CN112666698B - 一种基于色散超表面的光纤束多方位三维共聚焦成像装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于色散超表面的光纤束多方位三维共聚焦成像装置及方法，属于光纤显微内窥领域，主要包括宽带光源模组、振镜扫描系统、耦合物镜、微型探头模块、探测模块和计算机控制系统。其中微型探头模块包含侧向成像模式下将光纤束远端出射光反射到侧面的微型直角棱镜，以及用于三维成像的色散超表面，通过以上各模块的配合可以得到样品的三维图像。本发明提出了利用光纤束共聚焦原理结合超表面设计实现多方位三维成像的新方法，既可以前向成像也可以侧向成像，其成像速度快、分辨率高且视场范围大；装置无需装载电动机械扫描探头，极大地简化了成像元件的体积，能真正做到在体低损伤的无透镜成像。

Description

一种基于色散超表面的光纤束多方位三维共聚焦成像装置及 方法

技术领域

本发明涉及光纤显微内窥领域，具体地说，涉及一种基于色散超表面的光纤束多方位三维共聚焦成像装置及方法。

背景技术

光纤内窥镜作为一种成像器械，已经被广泛应用到在体医学成像中。光纤束是目前最常用的内窥成像光纤器件，其相比多模光纤具有抵抗弯曲形变和温度变化等环境影响的优势，其和共聚焦显微成像技术的结合可以实现高分辨率大范围快速扫描成像。然而普通的共聚焦成像探头无法自由活动，缺乏多方位成像的能力，在狭小区域的成像应用中会造成观测死角问题。

此外，在对疾病的实际诊疗过程中，很多癌症和病变不只存在于表层，而是会分布在深层组织中。因此进行大面积高分辨三维成像对于避免漏检有着很重要的意义。传统的三维成像探头通常使用电致可调透镜、可调声梯度折射率透镜和一些MEMS元件来实现轴向扫描，但是这些方法都需要在体内探头上施加电控制信号，这些笨重的探头结构会对人体造成侵入性影响，引起不适。而且，这些探头结构会受到光学像差和机械运动惯性的影响，成像质量和稳定性不佳。

通过在探头前端设计微型直角棱镜结构，可以将侧壁信号提取出来，从而克服了侧向成像的难题，与已经成熟的正向成像结合可以实现多方位成像。近年来有关超表面微纳结构的研究取得了飞速的进展，超表面结构具有亚波长尺度光学调控、轻薄、易集成、低损耗的优势，已经具有作为优质成像器件的潜力。通过将超表面结构应用到色散成像器件中，结合共聚焦显微成像技术高分辨率的优势，就可以解决无损伤在体三维高分辨成像的难题。

发明内容

本发明提供了一种基于色散超表面的光纤束多方位三维共聚焦成像装置及方法，提出了共聚焦点扫描技术结合微型直角棱镜和色散超表面的系统设计，光纤束体外共聚焦点扫描技术保证了高分辨率的快速大面积二维扫描，微型直角棱镜的设计满足了侧向成像的需求，同时本发明还提供了一种三维层析成像的方法，利用色散超表面反常色散的特点，经过特殊微纳结构设计和单元结构排布，可以克服传统机械式轴向扫描探头体积大、笨重以及由于机械惯性导致的不稳定性等缺点。探头部分结构紧凑，便于灵活使用，可以实现狭小空间前向和侧壁的高分辨三维成像。

