一種基于相干接收機的飛秒激光高速數字顯微成像方法及裝置的制造方法
【專利摘要】本發明涉及一種基于數字相干接收機的高速數字顯微成像方法及裝置，所述方法包括以下步驟：飛秒激光經濾波和增益色散后一分二成信號光與參考光；信號光先經衍射空間散開，后進入透鏡成像系統，攜帶樣品信息后沿光路返回；信號光與參考光一起接入數字相干接收機完成相干，后由高速示波器采集，最后經計算機算法解調復原圖像。本發明與日常生活中廣泛應用的CCD和CMOS兩種圖像控制器對比，在保證同等量級成像分辨率的情況下，能獲得超高的百MHZ幀率，而且基于數字相干接收機的全數字數據采集有利于后期實時分析以及圖像的優化處理。
【專利說明】
一種基于相干接收機的飛秒激光高速數字顯微成像方法及裝置
技術領域
[0001 ]本發明屬于顯微成像技術領域，具體涉及超快成像技術，更具體地涉及一種基于數字相干接收機的高速數字顯微成像方法。
【背景技術】
[0002]光學成像是現如今廣泛應用于檢測與診斷的一種工具。現今大部分的實驗工作都旨在提高成像檢測系統的空間分辨率;更近一步地，應用于檢測光學流氓波、細胞變異、神經變化等細微動態過程的在時間上有著高分辨率的成像系統同樣也是十分重要的，高速且有著高時間分辨率的成像系統對于生物化學工作者對細胞組織的微小變化的研究工作有著越來越重要的意義。
[0003]CCD和CMOS圖像傳感器是現今在光成像系統中應用最廣泛的技術。它有著微米級的空間分辨率、大量的成像像素、較高的性價比等優點。在日常生活中，這兩種成像器一般只會擁有30HZ的幀率。盡管通過減少像素數量可以獲得IKHZ的幀率，但必然會降低成像質量。這種成像器的像素靈敏度即像素點的捕捉能力和圖片掃描頻率相互之間是存在較大限制的。要想保證圖像越清晰即像素越靈敏，相應的圖片的掃描頻率必須越低;相反地，如果圖片的掃描頻率越高，那么像素點的捕捉時間越短，圖片也就會越不清晰。這種靈敏度與幀率之間的互相限制也幾乎影響著所有的成像系統。
[0004]因此，急需尋找一種新的光學成像技術來適應現代實驗工作或實際生產的需要。
【發明內容】
[0005]為解決上述技術問題，本發明人經過長期研究，提出一種基于相干接收機的飛秒激光高速數字顯微成像方法，其能夠在保證拍攝清晰度的前提下大幅提高圖片的掃描頻率，同時全數字信息的輸出也便于后期優化處理。
[0006]依據本發明的第一方面，提供一種基于相干接收機的飛秒激光高速數字顯微成像方法，其特征在于，包括以下步驟:
[0007]S1.飛秒激光經濾波和增益色散后一分二成信號光與參考光。
[0008]S2.信號光先經衍射空間散開，后進入透鏡成像系統，攜帶樣品信息后沿光路返回。
[0009]S3.加載完樣品信息的信號光與參考光先經光程匹配和偏振態控制以滿足相干條件，然后一起接進集成相干接收機完成數字相干，后經高速ADC模塊轉化為全數字信息的輸出，之后由高速示波器采集全數字相干數據，最后將數據存儲于計算機并經由編程算法解調復原圖像。
[0010]其中，步驟SI具體為:飛秒激光先經濾波器濾波，后經色散光纖與摻鉺光纖放大器完成增益色散傅里葉變換，然后等比一分二成信號光與參考光。
[0011]其中，步驟S2具體為:信號光先由衍射光柵空間展開，后進入透鏡成像系統，由物鏡聚焦在樣品上，完成信息的加載過程，然后反射回來進入相干采集系統;參考光接延遲線進入相干米集系統。
