一种微分干涉对比显微内窥成像系统及内窥成像方法与流程

1.本发明涉及一种光学显微内窥成像领域技术领域，尤其涉及一种微分干涉对比显微内窥成像系统及内窥成像方法。


背景技术：

2.内窥镜是集中了光学、精密机械、电子电路、软件和算法等各项技术的一体化内窥成像器械。内窥镜通常由镜体、照明系统、操作插入部和主机系统等几部分组成。内窥镜根据使用场景的不同，又可分为医用内窥镜和工业内窥镜。其中，医用内窥镜经人体的天然孔道或是经皮穿刺通道进入人体内，用以观察有关部位的病变情况，辅助医生做出病变诊断或取病灶活检进行病理诊断。同时，部分内窥镜通过集成微型手术机器人，也可对病变组织进行及时治疗或植入具有治疗作用的人造产品。工业内内窥镜则主要用于对人眼无法目及的管道，仪器设备等内部进行检测，主要检查管道焊缝表面有无裂纹、白点、砂眼、气孔和夹渣等。相比较而言，由于人体的特殊使用环境，医用内窥镜对系统的成像性能、稳定性和安全性有着更高的要求。
3.但现有技术中并没有将微分干涉显微技术与内窥镜技术结合以进行精准诊断的技术，而且现有成像技术难以提供样品表面细节信息更为丰富轮廓图像，导致病变组织诊断不精确，以及不能精确地观察工业检测超精细表面轮廓。
4.因此，通过将微分干涉显微技术与传统光学、电子内窥镜技术结合，研制一台具有微分干涉对比显微能力的内窥镜，有望为医生提供样品表面细节信息更为丰富轮廓图像，为医生对病人的病变组织进行诊断，提供更为精确的信息。在工业内窥镜领域，这样一台设备也可用于精密工业检测，为超精细表面轮廓观察提供可能。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种微分干涉对比显微内窥成像系统及内窥成像方法，解决了现有技术中难以提供样品表面细节信息更为丰富轮廓图像，导致病变组织诊断不精确，以及不能精确地观察工业检测超精细表面轮廓的问题。
6.本发明提供一种微分干涉对比显微内窥成像系统，包括：照明光源，用于产生激发光；光导纤维，用于传导激发光；照明光路模块，用于将所述光导纤维传导的所述激发光调制整形并照射被观测样品的表面，其中所述照明光路模块包括自上而下依次设置的准直偏振模块，第一微分干涉棱镜和照明物镜；成像接收模块，用于将所述被观测样品的表面返回的散射光进行解析成像，所述成像接收模块包括自下而上依次设置的成像物镜，第二微分干涉棱镜，第二1/4波片，检偏器，筒镜和成像探测器；电缆，用于传导所述成像接收模块的电信号与外部控制模块连接。
7.进一步地，所述光导纤维为聚合物纤维或石英光导纤维时，所述准直偏振模块包括自上而下依次设置的透镜组件、起偏器和第一1/4波片；所述光导纤维为保偏光纤时，所述准直偏振模块包括自上而下依次设置的透镜组件和第一1/4波片。
8.进一步地，所述第一微分干涉棱镜的干涉面与所述照明物镜的后焦面重合，所述第二微分干涉棱镜的干涉面与所述成像物镜的干涉面重合。
9.进一步地，所述起偏器的晶轴方向或所述保偏光纤的光源偏振方向与所述检偏器的晶轴方向垂直，所述第一1/4波片的晶轴方向位于所述起偏器的晶轴方向顺时针45
°
，所述第一微分干涉棱镜的晶轴方向，所述第二微分干涉棱镜的晶轴方向以及所述第二1/4波片的晶轴方向均位于所述起偏器的晶轴方向逆时针45
°
。
10.进一步地，所述照明光路模块与所述成像接收模块位于所述被观测样品同侧，并集成在内窥镜探头内。
11.进一步地，所述照明光源选自led（发光二极管）光源、ld（镭射二极管）光源或偏振光源之一；所述成像探测器选自coms（互补金属氧化物半导体）探测器或ccd（电荷耦合器件）探测器；所述第一微分干涉棱镜和第二微分干涉棱镜选自沃拉斯顿（wollaston）棱镜或者诺马斯基（nomarski）棱镜。
12.本发明还提供一种微分干涉对比显微内窥成像方法，包括以下步骤：s1：提供照明光源，将来自所述照明光源的光线耦合进入光导纤维；s2：通过所述光导纤维与照明光路模块的连接，所述光导纤维传导的所述激发光经过所述照明光路模块被分割成两个可以相互干涉的寻常光(o光)和非寻常光(e光)并照射到被观测样品的表面，所述被观测样品的表面形成返回的照明光路散射光束；s3：通过成像接收模块对所述被观测样品的表面返回的所述照明光路散射光束进行偏振解析并聚焦成像；s4：所述成像接收模块形成的电信号通过电缆与外部控制模块连接。
13.进一步地，所述步骤s2中，包括以下子步骤：s21：所述光导纤维传导的所述激发光经过准直偏振模块调制整形形成照明光路圆偏振光束；s22：所述照明光路圆偏振光束经过第一微分干涉棱镜分割成两个可以相互干涉的寻常光(o光)和非寻常光(e光)；s23：所述寻常光(o光)和所述非寻常光(e光)经过所述照明物镜照射到所述被观测样品的表面，所述被观测样品的表面形成返回的照明光路散射光束。
14.进一步地，所述步骤s21中，包括以下子步骤：若所述光导纤维为聚合物纤维或石英光导纤维时，则传导的所述激发光经过透镜组件准直，形成照明光路平行光束；所述照明光路平行光束经过起偏器形成照明光路线偏振光束；所述照明光路线偏振光束经过第一1/4波片形成照明光路圆偏振光束；若所述光导纤维为保偏光纤时，则传导的所述激发光为线偏振光束，所述线偏振光束经过透镜组件准直，形成照明光路线偏振光束；所述照明光路线偏振光束经过第一1/4波片形成照明光路圆偏振光束。