为了实现上述目的，本发明提供的一种基于色散超表面的光纤束多方位三维共聚焦成像装置，包括按光前进方向依次设置的以下部件：

超连续谱激光器，用于发出多色宽谱光，实现对样品的照明；

准直器，用于将光源准直为平行光束；

带通滤光片，用于滤波得到可见光波段入射光；

分束镜，用于反射照明光，透射并收集样品的背向散射信号；

振镜扫描系统，用于在光纤束入射端进行快速二维点扫描，背向散射信号经其去扫描，可以维持一个固定不变的收集光束；

4f系统，用于将照明光扩束到充满物镜入瞳，以充分利用其数值孔径；

耦合物镜，用于将照明光耦合进光纤束的每根光纤中；

传像光纤束，用于将入射端的图像传输到远端，其由几万根小光纤组成，采样率很高；

微型直角棱镜，用于将光纤束末端的出射光束反射到侧壁上实现侧向成像；

色散超表面，用于将短波长光聚焦到较深区域，将长波长光聚焦到较浅区域，实现三维成像；

共聚焦小孔，用于在与样品聚焦点共轭的位置过滤掉离焦面的信息，实现纵向层析的能力；

光栅，用于将不同波长的背向散射信号偏折到不同的方向，将对应样品不同深度的波长信号分离，便于探测器深度信号提取；

线探测器，用于将探测到的光信号转换为电信号并传送至计算机处理；

计算机，用于处理探测器的信号，重建样品的三维结构，同时控制振镜扫描系统的驱动信号，完成对样品的二维平面扫描。

其中，所述色散超表面的设计步骤如下：

如图2b所示超表面的单元结构，从下到上由介质基底和介质纳米方形柱状结构组成，通过改变介质柱的宽度w，能够在可见光波段多个波长实现独立的相位调控。

其中，所述介质纳米柱采用方形的结构可以实现偏振无关的功能，避免了光纤中各种偏振态的干扰。

其中，所述介质方柱的周期p，根据奈奎斯特采样定律，其取值范围为p<λ_min/2NA，λ_min为最小入射波长，NA为聚焦的数值孔径。

其中，所述介质方柱的宽度w，其取值范围为0.2λ_min <w<p，λ_min为最小入射波长。w的最小值一般取决于加工精度和最大深宽比限制。

其中，所述介质方柱的高度h₂，为了在入射光整个波段内实现至少为0~的相位覆盖，其取值范围为h₂≥λ_max，λ_max为最大入射波长。

其中，介质方柱的排布方式由理想相位分布决定，为了实现点对点的共轭以及不同波长的轴向聚焦色散分布，超表面所提供的相位延迟需要补偿光波在自由空间传播时产生的相位差和群延迟，对于轴上点光源，可以得到消球差的理想聚焦点分布，根据费马原理，理想相位可以用以下公式来表示：

其中，如图1所示，λ为入射光的波长，l(λ)为预想设计的像方聚焦位置随波长的变化函数，代表了色散的深度范围，s为物点距离超表面的距离，R为超表面透镜上每一个像素距离透镜中心的距离，n为入射光的波长采样数，C是与波长相关的常数项，用来提高相位匹配的自由度。

为了在每个位置上得到和理想相位曲线最接近的单元结构，圆形超表面透镜的排布方式采用粒子群优化算法。将不同波长下常数C的值作为每个种群的输入，得到理想相位分布并根据此分布寻找实际相位与理想相位差最小的单元排布方式，计算每个种群的适应度函数作为相位匹配的评价标准，通过粒子群的不断优化迭代，可以最终收敛到使适应度函数最小的全局最优解。适应度函数f可以表示为：

其中，Φ_real代表实际相位分布，m为半径采样数。

本发明还提供了一种基于色散超表面的光纤束多方位三维共聚焦成像方法，包括以下几个步骤：

(1) 宽谱照明光经过准直、滤波后，再经由计算机控制的二维振镜扫描调制，经第一4f系统扩束，最后经过耦合物镜实现光纤束近端的点扫描。

(2) 光纤束出射光束经探头上的微型直角棱镜反射到侧面或前面成像，再经过棱镜侧面或前面粘接的色散超表面进行三维成像。

(3) 背向散射光被原路返回，经过振镜去扫描，被探测模块接收。

(4) 计算机处理探测信号，并根据振镜扫描轨迹，重建出三维侧面或前面的高分辨图像。

本发明原理如下：

基于共聚焦点扫描的成像原理，结合传像光纤束采样数多且近端和远端一一对应的特点，在光纤束近端通过振镜扫描入射光束，实现远端点扫描。微型直角棱镜的反射作用将光束偏折到侧面成像。超表面是一种低厚度的周期性微纳结构，通过设计其单元结构的二维排布，可以调节经过超表面后的光波相位。传统基于折射的透镜具有正色散(即短波比长波色散大)，而超表面结构具有本征反常色散的特点(即长波比短波色散大)，通过特殊的结构和相位设计可以利用并扩大这一特点，将多波长入射光聚焦到不同的深度，同时保证了各波长横向分辨率的一致性。光纤束的远端、近端和样品不同聚焦深度满足共轭关系，通过在收集路的第二4f系统频谱面上的共轭平面放置共聚焦小孔过滤离轴光束，可以实现轴向层析的效果。探测模块采用光栅光谱仪式设计，可以提取到各波长对应的各深度信息。

其中，所述横向分辨率满足公式：

其中，δ为横向分辨率，λ为波长，D为孔径光阑直径，d为聚焦距离，NA为数值孔径。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果在于：

