一种突破衍射极限分辨率的多模光纤显微成像系统和方法

技术领域

本发明属于内窥镜成像领域，具体涉及一种突破衍射极限分辨率的多模光纤显微成像系统和方法。

背景技术

随着现代生物医学的快速发展，精准医疗和高效的诊断方法显得尤为重要，尤其在脑科学的发展方面，对于大脑深部组织结构的深入研究，高效且精准的成像技术显得尤为重要。

多模光纤作为光的传输介质，可以凭借其细如头发丝的尺寸优势作为光学微创成像探头，深入到大脑组织或其他微小结构腔体内，用于具有高空间分辨率的内窥显微成像。

目前，多模光纤显微成像主要基于在多模光纤端面输出具有衍射极限分辨能力的艾里斑，并通过光纤末端逐点扫描的方式获得图像，这里获得图像的分辨能力取决于用于扫描的艾里斑的尺寸大小，而艾里斑的大小完全由所用多模光纤本身的数值孔径大小和所用光源波长来决定。因此，在光源波长确定和多模光纤数值孔径不能无限制增大情况下，所获得的图像分辨能力即被衍射极限点所限制。而对于一些微细结构的成像观察，更高的成像分辨能力则极为重要。

因此，如何解决多模光纤显微成像分辨率提升问题，且提供一种突破衍射极限分辨率的多模光纤显微成像系统和方法是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的第一个目的在于，针对现有技术中利用多模光纤不能突破衍射极限成像的问题提供一种突破衍射极限分辨率的多模光纤显微成像系统。

为此，本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

一种突破衍射极限的多模光纤显微成像系统，其特征在于：包括，

光源偏振分束器件：提供窄线宽、单色光源，并将光分割为两条路径：参考臂和信号臂；

信号臂的照明器件，提供均匀且准直的、单偏振态高斯光束照明；

光纤中光传输控制器件，实现对多模光纤中传输的光模式振幅、相位、偏振的调控；

参考臂的光传输器件，提供均匀且准直的、单偏振态高斯光束照明，以和信号臂的光发生干涉；

光信号扩束器件，用于将光纤末端端面的光信号进行扩束，

光信号合束和记录器件，将信号臂和参考臂的光信号进行合束，后进行记录，

其中，光纤中光传输控制器件包括多模光纤和空间光调制器，空间光调制器调节进入多模光纤的光束的振幅、相位和偏振态；光信号合束和记录器件记录多模光纤两端的输入与输出信息，建立多模光纤输入输出之间的光场对应关系，并据此构建多模光纤的传输矩阵；

还设有数据处理单元，其与空间光调制器和光信号合束和记录器件连接，利用多模光纤的传输矩阵精确调控多模光纤的输出光的振幅和相位，以在光纤输出端生成衍射极限的艾里斑；将生成的艾里斑的光场相位与漩涡相位进行叠加，得到涡旋光束的光场，生成中心强度为零的涡旋斑，

利用衍射极限的艾里斑和涡旋斑对被成像物体进行逐点扫描，得到各自的重建图像。

在采用上述技术方案的同时，本发明还可以采用或者组合采用如下技术方案：

作为本发明的优选技术方案：所述光源偏振分束器件，包括

激光器，提供光源，激光器输出的光通过第一半波片控制光偏振态方向进入隔离器，隔离器阻止反射光回到激光器；

第一反射镜和第二反射镜，形成对耦合光束的二维位置和耦合角度控制，控制系统光束后续耦合位置和方向；

第二半波片，调整两臂光路的分光比例；

第一透镜和第二透镜用于激光器光束的扩束；

分束镜将扩束后光分为两臂，一臂为参考光，另一臂为信号光。

作为本发明的优选技术方案：分束镜用于将扩束后光分为两臂，一臂为参考光，占1%；一臂为信号光，占99%。

作为本发明的优选技术方案：所述信号臂的照明器件中，信号光经第五半波片控制偏振态并由第五透镜耦合进入第二保偏光纤；第二保偏光纤输出光经第六半波片控制偏振态和第六透镜准直后用于为空间光调制器照明。

作为本发明的优选技术方案：光纤中光传输控制器件中，信号光经空间光调制器衍射后光束由第七半波片控制偏振态，并经由第七透镜、空间滤波器、第八透镜和第一显微物镜将光束耦合进入多模光纤。

