分光瞳共焦-光声显微成像装置与方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种分光瞳共焦-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，本发明提出一种具有大工作距和高轴向分辨力的分光瞳共焦-光 声显微成像装置与方法，以期利用生物体后向散射光子来对生物活体进行原位、无创的实 时成像。
[0006] 本发明将分光瞳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] 分光瞳共焦显微成像系统的采用使共焦-光声显微成像装置在不降低系统轴向 分辨力的前提下大幅增大工作距，便于光学与光声成像系统的集成，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。
【发明内容】
[0008] 本发明的目的是设计一种分光瞳共焦-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] 本发明的一种分光瞳共焦-光声显微成像装置，包括点光源系统，依次放置在点 光源出射方向的离轴放置的准直透镜、对称光轴放置的光学-光声共焦点耦合系统和被测 对象，还包括放置在被测对象背向散射方向来探测光声信号的超声换能器、离轴放置在被 测对象背向散射方向来收集背向散射光强信号的集光透镜，以及探测集光透镜焦面艾里斑 光强信号的点探测系统。
[0011] 本发明的分光瞳共焦-光声显微成像装置中，光学-光声共焦点耦合系统包括对 称光轴放置的中空测量物镜、镶嵌在中空测量物镜孔下端的声学透镜，且中空测量物镜与 声学透镜的共焦点。
[0012] 本发明的分光瞳共焦-光声显微成像装置中，光学-光声共焦点耦合系统还包括 沿光轴方向依次放置的测量物镜、超声换能器阵列和具有柱面声学透镜的波导，且测量物 镜与具有柱面声学透镜的波导的共焦点。
[0013] 本发明的分光瞳共焦-光声显微成像装置中，点探测系统包括放置在集光透镜焦 点上的探测针孔，以及放在探测针孔后用于探测艾里斑微区光强的光强探测器。
[0014] 本发明的分光瞳共焦-光声显微成像装置中，点探测系统还可以是放置在集光透 镜焦点处来探测艾里斑微区光强的光纤点探测系统。
[0015] 本发明分光瞳共焦-光声显微成像装置中，点探测系统还可以包括用于放大集光 透镜焦斑的中继放大透镜、位于中继放大透镜焦面上来探测艾里斑微区光强的CCD探测 器。
[0016] 本发明分光瞳共焦-光声显微成像装置中，点光源系统可以由脉冲激光器、放置 在激光出射方向的聚焦透镜和放置在聚焦透镜焦点处的针孔构成；其中，脉冲激光器（15) 的波长、脉宽和重复频率可根据需要选择。
[0017] 本发明的一种分光瞳共焦-光声显微成像方法，包括以下步骤：
[0018] 步骤一、打开点光源系统，使点光源出射的光束经准直透镜和光学-光声共焦点 耦合系统后聚焦到被测对象上激发出光声信号和光强信号。
[0019] 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；
[0020] 步骤三、利用光学-光声共焦点耦合系统、集光透镜将被测对象的散射光聚焦在 位于集光透镜焦面上的探测针孔上，位于探测针孔后的光强探测器探测针孔出射的艾里斑 微区光强的分光瞳共焦信号，用于表征被测对象的结构图像信息；
[0021] 步骤四、计算机通过二维扫描振镜和轴向物镜扫描系统来控制聚焦光束对被测对 象进行三维层析扫描，来对被测对象激发出的光声信号和光强信号进行三维实时层析探测 成像；
[0022] 步骤五、计算机对探测的被测对象的光声信号与光强信号数据进行融合处理，即 可实现被测对象成分空间信息和功能信息的原位、无创成像。
[0023] 本发明的分光瞳共焦-光声显微成像方法中，步骤三还可为：利用光学-光声共 焦点耦合系统、集光透镜将被测对象的散射光聚焦在位于集光透镜焦点处的光纤点探测系 统，光纤点探测系统用于探测艾里斑微区光强的分光瞳共焦信号，用于表征被测对象的结 构图像信息。
[0024] 本发明分光瞳共焦-光声显微成像方法中，步骤三还可为：利用光学-光声共焦点 耦合系统、集光透镜、中继放大透镜将被测对象的散射光聚焦在位于中继放大透镜焦面上 的CCD探测器上，计算机将CCD探测器探测面上的放大艾里斑分割为艾里斑微区并进行强 度探测得到分光瞳共焦信号，用于表征被测对象的结构图像信息。
[0025] 有益效果
[0026] 本发明对比已有技术，具有以下优点：
[0027] 1)本发明基于斜入射的激光共焦显微成像系统，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，可获得了单模式方式难以获得的信息；
[0028] 2)斜入射的激光共焦成像技术，在不降低轴向分辨力的前提下，可大幅增加成像 系统的工作距，使共焦显微成像系统与光声成像系统在结构上更易于集成，便于生物活体 成分结构信息和功能信息的原位、无创、实时成像；
[0029] 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，更易于测量装置的实现小型化；
[0030] 4)斜入射的激光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.分光瞳共焦-光声显微成像装置；
[0032] 图2.分光瞳共焦-光声显微成像装置；
[0033] 图3.分光瞳共焦-光声显微成像装置；
[0034] 图4.分光瞳共焦-光声显微成像装置实施例；
[0035] 图5.分光瞳共焦显微结构不意图；
[0036] 图6.分光瞳共焦显微成像与共焦显微成像轴向分辨力比较。
[0037] 其中：1_点光源系统、2-准直透镜、3-光学-光声共焦点耦合系统、4-被测对象、 5-中空测量物镜、6-声学透镜、7-点探测系统、8-超声换能器、9-集光透镜、10-艾里斑、 11-探测针孔、12-艾里斑微区、13-分光瞳共焦信号、14-光强探测器、15-脉冲激光器、 16-聚焦透镜、17-针孔、18-光纤出射点光源、19-光纤点探测系统、20-中继放大透镜、 21-放大艾里斑、22-C⑶探测器、23-测量物镜、24-超声换能器阵列、25-具有柱面声学透 镜的波导、26-超声信号探测电路系统、27-计算机、28-光强信号采集系统、29-二维扫描振 镜、30-轴向物镜扫描系统、31-斜入射激发光束、32-斜出射被测对象散射光、33-照明光学 系统点扩散函数（PSF)、34_收集光学系统PSF、35-系统合成PSF、36-仿真分光瞳共焦轴向 特性曲线、37-仿真普通单轴共焦轴向特性曲线。
【具体实施方式】
[0038] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0039] 实施例1
[0040] 本发明实施例基于图4所示的分光瞳共焦-光声显微成像装置，包括脉冲激光器 15、聚焦透镜16和针孔17构成的点光源系统1，依次放置