(1) 色散超表面结构设计可以克服传统机械式轴向扫描探头体积大、笨重以及由于机械惯性导致的不稳定性等缺点；

(2) 探头部分结构紧凑，便于灵活使用，可以实现狭小空间侧壁的高分辨三维成像。

附图说明

图1为色散超表面的简化光路示意图，其中左侧虚线为光纤束出射端，右侧虚线为像平面；

图2为本发明的超表面器件示意图，其中，(a)为器件局部示意图，(b)为器件单元结构示意图；

图3为本发明实施例中基于色散超表面的光纤束侧向三维共聚焦成像装置示意图；

图4为本发明实施例中基于色散超表面的光纤束前向三维共聚焦成像装置示意图；

图5为本发明实施例中色散超表面的设计方法示意图，其中，(a)为理想相位曲线和优化后的相位曲线，(b)为扫描单元边长得到的相位和色散曲线，(c)为通过光线追迹得到的多波长轴向聚焦效果图；

图中：超连续激光器1，小孔2，准直器3，宽带滤光片4，分束镜5，反射镜6，二维扫描振镜7，第一4f系统8，反射镜组9、10，耦合物镜11，传像光纤束12，微型直角棱镜13，色散超表面14，反射镜15，第二4f系统16，共聚焦小孔17，光栅18，透镜19，线探测器20，计算机21，待测样品22。

具体实施方式

为使本发明的技术方案和优点更加清晰，下面结合实施例和附图来详细说明，但本发明并不仅限于此。

一种基于色散超表面的光纤束多方位三维共聚焦成像装置，包括按光前进方向依次设置的以下部件：超连续激光器1，小孔2，准直器3，宽带滤光片4，分束镜5，反射镜6，二维扫描振镜7，第一4f系统8，反射镜组9、10，耦合物镜11，传像光纤束12，微型直角棱镜13，色散超表面14，反射镜15，第二4f系统16，共聚焦小孔17，光栅18，透镜19，线探测器20，计算机21，待测样品22。

如图3所示，本装置在侧向三维共聚焦成像时，其过程如下：

(1) 超连续激光器1经过小孔2和准直器3准直后，经过宽带滤光片4滤波，得到可见光波段的照明光；

(2) 照明光经分束镜5和反射镜6反射后进入二维扫描振镜7进行快速扫描，二维扫描振镜7的运动轨迹由计算机21控制；

(3) 第一4f系统8将光束进行扩束至充满耦合物镜11的入瞳，反射镜组9和10用来调节光束的整体二维移动，以提高耦合物镜11对传像光纤束12中单根光纤的耦合效率；

(4) 传像光纤束12的多波长出射光经过末端安装固定好的微型直角棱镜13偏折到侧面成像，通过色散超表面14聚焦到样品22的不同深度；

(5) 样品的背向散射信号原路返回，经过传像光纤束12中的同一根光纤，再经过二维振镜7的去扫描过程，由分束镜5透射出的信号光被反射镜15反射到第二4f系统16，经过在其频谱面上放置的共聚焦小孔17，最后经光栅18偏折，透镜19聚焦，被线探测器20接收，探测器20将光信号转换为电信号，传输到计算机21中进行多波长分解和后续数据处理，结合二维振镜7的扫描轨迹，最终可以恢复出样品对应的三维图像，其中光栅18、透镜19和线探测器20可以用光谱仪替代。

如图4所示，本装置在前向三维共聚焦成像时，其过程如下：

(1) 超连续激光器1经过小孔2和准直器3准直后，经过宽带滤光片4滤波，得到可见光波段的照明光；

(2) 照明光经分束镜5和反射镜6反射后进入二维扫描振镜7进行快速扫描，二维扫描振镜7的运动轨迹由计算机21控制；

(3) 第一4f系统8将光束进行扩束至充满耦合物镜11的入瞳，反射镜组9和10用来调节光束的整体二维移动，以提高耦合物镜11对传像光纤束12中单根光纤的耦合效率；

(4) 传像光纤束12的多波长出射光经过末端安装固定好的色散超表面14聚焦到样品22的不同深度；

(5) 样品的背向散射信号原路返回，经过传像光纤束12中的同一根光纤，再经过二维振镜7的去扫描过程，由分束镜5透射出的信号光被反射镜15反射到第二4f系统16，经过在其频谱面上放置的共聚焦小孔17，最后经光栅18偏折，透镜19聚焦，被线探测器20接收，探测器20将光信号转换为电信号，传输到计算机21中进行多波长分解和后续数据处理，结合二维振镜7的扫描轨迹，最终可以恢复出样品对应的三维图像，其中光栅18、透镜19和线探测器20可以用光谱仪替代。

