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申请/专利权人：南京云力跨境科技有限公司

摘要：一种传像用柔性光路，特别是多片透镜组通过机械万向节相连以实现多自由度转动而形成的可弯曲传像光路，它包括一组耦合透镜，多组中继透镜，一组物镜和多组机械万向节；耦合透镜，多组终极透镜和物镜之间通过机械万向节相连，实现了多自由度转动；中继透镜将二维扫描平面成像在相邻两组中继透镜的空气间隙中，从而实现超快激光的二维扫描传输；本发明结构简单，体积小，成本低，可代替传像光纤束用于弯曲管道内图像的无失真高分辨率传输。

主权项：1.一种传像用柔性光路，其特征在于：它包括一组耦合透镜，多组中继透镜，一组物镜和多组机械万向节；耦合透镜的输入端与外部透镜等元件相连；耦合透镜的输出端与第一组中继透镜的输入端相连；第一组中继透镜的输出端与第一组机械万向节的输入端相连；第一组机械万向节的输出端与第二组中继透镜的输入端相连；以此类推，第N组中继透镜的输出端与第N组机械万向节的输入端相连；第N组机械万向节的输出端与物镜的输入端相连；物镜的输出端与外部样品相连；外部二维扫描器及其附属透镜将二维扫描超快激光通过耦合透镜导入第一组中继透镜，第一组中继透镜将二维平面成像在第一组中继透镜和第二组中继透镜之间的空气间隙中，第二组中继透镜将二维平面继续成像在第二组中继透镜和第三组中继透镜之间的空气间隙中，以此类推，第N组中继透镜将二维平面继续成像在第N组中继透镜和物镜之间的空气间隙中,二维扫描超快激光通过物镜扫描聚焦在外部样品中，在焦点处激发出的非线性光学信号由物镜收集并成像在物镜和第N组中继透镜之间的空气间隙中，第N组中继透镜将二维平面继续成像在第N组中继透镜和第N-1组中继透镜之间的空气间隙中，以此类推，第二组中继透镜将二维平面继续成像在第二组中继透镜和第一组中继透镜之间的空气间隙中；第一组中继透镜将二维平面继续成像在第一组中继透镜和外部透镜之间的空气间隙中，由外部透镜收集并传输至外部光电检测器，所述的耦合透镜为消色差或复消色差设计，设计波长为100nm至2000nm之间的多个任意波长，耦合透镜的材料为光学玻璃或高分子聚合物或以上两者的复合，表面有增强透射率的光学镀膜，用于将外部光导入多组中继透镜，中继透镜为消色差或复消色差设计，设计波长为100nm至2000nm之间的多个任意波长，中继透镜的材料为光学玻璃或高分子聚合物或以上两者的复合，表面有增强透射率的光学镀膜，用于超快激光的二维平面进行中继成像，多组中继透镜之间具有空气间隙，超快激光的二维扫描平面被聚焦在空气间隙中，相邻两组中继透镜通过可转动的机械万向节相连接，所述的物镜为复消色差设计，设计波长为100nm至2000nm之间的多个任意波长。

全文数据：一种传像用柔性光路技术领域[0001]本发明涉及一种传像用柔性光路，特别是多片透镜组通过机械万向节相连以实现多自由度转动而形成的可弯曲传像光路，可代替传像光纤束用于弯曲管道内图像的无失真高分辨率传输。背景技术[0002]为了在弯曲管状结构内实现图像的无失真传输，通常的方法是采用传像光纤束Imagingopticalfiberbundle。传像光纤束与照明光纤束均由多达数千至数万根光纤组成。传像光纤束两端的光纤排列完全相同，其中每根光纤在两端的位置——对应，使传像光纤束一侧的图像能够完整不失真地传输到传像光纤束的另一侧;而照明光纤束两端的光纤排列完全不同，照明光纤束一侧的图像传输到传像光纤束的另一侧时已经完全打乱，因此照明光纤束只能用于照明。