[0012]依據本發明的第二方面，提供一種實現上述方法的成像裝置，其特征在于包括:飛秒光源、衍射光柵、色散光纖、數字集成相干接收機和高速示波器;所述飛秒光源、色散光纖、衍射光柵、數字集成相干接收機和高速示波器順次相接以組成整套成像系統的主體框架，以完成光源頻域上加載信息、頻域到時域的傅里葉變換、時域上數據相干采集與復原的整個成像過程;所述飛秒光源作為成像光源有著10MHz左右的高重復頻率及持續時間幾十個皮秒的鎖模脈沖輸出；所述衍射光柵可以將一束空間光按頻率大小依次散開;所述色散光纖將飛秒脈沖時域上展寬到納秒量級，其作用等效于寬帶激光頻域到時域的傅里葉變換;所述數字集成相干接收機與高速示波器完成圖片信息以全數字的形式的相干采集。
[0013]進一步地，所述裝置還包括:光纖起偏器、偏振控制器、環形器、空間光準直透鏡、λ/4空間波片、λ/2空間波片、衍射光柵、4F透鏡組、光耦合器、光延遲線、光譜儀;所述光纖起偏器、偏振控制器、環形器、空間光準直透鏡、λ/4空間波片、λ/2空間波片、衍射光柵、4F透鏡組空間上順次相連，組成完整具體的成像系統，環形器的返回輸出端口依次接光耦合器、光延遲線，光耦合器的另一輸出端接光譜儀;所述光纖起偏器、偏振控制器用來控制信號光與參考光的偏振態;所述空間光準直透鏡將激光變成平行空間光;所述λ/4空間波片、λ/2空間波片用來改變信號光進入成像系統前的偏振態;所述4F透鏡組完成信號光的聚焦成像;所述光延遲線用來匹配信號光與參考光的光程;所述耦合器將加載完樣品信息的信號光分兩路，一路輸入到所述光譜儀以便實驗觀察，一路順次接回系統與參考光完成數字相干，最后由計算機算法解調復原。
[0014]本發明實施例對比現今日常生活中廣泛應用的CCD和CMOS兩種圖像控制器來說有如下優點和效果:在極大的百MHz量級的幀率下，能保證成像出來的圖片分辨率和CCD與CMOS芯片成像器達到同等量級，而且正是由于飛秒脈沖10MHz的高重復頻率，此系統還可以用來觀測幾近實時的微觀變化;基于數字相干接收機的全數字數據采集，本實施例可獲得是關于拍攝樣品的全數字信息，非常有利于對照樣品對數字信息做實時分析以及對恢復出來的圖像做各種優化處理。
【附圖說明】
[0015]圖1是依據本發明的基于相干接收機的飛秒激光高速數字微觀成像裝置的結構示意圖；
[0016]圖2是依據本發明的數字相干接收機原理結構圖。
[0017]圖3是數字相干接收機的電源驅動原理圖。
【具體實施方式】
[0018]下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明的一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。另外地，不應當將本發明的保護范圍僅僅限制至下述具體模塊或具體參數。
[0019]本發明基于色散傅立葉變換的時域展寬成像技術被作為有可能應用于細胞實時觀測的一種高速顯微成像技術得到了發明與廣泛研究。
[0020]在本發明中，一種基于相干接收機的飛秒激光高速數字微觀成像方法包括以下步驟:
[0021]S1.飛秒激光經濾波和增益色散后一分二成信號光與參考光。
[0022]S2.信號光先經衍射空間散開，后進入透鏡成像系統，攜帶樣品信息后沿光路返回。
[0023]S3.信號光與參考光一起接入數字相干接收機完成相干，后由高速示波器采集，最后經計算機算法解調復原圖像。
[0024]上述SI的具體步驟為:飛秒激光器后依次接濾波器、色散光纖、摻鉺光纖放大器、可調衰減器、一分二親合器，以完成對激光器輸出激光的濾波、增益、色散，之后一分二成信號光與參考光。
