一种自适应光学传像用柔性光路的制作方法

本实用新型涉及一种自适应光学传像用柔性光路，特别是多片透镜组通过机械万向节相连以实现多自由度转动而形成的可弯曲传像光路，并由光路中的波前传感器和可变形反射镜实时矫正像差，可代替传像光纤束用于弯曲管道内图像的无失真高分辨率传输。

背景技术：

为了在弯曲管状结构内实现图像的无失真传输，通常的方法是采用传像光纤束。传像光纤束与照明光纤束均由多达数千至数万根光纤组成。传像光纤束两端的光纤排列完全相同，其中每根光纤在两端的位置一一对应，使传像光纤束一侧的图像能够完整不失真地传输到传像光纤束的另一侧；而照明光纤束两端的光纤排列完全不同，照明光纤束一侧的图像传输到传像光纤束的另一侧时已经完全打乱，因此照明光纤束只能用于照明。

的优点是直径小，具有一定可弯曲性（对于两端和中间都粘合的传像光纤束取决于单根光纤的直径，数量等参数；对于两端粘合，中间散开不粘合的传像光纤束则不存在此问题）等优点。但是传像光纤束也存在很多缺点：1.加工工艺复杂，成本较高；2.存在一定断丝率，长期使用影响成像品质；3.无法高质量传输超快激光脉冲，导致无法被用于非线性光学成像。因为激发光源发出的超快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和群速度延迟这两种效应影响而展宽。传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纤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。因此传像光纤束虽然已被用于单光子荧光激发的共聚焦内窥成像，而却无法用于非线性光学成像。4.成像分辨率低：采用传像光纤束的光学成像系统的分辨率=（传像光纤束中相邻两根单模光纤中心的间距）*物镜的数值孔径/传像光纤束的数值孔径，常见的传像光纤束中相邻两根单模光纤中心的间距最小在3um左右，传像光纤束的数值孔径约为0.5左右，而受传像光纤束的应用的局限性，物镜往往无法使用台式显微镜的标准高数值孔径物镜，只能使用小直径的微型物镜，其数值孔径最高为0.5-0.8左右，因此采用传像光纤束的光学成像系统的分辨率通常为2-3um，个别最小为1.0um；5.成像为网格状，需要后期图像处理，成像质量低，相邻光纤之间存在信号串扰，相邻光纤之间材料易被激发产生荧光噪声等。

为了解决传像光纤束存在的上述问题，可采用多片透镜组通过机械万向节相连以实现多自由度转动而形成的可弯曲传像光路，可代替传像光纤束用于弯曲管道内图像的无失真高分辨率传输。由于多片透镜组会产生像差的累积，如果每片透镜组都尽采用复杂的光学结构进行像差的矫正，会使可弯曲传像光路的体积，成本和加工难度大大增加。因此，本实用新型通过增加光路中的波前传感器和可变形反射镜实时矫正像差，可以大大简化每片透镜组的结构，使可弯曲传像光路的体积，成本和加工难度大大降低。

技术实现要素：

本实用新型涉及一种自适应光学传像用柔性光路，特别是多片透镜组通过机械万向节相连以实现多自由度转动而形成的可弯曲传像光路，并由光路中的波前传感器和可变形反射镜实时矫正像差，可代替传像光纤束用于弯曲管道内图像的无失真高分辨率传输。

