基于光谱角度增强和时间延迟的二维扫描激光成像系统

1.本发明涉及高速动态成像领域，特别涉及基于光谱角度增强和时间延迟的二维扫描激光成像系统。


背景技术：

2.高速动态时间延迟成像，在癌症生物学(hoppe,p.,coutu,d.&schroeder,t.single-cell technologies sharpen up mammalian stem cell research.nat.cell biol.16,919
–
927(2014).)、再生医学(fritzsch fs,dusny c,frick o,schmid a.single-cell analysis in biotechnology,systems biology,and biocatalysis.annual review of chemical and biomolecular engineering 3,129-155(2012))等领域中有着极其重要的作用。然而传统的动态成像存在诸如扫描速率不足，透过率不高的问题。检流计扫瞄镜成像只能达到10khz的扫描速率(marshall gf,stutz ge.handbook of optical and laser scanning,2nd edn.boca raton:crc press(2011).)，旋转多边形反射镜成像也只能达到100khz的扫描速率(choi s,kim p,boutilier r,kim my,lee yj et al.development of a high speed laser scanning confocal microscope with an acquisition rate up to 200frames per second.opt.express 21,23611
–
23618(2013).)，后来发展起来的光谱角度增强和时间延迟成像技术，虽然能够在mhz级的超快频率下实现高速动态成像(lau aks,wong ttw,ho kky,tang mth,chan acs et al.interferometric time-stretch microscopy for ultrafast quantitative cellular and tissue imaging at 1μm.j biomed.opt.19,076001(2014).)，但是成像空间分辨率不高。
3.若想提高成像空间分辨率，需要利用时间延迟成像技术，使用高色散率的介质(》1ns nm-1
)引入群速度色散。在基础生物学和生物医学诊断领域(fritzsch fso,dusny c,frick o,schmid a.single-cell analysis in biotechnology,systems biology,and biocatalysis.annu.rev.chem.biomol.eng 3,129
–
155(2012).)中，可见光波段时间延迟成像有巨大作用，但在可见光波段，利用光纤引入群速度色散伴随着极高的光学损耗(》50db)，不能满足人们的使用需求。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的问题是实现基于光谱角度增强和时间延迟的二维激光扫描的方法和系统，利用波长无关的色散效应，在自由空间中引入群速度色散，在可见光波段内(以700nm为例)引入1ns nm-1
的gvd仅引入4～7db的损耗，这在提高了系统分辨率的同时提高了成像清晰度，可实现高清晰度、准确的成像效果；本系统采用声光调制器与任意波形发生器结合，利用射频信号调制压电转换器激发声波，并对内部的晶体施加影响，改变晶体的折射率，由此改变出射光的角度，将一维扫描提升为二维扫描，提高了成像的维度，可获取更多图像信息。
5.本发明至少通过如下技术方案之一实现。