[0025]所述飛秒激光器中心波長在C波段，脈沖重復頻率100MHZ，脈沖持續時間幾個皮秒。
[0026]所述色散光纖的色散量相當于40km單模光纖，可將脈沖展寬到納秒級。
[0027]上述S2的具體步驟為:信號光后依次接激光準直透鏡、衍射光柵、凸透鏡、樣品、反射鏡，先將激光轉為平行空間光，然后空間散開，之后由物鏡聚焦在樣品上完成樣品信息的加載，最后由反射鏡反射回光纖回路。
[0028]所述衍射光柵為每毫米1200線的光柵，對比普通600線的光柵，可以獲得更大的空間光衍射角即空間分辨率。
[0029]所述光加載樣品信息的過程為，一束平行光經衍射光柵散開后，不同頻率的光照射到樣品上不同的位置，攜帶樣品不同位置上的信息。
[0030]更具體地，如圖1所示，基于相干接收機的飛秒激光高速數字微觀成像方法包含三個部分。一是飛秒激光的處理:濾波器2先對飛秒激光器I出射的激光濾波，選定中心波長1550nm以及合適的光譜寬度。色散光纖3、摻鉺光纖放大器4、可調衰減器5對濾波后的激光完成適當的增益色散，將飛秒脈沖展寬到納秒量級。處理完的激光經3dB耦合器6—分二為信號光與參考光。
[0031]二是信號光的信息加載過程:信號光先經偏振控制器10和光纖起偏器11以保證空間光的線偏和最大的光強。然后信號光由環形器12、激光準直透鏡13導入后續的空間光成像系統。λ/4空間波片14和λ/2空間波片15的波片組，可以任意改變空間光的偏振態。衍射光柵16可以將空間光按波長大小依次散開，然后經透鏡組17聚焦在樣品上，最后由平面反射鏡19將加載完樣品信息的信號光反射回光纖。
[0032]三是數字相干及圖像還原:加載完信息的信號光經環形器12重新回到光纖環路，之后經耦合器20—分二，I %的光接光譜儀便于觀測信號光的光譜變化，99%的光接偏振控制器21后接入數字相干采集模塊23;由3dB耦合器6分出的參考光依次經過光纖延遲線7、偏振控制器8、光纖起偏器9、數字相干采集模塊23，以此完成兩路光的光程匹配以及保證參考光的線偏和最大光強，最后與信號光完成數字相干，采集模塊采集相干數據。計算機24將采集獲得的相干數據存儲起來，并由算法解調復原出樣品原圖。
[0033]基于相干接收機的飛秒激光高速數字微觀成像方法中的具體數字相干采集模塊的結構原理如圖2所不，信號光與參考光分別經偏振分束器2301、偏振分束器2302，分出X與Y方向的光場，之后信號光與參考光的X、Y光場分別進入90°光學混頻器2303、2304發生混頻。混頻后就能獲得完整的Χ、Υ偏振方向的信號光信息。Χ、Υ兩偏振方向的光場信息分別由光電探測器2305、2306、2307、2308探測，然后由模數轉換器2309接收轉換，最后由高速示波器2310采集。其中90°光學混頻器的具體結構如圖2右下角所示，X方向偏振的信號光經3dB親合器301—分二，X方向偏振的參考光經3dB親合器303—分二，一部分信號光與一部分參考光經3dB耦合器302耦合，輸出光場經平衡探測器306探測輸出復信號的實部;一部分參考光先經偏振旋轉器305旋轉90°，然后與另一部分信號光經3dB親合器304親合，輸出光場經平衡探測器307探測輸出復信號的虛部，可由這兩部分復原X方向偏振的信號光信息。
[0034]以上所述，僅為本發明較佳的【具體實施方式】，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。本領域普通的技術人員可以理解，在不背離所附權利要求定義的本發明的精神和范圍的情況下，可以在形式和細節中做出各種各樣的修改。