作为本发明的优选技术方案：参考臂的光传输器件中，参考光经第三反射镜控制方向，并由第三半波片控制偏振态方向，经由第三透镜耦合进入第一保偏光纤；再由第四透镜准直第一保偏光纤的输出光，并经第四半波片控制进入光信号合束和记录器件。

作为本发明的优选技术方案：光信号扩束器件中，从多模光纤的出射光束由第二显微物镜和第九透镜扩束；

光信号合束和记录器件包括合束器和相机，出射光束经扩束后，在合束器与参考臂光合束，最终被相机记录。

作为本发明的优选技术方案：利用多模光纤的传输矩阵精确调控多模光纤的输出光的振幅和相位，将其由数据处理单元上传至空间光调制器，以调控多模光纤，使得光纤输出端生成衍射极限的艾里斑。

作为本发明的优选技术方案：涡旋光束的光场进行二值化转码，并将转码后的全息图由数据处理单元上传至空间光调制器，以调控多模光纤，使得光纤的输出端生成中心强度为零的涡旋斑。

本发明的第二个目的在于，提供一种突破衍射极限分辨率的多模光纤显微成像方法。

为此，本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

一种基于突破衍射极限分辨率的多模光纤显微成像方法，其特征在于：包括以下步骤，

通过空间光调制器调节进入多模光纤的光束的振幅、相位和偏振态；

记录多模光纤两端的输入与输出信息，并关联其输入输出之间的对应关系，形成多模光纤传输矩阵；

利用多模光纤传输矩阵中的信息，对多模光纤的输出光的振幅和相位进行调控，实现在光纤输出端输出具有衍射极限的艾里斑；

将具有衍射极限的艾里斑的光场相位与漩涡相位进行叠加，得到涡旋光束的光场，然后对该涡旋光束的光场进行二值化转码，并将转码后的全息图上传至空间光调制器，以在光纤的输出端输出中心强度为零的涡旋斑；

使用具有衍射极限的艾里斑和涡旋斑对待成像物体进行逐点扫描，收集被成像物体反射回来的光，通过同一多模光纤，并重建其图像，得到Img1和Img2两幅图像；

根据关系式 Img1 - k·Img2 = Img，其中K为强度系数，Img为突破衍射极限分辨率的图像，Img图像的空间分辨能力是单独使用艾里斑扫描获得的Img1图像的两倍。

本发明具有以下有益效果：本发明的一种突破衍射极限的多模光纤显微成像系统及方法，通过对多模光纤输出端生成两种光斑并分别扫描成像并相减，即可实现具有衍射极限两倍的分辨能力，解决了利用多模光纤显微成像无法突破衍射极限的限制，无需利用多个波长的光源和复杂的系统设计，提供了一种数据处理方式简单的多模光纤显微成像方法。

附图说明

图1为本发明突破衍射极限分辨率的多模光纤显微成像系统示意图；

图2为基于突破衍射极限分辨率的多模光纤显微成像方法及步骤；

图3为艾里斑获得图像与涡旋光相减后获得图像在空间频率和对比度方面的比较；

图4为艾里斑获得图像与涡旋光相减后获得图像局部放大图比较；

图5为艾里光斑与本发明多模光纤输出端生成的两种光斑相减后光斑的分辨率比较图；

附图中：1-激光器；2-第一半波片；3-隔离器；4-第一反射镜；5-第二反射镜；6-第二半波片；7-第一透镜；8-第二透镜；9-分束镜；10-第四半波片；11-第五透镜；12-第二保偏光纤；13-第五半波片；14-第六透镜；15-空间光调制器；16-第六半波片；17-第七透镜；18-空间滤波器；19-第八透镜；20-第一显微物镜；21-多模光纤；22-第三反射镜；23-第三半波片；24-第三透镜；25-第一保偏光纤；26-第四透镜；27-第四半波片；28-第二显微物镜；29-第九透镜；30-合束器；31-相机。