6.基于光谱角度增强和时间延迟的二维扫描激光成像系统，包括入射激光模块，衍射光栅，第一透镜，分光镜，第二透镜，光谱时间延迟器，光学系统，任意波形发生器，声光调制器，待测样品和数据采集与处理部件；
7.所述入射激光模块，用于产生脉冲激光；
8.所述衍射光栅，用于对入射脉冲激光光谱分光，入射脉冲激光以立体锥角θ出射；
9.所述第一透镜，用于准直脉冲激光并防止扩束；
10.所述分光镜，入射脉冲激光透过分光镜后入射至光谱时间延迟器中形成返回光，返回光再通过分光镜反射耦合至由镜筒透镜和物镜组成的光学系统中；
11.所述第二透镜，用于聚焦脉冲激光入射至光谱时间延迟器中；
12.所述光学系统，用于校正系统的像差并准直；
13.所述任意波形发生器与声光调制器连接，任意波形发生器对声光调制器施加周期性的射频信号，能够周期性地改变出射光的角度，生成若干束子光，将m束一维扫描光变为二维扫描光，随后入射至待测样品上；
14.所述二维扫描光对待测样品进行扫描后，入射至数据采集与处理部件中，得到待测样品的图像信息。
15.进一步地，所述入射激光模块的波长窗口为400～800nm。
16.进一步地，所述入射激光模块为高重复频率脉冲激光器。
17.进一步地，所述光学系统包括镜筒透镜和物镜，所述镜筒透镜，用于校正像差；所述物镜，用于对返回光进行准直并形成一维扫描光。
18.进一步地，所述光谱时间延迟器包括两块不平行的反射镜，用于创建空间啁啾路径，在自由空间中对脉冲激光引入群速度色散。
19.进一步地，两块反射镜之间成偏置角α且满足0《α《5mrad，两块反射镜的反射率》99.5％。
20.进一步地，所述数据采集与处理部件包括高速光电探测器、与高速光电探测器连接的实时示波器和计算机，高速光电探测器用于将输出的光信号转换为电信号，实时示波器用于对采集的信号进行重构得到待测样品的原始图像，计算机用于进行数据处理和分析，得到高速、清晰、准确的成像。
21.本发明还提供相应的基于光谱角度增强和时间延迟的二维扫描激光成像方法。所述方法包括以下步骤：
22.入射激光模块产生的脉冲激光通过衍射光栅，衍射光栅将脉冲激光以立体锥角θ光谱分光，分光后的脉冲激光通过第一透镜进行准直；
23.准直后的脉冲激光透过分光镜后，通过第二透镜聚焦，入射至光谱时间延迟器中引入群速度色散；
24.在引入群速度色散后，有m束脉冲激光会沿入射光路返回至入射点，通过分光镜反射至光学系统中，返回光通过光学系统形成一维扫描光；
25.任意波形发生器产生射频信号发送至声光调制器中，声光调制器内部的压电转换器将会激发声波并对内部的晶体施加影响，改变晶体的折射率，使用任意波形发生器对声光调制器施加周期性的射频信号，能够周期性地改变出射光的角度，生成若干束子光，将m束一维扫描光变为二维扫描光，随后入射至待测样品上；
26.二维扫描光对待测样品进行扫描后，通过数据采集与处理部件得到待测样品的图像信息。
27.进一步地，所述光学系统包括镜筒透镜和物镜，返回光先通过光学系统中的镜筒透校正像差，然后通过物镜进行准直以最终形成一维扫描光。
28.进一步地，光谱时间延迟器(6)包括两块不平行且反射率》99.5％的两块反射镜，用于创建空间啁啾路径，在自由空间中对脉冲激光引入群速度色散。假设两块反射镜长度为d，成偏置角α(0《α《5mrad)，间距为s，入射到反射镜的脉冲激光锥角为θ，两个反射镜的延长线的交点到反射镜的端点的距离为r，光速为c；脉冲激光入射经过衍射光栅、第一透镜、分光镜、第二透镜后，不同波长的光将以不同的角度入射至光谱时间延迟器，其中有m束脉冲激光将沿入射光路返回至入射点，返回光数量为：
[0029][0030]
定义光谱时间延迟器的数值孔径为：
[0031][0032]
在光谱时间延迟器中，定义最大支持的返回光数量为：
[0033][0034]
相邻两束返回光之间的光程差为：
[0035][0036]
与现有的技术相比，本发明的有益效果如下：
[0037]