[0003]传像光纤束的优点是直径小，具有一定可弯曲性对于两端和中间都粘合的传像光纤束取决于单根光纤的直径，数量等参数;对于两端粘合，中间散开不粘合的传像光纤束则不存在此问题等优点。但是传像光纤束也存在很多缺点：1•加工工艺复杂，成本较高;2.存在一定断丝率，长期使用影响成像品质;3.无法高质量传输超快激光脉冲，导致无法被用于非线性光学成像：常见的非线性光学效应包括双三光子激发荧*Tw^Third_ph〇t〇nExcitedFluorescence，TPEFThirdPEF，双光子激发自发荧光（Two-ph〇t〇nExcitedAutofluorescence，TPEAF，—•二次谐波发生（SecondThirdHarmonicGeneration,SHGTHG，相干反斯托克斯拉曼散射CoherentAnti-StrokesRamanScattering,CARS等。这些非线性光学效应通常采用飞秒激光或皮秒激光作为激发光源。激发光源发出的超快激光脉冲在普通光纤和透镜等光学元件中传输主要受到自相位调制（SelfPhaseModulation,SPM，与光强有关和群速度延迟GroupVelocityDelay，GVD这两种效应影响而展宽。传像光纤束由数千至数万根单模光纤组成，由于每根单模光纤的直径仅为数微米，脉宽l〇〇fs能量1OnJ的激光脉冲在单模光纤中经过丨cm的长度由于自相位调制效应就被展宽到l-l〇ps，峰值能量大大降低。能量越强，自相位调制效应越明显，且很难补偿。展宽后的激光脉冲继续在光纤中传播会以群速度延迟效应带来的展宽为主，而这种展宽是可以被补偿的。展宽的激光脉冲会使非线性效应的激发效率大大降低。因此传像光纤束虽然已被用于单光子^光激发的共聚焦confocal内窥成像，而却无法用于非线性光学成像。4•成像分辨率低:采用传像光纤束的光学成像系统的分辨率=传像光纤束中相邻两根单模光纤中心的间距*物镜的数值孔径传像光纤束的数值孔径，常见的传像光纤束中相邻两根单模光纤中心的间距最小在3um左右，传像光纤束的数值孔径约为〇.5左右，而受传像光纤束的应用的局限性，物镜往往无法使用台式显微镜的标准高数值孔径物镜，只能使用小直径的微型物镜，其数值孔径最高为0•5-〇•8左右，因此采用传像光纤束的光学成像系统的分辨率通常为2_3um，个别最小为l.Oum例如法国CellvizioGastroFlexUHD;5.成像为网格状，需要后期图像处理，成像质量低，相邻光纤之间存在信号串扰，相邻光纤之间材料易被激发产生荧光噪声等。[0004]为了解决传像光纤束存在的上述问题，本发明采用了多片透镜组通过机械万向节相连以实现多自由度转动而形成的可弯曲传像光路，可代替传像光纤束用于弯曲管道内图像的无失真高分辨率传输。发明内容[0005]本发明涉及一种传像用柔性光路，特别是多片透镜组通过机械万向节相连以实现多自由度转动而形成的可弯曲传像光路，可代替传像光纤束用于弯曲管道内图像的无失真高分辨率传输。[0006]为实现上述目的，本发明采用技术方案是:它包括一组耦合透镜，多组中继透镜，一组物镜和多组机械万向节。