，能够周期性地改变出射光的角度，生成若干束子光，将M束一维扫描光变为二维扫描光，随后入射至待测样品上；
[0014]所述二维扫描光对待测样品进行扫描后，入射至数据采集与处理部件中，得到待测样品的图像信息。
[0015]进一步地，所述入射激光模块的波长窗口为400～800nm。
[0016]进一步地，所述入射激光模块为高重复频率脉冲激光器。
[0017]进一步地，所述光学系统包括镜筒透镜和物镜，所述镜筒透镜，用于校正像差；所述物镜，用于对返回光进行准直并形成一维扫描光。
[0018]进一步地，所述光谱时间延迟器包括两块不平行的反射镜，用于创建空间啁啾路径，在自由空间中对脉冲激光引入群速度色散。
[0019]进一步地，两块反射镜之间成偏置角α且满足0<α<5mrad，两块反射镜的反射率>99.5％。
[0020]进一步地，所述数据采集与处理部件包括高速光电探测器、与高速光电探测器连接的实时示波器和计算机，高速光电探测器用于将输出的光信号转换为电信号，实时示波器用于对采集的信号进行重构得到待测样品的原始图像，计算机用于进行数据处理和分析，得到高速、清晰、准确的成像。
[0021]本专利技术还提供相应的基于光谱角度增强和时间延迟的二维扫描激光成像方法。所述方法包括以下步骤：
[0022]入射激光模块产生的脉冲激光通过衍射光栅，衍射光栅将脉冲激光以立体锥角θ光谱分光，分光后的脉冲激光通过第一透镜进行准直；
[0023]准直后的脉冲激光透过分光镜后，通过第二透镜聚焦，入射至光谱时间延迟器中引入群速度色散；
[0024]在引入群速度色散后，有M束脉冲激光会沿入射光路返回至入射点，通过分光镜反射至光学系统中，返回光通过光学系统形成一维扫描光；
[0025]任意波形发生器产生射频信号发送至本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于光谱角度增强和时间延迟的二维扫描激光成像系统，其特征在于：包括入射激光模块(1)，衍射光栅(2)，第一透镜(3)，分光镜(4)，第二透镜(5)，光谱时间延迟器(6)，光学系统，任意波形发生器(9)，声光调制器(10)，待测样品(11)和数据采集与处理部件(12)；所述入射激光模块(1)，用于产生脉冲激光；所述衍射光栅(2)，用于对入射脉冲激光光谱分光，入射脉冲激光以立体锥角θ出射；所述第一透镜(3)，用于准直脉冲激光并防止扩束；所述分光镜(4)，入射脉冲激光透过分光镜(4)后入射至光谱时间延迟器(6)中形成返回光，返回光再通过分光镜(4)反射耦合至镜筒透镜(7)和物镜(8)组成的光学系统中；所述第二透镜(5)，用于聚焦脉冲激光入射至光谱时间延迟器(6)中；所述光学系统，用于校正系统的像差并准直；所述任意波形发生器(9)与声光调制器(10)连接，任意波形发生器(9)对声光调制器(10)施加周期性的射频信号，能够周期性地改变出射光的角度，生成若干束子光，将M束一维扫描光变为二维扫描光，随后入射至待测样品上；所述二维扫描光对待测样品(11)进行扫描后，入射至数据采集与处理部件(12)中，得到待测样品(11)的图像信息。2.根据权利要求1所述的基于光谱角度增强和时间延迟的二维扫描激光成像系统，其特征在于：所述入射激光模块(1)的波长窗口为400～800nm。3.根据权利要求1所述的基于光谱角度增强和时间延迟的二维扫描激光成像系统，其特征在于：所述入射激光模块(1)为高重复频率脉冲激光器。4.根据权利要求1所述的基于光谱角度增强和时间延迟的二维扫描激光成像系统，其特征在于，所述光学系统包括镜筒透镜(7)和物镜(8)，所述镜筒透镜(7)，用于校正像差；所述物镜(8)，用于对返回光进行准直并形成一维扫描光。5.根据权利要求1所述的基于光谱角度增强和时间延迟的二维扫描激光成像系统，其特征在于，所述光谱时间延迟器(6)包括两块不平行，成偏置角α且反射率>99.5％的两块反射镜，用于创建空间啁啾路径，在自由空间中对脉冲激光引入群速度色散。6.根据权利要求5所述的基于光谱角度增强和时间延迟的二维扫描激光成像系统，其特征在于，偏置角α满足：0<α<5mrad。7.根据权利要求1
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6任一所述的基于光谱角度增强和时间延迟的二维扫描激光成像系统，其特征在于，所述数据采集与处理部件(12)包括高速光电探测器、与高速光电探测器连接的实时示波器和计算机...

【专利技术属性】
技术研发人员：韦小明，范怡衡，文晓晓，杨洋，杨中民，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：