【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及光学设计、自动控制以及成像，具体涉及一种基于无级调节中继光路的多尺度光声显微镜及其成像方法。
技术介绍
1、生物组织的单次大视场成像在快速寻找感兴趣区域、快速获取全器官信息以及同时成像跨区域的活体生物关联性生理信息等方面具有重要意义。与此同时，能够获取感兴趣区域的精细结构，可大大拓展光声成像系统可研究的生物学问题。
2、为获取大视场范围内的生物组织精细结构信息或生理信息，需要获得高分辨率和大视场的光声图像，但当前的光声显微系统往往受限于其所使用的扫描机制或光学激发系统固有的空间带宽积，无法满足大视场范围跨区域多尺度的高分辨率成像需要。其中，传统的光学分辨率光声显微通常采用高性能机械扫描装置来实现对成像端或样品的稳定精确扫描，但大的驱动力和所移动物品质量严重限制了成像速度。用光学扫描代替机械扫描可显著提升成像速度。当前光学扫描结构主要分为两种：透镜后扫描和透镜前扫描。透镜后扫描结构需要足够的工作距离以供放置扫描镜，因而限制了高数值孔径物镜的使用，难以进行高分辨率成像，其视场主要受限于平场扫描范围或扫描镜的最大扫描角度；相反，透镜前扫描结构对工作距离的要求更小，允许使用高数值孔径进行高分辨率成像，现有系统中，线聚焦超声换能器的使用已显著扩展了声学探测视场，使得透镜前扫描的光声成像系统视场仅受光学激发范围的限制，但现有的透镜前扫描系统直接在透镜入瞳前方一定距离处进行扫描，并没有充分利用透镜的视场。
3、针对以上问题，国内外小组已对各种扫描机制下大视场高分辨率成像做出了各种探索，一些通过机械移动多次
技术实现思路
1、（一）要解决的技术问题
2、为提升单系统大视场高分辨率成像性能，实现多尺度成像，本专利技术提出了一种新型视场及分辨率无级调节成像方式，具体为一种基于无级调节中继光路的多尺度光声显微镜及其成像方法，它可以适应生物组织不同尺度的感兴趣区域成像及不同尺度的细节分辨要求，使得系统能够获得更多的样品信息，大大增加了系统的应用价值。
3、（二）技术方案
4、本专利技术为解决其技术问题，提供了一种基于无级调节中继光路的多尺度光声显微镜及其成像方法，具体技术方案如下。
5、基于无级调节中继光路的多尺度光声显微镜，其特征在于，包括：激光源组件、光斑优化组件、中继光路调制扫描组件、反射式成像端口组件、探测组件、信号处理组件及计算机；
6、所述激光源组件沿光轴出射至少两种不同波长的平行脉冲光束，光束依次经过所述光斑优化组件、中继光路调制扫描组件和反射式成像端口组件照射到成像目标，用于激发成像目标的光声信号并同步触发信号；
7、所述光斑优化组件用于光束的整形与扩束；
8、所述中继光路调制扫描组件包括二维扫描振镜、可调中继光路和显微物镜，所述二维扫描振镜用于光束的扫描；所述可调中继光路沿光轴从物方到像方依次包括会聚透镜和套筒透镜，用于调节系统的工作模式；所述显微物镜用于将光束聚焦在成像目标上；其中，在极限高分辨率模式到极限大视场模式的调节过程中，会聚透镜沿光轴从物方向像方进行轴向移动；
9、所述中继光路调制扫描组件结构，符合以下关系式：，其中dgt为所述二维扫描振镜的光学扫描中心与套筒透镜的主面中心之间的轴向间距，d0为所述二维扫描振镜的光学扫描中心处的光束直径，dobj为所述显微物镜的入瞳直径，ftl为所述套筒透镜的有效焦距；
10、所述中继光路调制扫描组件结构，符合以下关系式：，其中d0为所述二维扫描振镜的光学扫描中心处的光束直径，dobj为所述显微物镜的入瞳直径，fl为所述会聚透镜的有效焦距；
11、所述中继光路调制扫描组件结构，符合以下关系式：，其中fl为所述会聚透镜的有效焦距，dlt为所述会聚透镜的主面中心与所述套筒透镜的主面中心之间的轴向间距；
