一種提高光學相干層析成像縱向解析度的方法及系統的製作方法
2023-05-16 17:33:56 1
專利名稱：一種提高光學相干層析成像縱向解析度的方法及系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種光學相干層析成像技術，特別涉及一種通過改變光譜形狀來改善光學相干層析成像(OCT)縱向解析度的方法，屬於醫療儀器技術領域。
提高OCT儀器的解析度一直是研究者和應用者所關心的問題。OCT儀器的縱向解析度決定於所用光源的相干長度。因此提高OCT儀器縱向解析度唯一的方法是減小光源的相干長度，目前所研究的方法主要有減小脈衝雷射器的脈衝寬度和用非線性效應拓寬其諧帶。所有這些方法僅適於用飛秒雷射器作光源的OCT系統。而飛秒雷射器由於價格昂貴和操作不便並不適用於醫用OCT光源。
醫用OCT系統的光源主要用超輻射二極體SLD，它的相干長度取決於SLD的製作，目前還沒有其他方法在其製作完成後使其相干長度減小。
理論分析表明光源的相干長度l和相干時間τ有關係l＝cτ，其中c為光速。光源相干時間和光源光譜互成傅立葉變換關係。這樣，改變光源光譜的形狀，即改變了光源的相干時間、相干長度，也就改變了OCT系統的縱向解析度，達到了成像更清晰的目的。
本發明的上述目的是通過如下技術方案實現的一種提高光學相干層析成像縱向解析度的方法，該方法是通過利用色散元件和擋光物改變輸入給光學相干層析成像系統光源的光譜形狀來提高縱向解析度， 其具體作法如下(1)將光譜形狀為高斯型的平行光束入射到一色散元件上，使不同頻率的平行光在空間分開並使其通過一消色差透鏡會聚；(2)在消色差透鏡後的光路中放置一擋光物使不同頻率的光得到衰減，衰減後的光形成一束具有近似矩形光譜形狀的光；
(3)將改變了光譜形狀的光束再通過反射鏡，消色差透鏡及色散元件重新合成一束平行光；(4)將重新合成的一束平行光作為光源入射到光學相干層析成像系統中去。
實現本發明目的的另一技術方案是一種提高光學相干層析成像縱向解析度的方法，以光學延遲線為參考臂，該方法是通過改變參考臂返回光的光譜形狀來達到提高光學相干層析成像縱向解析度，其具體作法是在光學相干層析成像系統中的光學延遲線的振鏡和物鏡之間放置一擋光物，使不同頻率的光得到衰減，然後再通過振鏡、透鏡和光柵後重新合成一束具有近似矩形光譜形狀的平行光束。
本發明還提供了一種提高光學相干層析成像縱向解析度方法的系統，該系統主要包括光源、2×2光纖耦合器、探測器、A/D卡、計算機、測量臂及參考臂，其特徵是在所述光源和2×2光纖耦合器之間設置一個可改變光源光譜形狀的裝置，該裝置是由色散元件、消色差透鏡、反射鏡以及在所述消色差透鏡和反射鏡之間的擋光物所組成。
本發明的另一種提高光學相干層析成像縱向解析度方法的系統，主要包括光源、2×2光纖耦合器、探測器、A/D卡、計算機、測量臂以及由光柵、透鏡和振鏡組成的參考臂，其特徵是在所述參考臂的透鏡和振鏡之間增加一擋光物。
本發明中所用的光源採用光譜形狀為高斯型平行光的超輻射二極體或常規的飛秒脈衝光源。
理論分析表明光源的相干長度l和相干時間τ有關係l＝cτ，其中c為光速。光源相干時間和光源光譜互成傅立葉變換關係。這樣，改變光源光譜的形狀，即改變了光源的相干時間、相干長度，也就改變了OCT系統的縱向解析度，達到了成像更清晰的目的。
