反射式分光瞳差动共焦-光声显微成像装置与方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种反射式分光瞳差动共焦-光声显微成像装置与方法，属于共焦显 微成像技术和光声显微成像技术领域。 技术背景
[0002] 共焦显微成像技术由于具有光学领域独特的层析成像能力和高空间分辨能力，而 被作为重要的技术手段在生物医学研宄、物理化学研宄、材料测试、微纳测试等领域得到广 泛的应用。但是，现有共焦显微成像技术主要采用物体的散射光或荧光来进行成像，它获得 的仅是被观察物体的结构图像，无法获得细胞或生物大分子的功能图像，同时共焦显微成 像的层析深度仅达亚毫米量级。
[0003] 光声成像是基于光声信号以被测对象的光学吸收特性为对比机制来进行成像，由 于光声信号与生物组织的光学、热学和声学特性有关，因而光声信号所携带的信息量远多 于共焦显微成像中散射光和荧光所携带的信息量，因此，光声成像可实现生物功能的成像， 即可获得生物组织的化学组分及生物学行为（如生长、凋亡、代谢、病变、突变等）特征信 息，同时光声成像的层析深度可达厘米量级。但是，光声成像的分辨力仅达10微米，它无法 实现细胞水平的结构图像。
[0004] 若将上述两种成像技术结合在一起，便能利用共焦显微成像和光声成像各自的技 术优点对生物组织进行光声和共焦互补成像，可获取组织或细胞的更多的信息，同时可通 过共焦聚焦提高横向分辨力，通过超声时间探测进一步拓展层析成像深度。
[0005] 基于上述情况，本发明提出一种同时利用后向散射光子来实现共焦显微成像与光 声成像的反射式分光瞳差动共焦-光声显微成像装置与方法，以期对生物活体进行原位、 无创的实时成像。
[0006] 本发明将反射式分光瞳差动共焦显微成像系统与光声成像系统的结构与功能有 机融合，利用共焦显微成像系统探测被测对象的成分空间信息，利用光声显微成像系统探 测被测对象的成分功能信息，继而实现被测对象成分空间信息和功能信息的同时探测。
[0007] 反射式分光瞳差动共焦显微成像系统的采用使共焦-光声显微成像装置的轴向 分辨力和工作距得以有效兼顾，抑制高散射被测对象焦面杂散光对共焦显微成像质量的干 扰，便于共焦-光声显微成像装置的集成化和手持式设计。
【发明内容】
[0008] 本发明的目的是设计一种反射式分光瞳差动共焦-光声显微成像装置及方法，以 期同时获得被测对象成分空间信息和功能信息。
[0009] 本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
[0010] 本发明的反射式分光瞳差动共焦-光声显微成像装置，包括点光源系统，还包括 依次放置在脉冲光束行进方向的准直透镜、反射聚光镜、三维光束扫描器和被测对象，依次 放置在被测对象背向散射方向来探测光声信号的声学透镜和超声换能器，以及用于探测被 测对象背向散射光或荧光信号的反射式分光瞳差动共焦探测系统；其中，反射式分光瞳差 动共焦探测系统包括：沿被测对象背向散射光行进方向依次放置的三维光束扫描器、反射 聚光镜、集光镜、用于放大集光镜焦斑的中继放大透镜、位于中继放大透镜焦面并使两针孔 关于光轴左右对称放置的双孔针孔，以及放在双孔针孔后的第一光强探测器和第二光强探 测器。
[0011] 本发明的反射式分光瞳差动共焦-光声显微成像装置中，反射聚光镜与声学透镜 背向贴近放置，且经反射聚光镜和三维光束扫描器聚焦的光学焦点与声学透镜的焦点共焦 点。
[0012] 本发明的反射式分光瞳差动共焦-光声显微成像装置中，反射式分光瞳差动共焦 探测系统可以包括：沿被测对象背向散射光行进方向依次放置的三维光束扫描器、反射聚 光镜、集光镜、中继放大透镜和位于中继放大透镜焦面上的CCD探测器。
[0013] 本发明的反射式分光瞳差动共焦-光声显微成像装置中，反射式分光瞳差动共焦 探测系统还可以包括：沿被测对象背向散射光行进方向依次放置的三维光束扫描器、反射 聚光镜、集光镜、中继放大透镜、位于中继放大透镜焦面并使两针孔关于光轴左右对称放置 的双孔针孔以及放在双孔针孔后的二象限光电探测器。
[0014] 本发明的反射式分光瞳差动共焦-光声显微成像装置中，点光源系统可以是光纤 出射点光源系统。
[0015] 本发明的反射式分光瞳差动共焦-光声显微成像装置中，点光源系统还可以由激 光器、放置在激光出射方向的聚焦镜和放置在聚焦镜焦点位置的针孔构成，其中激光器可 采用脉冲激光或周期性强度调制激光，其波长、脉宽和重复频率可根据需要选择。
[0016] 本发明的一种反射式分光瞳差动共焦-光声显微成像方法，包括以下步骤：
[0017] 步骤一、打开点光源系统，使点光源系统出射的光束经准直透镜、反射聚光镜、三 维光束扫描器后聚焦到被测对象上激发出光声信号、散射光或荧光信号；
[0018] 步骤二、利用声学透镜和超声换能器来收集和探测光声信号，用于表征被测对象 的生物功能信息；