12、所述反射式成像端口组件包括光-声信号同轴耦合装置和二维位移组件；所述光-声信号同轴耦合装置具有光学透射与声学反射特性，用于实现激发光束与光声信号的同轴耦合，并将成像目标产生的光声信号传递给所述探测组件；所述二维位移组件用于移动待成像样品；
13、所述探测组件包括线聚焦超声换能器、旋转电机、传动齿轮组和电机控制器，所述旋转电机带动线聚焦超声换能器旋转，用于保持光焦点与声焦线在激发光束旋转扫描时始终重合，实现样品光声信号的三维探测；
14、所述信号处理组件用于对所述探测组件捕获的信号进行电学处理与数据采集，所采集的数据传递给所述计算机进行后续处理；
15、所述计算机用于实现中继光路调制扫描组件中振镜的扫描控制、会聚透镜的位移控制，实现探测器组件中旋转电机的同步控制，也用于光声信号重建及图像处理。
16、优选地，所述中继光路调制扫描组件的工作方式为，多波长平行光束由二维扫描振镜扫描，由可调中继光路调制，再由显微物镜聚焦照射样品；
17、所述可调中继光路包括会聚透镜和套筒透镜，用于将振镜光学扫描中心共轭至显微物镜前焦点之后的有限范围内，同时将振镜处准直的激光光束调节为显微物镜入瞳处发散的光束；
18、所述会聚透镜被固定在轴向位移台上，轴向位移台用于在套筒透镜前会聚透镜的一倍焦距外至二倍焦距内沿光轴轴向移动会聚透镜，用于调节显微物镜前光束的多种特性，包括光学扫描中心共轭点与显微物镜前焦点的相对位置、显微物镜入瞳处的光束发散角和半径，以此方式无级调节光学激发的视场角、有效数值孔径、实际工作距离，无级调节视场及横向分辨率，并在显著扩大视场的同时保持分辨率在相同水平，实现多尺度高分辨率成像。
19、优选地，所述中继光路调制扫描组件通过无级调节所述会聚透镜位置，从而在极限大视场模式、极限高分辨率模式及介于二者之间的任意模式内转换工作模式；
20、在极限大视场模式下，调节所述会聚透镜与所述套筒透镜间隔最小，光学扫描中心共轭点与显微物镜前焦点间隔最小但仍然位于前焦点之后，显微物镜入瞳处光束发散角最大、光束半径最小，从而导致光学激发的实际工作距离最大、视场角最大、有效数值孔径最小、光学焦点尺度最大，最终实现极限大视场成像；
21、在极限高分辨率模式下，调节所述会聚透镜与所述套筒透镜间隔最大，光学扫描中心共轭点与显微物镜前焦点间隔最大且位于显微物镜入瞳之后，显微物镜入瞳处光束发散角最小、光束半径最大、从而导致光学激发的实际工作距离最小、视场角最小、有效数值孔径最大、光学焦点尺度最小，最终实现极限高分辨率成像本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.基于无级调节中继光路的多尺度光声显微镜，其特征在于，包括：激光源组件、光斑优化组件、中继光路调制扫描组件、反射式成像端口组件、探测组件、信号处理组件及计算机；
2.根据权利要求1所述的基于无级调节中继光路的多尺度光声显微镜，其特征在于：所述中继光路调制扫描组件的工作方式为，多波长平行光束由二维扫描振镜扫描，由可调中继光路调制，再由显微物镜聚焦照射样品；
3.根据权利要求2所述的基于无级调节中继光路的多尺度光声显微镜，其特征在于：所述中继光路调制扫描组件通过无级调节所述会聚透镜位置，从而在极限大视场模式、极限高分辨率模式及介于二者之间的任意模式内转换工作模式；
4.根据权利要求1所述的基于无级调节中继光路的多尺度光声显微镜，其特征在于：所述激光源组件包括函数发生器和多个波长的快速纳秒脉冲激光器，其间电气连接，函数发生器提供激光器脉冲的外触发时序并同步系统的采集时序；所述多个波长的快速纳秒脉冲激光器的出射光束沿光轴入射光斑优化组件，经中继光路调制扫描组件、反射式成像端口组件聚焦照射在成像目标处激发其光声信号；
