大视场角多层共轭自适应光学聚焦和显微系统及方法与流程

本发明涉及基于自适应算法的光学显微成像领域，尤其是涉及一种大视场角多层共轭自适应光学聚焦和显微系统及方法。

背景技术：

在生物医学研究中，由生物组织样品折射率不均匀性引起的像差严重影响了生物样品的成像质量，并且随着可观测生物样品厚度的增加，理想的聚焦变得更加困难。将自适应光学技术应用于生物医学成像领域中，可利用可变形反射镜或空间光调制器，对畸变波前进行补偿和校正，从而实现在生物组织内部或者穿透生物组织的聚焦，得到衍射极限分辨率的图像。

在传统的自适应光学技术中，都采用单个波前校正器来校正单个引导星波前产生的畸变，波前校正器一般位于与显微物镜光瞳面共轭的位置，称之为光瞳型波前校正器(pupiladaptiveoptical,pao)。如图1所示为传统的聚焦显微结构，包括激光器16、准直扩束透镜17、准直扩束透镜18、空间光调制器19、聚焦透镜20、散射介质21、成像透镜22、工业相机23。这种自适应光学系统只能校正光学系统引入的相对恒定像差，而无论是生物组织还是大气湍流一般都是三维物体，不同位置产生的像差也是空间变化的，所以有效校正视场角很小。

技术实现要素：

为了克服上述问题，为了实现对空间变化的像差进行大视场角校正，本发明的目的在于提供了一种大视场角多层共轭自适应光学聚焦和显微系统，采用多层共轭自适应光学方式(multi-conjugateadaptiveoptical,mcao)在生物医学成像领域，使用多个导引星和多个波前校正器同时校正散射介质不同厚度处产生的像差，克服了传统自适应光学成像技术视场角小、非目标点校正误差大、校正速度慢的缺点，可以实现大视场范围内的多区域聚焦和高分辨成像。

本发明的目的是通过如下的技术方案实现的：

一、一种大视场角多层共轭自适应光学聚焦和显微系统：

从激光器发出的光经过扩束镜扩束后依次入射到三个空间光调制器上，空间光调制器调制后的光束聚焦到散射介质内部焦平面上，再经成像透镜通过工业相机或者光电倍增管探测成像；光束经其中两个空间光调制器校正散射介质造成的像差，光束经另一个空间光调制器校正光学系统引入的相对恒定像差。

所述的散射介质分为两层，进入散射介质的光束经过散射后聚焦在散射介质靠近成像侧的表面；所述的三个空间光调制器包括两个共轭型空间光调制器和一个光瞳型空间光调制器，两个共轭型空间光调制器分别共轭于两层散射介质，分别以校正两层散射介质层各自在最终成像面上造成的像差；一个光瞳型空间光调制器放置于两个共轭型空间光调制器和散射介质之间，并位于聚焦透镜靠近入射侧的焦平面处，以校正光学系统在最终成像面上造成的相对恒定像差。

所述的散射介质可采用离体生物组织、活体生物组织、含非荧光小球的琼脂，或毛玻璃等其中的一种。

所述系统具体包括沿同一光轴依次布置的激光器、扩束系统、第一汇聚透镜、第一共轭型空间光调制器、第一准直透镜、第二汇聚透镜、第二共轭型空间光调制器、第二准直透镜、光瞳型空间光调制器、聚焦透镜、第一散射介质、第二散射介质和聚焦成像系统；从激光器发出的光经过扩束系统平行扩束后入射到第一汇聚透镜，第一汇聚透镜的出射光经第一共轭型空间光调制器调制后入射到第一准直透镜，第一准直透镜出射平行光并入射到第二汇聚透镜汇聚，第二汇聚透镜出射光经第二共轭型空间光调制器调制后入射到第二准直透镜，第二准直透镜出射光经光瞳型空间光调制器调制后入射到聚焦透镜，第一散射介质和第二散射介质相叠后布置在聚焦透镜出射端前方，聚焦透镜出射光依次经第一散射介质和第二散射介质后被聚焦成像系统接收，聚焦透镜出射光聚焦到第二散射介质靠近聚焦成像系统侧的表面。

所述的两个共轭型空间光调制器需要通过4f系统进行耦合转接，两个共轭型空间光调制器分别共轭于两层散射介质。

所述的第二共轭型空间光调制器、第二准直透镜、聚焦透镜、第一散射介质构成了一套4f光学系统；所述的第一共轭型空间光调制器、第一准直透镜、第二汇聚透镜、第二准直透镜、聚焦透镜、第二散射介质构成了两套相串接的4f光学系统；所述的第一个共轭型空间光调制器共轭于第二层散射介质的中间平面处，用于校正第二层(深层)散射介质造成的像差；所述的第二个共轭型空间光调制器共轭于第一层散射介质的中间平面处，用于校正第一层(浅层)散射介质造成的像差。