1.谱时间延迟器是一种大规模可重构的色散系统，该系统搭建简单，稳定性强，应用广泛。在可见光波段内(以700nm)为例，若想引入1ns nm-1
的gvd，在光纤中的损耗会达到50db；而利用光谱时间延迟器引入相同gvd，损耗只有4～7db，提高了系统分辨率的同时提高了成像清晰度，可实现高清晰度、准确的成像效果。
[0038]
2.本系统可采用10mhz以上重复领率的脉冲激光器作为光源，比起传统的khz重复频率，本系统的扫描速率提升了2～3个量级，大幅度提高了成像速率，可实现高速的成像效果；
[0039]
3.本系统采用声光调制器与任意波形发生器结合，利用射频信号调制压电转换器激发声波，并对内部的晶体施加影响，改变晶体的折射率，由此改变出射光的角度，将一维扫描提升为二维扫描，提高了成像的维度，可获取更多图像信息。
附图说明
[0040]
图1为本发明实施例提供的基于光谱角度增强和时间延迟的二维激光扫描系统的结构示意图；
[0041]
图2为图1的光谱时间延迟器的结构示意图；
[0042]
图3为本发明实施例中一维扫描光通过声光调制器后变为二维扫描光的示意图。
具体实施方式
[0043]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
[0044]
请参阅图1，本发明提供的基于光谱角度增强和时间延迟的二维扫描激光成像系统，包括入射激光模块1、衍射光栅2、第一透镜3、分光镜4、第二透镜5、光谱时间延迟器6、镜筒透镜7、物镜8、任意波形发生器9、声光调制器10、待测样品11和数据采集与处理部件12。
[0045]
所述入射激光模块1产生脉冲激光，脉冲激光依序经过衍射光栅2、第一透镜3、分光镜4、第二透镜5、光谱时间延迟器6、第二透镜5、分光镜4、镜筒透镜7、物镜8、声光调制器10、待测样品11、数据采集与处理部件12。
[0046]
所述入射激光模块1，用于产生高重复频率脉冲激光；
[0047]
所述衍射光栅2，用于对入射脉冲激光光谱分光，分光后的脉冲激光以立体锥角θ出射；
[0048]
所述第一透镜3，用于准直脉冲激光，控制发散角；
[0049]
所述分光镜4，脉冲激光经过光谱时间延迟器6引入群速度色散后形成m束返回光，m束返回光通过分光镜4反射耦合至镜筒透镜7和物镜8中；
[0050]
所述第二透镜5，用于聚焦脉冲激光至光谱时间延迟器6中；
[0051]
所述光学系统，用于校正系统的像差并准直；
[0052]
所述任意波形发生器9与声光调制器10连接，任意波形发生器9对声光调制器10施加周期性的射频信号，能够周期性地改变出射光的角度，生成若干束子光，将m束一维扫描光变为二维扫描光，随后入射至待测样品上；
[0053]
二维扫描光对待测样品11进行扫描后后，入射至数据采集与处理部件12中，得到待测样品11的图像信息。
[0054]
在本发明的其中一些实施例中，入射激光模块1的波长窗口为400～800nm。
[0055]
在本发明的其中一些实施例中，请参阅图2，所述光谱时间延迟器6，包括两块具有一定偏置角α(0《α《5mrad)且具有高反射率(》99.5％)的反射镜，用于创建空间啁啾路径，在自由空间中对脉冲激光引入群速度色散，其中对波长越长的光引入的光程差τ越大，由此达到引入群速度色散的效果。
[0056]
假设两块反射镜长度为d，成偏置角α，间距为s，入射到反射镜的脉冲激光锥角为θ，两个反射镜的延长线的交点到反射镜的端点的距离为r，光速为c；脉冲激光入射经过衍射光栅、第一透镜、分光镜、第二透镜后，不同波长的光将以不同的角度入射至光谱时间延迟器，其中有m束脉冲激光将沿入射光路返回至入射点，返回光数量为：
[0057][0058]
相邻两束返回光之间的光程差为：
[0059][0060]
光谱时间延迟器6中，对波长越长的光引入的光程差τ越大，由此达到引入群速度色散的效果。
[0061]
在本发明的其中一些实施例中，所述镜筒透镜7和物镜8组成一个无穷远矫正的光
