一种基于相干接收机的飞秒激光高速数字显微成像方法及装置的制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于数字相干接收机的高速数字显微成像方法及装置，所述方法包括以下步骤：飞秒激光经滤波和增益色散后一分二成信号光与参考光；信号光先经衍射空间散开，后进入透镜成像系统，携带样品信息后沿光路返回；信号光与参考光一起接入数字相干接收机完成相干，后由高速示波器采集，最后经计算机算法解调复原图像。本发明与日常生活中广泛应用的CCD和CMOS两种图像控制器对比，在保证同等量级成像分辨率的情况下，能获得超高的百MHZ帧率，而且基于数字相干接收机的全数字数据采集有利于后期实时分析以及图像的优化处理。
【专利说明】
一种基于相干接收机的飞秒激光高速数字显微成像方法及装置
技术领域
[0001 ]本发明属于显微成像技术领域，具体涉及超快成像技术，更具体地涉及一种基于数字相干接收机的高速数字显微成像方法。
【背景技术】
[0002]光学成像是现如今广泛应用于检测与诊断的一种工具。现今大部分的实验工作都旨在提高成像检测系统的空间分辨率;更近一步地，应用于检测光学流氓波、细胞变异、神经变化等细微动态过程的在时间上有着高分辨率的成像系统同样也是十分重要的，高速且有着高时间分辨率的成像系统对于生物化学工作者对细胞组织的微小变化的研究工作有着越来越重要的意义。
[0003]CCD和CMOS图像传感器是现今在光成像系统中应用最广泛的技术。它有着微米级的空间分辨率、大量的成像像素、较高的性价比等优点。在日常生活中，这两种成像器一般只会拥有30HZ的帧率。尽管通过减少像素数量可以获得IKHZ的帧率，但必然会降低成像质量。这种成像器的像素灵敏度即像素点的捕捉能力和图片扫描频率相互之间是存在较大限制的。要想保证图像越清晰即像素越灵敏，相应的图片的扫描频率必须越低;相反地，如果图片的扫描频率越高，那么像素点的捕捉时间越短，图片也就会越不清晰。这种灵敏度与帧率之间的互相限制也几乎影响着所有的成像系统。
[0004]因此，急需寻找一种新的光学成像技术来适应现代实验工作或实际生产的需要。
【发明内容】
[0005]为解决上述技术问题，本发明人经过长期研究，提出一种基于相干接收机的飞秒激光高速数字显微成像方法，其能够在保证拍摄清晰度的前提下大幅提高图片的扫描频率，同时全数字信息的输出也便于后期优化处理。
[0006]依据本发明的第一方面，提供一种基于相干接收机的飞秒激光高速数字显微成像方法，其特征在于，包括以下步骤:
[0007]S1.飞秒激光经滤波和增益色散后一分二成信号光与参考光。
[0008]S2.信号光先经衍射空间散开，后进入透镜成像系统，携带样品信息后沿光路返回。
[0009]S3.加载完样品信息的信号光与参考光先经光程匹配和偏振态控制以满足相干条件，然后一起接进集成相干接收机完成数字相干，后经高速ADC模块转化为全数字信息的输出，之后由高速示波器采集全数字相干数据，最后将数据存储于计算机并经由编程算法解调复原图像。
[0010]其中，步骤SI具体为:飞秒激光先经滤波器滤波，后经色散光纤与掺铒光纤放大器完成增益色散傅里叶变换，然后等比一分二成信号光与参考光。
[0011]其中，步骤S2具体为:信号光先由衍射光栅空间展开，后进入透镜成像系统，由物镜聚焦在样品上，完成信息的加载过程，然后反射回来进入相干采集系统;参考光接延迟线进入相干米集系统。
[0012]依据本发明的第二方面，提供一种实现上述方法的成像装置，其特征在于包括:飞秒光源、衍射光栅、色散光纤、数字集成相干接收机和高速示波器;所述飞秒光源、色散光纤、衍射光栅、数字集成相干接收机和高速示波器顺次相接以组成整套成像系统的主体框架，以完成光源频域上加载信息、频域到时域的傅里叶变换、时域上数据相干采集与复原的整个成像过程;所述飞秒光源作为成像光源有着10MHz左右的高重复频率及持续时间几十个皮秒的锁模脉冲输出；所述衍射光栅可以将一束空间光按频率大小依次散开;所述色散光纤将飞秒脉冲时域上展宽到纳秒量级，其作用等效于宽带激光频域到时域的傅里叶变换;所述数字集成相干接收机与高速示波器完成图片信息以全数字的形式的相干采集。
[0013]进一步地，所述装置还包括:光纤起偏器、偏振控制器、环形器、空间光准直透镜、λ/4空间波片、λ/2空间波片、衍射光栅、4F透镜组、光耦合器、光延迟线、光谱仪;所述光纤起偏器、偏振控制器、环形器、空间光准直透镜、λ/4空间波片、λ/2空间波片、衍射光栅、4F透镜组空间上顺次相连，组成完整具体的成像系统，环形器的返回输出端口依次接光耦合器、光延迟线，光耦合器的另一输出端接光谱仪;所述光纤起偏器、偏振控制器用来控制信号光与参考光的偏振态;所述空间光准直透镜将激光变成平行空间光;所述λ/4空间波片、λ/2空间波片用来改变信号光进入成像系统前的偏振态;所述4F透镜组完成信号光的聚焦成像;所述光延迟线用来匹配信号光与参考光的光程;所述耦合器将加载完样品信息的信号光分两路，一路输入到所述光谱仪以便实验观察，一路顺次接回系统与参考光完成数字相干，最后由计算机算法解调复原。
