本实用新型涉及一种非线性光学柔性内窥成像设备，特别是采用多片微型中继透镜实现的小直径柔性成像光路，该光路的远端具有微型复消色差物镜，能够将外部二维扫描的多种波长超快激光脉冲通过远端可以以小弯曲半径弯曲的商用内窥镜的仪器通道聚焦至人体内部器官，从而激发出具有诊断意义的各种非线性光学信号，并通过光纤将各种非线性光学信号传输至体外非线性光学检测设备。本实用新型可用于临床实现早期癌症的无创检测。
背景技术：
实现采用超短脉冲激光为激发光源，通过商用电子胃镜的仪器通道进入人体消化道进行非线性光学成像的扫描成像系统是非常困难的。首先非线性光学扫描内窥成像系统的一般性技术难点在于：1. 作为激发光的超短激光脉冲如何完整地，不展宽地被传输进去：常见的非线性光学效应包括双/三光子激发荧光（Two/Third-photon Excited Fluorescence, TPEF/Third PEF），双光子激发自发荧光（Two-photon Excited Autofluorescence,TPEAF），二/三次谐波发生（Second/Third Harmonic Generation,SHG/THG），相干反斯托克斯拉曼散射(Coherent Anti-Strokes Raman Scattering, CARS)等。这些非线性光学效应中除了需要荧光染料标记的双/三光子激发荧光不适用于人体，其他都适用于无标记（Label free）活体检测。这些非线性光学效应通常采用飞秒激光（双/三光子激发荧光，双光子激发自发荧光，二/三次谐波发生）或皮秒激光（相干反斯托克斯拉曼散射）作为激发光源。光源发出的超短激光脉冲在普通光纤和透镜等光学元件中传输主要受到自相位调制（Self Phase Modulation, SPM）和群速度延迟(Group Velocity Delay, GVD)这两种效应影响而展宽。首先考虑具有易弯曲等优点的光纤：光子晶体空心光纤能够低损耗不展宽地传输超短激光脉冲，因此已被应用于非线性光学扫描内窥成像系统；成像光纤束由数千至数万根单模光纤组成，由于每根单模光纤的直径仅为数微米，脉宽100fs 能量10nJ的激光脉冲在单模光纤中经过1cm的长度由于自相位调制效应就被展宽到1-10ps，峰值能量大大降低。能量越强，自相位调制效应越明显，且很难补偿。展宽后的激光脉冲继续在光线中传播会以群速度延迟效应带来的展宽为主，而这种展宽是可以被补偿的。展宽的激光脉冲会使非线性效应的激发效率大大降低。因此成像光纤束已被用于共聚焦内窥成像，而无法用于非线性光学成像。其次，到目前为止，无任何研究采用透镜实现超短激光脉冲在弯曲狭窄的电子胃镜的仪器通道内完整地，不展宽地（或展宽可补偿）传输。这是本实用新型的创新点之一。2. 如何以形成二维图像：非线性光学成像需要采用内部扫描或外部扫描来形成二维图像，而不能采用全场成像的方法。内部扫描是在内窥镜的远端采用压电微驱动器驱动单根光纤振动进行二维扫描或采用微机电系统微驱动器实现二维扫描。内部扫描的好处是可采用单根光子晶体光纤传输超短激光脉冲，缺点是无论是采用压电微驱动器还是微机电系统微驱动器，组装好的内窥镜的体积过大，特别是远端刚性部分过长，无法通过人体消化道的生理弯曲部以及商用电子胃镜的可弯曲部分。外部扫描是由外部的扫描器件负责将超短激光脉冲耦合入成像光纤束等二维传光元件，从而将激发光从远端传输到样品，再将样品的图像传递回远端。外部扫描的优点是方便与商用显微镜配合，无需另外搭建成像系统。其缺点是成像光纤束对超短激光脉冲严重展宽，无法用于非线性光学成像。本实用新型采用了外部扫描与透镜中继相结合。3. 样品内发射的各种非线性光学信号如何被高效率地收集：双光子激发自发荧光的激发波长是800nm左右，发射波长是516nm左右。