15.进一步地，所述步骤s3中，包括以下子步骤：s31：所述被观测样品的表面返回的照明光路散射光束被成像物镜接收，并将所述
照明光路散射光束准直为成像接收平行光束；s32：所述成像接收平行光束被第二微分干涉棱镜重新合束成一个成像接收圆偏振光束；s33：所述成像接收圆偏振光束经过第二1/4波片形成成像接收线偏振光束；s34：所述成像接收线偏振光束经过检偏器将只有携带物体特征信息的成像接收线偏振光束被保留下来，并经过筒镜聚焦成像在成像探测器上。
16.本发明的有益效果是：在本发明中，微分干涉显微技术是一种偏振光干涉技术，显著特征是增强被观察物体的对比度，该技术利用微分干涉棱镜生成寻常光(o光)和非寻常光(e光)，由于两束相干光经过物体后改变了光程差，并在像面发生干涉，使样品表面高度的微小变化在干涉背景上以强烈的光强变化表现出来，形成一种浮雕感，可以观形象地反映出样品表面微观轮廓。微分干涉显微技术可以实现对样品表面纳米级的相位分辨率，观察到样品表面的微细结构，有助于帮助医生通过被观测样品的表面起伏特征判断病灶特征做出诊断。
附图说明
17.图1为本发明的整体结构示意图；图2为本发明成像接收模块的结构示意图；图3为本发明实施例1照明光路模块的结构示意图；图4为本发明实施例1晶轴方向的结构示意图；图5为本发明实施例2照明光路模块的结构示意图；图6为本发明实施例2晶轴方向的结构示意图；图7为本发明实施例1微分干涉方法拍摄到的细胞；图8为普通成像方式拍摄到的细胞。
18.附图标记说明101
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照明光源，102
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光导纤维，103
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照明光路模块，104
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被观测样品，105
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成像接收模块，106
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电缆，201
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透镜组件，202
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起偏器，203
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第一1/4波片，204
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第一微分干涉棱镜，205
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照明物镜，206
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成像物镜，207
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第二微分干涉棱镜，208
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第二1/4波片，209
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检偏器，210
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筒镜，211
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成像探测器，20
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准直偏振模块。
具体实施方式
19.以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
20.见图1
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图6，一种微分干涉对比显微内窥成像系统，包括：照明光源101，用于产生激发光；光导纤维102，用于传导激发光；照明光路模块103，用于将所述光导纤维102传导的所述激发光调制整形并照射被观测样品104的表面，其中所述照明光路模块103包括自上而下依次设置的准直偏振模块20，第一微分干涉棱镜204和照明物镜205；
