在光束行进方向的准直透镜2、测 量物镜23和被测对象4,依次放置在被测对象4背向散射方向来探测光声信号的具有柱面 声学透镜的波导25和超声换能器阵列24,以及用于探测被测对象4背向散射光或荧光信号 的测量物镜23、集光透镜9和位于集光透镜9焦面上的探测针孔11，以及放在探测针孔11 后用来分割探测艾里斑10的艾里斑微区12的光强探测器14。
[0041] 脉冲激光器15的波长、脉宽和重复频率可根据需要选择。
[0042] 计算机27通过控制二维扫描振镜29和轴向物镜扫描系统30可对被测对象4进 行三维扫描。
[0043] 对被测对象进行原位、无创成像的过程如下：
[0044] 脉冲激光器15发出的脉冲激光光束经聚焦透镜16聚焦到针孔17上形成点光源， 针孔17出射的光经准直透镜2、二维扫描振镜29、测量物镜23后聚焦到被测对象4上激发 出光声信号、散射光或焚光信号。
[0045] 光声信号由柱面声学透镜25收集后被超声换能器阵列24探测，再经超声信号探 测电路系统26处理后传送给计算机27。
[0046] 脉冲激光光束聚焦后激发的被测对象4的散射光或荧光信号再经测量物镜23、集 光透镜9聚焦于集光透镜9焦面上的探测针孔11上，位于探测针孔11后的光强探测器14 用于探测艾里斑10的艾里斑微区12的分光瞳共焦信号13,计算机27利用该分光瞳共焦信 号13即可测得被测对象4的结构图像信息。
[0047] 计算机27通过控制二维扫描振镜29和轴向物镜扫描系统30可对被测对象4进 行三维扫描，从而可对被测对象4激发出的光声信号、散射光或荧光信号进行实时层析探 测成像。
[0048] 计算机27依据发给控制二维扫描振镜29和轴向物镜扫描系统30的三维位置信 号（X，y，z)、光强信号采集系统28采集的共焦信号和超声信号探测电路系统26采集的光 声信号进行数据融合处理，即可同时得到生物组织的成分空间信息和功能信息。
[0049] 如图5所示，分光瞳共焦显微成像技术利用光轴之间存在一定夹角Θ的照明光学 系统与收集光学系统的点扩散函数（PSF)相互制约，减小系统点扩散函数PSF的主瓣宽度， 从而达到提高轴向分辨力和工作距离的目的。
[0050] 如图4所示，分光瞳共焦显微成像装置利用大工作距、低数值孔径的测量物镜23 构成了照明光学系统和收集光学系统，照明光学系统光轴（^轴）和收集光学系统光轴（z。 轴）成Θ角放置，（X，y，Z)为系统坐标系，（ Xi，yi，Zi)和（X。，y。，Z。）分别为斜入射激发光 束31和斜出射被测对象散射光32在被测对象空间的坐标。
[0051] 三个坐标系之间的变换关系为：
[0052] Xi= X cos Θ -Z sin Θ x c= x cos Θ +z sin Θ (I)
[0053] Yi= y y c= y (2)
[0054] Zi= x sin Θ +z cos Θ z c= _x sin Θ +z cos Θ (3)
[0055] 分光瞳共焦-光声显微成像装置的理论模型可由基于旁轴近似的衍射理论进行 推导。
[0056] 点光源1、准直透镜2和测量物镜23构成照明光学系统，照明光学系统点扩散函数 PSF 33的表达式为：
[0057]
【主权项】
1. 一种分光瞳共焦-光声显微成像装置，其特征在于：包括点光源系统（1)，依次放置 在点光源出射方向的离轴放置的准直透镜（2)、对称光轴放置的光学-光声共焦点耦合系 统（3)和被测对象（4)，还包括放置在被测对象（4)背向散射方向来探测光声信号的超声 换能器（8)、离轴放置在被测对象（4)背向散射方向来收集背向散射光强信号的集光透镜 (9)，以及探测集光透镜（9)焦面艾里斑光强信号的点探测系统（7)。
2. 根据权利要求1所述的一种分光瞳共焦-光声显微成像装置，其特征在于：光学-光 声共焦点耦合系统（3)包括对称光轴放置的中空测量物镜（5)、镶嵌在中空测量物镜（5)孔 下端的声学透镜（6)，且中空测量物镜（5)与声学透镜（6)共焦点。
3. 根据权利要求1所述的一种分光瞳共焦-光声显微成像装置，其特征在于：光学-光 声共焦点耦合系统（3)还包括沿光轴方向依次放置的测量物镜（23)、超声换能器阵列（24) 和具有柱面声学透镜的波导（25)，且测量物镜（23)与具有柱面声学透镜的波导（25)共焦 点。