学系统，返回光通过镜筒透镜7校正像差，后通过物镜8进行准直形成一维扫描光，一维扫描光入射至声光调制器10中。
[0062]
在本发明的其中一些实施例中，请参阅图3，所述任意波形发生器9与声光调制器10连接，任意波形发生器9产生射频信号发送至声光调制器10中，声光调制器10内部的压电转换器将会激发声波并对内部的晶体施加影响，改变晶体的折射率。使用任意波形发生器9对声光调制器10施加周期性的射频信号，可以周期性地改变出射光的角度，生成若干束子光，将m束一维扫描光变为二维扫描光，随后入射至待测样品上。
[0063]
在本发明的其中一些实施例中，数据采集与处理部件12包括高速光电探测器、与高速光电探测器连接的实时示波器和计算机，用于将输出的光信号转换为电信号，实时示波器用于对采集的信号进行重构得到待测样品11的原始图像，计算机用于进行数据处理和分析，可以得到高速、清晰、准确的成像。其中，高速光电探测器的带宽》9ghz，实时示波器的带宽:4～20ghz；扫描速率:20～80gsa s-1
。
[0064]
本发明还提供采用前述系统进行二维扫描激光成像的方法。
[0065]
在本发明的其中一些实施例中，基于光谱角度增强和时间延迟的二维扫描激光成像方法，包括以下步骤：
[0066]
a.入射激光模块1产生脉冲激光通过衍射光栅2，衍射光栅2将脉冲激光以立体锥角θ光谱分光，分光后的脉冲激光通过第一透镜3进行准直并防止扩束，随后脉冲激光透过分光镜4，再通过第二透镜5聚焦，入射至光谱时间延迟器6中；
[0067]
b.不同波长的脉冲激光将以不同的角度入射至光谱时间延迟器6中，波长越长的光，入射至光谱时间延迟器中的角度越大，引入的光程差也越大，由此在自由空间中引入了群速度色散；
[0068]
c.在引入群速度色散后，有m束脉冲激光会沿入射光路返回至分光镜4中，并通过分光镜4反射至镜筒透镜7和物镜8组成的光学系统中，返回光通过镜筒透镜7校正像差，然后通过物镜8进行准直形成m束一维扫描光，一维扫描光随后入射至声光调制器10中；
[0069]
d.任意波形发生器9产生射频信号发送至声光调制器10中，声光调制器10内部的压电转换器将会激发声波并对内部的晶体施加影响，改变晶体的折射率，由此改变出射光的角度。使用任意波形发生器9对声光调制器10施加周期性的射频信号，可以周期性地改变出射光的角度，生成若干束子光，将m束一维扫描光变为二维扫描光，随后入射至待测样品上；
[0070]
e.二维扫描光对测样品11进行扫描后，通过数据采集与处理部件12，并通过数据采集与处理部件12进行数据处理和分析，可以得到高速、清晰、准确的成像。
[0071]
本发明所提供的是一套具有mhz量级扫描速率的高速二维扫描的光学成像系统，利用两个反射镜组成的光谱时间延迟器组成一种大规模可重构的色散系统，该系统搭建简单，稳定性强，应用广泛。在可见光波段内(以700nm为例)引入1ns nm-1
的gvd，利用光纤会引入50db以上的损耗，这是无法接受的，而利用光谱时间延迟器只会引入4～7db的损耗，这在提高了系统分辨率的同时提高了成像清晰度，可实现高清晰度、准确的成像效果；同时，本系统可采用10mhz以上重复频率的脉冲激光器作为光源，比起传统的khz重复频率，本系统的扫描速率提升了2～3个量级，大幅度提高了成像速率，可实现高速的成像效果；进一步地，本系统采用声光调制器与任意波形发生器结合，利用射频信号调制压电转换器激发声
波，并对内部的晶体施加影响，改变晶体的折射率，由此改变出射光的角度，将一维扫描提升为二维扫描，提高了成像的维度，可获取更多图像信息。
[0072]
本发明在可见光波段，可实现深层、高速、精确的光学成像，尤其是在基础生物学和生物医学诊断领域中具有广泛作用，可推动生物医学成像领域的发展。
[0073]
上述实施例为本发明的实施方式之一，但本发明的实施方式并不受所述实施例与测试例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。