具体来说是，第一共轭型空间光调制器依次经第一准直透镜、第二汇聚透镜后会成像到第二汇聚透镜前方的一个虚拟面处，第一共轭型空间光调制器、第一准直透镜、第二汇聚透镜和虚拟面构成了第一套4f光学系统，虚拟面依次经第二准直透镜、聚焦透镜后会成像到第二散射介质，虚拟面、第二准直透镜、聚焦透镜和第二散射介质构成了第二套4f光学系统。

所述的第一准直透镜焦点与第一汇聚透镜焦点重合，第二汇聚透镜焦点与第一准直透镜焦点重合，第二准直透镜焦点与第二汇聚透镜焦点重合，光瞳型空间光调制器置于聚焦透镜焦平面处，散射介质靠近聚焦成像系统一侧的表面位于聚焦透镜的焦平面处；第一共轭型空间光调制器和第一汇聚透镜之间沿光轴的距离等于第二层散射介质的中间平面和聚焦透镜之间沿光轴的距离，第二共轭型空间光调制器和第二汇聚透镜之间沿光轴的距离等于第一层散射介质的中间平面和聚焦透镜之间沿光轴的距离。

所述的扩束系统包括第一准直扩束透镜和第二准直扩束透镜，第一准直扩束透镜和第二准直扩束透镜依次布置在激光器发射端的前方，从激光器发出的光依次经过第一准直扩束透镜和第二准直扩束透镜平行扩束后入射到第一汇聚透镜。

所述的聚焦成像系统包括成像透镜和工业相机，从散射介质发出的光经成像透镜后被工业相机接收采集，使得散射介质聚焦的焦点光斑成像在工业相机上。

二、一种大视场角多层共轭自适应光学聚焦和显微方法，其特征在于：

1)使用三个空间光调制器对系统进行自适应校正；

2)用校正后的系统对进行光学聚焦和显微。

所述步骤1)具体为：

1.1)先对第一个共轭型空间光调制器和第二个共轭型空间光调制器作未调制处理，使用光瞳型空间光调制器对系统引入的相对恒定像差进行校正；

1.2)对第一个共轭型空间光调制器作未调制处理，对光瞳型空间光调制器采用步骤1.1)的校正结果进行调制处理，然后使用第二个共轭型空间光调制器对第一层(浅层)散射介质造成的像差进行校正，

1.3)对光瞳型空间光调制器采用步骤1.1)的校正结果进行调制处理，对第二个共轭型空间光调制器采用步骤1.2)的校正结果进行调制处理，最后使用第一个共轭型空间光调制器对第二层(深层)散射介质造成的像差进行校正。

所述步骤1.2)和1.3)均采用构建引导星的方式进行校正：

a)在空间光调制器的像面中心建立一个中心引导星，接着在中心引导星分别和四角之间的四条对角连线段的中点均建立一个角引导星，从而构建五个引导星

b)在系统的光路中加入x轴、y轴振镜进行扫描后，分别在五个引导星处进行聚焦，对于每个引导星采用相干光学自适应矫正算法获得矫正相位，以矫正相位加载到空间光调制器上获得在散射介质内的中间平面上的光强分布，根据光强分布获得五个引导星各自周围光强大于校正光强阈值的像面区域；

c)将五个像面区域的矫正相位拼合在一起，并且中心引导星和角引导星的像面区域之间的重叠区域的校正相位选取中心引导星的像面区域的校正相位。

d)空间光调制器工作时在每个像面区域加载各自的校正相位来进行后续成像，其余区域加载相位为0。

由此对于第二个共轭型空间光调制器和第一个共轭型空间光调制器，本发明使用多个引导星依次校正了散射介质不同层由于折射率分布不均匀造成的像差，提高了校正精度和有效视场角。

本发明具有的有益效果是：

本发明在校正时将三维散射介质分为多层结构，同时使用了多个引导星，可以对散射介质由于折射率不均匀造成的像差进行分层补偿，相较于传统自适应光学成像技术可以实现大视场内更高精度的校正，从而提高聚焦和成像质量。

本发明使用多个空间光调制器，分别共轭于多层散射介质不同厚度处，在光束扫描过程中空间光调制器与相应样品层的相对位置不会发生变化，从而可以校正在介质不同位置造成的像差，克服了传统自适应光学成像技术视场角小、非目标点校正误差大的缺点，可以实现大视场角多区域聚焦和高分辨成像。