二次谐波发生的激发波长是800nm左右，发射波长是400nm左右。三次谐波发生的激发波长是1200nm至1550nm左右，发射波长是400nm至500nm左右。相干反斯托克斯拉曼散射是四光子参与的三阶非线性效应，需要泵浦光波长为817nm，用光学参量放大器产生的斯托克斯光的波长为1064nm，反斯托克斯光的波长为663nm。可见，在非线性光学成像中，激发光波长与非线性效应波长相差很大，这为高信噪比检测带来了方便，但是对光学系统的设计提出很高的要求，因为会产生明显的色差，导致光学系统检测效率和成像质量大大降低。因此检测单一非线性效应的光学系统必须是消色差的，而检测多种非线性效应的光学系统必须是复消色差的，而且受限于内窥应用，对光学系统的直径和长度有很大限制，设计，加工和组装难度很高。本实用新型采用了多片微型透镜中继成像。单片微型透镜具有直径小，外形易加工等优点，但是色差较大，数值孔径较低。因此本项目采用了微型透镜只中继传输超快激光脉冲，不传输非线性光学信号，并采用了消色差设计，实现了光学系统的简化。
综上所述，目前存在的内窥扫描成像系统，主要有两类：一类是采用压电微驱动器或微机电系统微驱动器进行内部扫描的非线性光学内窥镜，主要实现前向扫描成像，但是远端刚性部分太长，无法进入人的消化道。另一类是采用成像光纤束进行外部扫描的共聚焦内窥镜，能进入人的消化道，但是由于成像光纤束对超短脉冲激光展宽严重，无法激发非线性效应。
本实用新型提出了具有小直径柔性成像传输光路的多模式非线性光学扫描内窥成像系用，能够与电子胃镜相结合实现早期胃癌的无创活检。
技术实现要素：
本实用新型涉及一种非线性光学柔性内窥成像设备，特别是采用多片微型中继透镜实现的小直径柔性成像光路，该光路的远端具有微型复消色差物镜，能够将外部二维扫描的多种波长超快激光脉冲通过远端可以以小弯曲半径弯曲的商用内窥镜的仪器通道聚焦至人体内部器官，从而激发出具有诊断意义的各种非线性光学信号，并通过光纤将各种非线性光学信号传输至体外非线性光学检测设备。本实用新型可用于临床实现早期癌症的无创检测。
为实现上述目的，本实用新型采用技术方案是：它包括一组耦合透镜，多组中继透镜，一片二向色镜，一片反射镜，一组光纤耦合透镜，一组物镜和一根光纤。耦合透镜的输入端与外部二维扫描器及其附属透镜等元件相连；耦合透镜的输出端与第一组中继透镜的输入端相连；第一组中继透镜的输出端与第二组中继透镜的输入端相连；以此类推，第N-1组中继透镜的输出端与第N组中继透镜的输入端相连；第N组中继透镜的输出端与二向色镜的输入端相连；二向色镜的一个输出端与物镜的输入端相连；物镜的输出端与外部样品相连；二向色镜的另一个输出端与反射镜的输入端相连；反射镜的输出端与光纤耦合透镜的输入端相连；光纤耦合透镜的输出端与光纤的输入端相连；光纤的输出端与外部光电检测器及其附属透镜，二向色镜，滤光片等元件相连；外部二维扫描器及其附属透镜等元件将二维扫描的超快激光通过耦合透镜导入第一组中继透镜，第一组中继透镜将二维扫描平面成像在第一组中继透镜和第二组中继透镜之间的空气间隙中，第二组中继透镜将二维扫描平面继续成像在第二组中继透镜和第三组中继透镜之间的空气间隙中，以此类推，第N组中继透镜将二维扫描平面继续成像在第N组中继透镜和二向色镜之间的空气间隙中, 超快激光通过二向色镜并由物镜扫描聚焦在外部样品中，在焦点处激发出的非线性光学信号由物镜收集，经过二向色镜反射90度后，再由反射镜反射90度，由光纤耦合透镜耦合入光纤并最终传输至外部光电检测器及其附属透镜，二向色镜，滤光片等元件。
所述的耦合透镜为消色差设计，设计波长为600nm至1700nm之间的任意2个波长，通常为817nm和1064nm，但不限于这两个波长，材料为光学玻璃或高分子聚合物，表面有增强透射率的光学镀膜，用于将外部二维扫描器及其附属透镜等元件的二维扫描的超快激光导入多组中继透镜；