成像接收模块105，用于将所述被观测样品104的表面返回的散射光进行解析成像，所述成像接收模块105包括自下而上依次设置的成像物镜206，第二微分干涉棱镜207，第二1/4波片208，检偏器209，筒镜210和成像探测器211；电缆106，用于传导所述成像接收模块105的电信号与外部控制模块连接。
21.进一步地，所述光导纤维102为聚合物纤维或石英光导纤维时，所述准直偏振模块20包括自上而下依次设置的透镜组件201、起偏器202和第一1/4波片203；所述光导纤维102为保偏光纤时，所述准直偏振模块20包括自上而下依次设置的透镜组件201和第一1/4波片203。
22.进一步地，所述第一微分干涉棱镜204的干涉面与所述照明物镜205的后焦面重合，所述第二微分干涉棱镜207的干涉面与所述成像物镜206的干涉面重合。
23.进一步地，所述起偏器202的晶轴方向或所述保偏光纤的光源偏振方向与所述检偏器209的晶轴方向垂直，所述第一1/4波片203的晶轴方向位于所述起偏器202的晶轴方向顺时针45
°
，所述第一微分干涉棱镜204的晶轴方向，所述第二微分干涉棱镜207的晶轴方向以及所述第二1/4波片208的晶轴方向均位于所述起偏器202的晶轴方向逆时针45
°
。
24.进一步地，所述照明光路模块103与所述成像接收模块105位于所述被观测样品104同侧，并集成在内窥镜探头内。
25.进一步地，所述照明光源101选自led（发光二极管）光源、ld（镭射二极管）光源或偏振光源之一；所述成像探测器211选自coms（互补金属氧化物半导体）探测器或ccd（电荷耦合器件）探测器；所述第一微分干涉棱镜204和第二微分干涉棱镜207选自沃拉斯顿（wollaston）棱镜或者诺马斯基（nomarski）棱镜。
26.本发明还提供一种微分干涉对比显微内窥成像方法，包括以下步骤：s1：提供照明光源101，将来自所述照明光源101的光线耦合进入光导纤维102；s2：通过所述光导纤维102与照明光路模块103的连接，所述光导纤维102传导的所述激发光经过所述照明光路模块103被分割成两个可以相互干涉的寻常光(o光)和非寻常光(e光)并照射到被观测样品104的表面，所述被观测样品104的表面形成返回的照明光路散射光束；s21：所述光导纤维102传导的所述激发光经过准直偏振模块20调制整形形成照明光路圆偏振光束；若所述光导纤维102为聚合物纤维或石英光导纤维时，则传导的所述激发光经过透镜组件201准直，形成照明光路平行光束；所述照明光路平行光束经过起偏器202形成照明光路线偏振光束；所述照明光路线偏振光束经过第一1/4波片203形成照明光路圆偏振光束；若所述光导纤维102为保偏光纤时，则传导的所述激发光为线偏振光束，所述线偏振光束经过透镜组件201准直，形成照明光路线偏振光束；所述照明光路线偏振光束经过第一1/4波片203形成照明光路圆偏振光束；s22：所述照明光路圆偏振光束经过第一微分干涉棱镜204分割成两个可以相互干涉的寻常光(o光)和非寻常光(e光)；s23：所述寻常光(o光)和所述非寻常光(e光)经过所述照明物镜205照射到所述被观测样品104的表面，所述被观测样品104的表面形成返回的照明光路散射光束；
s3：通过成像接收模块105对所述被观测样品104的表面返回的所述照明光路散射光束进行偏振解析并聚焦成像；s31：所述被观测样品104的表面返回的照明光路散射光束被成像物镜206接收，并将所述照明光路散射光束准直为成像接收平行光束；s32：所述成像接收平行光束被第二微分干涉棱镜207重新合束成一个成像接收圆偏振光束；s33：所述成像接收圆偏振光束经过第二1/4波片208形成成像接收线偏振光束；s34：所述成像接收线偏振光束经过检偏器209将只有携带物体特征信息的成像接收线偏振光束被保留下来，并经过筒镜210聚焦成像在成像探测器211上。
27.s4：所述成像接收模块105形成的电信号通过电缆106与外部控制模块连接。
28.实施例1，见图1
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图4：选取照明光源101选自ld（镭射二极管）光源，光导纤维102选自石英光导纤维，被观测样品104选自人体组织，成像探测器211选自coms（互补金属氧化物半导体）探测器，第一微分干涉棱镜204和第二微分干涉棱镜207选自沃拉斯顿（wollaston）棱镜。
29.照明光路模块103包括自上而下依次设置的透镜组件201、起偏器202、第一1/4波片203、第一微分干涉棱镜204和照明物镜205，成像接收模块105包括自下而上依次设置的成像物镜206、第二微分干涉棱镜207、第二1/4波片208、检偏器209、筒镜210和成像探测器211。
30.其中要注意：第一、第一微分干涉棱镜204的干涉面与照明物镜205的后焦面重合，第二微分干涉棱镜207的干涉面与成像物镜206的干涉面重合；第二、o点表示照明或成像光路与纸面的交点，则在纸面上表示位置关系，起偏器202的晶轴方向与检偏器209的晶轴方向垂直，第一1/4波片203的晶轴方向位于起偏器202的晶轴方向顺时针45
°