本發明與現有技術相比，具有以下優點及突出性效果該方法非常簡單，只需通過設置一擋光物來改變OCT光源的光譜形狀，或者在OCT的光學延遲線即參考臂的透鏡和振鏡之間增加一擋光物來改變參考臂返回光的光譜形狀，即可達到達到改善OCT縱向解析度的目的；本發明既可用於飛秒脈衝雷射器光源，也可用普通的超輻射二極體(SLD)作光源。實驗表明，通過上述方法可以將縱向解析度為20μm的OCT系統提高到縱向解析度為14μm的系統，其OCT系統縱向解析度可達到原來的0.7。
圖2為光譜波形改變原理示意3表示在OCT的光學延遲線系統中，即在參考臂的透鏡和振鏡之間放一擋光物來改變參考臂返回光的光譜形狀的實施例的結構示意圖。
理論分析表明光源的相干長度l和相干時間τ有關係l＝cτ，其中c為光速。光源相干時間和光源光譜互成傅立葉變換關係。這樣，改變光源光譜的形狀，即改變了光源的相干時間、相干長度，也就改變了OCT系統的縱向解析度，達到了成像更清晰的目的。
一般光源的光譜形狀為高斯形，只要將中間高的部分減弱，使其變得平坦，就達到了改變光譜形狀的目的。理論分析和實驗表明這樣做可以得到新的OCT系統縱向解析度為原來的0.7。
圖1為改變光譜形狀的裝置示意圖。其中輸入光為來自脈衝雷射器或SLD的平行光束，1為色散元件，2為消色差透鏡，3為反射鏡。色散元件1和反射鏡3放在消色差透鏡的兩個焦面上，在消色差透鏡2和反射鏡3之間放置一擋光物4。
為了說明改變光譜波形的原理，請參考圖2，同實際情況比圖2有所誇張。入射平行光束(光束的幾何寬度2w，其大小約為2mm)照射到色散元件1上，不同波長的光將在不同的方向衍射，圖中λ+Δλ，λ，λ-Δλ三個波長的光分別用點畫線、實線和虛線表示。在消色差透鏡2處，各種波長的光束中心之間分開的距離為βf。其中f為透鏡焦距，β為三種不同波長λ+Δλ，λ，λ-Δλ衍射角之差。因2w＞βf，在這個地方三種波長光的光束是部分重迭的，在反射鏡3處，各種不同波長光的光束寬度大小因聚焦作用變為2w0，其大小約為20μm；僅為原來光束的百分之一，光斑間分開的距離仍是βf，因2w0＜βf，此時λ+Δλ，λ，λ-Δλ三種不同的光是分開的。
擋光物的尺寸約為光束的1/4。下面分析擋光物4在A、B、C三種不同位置時的擋光效果。如果在A處，則λ+Δλ，λ，λ-Δλ三種波長的光都被部分擋掉。如果在B位置，波長為λ的光擋得多，波長為λ+Δλ和λ-Δλ的光就擋得少。如果在C位置，則僅擋波長為λ的光，不擋λ+Δλ和λ-Δλ的光。
圖中只畫出三個波長，實際上光譜是連續的。分析擋光物在B位置的情況，此時波長為λ的光擋得多，波長為λ+Δλ的光擋得少，但擋得多少同Δλ的大小有關，Δλ小則擋得多，Δλ大則擋得少，甚至不擋。因此在消色差物鏡與反射鏡之間放一擋光物，即可使不同頻率的光得到衰減，從而可以改變光源光譜的形狀；通過調節擋光物的前後位置，可以得到不同形狀的光譜，將具有高斯型光譜形狀的光束改變為具有近似矩形光譜形狀的光束。擋光物的尺寸大小應根據光譜光束的寬度進行選擇，一般為光束寬度的1/6～1/3。擋光物可以是任何不透光的物體，如金屬片或柔性物體等。
將圖1所示的可改變光譜形狀的裝置放入光學相干層析成像系統中去，使OCT系統的光源通過該系統後，其光源的光譜形狀即可被改變，將改變後的平行光作為OCT系統的光源，即可達到提高光學相干層析成像縱向解析度的目的。