耦合透镜的输入端与外部透镜等元件相连;耦合透镜的输出端与第一组中继透镜的输入端相连;第一组中继透镜的输出端与第一组机械万向节的输入端相连;第一组机械万向节的输出端与第二组中继透镜的输入端相连；以此类推，第N组中继透镜的输出端与第N组机械万向节的输入端相连;第N组机械万向节的输出端与物镜的输入端相连;物镜的输出端与外部样品相连;外部二维扫描器及其附属透镜等元件将二维扫描超快激光通过耦合透镜导入第一组中继透镜，第一组中继透镜将二维平面成像在第一组中继透镜和第二组中继透镜之间的空气间隙中，第二组中继透镜将二维平面继续成像在第二组中继透镜和第三组中继透镜之间的空气间隙中，以此类推，第N组中继透镜将二维平面继续成像在第N组中继透镜和物镜之间的空气间隙中，二维扫描超快激光通过物镜扫描聚焦在外部样品中，在焦点处激发出的非线性光学信号由物镜收集并成像在物镜和第N组中继透镜之间的空气间隙中，第N组中继透镜将二维平面继续成像在第N组中继透镜和第N-1组中继透镜之间的空气间隙中，以此类推，第二组中继透镜将二维平面继续成像在第二组中继透镜和第一组中继透镜之间的空气间隙中；第一组中继透镜将二维平面继续成像在第一组中继透镜和外部透镜之间的空气间隙中，由外部透镜收集并传输至外部光电检测器。[0007]所述的親合透镜为复消色差设计，设计波长为l〇〇nm至2000nm之间的任意3个波长，材料为光学玻璃或高分子聚合物或以上两者的复合，表面有增强透射率的光学镀膜，用于将外部光导入多组中继透镜；所述的中继透镜为复消色差设计，设计波长为l〇〇nm至2000nm之间的任意3个波长，材料为光学玻璃或高分子聚合物或以上两者的复合，表面有增强透射率的光学镀膜，用于超快激光的二维平面进行中继成像，多组中继透镜之间具有空气间隙，超快激光的二维扫描平面被聚焦在空气间隙中，相邻两组中继透镜通过可转动的机械万向节相连接；所述的物镜为复消色差设计，设计波长为l〇〇nm至2000nm之间的任意3个波长，材料为光学玻璃或高分子聚合物或以上两者的复合，表面有增强透射率的光学镀膜，用于将入射的超快激光聚焦在外部样品中，激发出非线性光学信号，并以落射式检测的方式收集非线性光学信号；所述的机械万向节用于将相邻两片透镜的XYZ三个平动自由度限制，使相邻两片透镜只能以穿过各自的焦平面与各自光轴的交点的某一旋转轴在三维空间做自由旋转运动，该机械万向节的中部为空心结构，不阻挡相邻两片透镜之间的二维平面，该机械万向节简化后则成为铰链，使相邻两片透镜只能以穿过各自的焦平面与各自光轴的交点的旋转轴在二维平面做自由旋转运动，该机械万向节为金属或高分子聚合物或碳纤维或以上材料的复合。[0008]本发明的工作原理是这样的：以实现TPEAF，SHG和CARS的检测为例说明，外部超快激光光源提供817nm的飞秒激光以及1064nm的皮秒激光。二者同轴共线，其中817nm飞秒激光用于TPEAF，SHG的激发光，产生500nm的TPEAF和400nm的SHG信号，也用作CARS的泵浦光，产生633nm的CARS信号；l〇64nm的皮秒激光用作CARS的斯托克斯光。包含817nm的飞秒激光以及1064mn的皮秒激光的超快激光脉冲（以下简称超快激光脉冲经过外部二维扫描器进行二维扫描，之后通过扫描透镜，套筒透镜和显微镜物镜等一系列扫描光路，进入本发明。多组中继透镜用于超快激光的二维扫描平面进行中继成像，多组中继透镜之间具有空气间隙，超快激光的二维扫描平面被聚焦在空气间隙中，避免了无法补偿的自相位调制效应带来的超快激光脉冲展宽，而由激发光路中介质带来的群延迟色散可由外部脉宽压缩器对超快激光脉冲进行预压缩来补偿。相邻两组中继透镜通过机械万向节相连接，从而实现了二维扫描超快激光的弯曲传输。