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，一组物镜，多组机械万向节，一组分束镜，一组微透镜阵列，一组传像光纤束，一组二维光电检测器，一组可变形反射镜和一组二向色镜。可变形反射镜的一个输入端与外部激发光源，外部二维扫描器及其附属透镜相连；可变形反射镜的另一个输入端与外部控制计算机相连；可变形反射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外部光电检测器相连；二向色镜的另一输出端与耦合透镜的输入端相连；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一组机械万向节的输入端相连；第一组机械万向节的输出端与第二组中继透镜的输入端相连；以此类推，第N组中继透镜的输出端与第N组机械万向节的输入端相连；第N组机械万向节的输出端与分束镜的输入端相连；分束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；分束镜的另一个输出端与微透镜阵列的输入端相连；微透镜阵列的输出端与传像光纤束的输入端相连；传像光纤束的输出端与二维光电检测器的输入端相连；二维光电检测器的输出端与外部控制计算机相连；外部激发光源，外部二维扫描器及其附属透镜等元件将二维扫描超快激光照射在可变形反射镜的反射面，再由二向色镜导入耦合透镜和第一组中继透镜，第一组中继透镜将二维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组中继透镜将二维平面继续成像在第N组中继透镜和分束镜之间的空气间隙中, 二维扫描超快激光通过分束镜分为两束，其中一束经过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并成像在物镜和第N组中继透镜之间的空气间隙中，第N组中继透镜将二维平面继续成像在第N组中继透镜和第N-1组中继透镜之间的空气间隙中，以此类推，第二组中继透镜将二维平面继续成像在第二组中继透镜和第一组中继透镜之间的空气间隙中；第一组中继透镜将二维平面继续成像在第一组中继透镜外的空气间隙中，通过二向色镜由外部光电检测器转换为电信号；另一束经过微透镜阵列导入传像光纤束，并传输至二维光电检测器， 二维光电检测器将光信号转变为电信号传输至外部控制计算机，外部控制计算机根据计算结果控制可变形反射镜进行形变，从而补偿像差。

所述的耦合透镜为消色差设计，设计波长为100nm至2000nm之间的任意3个波长，材料为光学玻璃或高分子聚合物或以上两者的复合，表面有增强透射率的光学镀膜，用于将外部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100nm至2000nm之间的任意3个波长，材料为光学玻璃或高分子聚合物或以上两者的复合，表面有增强透射率的光学镀膜，用于超快激光的二维平面进行中继成像，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万向节相连接。

所述的物镜为消色差设计，设计波长为100nm至2000nm之间的任意3个波长，材料为光学玻璃或高分子聚合物或以上两者的复合，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。

所述的机械万向节用于将相邻两片透镜的XYZ三个平动自由度限制，使相邻两片透镜只能以穿过各自的焦平面与各自光轴的交点的某一旋转轴在三维空间做自由旋转运动，该机械万向节的中部为空心结构，不阻挡相邻两片透镜之间的二维平面，该机械万向节简化后则成为铰链，使相邻两片透镜只能以穿过各自的焦平面与各自光轴的交点的旋转轴在二维平面做自由旋转运动，该机械万向节为金属或高分子聚合物或碳纤维或以上材料的复合。

所述的分束镜用于将入射的超快激光分成两束，其中一束通过其中一束经过物镜扫描聚焦在外部样品中，另一束经过微透镜阵列导入传像光纤束，并传输至二维光电检测器，材料为光学玻璃或高分子聚合物或以上两者的复合。

所述的微透镜阵列将入射光束波前分割成微光束阵列，每束光聚焦到传像光纤束的端面上的某些光纤中，表面镀有波长为100nm-2000nm的增透膜，与传像光纤束和二维光电检测器共同组成Shack-Hartmann波前传感器。

所述的传像光纤束用于将远端的通过微透镜阵列聚焦的入射光束的微光束阵列传输到近端的二维光电检测器，与微透镜阵列和二维光电检测器共同组成Shack-Hartmann波前传感器。

所述的二维光电检测器用于检测传像光纤束传输的微光束阵列，将光信号转变为电信号，供外部控制计算机以计算出入射光束的波前畸变和光束偏移，从而进一步计算出像差。

所述的可变形反射镜用于在外部控制计算机的控制下产生反射表面的形变，对入射激光进行预畸变，从而补偿入射光束在耦合透镜和多组中继透镜中产生的像差，其工作原理为静电驱动的硅微加工薄膜或压电驱动。