[0014]本发明实施例对比现今日常生活中广泛应用的CCD和CMOS两种图像控制器来说有如下优点和效果:在极大的百MHz量级的帧率下，能保证成像出来的图片分辨率和CCD与CMOS芯片成像器达到同等量级，而且正是由于飞秒脉冲10MHz的高重复频率，此系统还可以用来观测几近实时的微观变化;基于数字相干接收机的全数字数据采集，本实施例可获得是关于拍摄样品的全数字信息，非常有利于对照样品对数字信息做实时分析以及对恢复出来的图像做各种优化处理。
【附图说明】
[0015]图1是依据本发明的基于相干接收机的飞秒激光高速数字微观成像装置的结构示意图；
[0016]图2是依据本发明的数字相干接收机原理结构图。
[0017]图3是数字相干接收机的电源驱动原理图。
【具体实施方式】
[0018]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，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通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。另外地，不应当将本发明的保护范围仅仅限制至下述具体模块或具体参数。
[0019]本发明基于色散傅立叶变换的时域展宽成像技术被作为有可能应用于细胞实时观测的一种高速显微成像技术得到了发明与广泛研究。
[0020]在本发明中，一种基于相干接收机的飞秒激光高速数字微观成像方法包括以下步骤:
[0021]S1.飞秒激光经滤波和增益色散后一分二成信号光与参考光。
[0022]S2.信号光先经衍射空间散开，后进入透镜成像系统，携带样品信息后沿光路返回。
[0023]S3.信号光与参考光一起接入数字相干接收机完成相干，后由高速示波器采集，最后经计算机算法解调复原图像。
[0024]上述SI的具体步骤为:飞秒激光器后依次接滤波器、色散光纤、掺铒光纤放大器、可调衰减器、一分二親合器，以完成对激光器输出激光的滤波、增益、色散，之后一分二成信号光与参考光。
[0025]所述飞秒激光器中心波长在C波段，脉冲重复频率100MHZ，脉冲持续时间几个皮秒。
[0026]所述色散光纤的色散量相当于40km单模光纤，可将脉冲展宽到纳秒级。
[0027]上述S2的具体步骤为:信号光后依次接激光准直透镜、衍射光栅、凸透镜、样品、反射镜，先将激光转为平行空间光，然后空间散开，之后由物镜聚焦在样品上完成样品信息的加载，最后由反射镜反射回光纤回路。
[0028]所述衍射光栅为每毫米1200线的光栅，对比普通600线的光栅，可以获得更大的空间光衍射角即空间分辨率。
[0029]所述光加载样品信息的过程为，一束平行光经衍射光栅散开后，不同频率的光照射到样品上不同的位置，携带样品不同位置上的信息。
[0030]更具体地，如图1所示，基于相干接收机的飞秒激光高速数字微观成像方法包含三个部分。一是飞秒激光的处理:滤波器2先对飞秒激光器I出射的激光滤波，选定中心波长1550nm以及合适的光谱宽度。色散光纤3、掺铒光纤放大器4、可调衰减器5对滤波后的激光完成适当的增益色散，将飞秒脉冲展宽到纳秒量级。处理完的激光经3dB耦合器6—分二为信号光与参考光。
[0031]二是信号光的信息加载过程:信号光先经偏振控制器10和光纤起偏器11以保证空间光的线偏和最大的光强。然后信号光由环形器12、激光准直透镜13导入后续的空间光成像系统。λ/4空间波片14和λ/2空间波片15的波片组，可以任意改变空间光的偏振态。衍射光栅16可以将空间光按波长大小依次散开，然后经透镜组17聚焦在样品上，最后由平面反射镜19将加载完样品信息的信号光反射回光纤。
[0032]三是数字相干及图像还原:加载完信息的信号光经环形器12重新回到光纤环路，之后经耦合器20—分二，I %的光接光谱仪便于观测信号光的光谱变化，99%的光接偏振控制器21后接入数字相干采集模块23;由3dB耦合器6分出的参考光依次经过光纤延迟线7、偏振控制器8、光纤起偏器9、数字相干采集模块23，以此完成两路光的光程匹配以及保证参考光的线偏和最大光强，最后与信号光完成数字相干，采集模块采集相干数据。计算机24将采集获得的相干数据存储起来，并由算法解调复原出样品原图。