，第一微分干涉棱镜204的晶轴方向，第二微分干涉棱镜207的晶轴方向以及第二1/4波片208的晶轴方向均位于起偏器202的晶轴方向逆时针45
°
。
31.实施过程：照明光源101发出的光线通过耦合进入光导纤维102，通过光导纤维102与照明光路模块103的连接，光导纤维102传导的所述激发光经过透镜组件201准直，形成照明光路平行光束，照明光路平行光束经过起偏器202形成照明光路线偏振光，照明光路线偏振光经过第一1/4波片203形成照明光路圆偏振光束，照明光路圆偏振光经过第一微分干涉棱镜204分割成两个可以相互干涉的寻常光(o光)和非寻常光(e光)，虽然起偏器202，第一1/4玻片203和第一微分干涉棱镜204改变了光束的偏振特性，但是光束还是平行的，因此，寻常光(o光)和非寻常光(e光)经过照明物镜205照射到被观测样品104的表面；被观测样品104的表面形成返回的照明光路散射光，因此这两束寻常光(o光)和非寻常光(e光)携带了被观测样品104的特征信息，照明光路散射光被成像物镜206接收，并将照明光路散射光准直为成像接收平行光束，成像接收平行光束被第二微分干涉棱镜207重新合束成一个成像接收圆偏振光束，成像接收圆偏振光束经过第二1/4波片208形成成像接收线偏振光束，成像接收线偏振光束经过检偏器209将只有携带物体特征信息的成像接收线偏振光被保留下来，并经过筒镜210聚焦成像在成像探测器211上，成像探测器211的电信号通过所述电缆（106）与外部控制模块连接。
32.实施例1微分干涉方法拍摄到的细胞如图7所示。
33.实施例2，见图1
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图2，图5
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图6：选取照明光源101选自偏振光源，被观测样品104选自人体组织，成像探测器211选自ccd（电荷耦合器件）探测器，第一微分干涉棱镜204和第二微分干涉棱镜207选自诺马斯基（nomarski）棱镜，光导纤维102选自保偏光纤，因为光导纤维102出射光本来就是偏振光，所以取消起偏器202。
34.照明光路模块103包括自上而下依次设置的透镜组件201、第一1/4波片203、第一微分干涉棱镜204和照明物镜205，成像接收模块105包括自下而上依次设置的成像物镜206、第二微分干涉棱镜207、第二1/4波片208、检偏器209、筒镜210和成像探测器211。
35.其中要注意：第一、第一微分干涉棱镜204的干涉面与照明物镜205的后焦面重合，第二微分干涉棱镜207的干涉面与成像物镜206的干涉面重合；第二、o点表示照明或成像光路与纸面的交点，则在纸面上表示位置关系，保偏光纤的光源偏振方向与检偏器209的晶轴方向垂直，第一1/4波片203的晶轴方向位于保偏光纤的光源偏振方向的晶轴方向顺时针45
°
，第一微分干涉棱镜204的晶轴方向，第二微分干涉棱镜207的晶轴方向以及第二1/4波片208的晶轴方向均位于保偏光纤的光源偏振方向的晶轴方向逆时针45
°
。
36.实施过程：照明光源101发出的光线通过耦合进入光导纤维102，通过光导纤维102与照明光路模块103的连接，光导纤维102传导的所述激发光经过透镜组件201准直，形成平行的照明光路线偏振光束，照明光路线偏振光束经过第一1/4波片203形成照明光路圆偏振光束，照明光路圆偏振光经过第一微分干涉棱镜204分割成两个可以相互干涉的寻常光(o光)和非寻常光(e光)，虽然第一1/4玻片203和第一微分干涉棱镜204改变了光束的偏振特性，但是光束还是平行的，因此，寻常光(o光)和非寻常光(e光)经过照明物镜205照射到被观测样品104的表面；被观测样品104的表面形成返回的照明光路散射光，因此这两束寻常光(o光)和非寻常光(e光)携带了被观测样品104的特征信息，照明光路散射光被成像物镜206接收，并将照明光路散射光准直为成像接收平行光束，成像接收平行光束被第二微分干涉棱镜207重新合束成一个成像接收圆偏振光束，成像接收圆偏振光束经过第二1/4波片208形成成像接收线偏振光束，成像接收线偏振光束经过检偏器209将只有携带物体特征信息的成像接收线偏振光被保留下来，并经过筒镜210聚焦成像在成像探测器211上，成像探测器211的电信号通过所述电缆（106）与外部控制模块连接。
37.对比例1采用普通成像方式拍摄到的实施例1中的人体组织如图8所述。
38.通过比较实施例1和对比例1可知，微分干涉技术的显著特征是增强被观察物体的对比度，将样品的高低起伏特征转化为强度信息，形成一种浮雕感。传统内窥镜拍摄到的样品是二维的，没有样品的高低特征信息，对于一些特殊的病灶，通常有不规则的高低起伏特征，而传统的观察方法拍摄到的图像不含有该类信息，医生很容易忽略掉该类特征。内窥镜中引入微分干涉技术有助于帮助医生通过被观测样品的表面起伏特征判断病灶特征做出诊断。
39.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。