同时本发明可以很方便地与现有的各种生物医学成像技术相结合，提高现有成像技术的聚焦和成像质量，为开展行为学或神经环路等研究提供更加优良的实验基础。

附图说明

图1为传统的自适应光学系统(光瞳型波前矫正)结构示意图。

图2为本发明系统(共轭型波前矫正)结构示意图。

图3为图2装置的虚线框部分的放大图。

图4为本发明实施例的引导星在像面的分布图。

图5为理想艾里斑的x轴及y轴光强分布。

图6为聚焦在主对角线(如图4)的光斑的x轴和y轴的半高全宽。

图7为聚焦在副对角线(如图4)的光斑的x轴和y轴的半高全宽。

图中：激光器1、第一准直扩束透镜2、第二准直扩束透镜3、第一汇聚透镜4、第一共轭型空间光调制器5、第一准直透镜6、第二汇聚透镜7、第二共轭型空间光调制器8、第二准直透镜9、光瞳型空间光调制器10、聚焦透镜11、第一层散射介质12、第二层散射介质13、成像透镜14、工业相机15；激光器16、准直扩束透镜17、准直扩束透镜18、空间光调制器19、聚焦透镜20、散射介质21、成像透镜22、工业相机23。

具体实施方式

下面结合实施例和附图来详细说明本发明，但本发明并不仅限于此。

如图2所示，本发明具体包括沿同一光轴依次布置的激光器1、第一准直扩束透镜2、第二准直扩束透镜3、第一汇聚透镜4、第一共轭型空间光调制器5、第一准直透镜6、第二汇聚透镜7、第二共轭型空间光调制器8、第二准直透镜9、光瞳型空间光调制器10、聚焦透镜11、第一散射介质12、第二散射介质13和聚焦成像系统。从激光器1发出的光经过第一准直扩束透镜2、第二准直扩束透镜3平行扩束后入射到第一汇聚透镜4，第一汇聚透镜4的出射光经第一共轭型空间光调制器5调制后入射到第一准直透镜6，第一准直透镜6出射平行光并入射到第二汇聚透镜7汇聚，第二汇聚透镜7出射光经第二共轭型空间光调制器8调制后入射到第二准直透镜9，第二准直透镜9出射光经光瞳型空间光调制器10调制后入射到聚焦透镜11，第一散射介质12和第二散射介质13相叠后布置在聚焦透镜11出射端前方，聚焦透镜11出射光依次经第一散射介质12和第二散射介质13后被聚焦成像系统接收，聚焦透镜11出射光聚焦到第二散射介质13靠近聚焦成像系统侧的表面，如图3所示。

具体来说是：第一准直扩束透镜2和第二准直扩束透镜3依次布置在激光器1发射端的前方，从激光器1发出的光依次经过第一准直扩束透镜2和第二准直扩束透镜3平行扩束后入射到第一汇聚透镜4。

第一准直扩束透镜2、第二准直扩束透镜3位于激光器1发射端的前方，第一汇聚透镜4前方置有第一共轭型空间光调制器5，第一共轭型空间光调制器5前方置有第一准直透镜6，第一准直透镜6前方置有第二汇聚透镜7，第二汇聚透镜7的前方安置有第二共轭型空间光调制器8，第二共轭型空间光调制器8前方安置有第二准直透镜9，从第二准直透镜9前方安置有光瞳型空间光调制器10，光瞳型空间光调制器10前方安置有聚焦透镜11；聚焦透镜11前方安置有第一层散射介质12和第二层散射介质13，两层散射介质相互接触，第二层散射介质13前方安置有成像透镜14，成像透镜14前方安置有工业相机15。

光束是从激光器1发出，光束经过第一准直扩束透镜2、第二准直扩束透镜3平行扩束后入射到第一汇聚透镜4，第一汇聚透镜4的出射光入射到第一共轭型空间光调制器5，第一共轭型空间光调制器5出射光入射到第一准直透镜6，从第一准直透镜6出射的平行光入射到第二汇聚透镜7，第二汇聚透镜7的出射光入射到第二共轭型空间光调制器8，第二共轭型空间光调制器8出射光入射到第二准直透镜9，第二准直透镜9出射光入射到光瞳型空间光调制器10，光瞳型空间光调制器10出射光入射到聚焦透镜11，从聚焦透镜11发出的光入射到第一层散射介质12和第二层散射介质13，从第一层散射介质12和第二层散射介质13发出的光被成像透镜14收集起来，第二层散射介质13后表面处的焦点光斑经成像透镜14成像在工业相机15上。

