大視場角多層共軛自適應光學聚焦和顯微系統及方法與流程

2023-12-11 17:01:32 2

本發明涉及基於自適應算法的光學顯微成像領域，尤其是涉及一種大視場角多層共軛自適應光學聚焦和顯微系統及方法。

背景技術：

在生物醫學研究中，由生物組織樣品折射率不均勻性引起的像差嚴重影響了生物樣品的成像質量，並且隨著可觀測生物樣品厚度的增加，理想的聚焦變得更加困難。將自適應光學技術應用於生物醫學成像領域中，可利用可變形反射鏡或空間光調製器，對畸變波前進行補償和校正，從而實現在生物組織內部或者穿透生物組織的聚焦，得到衍射極限解析度的圖像。

在傳統的自適應光學技術中，都採用單個波前校正器來校正單個引導星波前產生的畸變，波前校正器一般位於與顯微物鏡光瞳面共軛的位置，稱之為光瞳型波前校正器(pupiladaptiveoptical,pao)。如圖1所示為傳統的聚焦顯微結構，包括雷射器16、準直擴束透鏡17、準直擴束透鏡18、空間光調製器19、聚焦透鏡20、散射介質21、成像透鏡22、工業相機23。這種自適應光學系統只能校正光學系統引入的相對恆定像差，而無論是生物組織還是大氣湍流一般都是三維物體，不同位置產生的像差也是空間變化的，所以有效校正視場角很小。

技術實現要素：

為了克服上述問題，為了實現對空間變化的像差進行大視場角校正，本發明的目的在於提供了一種大視場角多層共軛自適應光學聚焦和顯微系統，採用多層共軛自適應光學方式(multi-conjugateadaptiveoptical,mcao)在生物醫學成像領域，使用多個導引星和多個波前校正器同時校正散射介質不同厚度處產生的像差，克服了傳統自適應光學成像技術視場角小、非目標點校正誤差大、校正速度慢的缺點，可以實現大視場範圍內的多區域聚焦和高分辨成像。

本發明的目的是通過如下的技術方案實現的：

一、一種大視場角多層共軛自適應光學聚焦和顯微系統：

從雷射器發出的光經過擴束鏡擴束後依次入射到三個空間光調製器上，空間光調製器調製後的光束聚焦到散射介質內部焦平面上，再經成像透鏡通過工業相機或者光電倍增管探測成像；光束經其中兩個空間光調製器校正散射介質造成的像差，光束經另一個空間光調製器校正光學系統引入的相對恆定像差。

所述的散射介質分為兩層，進入散射介質的光束經過散射後聚焦在散射介質靠近成像側的表面；所述的三個空間光調製器包括兩個共軛型空間光調製器和一個光瞳型空間光調製器，兩個共軛型空間光調製器分別共軛於兩層散射介質，分別以校正兩層散射介質層各自在最終成像面上造成的像差；一個光瞳型空間光調製器放置於兩個共軛型空間光調製器和散射介質之間，並位於聚焦透鏡靠近入射側的焦平面處，以校正光學系統在最終成像面上造成的相對恆定像差。

所述的散射介質可採用離體生物組織、活體生物組織、含非螢光小球的瓊脂，或毛玻璃等其中的一種。

所述系統具體包括沿同一光軸依次布置的雷射器、擴束系統、第一匯聚透鏡、第一共軛型空間光調製器、第一準直透鏡、第二匯聚透鏡、第二共軛型空間光調製器、第二準直透鏡、光瞳型空間光調製器、聚焦透鏡、第一散射介質、第二散射介質和聚焦成像系統；從雷射器發出的光經過擴束系統平行擴束後入射到第一匯聚透鏡，第一匯聚透鏡的出射光經第一共軛型空間光調製器調製後入射到第一準直透鏡，第一準直透鏡出射平行光併入射到第二匯聚透鏡匯聚，第二匯聚透鏡出射光經第二共軛型空間光調製器調製後入射到第二準直透鏡，第二準直透鏡出射光經光瞳型空間光調製器調製後入射到聚焦透鏡，第一散射介質和第二散射介質相疊後布置在聚焦透鏡出射端前方，聚焦透鏡出射光依次經第一散射介質和第二散射介質後被聚焦成像系統接收，聚焦透鏡出射光聚焦到第二散射介質靠近聚焦成像系統側的表面。

所述的兩個共軛型空間光調製器需要通過4f系統進行耦合轉接，兩個共軛型空間光調製器分別共軛於兩層散射介質。

所述的第二共軛型空間光調製器、第二準直透鏡、聚焦透鏡、第一散射介質構成了一套4f光學系統；所述的第一共軛型空間光調製器、第一準直透鏡、第二匯聚透鏡、第二準直透鏡、聚焦透鏡、第二散射介質構成了兩套相串接的4f光學系統；所述的第一個共軛型空間光調製器共軛於第二層散射介質的中間平面處，用於校正第二層(深層)散射介質造成的像差；所述的第二個共軛型空間光調製器共軛於第一層散射介質的中間平面處，用於校正第一層(淺層)散射介質造成的像差。