所述的中继透镜为消色差设计，设计波长为600nm至1700nm之间的任意2个波长，通常为817nm和1064nm，但不限于这两个波长，材料为光学玻璃或高分子聚合物，表面有增强透射率的光学镀膜，用于超快激光的二维扫描平面进行中继成像，多组中继透镜之间具有空气间隙，超快激光的二维扫描平面被聚焦在空气间隙中，相邻两组中继透镜通过可转动的机械结构相连接；
所述的二向色镜为立方体结构，材料为光学玻璃或高分子聚合物，表面有增强透射率的光学镀膜，内部具有与入射光轴呈45度夹角的光学薄膜，用于透射近红外波段（700nm-1300nm）的超快激光并反射可见光波段（350nm-700nm）的非线性光学信号；
所述的物镜为消色差设计，设计波长为600nm至1700nm之间的任意2个波长，通常为817nm和1064nm，但不限于这两个波长，材料为光学玻璃或高分子聚合物，表面有增强透射率的光学镀膜，用于将入射的超快激光聚焦在外部样品中，激发出非线性光学信号，并以落射式检测的方式收集非线性光学信号；
所述的反射镜的材料为光学玻璃或高分子聚合物，表面有增强反射率的光学镀膜，设计波长为350nm至700nm，用于将可见光波段的非线性光学信号反射90度；
所述的光纤耦合透镜为消色差设计，设计波长为350nm至700nm之间的任意2个波长，通常为400nm和633nm，但不限于这两个波长，材料为光学玻璃或高分子聚合物，表面有增强透射率的光学镀膜，用于将可见光波段的非线性光学信号聚焦并耦合入光纤；
所述的光纤为多模光纤，传输波长为350nm至700nm。
本实用新型的工作原理是这样的：为了实现TPEAF，SHG和CARS的检测，外部超快激光光源需要提供817nm的飞秒激光以及1064nm的皮秒激光。二者精确同轴共线，其中817nm飞秒激光用于TPEAF，SHG的激发光，产生500nm的TPEAF和400nm的SHG信号，也用作CARS的泵浦光，产生633nm的CARS信号；1064nm的皮秒激光用作CARS的斯托克斯光。包含817nm的飞秒激光以及1064nm的皮秒激光的超快激光脉冲（以下简称超快激光脉冲）经过外部二维扫描器进行二维扫描，之后通过扫描透镜，套筒透镜和显微镜物镜等一系列扫描光路，在经过耦合物镜进入本实用新型。耦合物镜为针对817nm和1064nm波长的消色差设计。多组中继透镜为针对817nm和1064nm波长的消色差设计，用于超快激光的二维扫描平面进行中继成像，多组中继透镜之间具有空气间隙，超快激光的二维扫描平面被聚焦在空气间隙中，避免了无法补偿的自相位调制效应带来的超快激光脉冲展宽，而由激发光路中介质带来的群延迟色散可由外部脉宽压缩器对超快激光脉冲进行预压缩来补偿。相邻两组中继透镜通过可转动的机械结构相连接，从而实现了二维扫描超快激光的弯曲传输。第N组中继透镜将二维扫描平面继续成像在第N组中继透镜和二向色镜之间的空气间隙中, 超快激光通过二向色镜（透射700nm-1300nm；反射350nm-700nm）并由物镜扫描聚焦在外部样品中，在焦点处激发出的TPEAF,SHG,CARS非线性光学信号再由物镜收集。物镜为针对817nm和1064nm波长的消色差设计，这意味着物镜对于400nm的SHG,500nm的TPEAF和633nm的CARS信号会有较大的色差，而这部分色差将会由光纤耦合透镜进行部分补偿。非线性光学信号经过二向色镜反射90度后，再由反射镜反射90度，由光纤耦合透镜耦合入光纤并最终传输至外部光电检测器及其附属透镜，二向色镜，滤光片等元件。光纤耦合透镜为针对400nm和633nm波长的消色差设计，虽然对于500nm波长有一定的色差，但是由于波长相距较近，应该影响不大。本实用新型实现了激发光路与收集光路的分离设计，避免了体积大，结构复杂的多波长复消色差透镜设计，而在激发光路针对817nm和1064nm，在收集光路针对400nm和633nm采用体积小，结构简单的消色差透镜设计。光纤为大直径多模光纤。外部光电检测器为多个光电倍增管或雪崩二极管。非线性光学信号通过多片外部二向色镜将不同波长的信号分离出来由不同的光电倍增管或雪崩二极管进行检测。