【主權項】
1.一種基于相干接收機的飛秒激光高速數字顯微成像方法，其特征在于，包括以下步驟: 51.飛秒激光經濾波和增益色散后一分二成信號光與參考光； 52.信號光先經衍射空間散開，后進入透鏡成像系統，攜帶樣品信息后沿光路返回； 53.加載完樣品信息的信號光與參考光先經光程匹配和偏振態控制以滿足相干條件，然后一起接進集成相干接收機完成數字相干，后經高速ADC模塊轉化為全數字信息的輸出，之后由高速示波器采集全數字相干數據，最后將數據存儲于計算機并經由編程算法解調復原圖像。2.根據權利要求1所述的基于相干接收機的飛秒激光高速數字顯微成像方法，其特征在于，步驟SI具體為:飛秒激光先經濾波器濾波，后經色散光纖與摻鉺光纖放大器完成增益色散傅里葉變換，然后等比一分二成信號光與參考光。3.根據權利要求1所述的基于相干接收機的飛秒激光高速數字顯微成像方法，其特征在于，步驟S2具體為:信號光先由衍射光柵空間展開，后進入透鏡成像系統，由物鏡聚焦在樣品上，完成信息的加載過程，然后反射回來進入相干采集系統;參考光接延遲線進入相干采集系統。4.一種實現如權利要求1-3任一項所述方法的成像裝置，其特征在于包括:飛秒光源、衍射光柵、色散光纖、數字集成相干接收機和高速示波器;所述飛秒光源、色散光纖、衍射光柵、數字集成相干接收機和高速示波器順次相接以組成整套成像系統的主體框架，以完成光源頻域上加載信息、頻域到時域的傅里葉變換、時域上數據相干采集與復原的整個成像過程。5.根據權利要求4所述的成像裝置，其特征在于:所述飛秒光源作為成像光源有著10MHz左右的高重復頻率及持續時間幾十個皮秒的鎖模脈沖輸出。6.根據權利要求4所述的成像裝置，其特征在于:所述衍射光柵可以將一束空間光按頻率大小依次散開；7.根據權利要求4所述的成像裝置，其特征在于:所述色散光纖將飛秒脈沖時域上展寬到納秒量級，其作用等效于寬帶激光頻域到時域的傅里葉變換。8.根據權利要求4所述的成像裝置，其特征在于:所述數字集成相干接收機與高速示波器完成圖片信息以全數字的形式的相干采集。9.根據權利要求4所述的成像裝置，其特征在于還包括:光纖起偏器、偏振控制器、環形器、空間光準直透鏡、λ/4空間波片、λ/2空間波片、衍射光柵、4F透鏡組、光耦合器、光延遲線、光譜儀;所述光纖起偏器、偏振控制器、環形器、空間光準直透鏡、λ/4空間波片、λ/2空間波片、衍射光柵、4F透鏡組空間上順次相連，組成完整具體的成像系統。10.根據權利要求9所述的成像裝置，其特征在于:環形器的返回輸出端口依次接光耦合器、光延遲線，光耦合器的另一輸出端接光譜儀;所述光纖起偏器、偏振控制器用來控制信號光與參考光的偏振態;所述空間光準直透鏡將激光變成平行空間光;所述λ/4空間波片、λ/2空間波片用來改變信號光進入成像系統前的偏振態;所述4F透鏡組完成信號光的聚焦成像;所述光延遲線用來匹配信號光與參考光的光程;所述耦合器將加載完樣品信息的信號光分兩路，一路輸入到所述光譜儀以便實驗觀察，另一路順次接回系統與參考光完成數字相干，最后由計算機算法解調復原。
【文檔編號】G01N21/01GK105823728SQ201510955037
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2015年12月17日
【發明人】李朝暉, 馮元華, 宋露
【申請人】李朝暉