圖3所示的系統即是OCT系統光路中的快速延遲掃描系統，該系統包括由光柵1、透鏡2、振鏡3組成的光學延遲線即參考臂，SLD光源5，2X2光纖耦合器6，探測器7，AD卡8，計算機9和測量臂10。利用本發明，也可簡單的將一擋光物放入光學延遲線中，即在參考臂的透鏡2和振鏡3之間放一擋光物4，區別僅在於將反射鏡改為振鏡，用於改變參考臂返回光的光譜形狀，同樣也可達到改善OCT縱向解析度的目的，由於改變光譜波形的光學系統即是光學延遲線系統，而OCT中光學延遲線系統是必不可少的。裝置簡單，效果差些。因為只改變了OCT系統中一路的光譜形狀，但這樣做非常簡單，只在原系統中加入了一擋光物。
一般光源的光譜形狀為高斯形，只要將中間高的部分減弱，使其變得平坦，就達到了改變光譜形狀的目的。理論分析和實驗表明這樣做可以得到新的OCT系統縱向解析度為原來的0.7。
權利要求
1.一種提高光學相干層析成像縱向解析度的方法，該方法的特徵是通過利用色散元件和擋光物改變輸入給光學相干層析成像系統光源的光譜形狀來提高縱向解析度，其具體作法如下(1)將光譜形狀為高斯型的平行光束入射到一色散元件上，使不同頻率的平行光在空間分開並使其通過一消色差透鏡會聚；(2)在透鏡後的光路中放置一擋光物使不同頻率的光得到衰減，衰減後的光形成一束具有近似矩形光譜形狀的光；(3)將改變光譜形狀的光束再通過反射鏡、消色差透鏡及色散元件重新合成一束平行光；(4)將改變了光譜形狀的平行光束作為光源入射到光學相干層析成像系統中去。
2.一種提高光學相干層析成像縱向解析度的方法，以光學延遲線為參考臂，其特徵是通過改變參考臂返回光的光譜形狀來提高縱向解析度，其具體作法是在光學延遲線的振鏡和透鏡之間放置一擋光物，使不同頻率的光得到衰減，衰減後的光形成一束具有近似矩形光譜形狀的光，然後再通過振鏡、透鏡和光柵後重新合成一束平行光束。
3.實施如權利要求1所述的一種提高光學相干層析成像縱向解析度方法的系統，該系統主要包括光源、2×2光纖耦合器、探測器、A/D卡、計算機、測量臂及參考臂，其特徵在於在所述光源和2×2光纖耦合器之間設置一個可改變光源光譜形狀的裝置，該裝置包括由色散元件、消色差透鏡、反射鏡以及在消色差透鏡和反射鏡之間的擋光物所組成。
4.實施如權利要求2所述提高光學相干層析成像縱向解析度方法的系統，主要包括光源(5)、2×2光纖耦合器(6)、探測器(7)、A/D卡(8)、計算機(9)、測量臂(10)以及由光柵、透鏡和振鏡組成的參考臂，其特徵在於在所述參考臂的透鏡和振鏡之間增加一擋光物(4)。
5.按照權利要求3或4所述的系統，其特徵在於所述的光源採用光譜形狀為高斯型平行光的超輻射二極體或常規的飛秒脈衝光源。
6.按照權利要求3或4所述的系統，其特徵在於所述的擋光物的大小為光束寬度的1/6～1/3。
全文摘要
一種提高光學相干層析成像縱向解析度的方法及系統,涉及一種光學相干層析成像(OCT)技術。本發明的技術特點是通過利用色散元件和擋光物改變輸入給光學相干層析成像系統光源的光譜形狀來提高其縱向解析度,或者是在OCT的光學延遲線即參考臂的透鏡和振鏡之間增加一擋光物來改變參考臂返回光的光譜形狀,達到改善OCT縱向解析度的目的。本發明的特點是既可用於飛秒脈衝雷射器光源的OCT系統,也可用於普通的超輻射二極體(SLD)作光源的OCT系統。另外方法簡單,只需在OCT系統的光路中放一擋光物即可。利用本發明,可以將縱向解析度為20μm的OCT系統提高到縱向解析度為14μm的系統。
文檔編號A61B6/03GK1383786SQ0212133
公開日2002年12月11日 申請日期2002年6月14日 優先權日2002年6月14日
發明者薛平, 孫汕, 郭繼華 申請人:清華大學