4. 根据权利要求1所述的一种分光瞳共焦-光声显微成像装置，其特征在于：点探测 系统（7)包括放置在集光透镜（9)焦点上的探测针孔（11)，以及放在探测针孔（11)后用于 探测艾里斑微区（12)光强的光强探测器（14)。
5. 根据权利要求1所述的一种分光瞳共焦-光声显微成像装置，其特征在于：点探测 系统（7)还可以是放置在集光透镜（9)焦点处来探测艾里斑微区（12)光强的光纤点探测 系统（19)。
6. 根据权利要求1所述的一种分光瞳共焦-光声显微成像装置，其特征在于：点探测 系统（7)还可以包括用于放大集光透镜（9)焦斑的中继放大透镜（20)、位于中继放大透镜 (20)焦面上来探测艾里斑微区（12)光强的(XD探测器（22)。
7. 根据权利要求1所述的一种分光瞳共焦-光声显微成像装置，其特征在于：点光 源系统（1)由脉冲激光器（15)、放置在激光出射方向的聚焦透镜（16)和放置在聚焦透镜 (16)焦点处的针孔（17)构成；其中，脉冲激光器（15)的波长、脉宽和重复频率可根据需要 选择。
8. -种分光瞳共焦-光声显微成像方法，其特征在于包括以下步骤： 步骤一、打开点光源系统（1)，使点光源系统（1)出射的光束经准直透镜（2)、和光 学-光声共焦点耦合系统（3)后聚焦到被测对象（4)上激发出光声信号和光强信号。 步骤二、利用声学透镜（6)和超声换能器（8)来收集和探测光声信号，用于表征被测对 象（4)的生物功能信息； 步骤三、利用光学-光声共焦点耦合系统（3)、集光透镜（9)将被测对象（4)的散射光 聚焦在位于集光透镜（9)焦面上的探测针孔（11)上，位于探测针孔（11)后的光强探测器 (14)探测针孔（11)出射的艾里斑微区（12)光强的分光瞳共焦信号（13)，用于表征被测对 象⑷的结构图像信息； 步骤四、计算机（27)通过二维扫描振镜（29)和轴向物镜扫描系统（30)来控制聚焦光 束对被测对象（4)进行三维层析扫描，来对被测对象（4)激发出的光声信号和光强信号进 行三维实时层析探测成像； 步骤五、计算机（27)对探测的被测对象（4)的光声信号与光强信号数据进行融合处 理，即可实现被测对象成分空间信息和功能信息的原位、无创成像。
9. 根据权利要求8所述的一种分光瞳共焦-光声显微成像方法，其特征在于：步骤三 可以为：利用光学-光声共焦点耦合系统（3)、集光透镜（9)将被测对象（4)的散射光聚焦 在位于集光透镜（9)焦点处的光纤点探测系统（19)，光纤点探测系统（19)用于探测艾里斑 微区（12)光强的分光瞳共焦信号（13)，用于表征被测对象（4)的结构图像信息。
10. 根据权利要求8所述的一种分光瞳共焦-光声显微成像方法，其特征在于：步骤三 还可以为：利用光学_光声共焦点耦合系统（3)、集光透镜（9)、中继放大透镜（20)将被测 对象（4)的散射光聚焦在位于中继放大透镜（20)焦面上的CCD探测器（22)上，计算机（27) 将CCD探测器（22)探测面上的放大艾里斑（21)分割为艾里斑微区（12)并进行强度探测 得到分光瞳共焦信号（13)，用于表征被测对象（4)的结构图像信息。
【专利摘要】本发明涉及一种分光瞳共焦-光声显微成像装置与方法，其基于具有大工作距、高轴向分辨力和抗杂散光干扰的分光瞳共焦显微成像系统，将分光瞳共焦显微成像系统与光声成像系统的结构与功能有机融合，利用分光瞳共焦显微成像系统探测生物样品的空间结构信息，利用光声显微成像系统探测生物样品的功能信息，继而实现生物样品空间结构信息和功能信息的同时探测，以期对生物活体进行原位、无创的实时成像。分光瞳共焦成像技术的采用使分光瞳共焦光声显微成像装置的轴向分辨力和工作距得以有效兼顾，可抑制高散射样品焦面杂散光对成像质量的干扰，系统信噪比高，便于分光瞳共焦-光声显微成像装置的集成化设计。
【IPC分类】G01N21-17, G01N21-01
【公开号】CN104677830
【申请号】CN201510097008
【发明人】赵维谦, 邱丽荣
【申请人】北京理工大学
【公开日】2015年6月3日
【申请日】2015年3月3日