所述的二向色镜用于分离入射激光和样品中激发出的光学信号，材料为光学玻璃或高分子聚合物或以上两者的复合，表面有增强透射率的光学镀膜。

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，外部超快激光光源提供817nm的飞秒激光以及1064nm的皮秒激光。二者同轴共线，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，进入本实用新型；二维扫描超快激光照射在可变形反射镜的反射面，再由二向色镜导入耦合透镜和第一组中继透镜，多组中继透镜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机械万向节相连接，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组中继透镜和分束镜之间的空气间隙中, 二维扫描超快激光通过分束镜分为两束，其中一束经过物镜扫描聚焦在外部样品中，在焦点处激发出的400nm的SHG,500nm的TPEAF和633nm的CARS信号再由物镜收集并成像在分束镜和第N组中继透镜之间的空气间隙中，第N组中继透镜将二维平面继续成像在第N组中继透镜和第N-1组中继透镜之间的空气间隙中，以此类推，第二组中继透镜将二维平面继续成像在第二组中继透镜和第一组中继透镜之间的空气间隙中；第一组中继透镜将二维平面继续成像在第一组中继透镜外的空气间隙中，通过二向色镜由外部光电检测器转换为电信号，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；另一束经过微透镜阵列导入传像光纤束，并传输至二维光电检测器， 二维光电检测器将光信号转变为电信号传输至外部控制计算机，外部控制计算机根据计算结果控制可变形反射镜进行形变，从而补偿像差。系统中包括由微透镜阵列、传像光纤束和二维光电检测器组成的Shack-Hartmann波前检测器，外部控制计算机和可变形反射镜组成的闭环控制系统，可实时补偿入射光束在耦合透镜和多组中继透镜中产生的像差。

本实用新型由于采用了上述技术方案，具有如下优点：

1、多片透镜组通过机械万向节相连以实现多自由度转动而形成的可弯曲传像光路，实现了二维扫描超快激光的弯曲传输；

2、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；

3、通过Shack-Hartmann波前检测器，外部控制计算机和可变形反射镜组成的闭环控制系统，可实时补偿入射光束在耦合透镜和多组中继透镜中产生的像差。

4、结构简单，体积小，成本低，能够对TPEAF，SHG，CARS等多种非线性信号进行同时检测；

5、分辨率高，不受传像光纤束的相邻光纤中心间距对分辨率的限制；

6、成像质量高，无传像光纤束网格状成像等缺点。

附图说明

图1为本实用新型的结构框图；

图2为本实用新型的结构示意图。

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1-2所示，它包括一组耦合透镜1，多组中继透镜2，一组物镜3，多组机械万向节4，一组分束镜5，一组微透镜阵列6，一组传像光纤束7，一组二维光电检测器8，一组可变形反射镜9和一组二向色镜10。可变形反射镜9的一个输入端与外部激发光源，外部二维扫描器及其附属透镜相连；可变形反射镜9的另一个输入端与外部控制计算机相连；可变形反射镜9的输出端与二向色镜10的输入端相连；二向色镜10的一个输出端与外部光电检测器相连；二向色镜10的另一输出端与耦合透镜1的输入端相连；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的输出端与第一组机械万向节4.1的输入端相连；第一组机械万向节4.1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组中继透镜2.N的输出端与第N组机械万向节4.N的输入端相连；第N组机械万向节4.N的输出端与分束镜5的输入端相连；分束镜5的一个输出端与物镜3的输入端相连；物镜3的输出端与外部样品相连；分束镜5的另一个输出端与微透镜阵列6的输入端相连；微透镜阵列6的输出端与传像光纤束7的输入端相连；传像光纤束7的输出端与二维光电检测器8的输入端相连；二维光电检测器8的输出端与外部控制计算机相连；外部激发光源，外部二维扫描器及其附属透镜等元件将二维扫描超快激光照射在可变形反射镜9的反射面，再由二向色镜10导入耦合透镜1和第一组中继透镜2.1，第一组中继透镜2.1将二维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将二维平面继续成像在第N组中继透镜2.N和分束镜5之间的空气间隙中, 二维扫描超快激光通过分束镜5分为两束，其中一束经过物镜3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3收集并成像在物镜3和第N组中继透镜2.N之间的空气间隙中，第N组中继透镜2.N将二维平面继续成像在第N组中继透镜2.N和第N-1组中继透镜2.N-1之间的空气间隙中，以此类推，第二组中继透镜2.2将二维平面继续成像在第二组中继透镜2.2和第一组中继透镜2.1之间的空气间隙中；第一组中继透镜2.1将二维平面继续成像在第一组中继透镜2.1外的空气间隙中，通过二向色镜10由外部光电检测器转换为电信号；另一束经过微透镜6阵列导入传像光纤束7，并传输至二维光电检测器8， 二维光电检测器8将光信号转变为电信号传输至外部控制计算机，外部控制计算机根据计算结果控制可变形反射镜9进行形变，从而补偿像差。

