一种基于生物组织成像的自适应光学校正系统

1.本发明属于光学校正领域，具体涉及一种基于生物组织成像的自适应光学校正系统。


背景技术：

2.自适应光学校正技术最早提出于天文观测中，来自宇宙的光在被光学天文望远镜探测到之前，在穿过大气层的过程中会因大气湍流等原因发生光学畸变，影响观测结果，因此，为了对大气所致的光学畸变进行主动补偿，自适应光学校正系统被提出。
3.在光学显微成像领域中，基于自适应光学技术的像差测量与校正方法原理如下：利用直接（波前传感器）或间接测量方法获得各种因素引起的入射波面的波前畸变，然后通过波前校正器（如变形镜、空间光调制器等）对畸变进行补偿，恢复光学成像效果。
4.随着硅基光电子技术的发展，光学相控阵（optical phased array，opa）概念来源于传统的微波相控阵，但比微波相控阵有着明显的优势，由于光学相控阵是以工作在光波段的激光作为信息载体，因而不受传统无线电波的干扰，而且激光的波束窄，不易被侦察，具备良好的保密性，在相位调制上展现出了系统简单，速度快，可达纳秒级别的优势。
5.在生物医学研究中，激光扫描显微成像技术可以获得生物组织的高分辨图像信息。但是，对生物组织内部深处进行成像时，由于生物组织的折射率分布不均匀性、光学元器件的生产精度误差以及介质间的折射率失配等原因，成像过程中常会产生光学像差。这些像差引起了波前畸变，严重影响了入射光在生物组织深处的聚焦效果。随着深度的增加，光学像差不断累积，图像的信噪比和分辨率降低，成像质量急剧下降，大大限制了激光扫描显微镜的有效成像深度。针对这一现象，目前研究者提出了各种方式克服成像过程中光学散射的影响，其中自适应光学技术效果良好，是目前较为普遍的一种像差校正的方式。
6.近年来，生物医学成像要求不断提高，但生物组织成像中散射问题严重，无法聚焦出良好的光斑，于是自适应光学校正技术被引入荧光显微系统中，以补偿生物组织及显微成像系统所引起的波前畸变，提升图像质量（如分辨率、对比度与信噪比等），有助于对深层生物组织进行成像与刺激等。
7.目前常见的基于自适应光学校正技术的荧光显微系统中，校正器件常使用可变形镜、空间光调制器等，但是采用此类器件，系统会十分复杂，并且相位调制速度较慢，最快为毫秒级别，对于生物组织成像应用效果欠佳。