第N组中继透镜将二维扫描平面继续成像在第N组中继透镜和物镜之间的空气间隙中，超快激光通过物镜扫描聚焦在外部样品中，在焦点处激发出的400mn的SHG，500nm的TPEAF和633nm的CARS信号再由物镜收集。在焦点处激发出的非线性光学信号由物镜收集并成像在物镜和第N组中继透镜之间的空气间隙中，第N组中继透镜将二维平面继续成像在第N组中继透镜和第N-1组中继透镜之间的空气间隙中，以此类推，第二组中继透镜将二维平面继续成像在第二组中继透镜和第一组中继透镜之间的空气间隙中；第一组中继透镜将二维平面继续成像在第一组中继透镜和外部透镜之间的空气间隙中，由外部透镜收集并传输至外部光电检测器。外部光电检测器为多个光电倍增管或雪崩二极管。非线性光学信号通过多片外部二向色镜将不同波长的信号分离出来由不同的光电倍增管或雪崩二极管进行检测。[0009]本发明由于采用了上述技术方案，具有如下优点：1、多片透镜组通过机械万向节相连以实现多自由度转动而形成的可弯曲传像光路，实现了二维扫描超快激光的弯曲传输；2、通过将二维扫描平面的焦点置于多组中继透镜之间的空气间隙中，避免了无法补偿的自相位调制效应带来的超快激光脉冲展宽;而由激发光路中介质带来的群延迟色散可由外部脉宽压缩器对超快激光脉冲进行预压缩来补偿；3、结构简单，体积小，成本低，能够对TPEAF，SHG，CARS等多种非线性信号进行同时检测；4、分辨率高，不受传像光纤束的相邻光纤中心间距对分辨率的限制；5、成像质量高，无传像光纤束网格状成像等缺点。附图说明[0010]图1为本发明的结构框图；图2为本发明的结构示意图；图3为本发明的与外部光学成像设备的连接示意图。具体实施方式[0011]下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：如图1-3所示，它包括一组耦合透镜1，多组中继透镜2.1-2•N，一组物镜3和多组机械万向节4.1-4.N。耦合透镜1的输入端与外部透镜等元件相连;耦合透镜1的输出端与第一组中继透镜2.1的输入端相连;第一组中继透镜2.1的输出端与第一组机械万向节4.1的输入端相连;第一组机械万向节4.1的输出端与第二组中继透镜2.2的输入端相连；以此类推，第N组中继透镜2.N的输出端与第N组机械万向节4.N的输入端相连;第N组机械万向节4.N的输出端与物镜3的输入端相连;物镜3的输出端与外部样品相连;外部二维扫描器及其附属透镜等元件将二维扫描超快激光通过耦合透镜1导入第一组中继透镜2.1，第一组中继透镜2.1将二维平面成像在第一组中继透镜2.1和第二组中继透镜2.2之间的空气间隙中，第二组中继透镜2.2将二维平面继续成像在第二组中继透镜2.2和第三组中继透镜2.3之间的空气间隙中，以此类推，第N组中继透镜2.N将二维平面继续成像在第N组中继透镜2.N和物镜3之间的空气间隙中，二维扫描超快激光通过物镜3扫描聚焦在外部样品中，在焦点处激发出的非线性光学信号由物镜3收集并成像在物镜3和第N组中继透镜2.N之间的空气间隙中，第N组中继透镜2.N将二维平面继续成像在第N组中继透镜2.N和第N-1组中继透镜2.N-1之间的空气间隙中，以此类推，第二组中继透镜2.2将二维平面继续成像在第二组中继透镜2.2和第一组中继透镜2.1之间的空气间隙中；第一组中继透镜2.1将二维平面继续成像在第一组中继透镜2.1和外部透镜之间的空气间隙中，由外部透镜收集并传输至外部光电检测器。