本实用新型由于采用了上述技术方案，具有如下优点：
1、采用通过可转动的机械结构连接的多组中继透镜实现了二维扫描超快激光的弯曲传输；
2、激发光路与收集光路的分离设计避免了体积大，结构复杂的多波长复消色差透镜设计，而在激发光路针对817nm和1064nm，在收集光路针对400nm和633nm采用体积小，结构简单的消色差透镜设计；
3、通过将二维扫描平面的焦点置于多组中继透镜之间的空气间隙中，避免了无法补偿的自相位调制效应带来的超快激光脉冲展宽；而由激发光路中介质带来的群延迟色散可由外部脉宽压缩器对超快激光脉冲进行预压缩来补偿；
4、结构简单，体积小，成本低，能与商用胃镜结合使用，能够对TPEAF，SHG，CARS等多种非线性信号进行同时检测，实现了实现活体，原位的功能性成像，有望实现早期癌症的检测。
附图说明
图1为本实用新型的结构框图；
图2为本实用新型的与外部光学成像设备的连接示意图；
图3为多组中继透镜弯曲光轴的几何光学仿真结果。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明：如图1-3所示，它包括一组耦合透镜1，多组中继透镜2，一片二向色镜3，一片反射镜5，一组光纤耦合透镜6，一组物镜4和一根光纤7。耦合透镜1的输入端与外部二维扫描器及其附属透镜等元件相连；耦合透镜1的输出端与第一组中继透镜2.1的输入端相连；第一组中继透镜2.1的输出端与第二组中继透镜2.2的输入端相连；以此类推，第N-1组中继透镜2.N-1的输出端与第N组中继透镜2.N的输入端相连；第N组中继透镜2.N的输出端与二向色镜3的输入端相连；二向色镜3的一个输出端与物镜4的输入端相连；物镜4的输出端与外部样品相连；二向色镜3的另一个输出端与反射镜5的输入端相连；反射镜5的输出端与光纤耦合透镜6的输入端相连；光纤耦合透镜6的输出端与光纤7的输入端相连；光纤7的输出端与外部光电检测器及其附属透镜，二向色镜，滤光片等元件相连；外部二维扫描器及其附属透镜等元件将二维扫描的超快激光通过耦合透镜1入第一组中继透镜2.1，第一组中继透镜2.1将二维扫描平面成像在第一组中继透镜2.1和第二组中继透镜2.2之间的空气间隙中，第二组中继透镜2.2将二维扫描平面继续成像在第二组中继透镜2.2和第三组中继透镜2.3之间的空气间隙中，以此类推，第N组中继透镜2.N将二维扫描平面继续成像在第N组中继透镜2.N和二向色镜3之间的空气间隙中, 超快激光通过二向色镜3并由物镜4扫描聚焦在外部样品中，在焦点处激发出的非线性光学信号由物镜4收集，经过二向色镜3反射90度后，再由反射镜5反射90度，由光纤耦合透镜6耦合入光纤7并最终传输至外部光电检测器及其附属透镜，二向色镜，滤光片等元件。
所述的耦合透镜1为消色差设计，设计波长为600nm至1700nm之间的任意2个波长，通常为817nm和1064nm，但不限于这两个波长，材料为光学玻璃或高分子聚合物，表面有增强透射率的光学镀膜，用于将外部二维扫描器及其附属透镜等元件的二维扫描的超快激光导入多组中继透镜2；
所述的中继透镜2为消色差设计，设计波长为600nm至1700nm之间的任意2个波长，通常为817nm和1064nm，但不限于这两个波长，材料为光学玻璃或高分子聚合物，表面有增强透射率的光学镀膜，用于超快激光的二维扫描平面进行中继成像，多组中继透镜2之间具有空气间隙，超快激光的二维扫描平面被聚焦在空气间隙中，相邻两组中继透镜2通过可转动的机械结构相连接；