5.根据权利要求1所述
6.根据权利要求1所述的基于无级调节中继光路的多尺度光声显微镜，其特征在于：所述中继光路调制扫描组件中，所述二维扫描振镜采用1片二维扫描振镜或2片一维扫描振镜。
7.根据权利要求1所述的基于无级调节中继光路的多尺度光声显微镜，其特征在于：所述反射式成像端口组件中，所述光-声信号同轴耦合装置用于激发光束的透射与光声信号的反射，其结构包括底部的石英玻璃密封片、内部的去离子水及倾斜嵌合的石英玻璃声学反射片、上部的聚乙烯密封膜以及表面涂敷的超声耦合凝胶；所述二维位移组件用于带动待成像样品移动，将感兴趣区域保持在成像视场中心。
8.根据权利要求1所述的基于无级调节中继光路的多尺度光声显微镜，其特征在于：所述探测组件中，所述线聚焦超声换能器的焦线中心点与光学激发聚焦扫描视场中心点重合；所述探测组件的工作方式为，光学焦点扫描线聚焦换能器的声焦线，超声换能器探测光学激发视场单直径的深度信号；完成单直径线探测后，光学焦点扫描线绕光学激发视场中心点旋转，声焦线与之同步，直至完成全视场直径线探测，此时线聚焦超声换能器绕中心轴旋转180°，获取光学激发全视场的深度信号，实现三维探测。
9.根据权利要求1所述的基于无级调节中继光路的多尺度光声显微镜，其特征在于：所述信号处理组件中，信号先由所述电学放大器、带通滤波器预处理以提升信噪比，再由所述信号采集卡同步采集；所述计算机与二维扫描振镜控制器、电机控制器、信号采集卡电气连接，用于全系统的同步控制。
10.基于无级调节中继光路的多尺度光声显微镜成像方法，其特征在于，采用前述的权利要求1-9中任意一项所述的基于无级调节中继光路的多尺度光声显微镜进行成像，步骤如下：
...【技术特征摘要】
1.基于无级调节中继光路的多尺度光声显微镜，其特征在于，包括：激光源组件、光斑优化组件、中继光路调制扫描组件、反射式成像端口组件、探测组件、信号处理组件及计算机；
2.根据权利要求1所述的基于无级调节中继光路的多尺度光声显微镜，其特征在于：所述中继光路调制扫描组件的工作方式为，多波长平行光束由二维扫描振镜扫描，由可调中继光路调制，再由显微物镜聚焦照射样品；
3.根据权利要求2所述的基于无级调节中继光路的多尺度光声显微镜，其特征在于：所述中继光路调制扫描组件通过无级调节所述会聚透镜位置，从而在极限大视场模式、极限高分辨率模式及介于二者之间的任意模式内转换工作模式；
4.根据权利要求1所述的基于无级调节中继光路的多尺度光声显微镜，其特征在于：所述激光源组件包括函数发生器和多个波长的快速纳秒脉冲激光器，其间电气连接，函数发生器提供激光器脉冲的外触发时序并同步系统的采集时序；所述多个波长的快速纳秒脉冲激光器的出射光束沿光轴入射光斑优化组件，经中继光路调制扫描组件、反射式成像端口组件聚焦照射在成像目标处激发其光声信号；
5.根据权利要求1所述的基于无级调节中继光路的多尺度光声显微镜，其特征在于：所述激光源组件用于发出不同波长的脉冲激光光束；所述光斑优化组件对各波长光束分别处理，所述光圈用于调节各波长光束的能量，所述空间光滤波器用于去除光源高频噪点并扩束，使得所述中继光路调制扫描组件在极限高分辨率模式下时，显微物镜入瞳的光束填充率接近1；所述光斑优化组件还包括二向色镜与反射镜，用于不同波长光束的合并。
6.根据权利要求1所述的基于无级调节中继光...
【专利技术属性】
技术研发人员：奚磊，王玉洁，李林阳，齐伟智，秦伟，李婷婷，
申请(专利权)人：南方科技大学，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。