具體來說是，第一共軛型空間光調製器依次經第一準直透鏡、第二匯聚透鏡後會成像到第二匯聚透鏡前方的一個虛擬面處，第一共軛型空間光調製器、第一準直透鏡、第二匯聚透鏡和虛擬面構成了第一套4f光學系統，虛擬面依次經第二準直透鏡、聚焦透鏡後會成像到第二散射介質，虛擬面、第二準直透鏡、聚焦透鏡和第二散射介質構成了第二套4f光學系統。

所述的第一準直透鏡焦點與第一匯聚透鏡焦點重合，第二匯聚透鏡焦點與第一準直透鏡焦點重合，第二準直透鏡焦點與第二匯聚透鏡焦點重合，光瞳型空間光調製器置於聚焦透鏡焦平面處，散射介質靠近聚焦成像系統一側的表面位於聚焦透鏡的焦平面處；第一共軛型空間光調製器和第一匯聚透鏡之間沿光軸的距離等於第二層散射介質的中間平面和聚焦透鏡之間沿光軸的距離，第二共軛型空間光調製器和第二匯聚透鏡之間沿光軸的距離等於第一層散射介質的中間平面和聚焦透鏡之間沿光軸的距離。

所述的擴束系統包括第一準直擴束透鏡和第二準直擴束透鏡，第一準直擴束透鏡和第二準直擴束透鏡依次布置在雷射器發射端的前方，從雷射器發出的光依次經過第一準直擴束透鏡和第二準直擴束透鏡平行擴束後入射到第一匯聚透鏡。

所述的聚焦成像系統包括成像透鏡和工業相機，從散射介質發出的光經成像透鏡後被工業相機接收採集，使得散射介質聚焦的焦點光斑成像在工業相機上。

二、一種大視場角多層共軛自適應光學聚焦和顯微方法，其特徵在於：

1)使用三個空間光調製器對系統進行自適應校正；

2)用校正後的系統對進行光學聚焦和顯微。

所述步驟1)具體為：

1.1)先對第一個共軛型空間光調製器和第二個共軛型空間光調製器作未調製處理，使用光瞳型空間光調製器對系統引入的相對恆定像差進行校正；

1.2)對第一個共軛型空間光調製器作未調製處理，對光瞳型空間光調製器採用步驟1.1)的校正結果進行調製處理，然後使用第二個共軛型空間光調製器對第一層(淺層)散射介質造成的像差進行校正，

1.3)對光瞳型空間光調製器採用步驟1.1)的校正結果進行調製處理，對第二個共軛型空間光調製器採用步驟1.2)的校正結果進行調製處理，最後使用第一個共軛型空間光調製器對第二層(深層)散射介質造成的像差進行校正。

所述步驟1.2)和1.3)均採用構建引導星的方式進行校正：

a)在空間光調製器的像面中心建立一個中心引導星，接著在中心引導星分別和四角之間的四條對角連線段的中點均建立一個角引導星，從而構建五個引導星

b)在系統的光路中加入x軸、y軸振鏡進行掃描後，分別在五個引導星處進行聚焦，對於每個引導星採用相干光學自適應矯正算法獲得矯正相位，以矯正相位加載到空間光調製器上獲得在散射介質內的中間平面上的光強分布，根據光強分布獲得五個引導星各自周圍光強大於校正光強閾值的像面區域；

c)將五個像面區域的矯正相位拼合在一起，並且中心引導星和角引導星的像面區域之間的重疊區域的校正相位選取中心引導星的像面區域的校正相位。

d)空間光調製器工作時在每個像面區域加載各自的校正相位來進行後續成像，其餘區域加載相位為0。

由此對於第二個共軛型空間光調製器和第一個共軛型空間光調製器，本發明使用多個引導星依次校正了散射介質不同層由於折射率分布不均勻造成的像差，提高了校正精度和有效視場角。

本發明具有的有益效果是：

本發明在校正時將三維散射介質分為多層結構，同時使用了多個引導星，可以對散射介質由於折射率不均勻造成的像差進行分層補償，相較於傳統自適應光學成像技術可以實現大視場內更高精度的校正，從而提高聚焦和成像質量。

本發明使用多個空間光調製器，分別共軛於多層散射介質不同厚度處，在光束掃描過程中空間光調製器與相應樣品層的相對位置不會發生變化，從而可以校正在介質不同位置造成的像差，克服了傳統自適應光學成像技術視場角小、非目標點校正誤差大的缺點，可以實現大視場角多區域聚焦和高分辨成像。