下面结合实施例1对超表面器件的设计及参数进行进一步解释。

照明光的范围可以选择488-640nm可见光波段，如图2所示，超表面单元结构周期选择350nm，采用基底加介质方柱的结构，上层为650nm高的SiN纳米方柱，SiN材料具有折射率低、可见光波段透过率高、带隙大和聚焦效率高等优点，且可以实现高深宽比加工，底层为200nm厚的SiO2介质基底。借助仿真软件Lumerical FDTD，从100nm-350nm扫描不同宽度的介质纳米住，获得单元结构的反射率和相位信息，组成单元结构数据库，如图5b所示，单元结构尺寸的变化在不同波长处产生不同的相位变化，且远大于，这为整体相位设计提供了充足的自由度。通过粒子群优化算法，将理想相位曲线和单元结构数据库中的粒子匹配，从而得到最优的单元结构排布地图，如图5a所示，其表示了488nm、526nm、564nm、602nm和640nm 5个波长下理想相位(实线)和经优化筛选单元后的实际相位分布(点)。以实际光纤束NA=0.39为例，设计光纤束和超表面的距离为50um，超表面直径42um，物方NA=0.3，如图5c所示，通过几何光线追迹，得到5个波长下的聚焦点位置，分别为66um、61um、56um、51um和46um，实现了不同波长下的轴向聚焦。

关于超表面上层结构单元的材料，可选择其他满足对应波段高透过率且易加工的材料，方形结构也可以替换为圆形等几何形状对称且偏振无关的结构，达到同样的效果。

以上所述结合附图对本发明的实例进行了描述，但仅为本发明的较佳实施举例，并不用于限制本发明，凡在本发明精神和原则之内，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。

Claims (8)

1.一种基于色散超表面的光纤束多方位三维共聚焦成像装置，其特征在于，包括按光前进方向依次设置的以下部件：

超连续谱激光器，用于发出照明光；

准直器，用于将激光器发出的照明光准直为平行光；

带通滤光片，用于筛选照明可见光的波长范围；

分束器，用于反射照明光，透射并收集样品的背向散射信号；

振镜扫描系统，用于将反射照明光二维高速扫描到光纤束近端面；

4f系统，用于扩束照明光；

耦合物镜，用于将照明光高效耦合进入传像光纤束；

传像光纤束，用于远距离导光并传递像元；

微型探头模块，包含侧向成像模式下将光纤束远端出射光反射到侧面的微型直角棱镜，以及用于三维成像的色散超表面；

探测模块，用于采集收集到的样品背向散射信号，包含光栅、透镜、共聚焦小孔和线探测器；

计算机，用于控制振镜扫描和处理探测器响应，得到样品的三维图像。

2.如权利要求1所述的一种基于色散超表面的光纤束多方位三维共聚焦成像装置，其特征在于：所述超连续谱激光器经过带通滤光片选择特定照明光波长范围。

3.如权利要求1所述的一种基于色散超表面的光纤束多方位三维共聚焦成像装置，其特征在于：所述振镜扫描系统在计算机控制下在光纤束入射端进行二维点扫描，通过传像光纤束将点扫描中继到出射端。

4.如权利要求1所述的光纤束多方位三维共聚焦成像装置，其特征在于：所述微型直角棱镜末端粘接经过仿真特殊设计的色散超表面结构。

5.如权利要求1所述的一种基于色散超表面的光纤束多方位三维共聚焦成像装置，其特征在于：所述探测模块中，通过共聚焦小孔实现与样品不同深度共轭关系，同时记录多色光谱信息。

6.如权利要求1所述的一种基于色散超表面的光纤束多方位三维共聚焦成像装置，其特征在于：所述探测模块为光栅、透镜、共聚焦小孔和线探测器的组合或者光谱仪。

7.一种基于色散超表面的光纤束多方位三维共聚焦成像方法，其特征在于，包括：

1) 多色光照明，通过微型直角棱镜将光束反射到侧面，利用并扩大超表面结构的反常色散特性，实现短波长比长波长更大的聚焦深度，保证了各个波长下横向分辨率的一致性；

2) 背向散射光被色散超表面和微型直角棱镜接收后重新耦合进光纤束，光纤束出射光通过光栅将不同波长的光信号分离，并用线探测器探测，每个波长对应样品不同深度处的强度信号，结合设定的扫描顺序，通过计算机程序将三维样品结构处理并重建出来。

8.如权利要求7所述的光纤束多方位三维共聚焦成像方法，其特征在于，将色散超表面设计和共聚焦点扫描结合实现三维层析成像。

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