[0012]所述的耦合透镜1为复消色差设计，设计波长为lOOnm至2000nm之间的任意3个波长，材料为光学玻璃或高分子聚合物或以上两者的复合，表面有增强透射率的光学镀膜，用于将外部光导入多组中继透镜2.1-2.N;所述的中继透镜2.1-2•N为复消色差设计，设计波长为1〇〇nm至2000nm之间的任意3个波长，材料为光学玻璃或高分子聚合物或以上两者的复合，表面有增强透射率的光学镀膜，用于超快激光的二维平面进行中继成像，多组中继透镜2.1-2.N之间具有空气间隙，超快激光的二维扫描平面被聚焦在空气间隙中，相邻两组中继透镜2.1-2.N通过可转动的机械万向节4.1-4.N相连接；所述的物镜3为复消色差设计，设计波长为lOOnm至2000nm之间的任意3个波长，材料为光学玻璃或高分子聚合物或以上两者的复合，表面有增强透射率的光学镀膜，用于将入射的超快激光聚焦在外部样品中，激发出非线性光学信号，并以落射式检测的方式收集非线性光学信号；所述的机械万向节4.1-4.N用于将相邻两片透镜的XYZ三个平动自由度限制，使相邻两片透镜只能以穿过各自的焦平面与各自光轴的交点的某一旋转轴在三维空间做自由旋转运动，该机械万向节4.1-4.N的中部为空心结构，不阻挡相邻两片透镜之间的二维平面，该机械万向节4•1-4•N简化后则成为铰链，使相邻两片透镜只能以穿过各自的焦平面与各自光轴的交点的旋转轴在二维平面做自由旋转运动，该机械万向节4.1-4.N为金属或高分子聚合物或碳纤维或以上材料的复合。[0013]本发明的工作原理是这样的：以实现TPEAF，SHG和CARS的检测为例说明，外部超快激光光源提供817nm的飞秒激光以及1064nm的皮秒激光。二者同轴共线，其中817nm飞秒激光用于TPEAF，SHG的激发光，产生500nm的TPEAF和400nm的SHG信号，也用作CARS的泵浦光，产生633nm的CARS信号；1064nm的皮秒激光用作CARS的斯托克斯光。包含817nm的飞秒激光以及1064nm的皮秒激光的超快激光脉冲（以下简称超快激光脉冲经过外部二维扫描器进行二维扫描，之后通过扫描透镜，套筒透镜和显微镜物镜等一系列扫描光路，进入本发明。多组中继透镜2.1-2.N用于超快激光的二维扫描平面进行中继成像，多组中继透镜2.1-2.N之间具有空气间隙，超快激光的二维扫描平面被聚焦在空气间隙中，避免了无法补偿的自相位调制效应带来的超快激光脉冲展宽，而由激发光路中介质带来的群延迟色散可由外部脉宽压缩器对超快激光脉冲进行预压缩来补偿。相邻两组中继透镜通过机械万向节相连接，从而实现了二维扫描超快激光的弯曲传输。第N组中继透镜2.N将二维扫描平面继续成像在第N组中继透镜2.N和物镜3之间的空气间隙中，超快激光通过物镜3扫描聚焦在外部样品中，在焦点处激发出的400nm的SHG，5〇Onm的TPEAF和633nm的CARS信号再由物镜3收集。在焦点处激发出的非线性光学信号由物镜3收集并成像在物镜3和第N组中继透镜2.N之间的空气间隙中，第N组中继透镜2•N将二维平面继续成像在第N组中继透镜2.N和第N-1组中继透镜2•N-1之间的空气间隙中，以此类推，第二组中继透镜2•2将二维平面继续成像在第二组中继透镜2•2和第一组中继透镜2•1之间的空气间隙中；第一组中继透镜2.1将二维平面继续成像在第一组中继透镜2.1和外部透镜之间的空气间隙中，由外部透镜收集并传输至外部光电检测器。外部光电检测器为多个光电倍增管或雪崩二极管。非线性光学信号通过多片外部二向色镜将不同波长的信号分离出来由不同的光电倍增管或雪崩二极管进行检测。