技术实现要素：

8.本发明提供了一种基于生物组织成像的自适应光学校正系统，该系统具有较快的调制速度，系统简单，成像效果较好。
9.一种基于生物组织成像的自适应光学校正系统，包括沿光路布置的光源组件、相位调制组件和监测组件；其中，光源组件包括激光器，以产生第一光束；
相位调制组件包括光学相控阵和第一透镜，光学相控阵包括设有反射镜的包层和空腔平台，将第一光束输入至光学相控阵首先进行相位调控，相位调控光束进入空腔平台进行包络整形以得到第二光束，相位调控和包络整形过程始终在设有反射镜的包层上进行以保持光束的强度，将第二光束输入至第一透镜，以扩大第二光束的扫描范围；监测组件包括分束镜、物镜、第二透镜、互补金属氧化物半导体相机和控制单元，其中，相位调制组件发出的光束依次通过分束镜和物镜聚集到样本，样本的背向散射光依次通过物镜、第二透镜透射后接收于互补金属氧化物半导体相机成像，控制单元基于成像结果对光学相控阵进行自适应调相以校正系统并得到最终生物组织成像。
10.所述光学相控阵位于第一透镜的焦点位置处。
11.光学相控阵为片上系统，还包括光耦合器、光分束器、光波导阵列、集成电控系统和光发射器阵列；其中，光耦合器将第一光束进行耦合，耦合后的光束通过光分束器分束后进入光波导阵列，通过集成电控系统的电光效应或热光效应对光波导阵列中的光束进行相位调控，相位调控光束经过通过光发射器阵列发射至空腔平台进行包络整形以得到第二光束。
12.集成电控系统连接外部电压向光波导阵列中注入载流子，从而通过电光效应调控光束相位。
13.集成电控系统连接外部电压通过电压加热电阻进而向光波导阵列中传热，从而通过热光效应调控光束相位。
14.反射镜插入包层中，反射镜包括au材料反射镜或ag材料反射镜。
15.光学相控阵材料包括硅材料、氮化硅材料或铌酸锂材料。
16.每种元件可有多种形式，包括但不限于光耦合器有端面耦合器、光栅耦合器，光分束器为多模干涉仪（mmi）、马赫-曾德尔干涉仪（mzi）或y分支，光波导阵列包括直波导阵列、弯曲波导阵列，光发射器阵列包括端面耦合器阵列、光栅耦合器阵列。此光学相控阵通过单元器件的组合，可以构成一维结构，也可以构成二维结构，并且可以由硅材料或氮化硅材料或铌酸锂材料制成。
17.自适应调相的算法包括并行自适应光学校正算法、迭代自适应光学校正算法、光瞳分割算法或模式匹配算法。
18.与现有技术相比，本发明的有益效果为：（1）本发明通过片上系统的光学相控阵代替现有技术中的空间光调制器、可变性镜，用于相位的校正，使得光学系统构造更加简单，并且将调制速度由毫秒级别加快到微秒甚至纳秒级别，并且通过在光学相控阵的包层中加入反射镜在对光束相位调节过程中减少了光束的插入损耗和传输损耗进而保证了光学相控阵能够较好的应用在生物组织成像中。
19.（2）本发明在光学相控阵中加入空腔平台以对输入的已调整相位的光束进行包络整形从而达到出射光具有较高的强度和具有较大的扫描范围，然后通过透镜增加所有出射光的扫描范围获得较好的成像效果。
附图说明
20.图1为具体实施方式提供的基于生物组织成像的自适应光学校正系统的示意图；图2为具体实施方式提供的光学相控阵的示意图；
图3为具体实施方式提供的空腔平台和反射镜位置示意图；其中，1、激光器，2、光学相控阵，3、第一透镜l1，4、分束镜，5、光挡，6、第二透镜l2，7、互补金属氧化物半导体相机，8、物镜，9、样本，10、控制单元，21、光耦合器，22、光分束器，23、光波导阵列，24、集成电控系统，25、光发射器阵列，26、空腔平台。
具体实施方式
21.下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
22.本发明提供了一种基于生物组织成像的自适应光学校正系统，如图1所示，包括沿光路布置的光源组件、相位调制组件和监测组件；其中，光源组件包括激光器1，以产生第一光束，激光器1发出的中心波长为530 nm；相位调制组件包括光学相控阵2和第一透镜3，如图2所示，光学相控阵2包括光耦合器21、光分束器22、光波导阵列23、集成电控系统24和光发射器阵列25、设有反射镜的包层和空腔平台26；光耦合器21将第一光束耦合到芯片，耦合后的光束通过光分束器22按比例分束后进入光波导阵列，通过集成电控系统24的电光效应或热光效应对光波导阵列中的光束进行相位调控，如图3所示，相位调控光束发射进入空腔平台26，空腔平台26为没有任何特殊结构的空腔，光在空腔平台26中进行多次反射与干涉，从而进行波束整形，对包络进行调整，以提高相位调控光束的强度和扫描范围进而得到第二光束，光束的相位调控和包络整形过程始终在设有反射镜的包层上的si导向层进行，通过设有反射镜的包层减少了光束的插入损耗和传输损耗使得光束保持强度，避免光束强度损失，光发射器阵列25将第二光束输入至第一透镜3，通过第一透镜3对持续通入的光束进行扫描范围的扩大。
23.集成电控系统连接外部电压向光波导阵列中注入载流子，从而通过电光效应调控光束相位；或者集成电控系统连接外部电压通过电压加热电阻进而向光波导阵列中传热，从而通过热光效应调控光束相位。
24.监测组件包括分束镜4、光挡5、第二透镜6、物镜8和互补金属氧化物半导体相机7，其中，第一透镜3发出的光束依次通过分束镜4和物镜8聚集到样本9，样本的背向散射光依次通过物镜8、第二透镜6透射后接收于互补金属氧化物半导体相机7成像，控制单元10基于成像结果采用的并行自适应光学校正算法、迭代自适应光学校正算法、光瞳分割算法或模式匹配算法对光学相控阵2进行自适应调相以校正系统并得到最终生物组织成像。且光学相控阵2的轴向空间位置与样本9共轭，最终实现光的自适应校正与焦斑质量的监测。
25.为了达到更好的光的自适应校正效果与焦斑质量，本实例选用的光学相控阵2为二维128
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128结构。光耦合器21采用光栅耦合器便于输入光在多角度耦合进入到芯片中；采用mmi作为光分束器22以降低损耗；并在mmi的输出端连接直波导，而后连接弯曲波导，共同构成的光波导阵列23；弯曲波导根据适当的角度与长度连接作为光发射器阵列25的端面耦合器阵列；将集成电控系统24通过金属连接到光波导阵列23中的直波导上面，通过加热电阻传热至直波导中，引起光相位的变化；端面耦合器阵列连接到空腔平台26中对光束进行包络整形，保证输出光在大转向范围内均具有高强度。
26.本实例选用第一透镜3（l1）的焦距为100 mm，第一透镜6（l2）的焦距为150 mm，分束镜4采用50:50的分束镜，互补金属氧化物半导体相机7参数为dmk23uv024，640
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480（0.3 mp）y800@115 fps，the imaging source，物镜8采用型号为olympus，20x/1.0na。由此组成本实例整套系统。
27.本实例采用的相位调节算法为相干光学自适应技术（coat）算法，应用于荧光显微镜成像系统中，以校正光在生物组织中产生的畸变。主要分为两步：第一步，控制单元接收到成像结果后保证该成像结果对应的一半的调相单元相位不变，对应于参考光，不进行调制；另一半的校正相位单元相位从0到2π变化，同时焦点区域随时间变换的光强被探测器收集，形成反馈信号，通过傅里叶变换后计算出被调制的校正相位单元对应的校正相位值，并通过加载电压到集成电控系统24以调节相位，并从互补金属氧化物半导体相机中形成新的成像结果。第二步，保持第一步中被调制的校正相位单元相位恒定，形成新的成像结果对应的参考光；另一半的在第一步未校正相位单元以第一步相同的校正方式进行调制。两步后，便可获得整幅校正相位分布图，重复进行上述步骤2-3次后，便能获得更为精确的结果。
28.样本9的总厚度共为600 um，其中模拟组织切片为560 um，鼠脑切片为40 um，利用金属模具垫圈将鼠脑切片置于底部、模拟组织切片置于顶部，并整体粘于厚度为160 um的矩形显微镜盖玻片上，最后使用透明指甲油进行整体装封。
29.由此，完成一种自适应光学校正系统的制作。
30.尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例中所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。