所述的耦合透镜1为消色差设计，设计波长为100nm至2000nm之间的任意3个波长，材料为光学玻璃或高分子聚合物或以上两者的复合，表面有增强透射率的光学镀膜，用于将外部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100nm至2000nm之间的任意3个波长，材料为光学玻璃或高分子聚合物或以上两者的复合，表面有增强透射率的光学镀膜，用于超快激光的二维平面进行中继成像，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，相邻两组中继透镜通过可转动的机械万向节4相连接。

所述的物镜3为消色差设计，设计波长为100nm至2000nm之间的任意3个波长，材料为光学玻璃或高分子聚合物或以上两者的复合，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。

所述的机械万向节4用于将相邻两片透镜的XYZ三个平动自由度限制，使相邻两片透镜只能以穿过各自的焦平面与各自光轴的交点的某一旋转轴在三维空间做自由旋转运动，该机械万向节4的中部为空心结构，不阻挡相邻两片透镜之间的二维平面，该机械万向节4简化后则成为铰链，使相邻两片透镜只能以穿过各自的焦平面与各自光轴的交点的旋转轴在二维平面做自由旋转运动，该机械万向节4为金属或高分子聚合物或碳纤维或以上材料的复合。

所述的分束镜5用于将入射的超快激光分成两束，其中一束通过其中一束经过物镜3扫描聚焦在外部样品中，另一束经过微透镜阵列6导入传像光纤束7，并传输至二维光电检测器8，材料为光学玻璃或高分子聚合物或以上两者的复合。

所述的微透镜阵列6将入射光束波前分割成微光束阵列，每束光聚焦到传像光纤束7的端面上的某些光纤中，表面镀有波长为100nm-2000nm的增透膜，与传像光纤束7和二维光电检测器8共同组成Shack-Hartmann波前传感器。

所述的传像光纤束7用于将远端的通过微透镜阵列6聚焦的入射光束的微光束阵列传输到近端的二维光电检测器8，与微透镜阵列6和二维光电检测器8共同组成Shack-Hartmann波前传感器。

所述的二维光电检测器8用于检测传像光纤束7传输的微光束阵列，将光信号转变为电信号，供外部控制计算机以计算出入射光束的波前畸变和光束偏移，从而进一步计算出像差。

所述的可变形反射镜9用于在外部控制计算机的控制下产生反射表面的形变，对入射激光进行预畸变，从而补偿入射光束在耦合透镜1和多组中继透镜2中产生的像差，其工作原理为静电驱动的硅微加工薄膜或压电驱动。

所述的二向色镜10用于分离入射激光和样品中激发出的光学信号，材料为光学玻璃或高分子聚合物或以上两者的复合，表面有增强透射率的光学镀膜。

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，外部超快激光光源提供817nm的飞秒激光以及1064nm的皮秒激光。二者同轴共线，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，进入本实用新型；二维扫描超快激光照射在可变形反射镜9的反射面，再由二向色镜10导入耦合透镜1和第一组中继透镜2.1，多组中继透镜2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通过机械万向节4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和分束镜5之间的空气间隙中, 二维扫描超快激光通过分束镜5分为两束，其中一束经过物镜3扫描聚焦在外部样品中，在焦点处激发出的400nm的SHG,500nm的TPEAF和633nm的CARS信号再由物镜3收集并成像在分束镜5和第N组中继透镜2.N之间的空气间隙中，第N组中继透镜2.N将二维平面继续成像在第N组中继透镜2.N和第N-1组中继透镜2.N-1之间的空气间隙中，以此类推，第二组中继透镜2.2将二维平面继续成像在第二组中继透镜2.2和第一组中继透镜2.1之间的空气间隙中；第一组中继透镜2.1将二维平面继续成像在第一组中继透镜2.1外的空气间隙中，通过二向色镜10由外部光电检测器转换为电信号，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；另一束经过微透镜阵列6导入传像光纤束7，并传输至二维光电检测器8， 二维光电检测器8将光信号转变为电信号传输至外部控制计算机，外部控制计算机根据计算结果控制可变形反射镜9进行形变，从而补偿像差。系统中包括由微透镜阵列6、传像光纤束7和二维光电检测器8组成的Shack-Hartmann波前检测器，外部控制计算机和可变形反射镜9组成的闭环控制系统，可实时补偿入射光束在耦合透镜1和多组中继透镜2中产生的像差。