权利要求：1.一种传像用柔性光路，其特征在于：它包括一组耦合透镜，多组中继透镜，一组物镜和多组机械万向节;耦合透镜的输入端与外部透镜等元件相连;耦合透镜的输出端与第一组中继透镜的输入端相连;第一组中继透镜的输出端与第一组机械万向节的输入端相连；第一组机械万向节的输出端与第二组中继透镜的输入端相连；以此类推，第N组中继透镜的输出端与第N组机械万向节的输入端相连;第N组机械万向节的输出端与物镜的输入端相连;物镜的输出端与外部样品相连;外部二维扫描器及其附属透镜等元件将二维扫描超快激光通过耦合透镜导入第一组中继透镜，第一组中继透镜将二维平面成像在第一组中继透镜和第二组中继透镜之间的空气间隙中，第二组中继透镜将二维平面继续成像在第二组中继透镜和第三组中继透镜之间的空气间隙中，以此类推，第N组中继透镜将二维平面继续成像在第N组中继透镜和物镜之间的空气间隙中，二维扫描超快激光通过物镜扫描聚焦在外部样品中，在焦点处激发出的非线性光学信号由物镜收集并成像在物镜和第N组中继透镜之间的空气间隙中，第N组中继透镜将二维平面继续成像在第N组中继透镜和第N-1组中继透镜之间的空气间隙中，以此类推，第二组中继透镜将二维平面继续成像在第二组中继透镜和第一组中继透镜之间的空气间隙中；第一组中继透镜将二维平面继续成像在第一组中继透镜和外部透镜之间的空气间隙中，由外部透镜收集并传输至外部光电检测器。2.如权利要求1所述的一种传像用柔性光路，其特征在于:所述的耦合透镜为消色差或复消色差设计，设计波长为lOOnm至2000nm之间的多个任意波长。3.如权利要求1所述的一种传像用柔性光路，其特征在于:耦合透镜的材料为光学玻璃或高分子聚合物或以上两者的复合，表面有增强透射率的光学镀膜，用于将外部光导入多组中继透镜。4.如权利要求1所述的一种传像用柔性光路，其特征在于：中继透镜为消色差或复消色差设计，设计波长为lOOnm至2000nm之间的多个任意波长。5.如权利要求1所述的一种传像用柔性光路，其特征在于：中继透镜的材料为光学玻璃或高分子聚合物或以上两者的复合，表面有增强透射率的光学镀膜，用于超快激光的二维平面进行中继成像，多组中继透镜之间具有空气间隙，超快激光的二维扫描平面被聚焦在空气间隙中，相邻两组中继透镜通过可转动的机械万向节相连接。6.如权利要求1所述的一种传像用柔性光路，其特征在于：所述的物镜为复消色差设计，设计波长为lOOnm至2000nm之间的多个任意波长。7.如权利要求1所述的一种传像用柔性光路，其特征在于:所述的物镜的材料为光学玻璃或高分子聚合物或以上两者的复合，表面有增强透射率的光学镀膜，用于将入射的超快激光聚焦在外部样品中，激发出非线性光学信号，并以落射式检测的方式收集非线性光学信号。8.如权利要求1所述的一种传像用柔性光路，其特征在于:所述的机械万向节用于将相邻两片透镜的XYZ三个平动自由度限制，使相邻两片透镜只能以穿过各自的焦平面与各自光轴的交点的某一旋转轴在三维空间做自由旋转运动。9.如权利要求1所述的一种传像用柔性光路，其特征在于:所述的机械万向节的中部为空心结构，不阻挡相邻两片透镜之间的二维光学成像平面。10.如权利要求1所述的一种传像用柔性光路，其特征在于:所述的机械万向节的材料为金属或高分子聚合物或碳纤维或以上材料的复合。

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