[0019] 步骤三、利用反射聚光镜、三维光束扫描器、集光镜、中继放大透镜将探测的被测 对象的散射光或荧光聚焦在位于中继放大透镜焦面出的双孔针孔上，位于双孔针孔后的第 一光强探测器和第二光强探测器各自探测对应针孔出射的强度信号并进行差动相减，即可 探测被测对象的结构图像信息；
[0020] 步骤四、计算机通过三维光束扫描器来控制聚焦光束对被测对象进行三维扫描， 来对被测对象激发出的光声信号、散射光或荧光信号进行实时层析成像；
[0021] 步骤五、计算机将探测的被测对象的光声信号、散射光或荧光信号进行数据融合 处理，即可实现被测对象成份空间信息和功能信息的原位、无创成像。
[0022] 本发明反射式分光瞳差动共焦-光声显微成像方法中，步骤三还可以为：利用反 射聚光镜、三维光束扫描器、集光镜、中继放大透镜将探测的被测对象的散射光或荧光聚焦 在位于中继放大透镜焦面处的CCD探测器上，计算机将焦面上的放大焦斑分割为第一虚拟 针孔和第二虚拟针孔进行强度探测，将第一虚拟针孔探测的第一离轴共焦信号和第二虚拟 针孔探测的第二离轴共焦信号差动相减得到分光瞳差动共焦信号，利用该分光瞳差动共焦 信号即可探测被测对象的结构图像信息；
[0023] 本发明反射式分光瞳差动共焦-光声显微成像方法中，步骤三还可以为：利用反 射聚光镜、三维光束扫描器、集光镜、中继放大透镜将探测的被测对象的散射光或荧光聚焦 在位于中继放大透镜焦面上的双孔针孔，位于双孔针孔后的二象限光电探测器的两个象限 光强探测区域各自探测对应针孔出射的强度信号并进行差动相减，即可探测被测对象的结 构图像信息。
[0024] 有益效果
[0025] 本发明对比已有技术，具有以下优点：
[0026] 1)本发明基于斜入射的激光分光瞳差动共焦显微成像系统，使激发光照射区域与 超声探头检测区域相重合，用同一激发光源通过斜入射照射方式同时激发出光声和荧光信 号，以期实现光声和荧光的同时双成像，可获得单模式方式难以获得的信息；
[0027] 2)斜入射的激光分光瞳差动共焦成像技术，在不降低轴向分辨力的前提下，大幅 增加了成像系统的工作距，使光声成像系统和三维光束扫描器便于集成到反射式共焦-光 声显微成像装置，便于生物活体成份结构信息和功能信息的原位、无创、实时成像；
[0028] 3)在不引入高数值孔径的物镜的条件下，利用低数值孔径的物镜即可提高共焦 系统的轴向分辨力，扩展了共焦显微系统的工作距离，更易于测量装置实现小型化和手持 式；
[0029] 4)分光瞳差动共焦探测方法的采用使测量系统具有绝对零点和双极性跟踪特性， 线性量程范围宽，提高了层析精度的同时还可实现绝对测量；同时提高了系统的信噪比，可 有效地抑制环境状态的差异、光源光强的波动、探测器电气漂移等引起的共模噪声；
[0030] 5)斜入射的激光分光瞳差动共焦成像技术可抑制焦面上生物被测对象杂散光对 共焦显微成像质量的干扰等。
【附图说明】
[0031] 图1.反射式分光瞳差动共焦-光声显微成像装置；
[0032] 图2.反射式分光瞳差动共焦-光声显微成像装置；
[0033] 图3.反射式分光瞳差动共焦-光声显微成像装置；
[0034] 图4.反射式分光瞳差动共焦-光声显微成像装置实施例；
[0035] 图5.反射式分光瞳差动共焦显微成像示意图；
[0036] 图6.分光瞳差动共焦显微结构不意图；
[0037] 图7.反射式分光瞳差动共焦显微与共焦显微成像轴向分辨力比较。
[0038] 其中：1-点光源系统、2-脉冲光束、3-准直透镜、4-反射聚光镜、5-超声换能器， 6-声学透镜、7-被测对象、8-三维光束扫描器、9-集光镜、10-中继放大透镜、11-双孔针 孔、12-第一光强探测器、13-第二光强探测器、14-激光器、15-聚焦镜、16-针孔、17-CCD探 测器、18-光纤出射点光源、19-二象限光电探测器、20-像差补偿半球镜、21-超声探测电路 系统、22-光强彳目号米集系统、23-计算机、24-放大焦斑、25-第一虚拟针孔、26-第二虚拟针 孔、27-第一离轴共焦信号、28-第二离轴共焦信号、29-分光瞳差动共焦信号、30-斜入射激 发光束、31-斜出射被测对象散射光、32-照明光学系统的点扩散函数（PSF)、33_收集光学 系统的PSF、34-合成的系统PSF、35-反射式分光瞳差动共焦仿真轴向响应曲线、36-普通共 焦显微系统的仿真轴向响应曲线。
【具体实施方式】
[0039] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0040] 实施例1
[0041] 本发明实施例基于图4所示的反射式分光瞳差动共焦-光声显微成像装置，包括 激光器14、放置在激光出射方向的聚焦镜15和放置在聚焦镜15焦点处的针孔16构成的点 光源系统1，依次放置在脉冲光束2