所述的二向色镜3为立方体结构，材料为光学玻璃或高分子聚合物，表面有增强透射率的光学镀膜，内部具有与入射光轴呈45度夹角的光学薄膜，用于透射600nm-1700nm的超快激光并反射可见光波段（350nm-700nm）的非线性光学信号；
所述的物镜4为消色差设计，设计波长为600nm至1700nm之间的任意2个波长，通常为817nm和1064nm，但不限于这两个波长，材料为光学玻璃或高分子聚合物，表面有增强透射率的光学镀膜，用于将入射的超快激光聚焦在外部样品中，激发出非线性光学信号，并以落射式检测的方式收集非线性光学信号；
所述的反射镜5的材料为光学玻璃或高分子聚合物，表面有增强反射率的光学镀膜，设计波长为350nm至700nm，用于将可见光波段的非线性光学信号反射90度；
所述的光纤耦合透镜6为消色差设计，设计波长为350nm至700nm之间的任意2个波长，通常为400nm和633nm，但不限于这两个波长，材料为光学玻璃或高分子聚合物，表面有增强透射率的光学镀膜，用于将可见光波段的非线性光学信号聚焦并耦合入光纤7；
所述的光纤7多模光纤，传输波长为350nm至700nm。
本实用新型的工作原理是这样的：以实现TPEAF，SHG和CARS的检测为例说明，外部超快激光光源需要提供817nm的飞秒激光以及1064nm的皮秒激光。二者精确同轴共线，其中817nm飞秒激光用于TPEAF，SHG的激发光，产生500nm的TPEAF和400nm的SHG信号，也用作CARS的泵浦光，产生633nm的CARS信号；1064nm的皮秒激光用作CARS的斯托克斯光。包含817nm的飞秒激光以及1064nm的皮秒激光的超快激光脉冲（以下简称超快激光脉冲）经过外部二维扫描器进行二维扫描，之后通过扫描透镜，套筒透镜和显微镜物镜等一系列扫描光路，在经过耦合物镜1进入本实用新型。耦合物镜1为针对817nm和1064nm波长的消色差设计。多组中继透镜2为针对817nm和1064nm波长的消色差设计，用于超快激光的二维扫描平面进行中继成像，多组中继透镜2之间具有空气间隙，超快激光的二维扫描平面被聚焦在空气间隙中，避免了无法补偿的自相位调制效应带来的超快激光脉冲展宽，而由激发光路中介质带来的群延迟色散可由外部脉宽压缩器对超快激光脉冲进行预压缩来补偿。相邻两组中继透镜2通过可转动的机械结构相连接，从而实现了二维扫描超快激光的弯曲传输。第N组中继透镜2.N将二维扫描平面继续成像在第N组中继透镜2.N和二向色镜3之间的空气间隙中, 超快激光通过二向色镜3（透射600nm-1700nm；反射350nm-700nm）并由物镜4扫描聚焦在外部样品中，在焦点处激发出的TPEAF,SHG,CARS非线性光学信号再由物镜4收集。物镜4为针对817nm和1064nm波长的消色差设计，这意味着物镜4对于400nm的SHG,500nm的TPEAF和633nm的CARS信号会有较大的色差，而这部分色差将会由光纤耦合透镜6进行部分补偿。非线性光学信号经过二向色镜3反射90度后，再由反射镜5反射90度，由光纤耦合透镜6耦合入光纤7并最终传输至外部光电检测器及其附属透镜，二向色镜，滤光片等元件。光纤耦合透镜6为针对400nm和633nm波长的消色差设计，虽然对于500nm波长有一定的色差，但是由于波长相距较近，应该影响不大。本实用新型实现了激发光路与收集光路的分离设计，避免了体积大，结构复杂的多波长复消色差透镜设计，而在激发光路针对817nm和1064nm，在收集光路针对400nm和633nm采用体积小，结构简单的消色差透镜设计。光纤为大直径多模光纤。外部光电检测器为多个光电倍增管或雪崩二极管。非线性光学信号通过多片外部二向色镜将不同波长的信号分离出来由不同的光电倍增管或雪崩二极管进行检测。