所有光学元件都与激光光束共轴。

第一准直透镜6焦点与第一汇聚透镜4焦点重合，第二汇聚透镜7焦点与第一准直透镜6焦点重合，第二准直透镜9焦点与第二汇聚透镜7焦点重合，光瞳型空间光调制器10置于聚焦透镜11焦平面处，散射介质13靠近聚焦成像系统一侧的表面位于聚焦透镜11的焦平面处；第一共轭型空间光调制器5和第一汇聚透镜4之间沿光轴的距离等于第二层散射介质13的中间平面和聚焦透镜11之间沿光轴的距离，第二共轭型空间光调制器8和第二汇聚透镜7之间沿光轴的距离等于第一层散射介质12的中间平面和聚焦透镜11之间沿光轴的距离。

具体的算法结合相干光学自适应矫正算法和多个引导星确定校正相位的算法。

本发明工作工程如下：

从激光器1发出的激光经过扩束系统扩束后依次入射到三个空间光调制器上，其中两个共轭型空间光调制器5和8分别共轭于散射介质12和13的不同厚度处，用于校正相应散射介质层造成的像差；第三个光瞳型空间光调制器10位于聚焦透镜11后瞳面处，用于校正系统光学系统引入的相对恒定像差。三个空间光调制器调制后的光束经过聚焦透镜11聚焦到散射介质内部焦平面上，再被成像透镜14成像在工业相机15上。

校正时，先使用光瞳型空间光调制器10对系统光学系统引入的相对恒定像差进行校正，在第二准直透镜3和第一汇聚透镜4加入x轴、y轴振镜扫描后，先后确定如图4的五个引导星(空间光调制器共有64x64个像素，划分区域8x8个区域)，然后分别使用第二个共轭型空间光调制器8对第一层散射介质12造成的像差适用相干光学自适应矫正算法进行校正，最后使用第一个共轭型空间光调制器5对第二层散射介质13造成的像差使用相干光学自适应矫正算法进行校正。

具体对于第二个共轭型空间光调制器8和第一个共轭型空间光调制器5获得校正相位：

a)如图4，在空间光调制器的像面中心建立一个中心引导星，接着在中心引导星分别和四角之间的四条对角连线段的中点均建立一个角引导星，从而构建五个引导星

b)在系统的光路中加入x轴、y轴振镜进行扫描后，分别在五个引导星处进行聚焦，获得五个引导星各自周围光强大于校正光强阈值的像面区域，像面区域如图4中的引导星周围的椭圆，对于每个像面区域采用相干光学自适应矫正算法获得区域的校正相位，

c)空间光调制器在每个像面区域加载各自的校正相位进行后续成像，并且中心引导星和角引导星的像面区域之间的重叠区域的校正相位选取中心引导星的像面区域的校正相位。

具体仿真模拟中，激光光源的中心波长为510nm，透镜的焦距都为10mm，透镜的孔径直径为3mm，光束直径为0.1875mm(3/16mm)，空间光调制器共有64x64个像素。未经过散射介质的理想艾里斑的x轴和y轴半高全宽都为28.007μm，如图5所示。

为了对比多层共轭自适应矫正技术与共轭型自适应矫正技术，比较图1所示的只有一个空间光调制器的光学系统和本发明具有三个特殊空间光调制器的光学系统，使用x轴、y轴扫描振镜扫描整个像面分别聚焦在不同位置，确定聚焦在不同位置处时的半高全宽，并取两条对角线(如图4)分别绘制两条曲线，得到结果图6和图7。实线是使用传统光瞳型自适应光学(pao)系统(图1)矫正像差后的半高全宽分布，虚线是使用本发明多层共轭型自适应光学(mcao)系统(图2)矫正像差后的半高全宽分布。图中可见，在两个扫描方向上，对于本发明的系统x轴和y轴半高全宽分布较传统系统都更平均，且平均半高全宽大幅减小，即x轴，y轴分辨率大幅提升。图5的理想艾里斑的x轴、y轴半高全宽为28.009um.，若规定半高全宽小于30um为有效视场。则对于传统自适应光学系统，有效视场直径约为42个像素；对于本发明使用的光学系统，有效视场直径约为64个像素。本发明的大视场理论上能与空间光调制器的尺寸相同，本实施例的大视场达到了直径为0.1875mm，较传统方法的视场直径为0.1230um，提升了52.3％。由此可以证明多层共轭技术实现了相对较大视场内良好的聚焦效果。

由此可见本发明使用多个导引星和多个波前校正器同时校正生物样品不同厚度处产生的像差，克服了传统自适应光学成像技术视场角小、非目标点校正误差大、校正速度慢的缺点，实现了大视场角多层共轭自适应光学校正以及高质量聚焦和高分辨显微成像。