[發明專利]一種基于高速波前調制的多模光纖三維成像裝置及方法

有效

• 申請號: 201811589195.2
• 申請日: 2018-12-25
• 公開（公告）號: CN109445089B
• 公開（公告）日: 2020-01-31
• 發明（設計）人: 楊青;文仲;馬耀光;劉旭
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G02B23/24
• 分類號: G02B23/24;G02B23/26;G03H1/04;G03H1/08;G03H1/00
• 代理公司: 33224 杭州天勤知識產權代理有限公司
• 代理人: 胡紅娟

本發明公開了一種基于高速波前調制的多模光纖三維成像裝置及方法，屬于光纖顯微內鏡領域，裝置包括激光器、將激光器的光束分為物光和參考光的第一分束鏡、用于測量傳輸矩陣的測量組件以及用于記錄樣品反射光或樣品熒光的光強信息的光電探測器，物光的光路上設有對物光進行調制的數字微鏡陣列和用于傳輸調制后物光的多模光纖，多模光纖的輸入端設有將調制后物光進行耦合的第一物鏡；測量組件包括第二物鏡、第二分束鏡、相機以及與相機通訊連接的計算機；測量傳輸矩陣時，將多模光纖的輸出端連接至第二物鏡，利用測量組件得到第二物鏡的焦平面對應的三維空間傳輸矩陣；收集樣品三維圖像時，將樣品放置到所述多模光纖的輸出端。

技術領域

本發明涉及光纖顯微內鏡領域，具體地說，涉及一種基于高速波前調制的多模光纖三維成像裝置及方法。

背景技術

光纖內鏡是一種成像器械，它簡單有效的結合了纖維光學、可調諧器械、以及遠測目視裝置。在使用器械時，先將導光管接上相應的光源，通過導管插入需要檢測的區域，控制操作部件即可實現對觀察區域的成像。這種器械由于兼具優秀的傳像能力與彎曲性能，且很強的抗電磁場、高溫能力，被廣泛使用在醫療和工業檢測當中。

單模光纖束是目前最常用的內窺光纖，但是這種光學系統的探測端為了取得較好的成像效果，通常需要加裝微透鏡，導致光纖端面尺寸增大，給細微通道探測帶來了困難。同時光纖束中單模光纖與單模光纖的間隔，及蜂窩狀排布還會帶來蜂窩噪聲。這些缺陷限制了其進一步的應用。

與單模光纖束相比，多模光纖具有以下優勢：更高的耦合效率、同直徑下容納的模式數量更多、更高的光收集效率、更低的制備成本。過去由于模式色散的限制，多模光纖難以用于成像，而近年來快速發展的波前整形技術可以很好的消除多模光纖的模式色散，并進行成像，使其在內耳診斷，深度腦部觀察等領域成為一種強有力的內窺器件。目前的研究成果已經展現出這一領域良好的發展應用前景。

目前常用的基于波前整形的多模光纖成像設備工作方式主要是點掃描，依據生成聚焦光斑的方法不同，有以下幾種類型的系統：

(1)相位共軛型

相位共軛型系統運用相位共軛波，即在偏振、振幅不改變情況下與初始光波的相位彼此共軛、互為時間反演的光波，校正光在多模光纖中的傳播畸變，以此來生成聚焦光斑。這種方法的重要限制在于系統要求調制器件和探測器件有極為精確的光學對準，易受到溫度、震動等環境的干擾。

(2)迭代優化型

迭代優化型系統主要是將探測器收集到的光強信號作為反饋信號，以此為信標不斷優化空間光調制器件的對于入射光的調制。由于其本質上是一種閉環迭代技術，每一輪迭代只能計算一個單個聚焦點所需的調制，所以在實際的成像應用中速度緩慢，限制了該技術在實用化上的進一步發展。

(3)傳輸矩陣型

傳輸矩陣型系統(如圖1所示)，激光器1發出照明光，由分束鏡2分束，一路光被空間光調制器4調制為E__in，稱為調制光，另一路被反射鏡3反射回分束鏡2，稱為自參考光。然后調制光及自參考光再經過物鏡6耦合到光纖7中，物鏡8和透鏡9組成的系統，將物鏡8前焦面14的光斑成像在透鏡9的后焦面即相機10上，結合自參考光、調制光通過計算機11可以解出調制光在出射端面的復振幅分布E__out。將光纖輸入輸出端面的復振幅連系用矩陣K描述出來，對傳輸矩陣的測量即獲得入射光波模式在多模光纖眾多通道中的線性組合。矩陣一旦測量得到，就可以在前焦面14生成任意模式的光斑圖案，再利用分束鏡5，透鏡12，相機13構成的光收集系統，收集前焦面14返回的反射光進行重構成像，此方法在成像方面具有明顯優勢。