同時本發明可以很方便地與現有的各種生物醫學成像技術相結合，提高現有成像技術的聚焦和成像質量，為開展行為學或神經環路等研究提供更加優良的實驗基礎。

附圖說明

圖1為傳統的自適應光學系統(光瞳型波前矯正)結構示意圖。

圖2為本發明系統(共軛型波前矯正)結構示意圖。

圖3為圖2裝置的虛線框部分的放大圖。

圖4為本發明實施例的引導星在像面的分布圖。

圖5為理想艾裡斑的x軸及y軸光強分布。

圖6為聚焦在主對角線(如圖4)的光斑的x軸和y軸的半高全寬。

圖7為聚焦在副對角線(如圖4)的光斑的x軸和y軸的半高全寬。

圖中：雷射器1、第一準直擴束透鏡2、第二準直擴束透鏡3、第一匯聚透鏡4、第一共軛型空間光調製器5、第一準直透鏡6、第二匯聚透鏡7、第二共軛型空間光調製器8、第二準直透鏡9、光瞳型空間光調製器10、聚焦透鏡11、第一層散射介質12、第二層散射介質13、成像透鏡14、工業相機15；雷射器16、準直擴束透鏡17、準直擴束透鏡18、空間光調製器19、聚焦透鏡20、散射介質21、成像透鏡22、工業相機23。

具體實施方式

下面結合實施例和附圖來詳細說明本發明，但本發明並不僅限於此。

如圖2所示，本發明具體包括沿同一光軸依次布置的雷射器1、第一準直擴束透鏡2、第二準直擴束透鏡3、第一匯聚透鏡4、第一共軛型空間光調製器5、第一準直透鏡6、第二匯聚透鏡7、第二共軛型空間光調製器8、第二準直透鏡9、光瞳型空間光調製器10、聚焦透鏡11、第一散射介質12、第二散射介質13和聚焦成像系統。從雷射器1發出的光經過第一準直擴束透鏡2、第二準直擴束透鏡3平行擴束後入射到第一匯聚透鏡4，第一匯聚透鏡4的出射光經第一共軛型空間光調製器5調製後入射到第一準直透鏡6，第一準直透鏡6出射平行光併入射到第二匯聚透鏡7匯聚，第二匯聚透鏡7出射光經第二共軛型空間光調製器8調製後入射到第二準直透鏡9，第二準直透鏡9出射光經光瞳型空間光調製器10調製後入射到聚焦透鏡11，第一散射介質12和第二散射介質13相疊後布置在聚焦透鏡11出射端前方，聚焦透鏡11出射光依次經第一散射介質12和第二散射介質13後被聚焦成像系統接收，聚焦透鏡11出射光聚焦到第二散射介質13靠近聚焦成像系統側的表面，如圖3所示。

具體來說是：第一準直擴束透鏡2和第二準直擴束透鏡3依次布置在雷射器1發射端的前方，從雷射器1發出的光依次經過第一準直擴束透鏡2和第二準直擴束透鏡3平行擴束後入射到第一匯聚透鏡4。

第一準直擴束透鏡2、第二準直擴束透鏡3位於雷射器1發射端的前方，第一匯聚透鏡4前方置有第一共軛型空間光調製器5，第一共軛型空間光調製器5前方置有第一準直透鏡6，第一準直透鏡6前方置有第二匯聚透鏡7，第二匯聚透鏡7的前方安置有第二共軛型空間光調製器8，第二共軛型空間光調製器8前方安置有第二準直透鏡9，從第二準直透鏡9前方安置有光瞳型空間光調製器10，光瞳型空間光調製器10前方安置有聚焦透鏡11；聚焦透鏡11前方安置有第一層散射介質12和第二層散射介質13，兩層散射介質相互接觸，第二層散射介質13前方安置有成像透鏡14，成像透鏡14前方安置有工業相機15。

光束是從雷射器1發出，光束經過第一準直擴束透鏡2、第二準直擴束透鏡3平行擴束後入射到第一匯聚透鏡4，第一匯聚透鏡4的出射光入射到第一共軛型空間光調製器5，第一共軛型空間光調製器5出射光入射到第一準直透鏡6，從第一準直透鏡6出射的平行光入射到第二匯聚透鏡7，第二匯聚透鏡7的出射光入射到第二共軛型空間光調製器8，第二共軛型空間光調製器8出射光入射到第二準直透鏡9，第二準直透鏡9出射光入射到光瞳型空間光調製器10，光瞳型空間光調製器10出射光入射到聚焦透鏡11，從聚焦透鏡11發出的光入射到第一層散射介質12和第二層散射介質13，從第一層散射介質12和第二層散射介質13發出的光被成像透鏡14收集起來，第二層散射介質13後表面處的焦點光斑經成像透鏡14成像在工業相機15上。