具体实施方式

参照附图和具体实施例对本发明作进一步详细地描述。

本发明提供的一种突破衍射极限分辨率的多模光纤显微成像装置和方法，是一种突破衍射极限的多模光纤显微成像的装置，包括：

一个激光器，配置以为系统提供光源。从激光器输出的光束先经第一半波片进行偏振态控制后，传入隔离器。此隔离器的功能是阻止系统中的反射光回到激光器中。

第一反射镜和第二反射镜，它们的作用是调整光束的耦合位置和方向。

一个第二半波片，用于调节系统两臂间的光路分光比例。

第一透镜和第二透镜，它们主要进行光束扩束处理，用于激光器光束的扩束。

一个分束镜，设计为将扩束后的光分割为两条路径：参考臂和信号臂，分束镜将扩束后光分为两臂，一臂为参考光，另一臂为信号光，

参考臂的部分，包括：

第三反射镜，用于光束方向控制；

第三半波片，进行偏振态的控制；

第三透镜，将光束耦合进第一保偏光纤；

第四透镜和第四半波片，分别用于准直第一保偏光纤的输出光束和进一步的偏振态控制，之后光束传入合束器。

参考光经第三反射镜控制方向，并由第三半波片控制偏振态方向，经由第三透镜耦合进入第一保偏光纤，再由第四透镜准直第一保偏光纤的输出光，并经第四半波片控制进入合束器；

信号臂部分，涉及：

第五半波片和第五透镜，分别用于偏振态控制和将光束耦合进第二保偏光纤；

第六透镜，用于将第二保偏光纤的输出光束准直，并照射至空间光调制器；

光束在经过空间光调制器后，由第六半波片控制偏振态，接着通过第七透镜、空间滤波器、第八透镜和第一显微物镜，最终耦合入多模光纤；

从多模光纤输出的光束，经第二显微物镜和第九透镜进行扩束，并在合束器中与参考臂的光束进行合并，该合并光束最后由相机捕获记录。

信号光经第五半波片控制偏振态并由第五透镜耦合进入第二保偏光纤；第二保偏光纤输出光经第六半波片控制偏振态和第六透镜准直后用于为空间光调制器照明；经空间光调制器衍射后光束由第七半波片控制偏振态，并经由第七透镜、空间滤波器、第八透镜和第一显微物镜将光束耦合进入多模光纤；从多模光纤的出射光束由第二显微物镜和第九透镜扩束并在合束器与参考臂光合束，最终被相机记录。

在所述装置的基础上，本发明提供了一种能突破衍射极限分辨率的多模光纤显微成像方法。具体包括：

利用空间光调制器，我们可以调节进入多模光纤的光束的振幅、相位和偏振态；

记录多模光纤两端的输入与输出信息，从而建立其输入输出之间的光场对应关系，并据此构建多模光纤的传输矩阵。

通过空间光调制器精确控制光相位和振幅，生成特定的图案，即多种不同的入射光模式，这些模式作为光纤的输入。当这些光模式通过多模光纤传输时，它们在多模光纤中相互作用并在光纤的输出端产生不同的光场分布，经过记录这些输出光场，从而准确建立输入与输出之间的光场复振幅对应关系。基于不同输入模式与输出模式之间的相互关系即可构建多模光纤的传输矩阵。

利用上述传输矩阵中的信息，我们可以精确调控多模光纤的输出光的振幅和相位，从而实现在光纤输出端生成衍射极限的艾里斑；

将生成的艾里斑的光场相位与漩涡相位进行叠加，得到涡旋光束的光场，然后对该涡旋光束光场进行二值化转码，并将转码后的全息图上传至空间光调制器。这样，我们可以在光纤的输出端生成中心强度为零的涡旋斑；

使用艾里斑和涡旋斑对待成像物体进行逐点扫描。收集被成像物体反射回来的光，通过同一多模光纤，并重建其图像，得到Img1和Img2两幅图像；

根据关系式 Img1 - k·Img2 = Img，对上述两图像进行相减，并通过适当的强度系数k进行校正，从而得到一个突破衍射极限分辨率的图像Img。这个新的Img图像的空间分辨能力是单独使用艾里斑扫描获得的Img1图像的两倍。

其中，旋涡相位是对应中心强度为零的光斑的光场相位。

如图1所示，本发明提供的一种突破衍射极限的多模光纤显微成像装置，激光器1用于为系统提供光源，激光器1输出的光通过第一半波片2控制光偏振态方向进入隔离器3，隔离器3用于防止系统光反射进入激光器；第一反射镜4和第二反射镜5用于控制系统光束后续耦合位置和方向，形成对耦合光束的二维位置和耦合角度控制；第二半波片6用于调整系统两臂光路的分光比例；第一透镜7和第二透镜8用于激光器光束的扩束；分束镜9用于将扩束后光分为两臂，一臂为参考光，一臂为信号光；