[0033]基于相干接收机的飞秒激光高速数字微观成像方法中的具体数字相干采集模块的结构原理如图2所不，信号光与参考光分别经偏振分束器2301、偏振分束器2302，分出X与Y方向的光场，之后信号光与参考光的X、Y光场分别进入90°光学混频器2303、2304发生混频。混频后就能获得完整的Χ、Υ偏振方向的信号光信息。Χ、Υ两偏振方向的光场信息分别由光电探测器2305、2306、2307、2308探测，然后由模数转换器2309接收转换，最后由高速示波器2310采集。其中90°光学混频器的具体结构如图2右下角所示，X方向偏振的信号光经3dB親合器301—分二，X方向偏振的参考光经3dB親合器303—分二，一部分信号光与一部分参考光经3dB耦合器302耦合，输出光场经平衡探测器306探测输出复信号的实部;一部分参考光先经偏振旋转器305旋转90°，然后与另一部分信号光经3dB親合器304親合，输出光场经平衡探测器307探测输出复信号的虚部，可由这两部分复原X方向偏振的信号光信息。
[0034]以上所述，仅为本发明较佳的【具体实施方式】，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。本领域普通的技术人员可以理解，在不背离所附权利要求定义的本发明的精神和范围的情况下，可以在形式和细节中做出各种各样的修改。
【主权项】
1.一种基于相干接收机的飞秒激光高速数字显微成像方法，其特征在于，包括以下步骤: 51.飞秒激光经滤波和增益色散后一分二成信号光与参考光； 52.信号光先经衍射空间散开，后进入透镜成像系统，携带样品信息后沿光路返回； 53.加载完样品信息的信号光与参考光先经光程匹配和偏振态控制以满足相干条件，然后一起接进集成相干接收机完成数字相干，后经高速ADC模块转化为全数字信息的输出，之后由高速示波器采集全数字相干数据，最后将数据存储于计算机并经由编程算法解调复原图像。2.根据权利要求1所述的基于相干接收机的飞秒激光高速数字显微成像方法，其特征在于，步骤SI具体为:飞秒激光先经滤波器滤波，后经色散光纤与掺铒光纤放大器完成增益色散傅里叶变换，然后等比一分二成信号光与参考光。3.根据权利要求1所述的基于相干接收机的飞秒激光高速数字显微成像方法，其特征在于，步骤S2具体为:信号光先由衍射光栅空间展开，后进入透镜成像系统，由物镜聚焦在样品上，完成信息的加载过程，然后反射回来进入相干采集系统;参考光接延迟线进入相干采集系统。4.一种实现如权利要求1-3任一项所述方法的成像装置，其特征在于包括:飞秒光源、衍射光栅、色散光纤、数字集成相干接收机和高速示波器;所述飞秒光源、色散光纤、衍射光栅、数字集成相干接收机和高速示波器顺次相接以组成整套成像系统的主体框架，以完成光源频域上加载信息、频域到时域的傅里叶变换、时域上数据相干采集与复原的整个成像过程。5.根据权利要求4所述的成像装置，其特征在于:所述飞秒光源作为成像光源有着10MHz左右的高重复频率及持续时间几十个皮秒的锁模脉冲输出。6.根据权利要求4所述的成像装置，其特征在于:所述衍射光栅可以将一束空间光按频率大小依次散开；7.根据权利要求4所述的成像装置，其特征在于:所述色散光纤将飞秒脉冲时域上展宽到纳秒量级，其作用等效于宽带激光频域到时域的傅里叶变换。8.根据权利要求4所述的成像装置，其特征在于:所述数字集成相干接收机与高速示波器完成图片信息以全数字的形式的相干采集。9.根据权利要求4所述的成像装置，其特征在于还包括:光纤起偏器、偏振控制器、环形器、空间光准直透镜、λ/4空间波片、λ/2空间波片、衍射光栅、4F透镜组、光耦合器、光延迟线、光谱仪;所述光纤起偏器、偏振控制器、环形器、空间光准直透镜、λ/4空间波片、λ/2空间波片、衍射光栅、4F透镜组空间上顺次相连，组成完整具体的成像系统。10.根据权利要求9所述的成像装置，其特征在于:环形器的返回输出端口依次接光耦合器、光延迟线，光耦合器的另一输出端接光谱仪;所述光纤起偏器、偏振控制器用来控制信号光与参考光的偏振态;所述空间光准直透镜将激光变成平行空间光;所述λ/4空间波片、λ/2空间波片用来改变信号光进入成像系统前的偏振态;所述4F透镜组完成信号光的聚焦成像;所述光延迟线用来匹配信号光与参考光的光程;所述耦合器将加载完样品信息的信号光分两路，一路输入到所述光谱仪以便实验观察，另一路顺次接回系统与参考光完成数字相干，最后由计算机算法解调复原。
【文档编号】G01N21/01GK105823728SQ201510955037
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2015年12月17日
【发明人】李朝晖, 冯元华, 宋露
【申请人】李朝晖