所有光學元件都與雷射光束共軸。

第一準直透鏡6焦點與第一匯聚透鏡4焦點重合，第二匯聚透鏡7焦點與第一準直透鏡6焦點重合，第二準直透鏡9焦點與第二匯聚透鏡7焦點重合，光瞳型空間光調製器10置於聚焦透鏡11焦平面處，散射介質13靠近聚焦成像系統一側的表面位於聚焦透鏡11的焦平面處；第一共軛型空間光調製器5和第一匯聚透鏡4之間沿光軸的距離等於第二層散射介質13的中間平面和聚焦透鏡11之間沿光軸的距離，第二共軛型空間光調製器8和第二匯聚透鏡7之間沿光軸的距離等於第一層散射介質12的中間平面和聚焦透鏡11之間沿光軸的距離。

具體的算法結合相干光學自適應矯正算法和多個引導星確定校正相位的算法。

本發明工作工程如下：

從雷射器1發出的雷射經過擴束系統擴束後依次入射到三個空間光調製器上，其中兩個共軛型空間光調製器5和8分別共軛於散射介質12和13的不同厚度處，用於校正相應散射介質層造成的像差；第三個光瞳型空間光調製器10位於聚焦透鏡11後瞳面處，用於校正系統光學系統引入的相對恆定像差。三個空間光調製器調製後的光束經過聚焦透鏡11聚焦到散射介質內部焦平面上，再被成像透鏡14成像在工業相機15上。

校正時，先使用光瞳型空間光調製器10對系統光學系統引入的相對恆定像差進行校正，在第二準直透鏡3和第一匯聚透鏡4加入x軸、y軸振鏡掃描後，先後確定如圖4的五個引導星(空間光調製器共有64x64個像素，劃分區域8x8個區域)，然後分別使用第二個共軛型空間光調製器8對第一層散射介質12造成的像差適用相干光學自適應矯正算法進行校正，最後使用第一個共軛型空間光調製器5對第二層散射介質13造成的像差使用相干光學自適應矯正算法進行校正。

具體對於第二個共軛型空間光調製器8和第一個共軛型空間光調製器5獲得校正相位：

a)如圖4，在空間光調製器的像面中心建立一個中心引導星，接著在中心引導星分別和四角之間的四條對角連線段的中點均建立一個角引導星，從而構建五個引導星

b)在系統的光路中加入x軸、y軸振鏡進行掃描後，分別在五個引導星處進行聚焦，獲得五個引導星各自周圍光強大於校正光強閾值的像面區域，像面區域如圖4中的引導星周圍的橢圓，對於每個像面區域採用相干光學自適應矯正算法獲得區域的校正相位，

c)空間光調製器在每個像面區域加載各自的校正相位進行後續成像，並且中心引導星和角引導星的像面區域之間的重疊區域的校正相位選取中心引導星的像面區域的校正相位。

具體仿真模擬中，雷射光源的中心波長為510nm，透鏡的焦距都為10mm，透鏡的孔徑直徑為3mm，光束直徑為0.1875mm(3/16mm)，空間光調製器共有64x64個像素。未經過散射介質的理想艾裡斑的x軸和y軸半高全寬都為28.007μm，如圖5所示。

為了對比多層共軛自適應矯正技術與共軛型自適應矯正技術，比較圖1所示的只有一個空間光調製器的光學系統和本發明具有三個特殊空間光調製器的光學系統，使用x軸、y軸掃描振鏡掃描整個像面分別聚焦在不同位置，確定聚焦在不同位置處時的半高全寬，並取兩條對角線(如圖4)分別繪製兩條曲線，得到結果圖6和圖7。實線是使用傳統光瞳型自適應光學(pao)系統(圖1)矯正像差後的半高全寬分布，虛線是使用本發明多層共軛型自適應光學(mcao)系統(圖2)矯正像差後的半高全寬分布。圖中可見，在兩個掃描方向上，對於本發明的系統x軸和y軸半高全寬分布較傳統系統都更平均，且平均半高全寬大幅減小，即x軸，y軸解析度大幅提升。圖5的理想艾裡斑的x軸、y軸半高全寬為28.009um.，若規定半高全寬小於30um為有效視場。則對於傳統自適應光學系統，有效視場直徑約為42個像素；對於本發明使用的光學系統，有效視場直徑約為64個像素。本發明的大視場理論上能與空間光調製器的尺寸相同，本實施例的大視場達到了直徑為0.1875mm，較傳統方法的視場直徑為0.1230um，提升了52.3％。由此可以證明多層共軛技術實現了相對較大視場內良好的聚焦效果。

由此可見本發明使用多個導引星和多個波前校正器同時校正生物樣品不同厚度處產生的像差，克服了傳統自適應光學成像技術視場角小、非目標點校正誤差大、校正速度慢的缺點，實現了大視場角多層共軛自適應光學校正以及高質量聚焦和高分辨顯微成像。