参考臂光经第三反射镜22控制方向，并由第三半波片23控制偏振态方向，经由第三透镜24耦合进入第一保偏光纤25；再由第四透镜26准直第一保偏光纤25的输出光，并经第四半波片27控制进入合束器30；

信号臂光经第五半波片10控制偏振态并由第五透镜11耦合进入第二保偏光纤12；第二保偏光纤12输出光经第六半波片13控制偏振态和第六透镜14准直后用于为空间光调制器15照明；经空间光调制器15衍射后光束由第七半波片16控制偏振态，并经由第七透镜17、空间滤波器18、第八透镜19和第一显微物镜20将光束耦合进入多模光纤21；从多模光纤21的出射光束由第二显微物镜28和第九透镜29扩束并在合束器与参考臂光合束，最终被相机31记录。

如图2所示，本发明提供一种基于突破衍射极限分辨率的多模光纤显微成像方法，通过空间光调制器15改变进入多模光纤21的光束振幅、相位和偏振态，将多模光纤21两端的输入和输出信息记录并关联对应关系，由此形成多模光纤传输矩阵，利用该传输矩阵的信息对多模光纤的输出光振幅和相位实现调控，可在光纤输出端输出具有衍射极限的艾里斑；同时，将生成艾里斑的光场相位与漩涡相位叠加用于得到涡旋光束的光场，将涡旋光束光场二值化转码并上传全息图至空间光调制器，可在光纤输出端输出光场中心强度为零的涡旋斑；分别利用艾里斑和涡旋斑对被成像物体进行逐点扫描，将被成像物体反射的光通过同一多模光纤收集并重建图像，分别得到图像Img1和图像Img2；将得到的图像利用关系式Img1-k·Img2= Img将两图像相减，同时通过强度系数k最终得到具有突破衍射极限分辨能力的图像Img，获得的新图像Img空间分辨能力是用艾里斑扫描所获得图像Img1的两倍。

实施例1

如图3所示，利用本发明提出的一种基于突破衍射极限分辨率的多模光纤显微成像装置和方法，在多模光纤21的末端放置被成像物体，在多模光纤21的端面输出艾里斑和涡旋斑并分别扫描成像，如图3中的图像比较利用该发明的方法获得的图像在可分辨空间频率和对比度方面为一般衍射极限点扫描图像的两倍以上。

图3的左侧图像显示了由衍射极限艾里斑获得的图像，可以看到数字“8”和“9”以及一些细条纹和格子。右侧图像显示了经过涡旋光相减处理后的焦点图像。与左侧图像相比，在数字和条纹的边缘细节更加清晰。下方图表描绘了上方图像对比度与空间频率关系，其中横轴代表空间频率，以周期每单位距离来表示。空间频率越高，代表图像中的细节越小。其中纵轴代表对比度，范围从0到1，其中1表示最高可能对比度，即完全的黑白对比，而0表示没有对比度，即图像上的所有区域亮度均匀。蓝色曲线代表衍射极限艾里斑获得的图像对比度随空间频率的变化。随着空间频率的增加，对比度减少，这表明细节变得难以分辨。

橙色曲线代表经过涡旋光相减处理后的图像对比度随空间频率的变化，该曲线位于蓝色曲线之上，说明在相同的空间频率下，涡旋光相减处理后的图像具有更高的对比度，且相同对比度下，涡旋光相减处理后的图像具有更高图像分辨频率。另外，如图4为图像局部放大后的比较。

图5的左边分别显示了艾里斑、涡旋斑、和两者相减后的一维光场分布曲线，图5右边则显示了艾里斑与相减后斑的直接比较。其中，该一维光场分布曲线在半高宽处的大小直接反映了光斑的分辨能力，由右侧图可见，相减后光斑的半高宽小于艾里斑的半高宽，因此利用相减后光斑进行的图像重建相比较艾里斑扫描得到的图像具有更高的空间分辨率。利用艾里斑扫描得到的图像为具有衍射极限的图像，因此，利用相减后光斑进行的图像重建具有突破衍射极限的分辨能力。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，仅为本发明的优选实施例，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改、等同替换、改进等，都落入本发明的保护范围。