Oct中基於時空分光的寬光譜高分辨探測方法及系統的製作方法

2023-04-28 16:56:11 1

專利名稱：Oct中基於時空分光的寬光譜高分辨探測方法及系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及光學相干層析成像(OCT)技術，尤其涉及一種OCT中基於時 空分光的寬光譜高分辨探測方法的系統。
背景技術：
光學相干層析成像(Optical Coherence Tomography,簡稱OCT)能實施活 體內部組織結構與生理功能的非接觸、無損傷、高解析度在體成像，在生物醫 學成像領域有著廣泛的應用。
目前的譜域OCT系統通過高速線陣CCD來並行採集幹涉信號的光譜分量， 無需軸向掃描就可以得到樣品的深度信息，具有快速和高靈敏度的特點，其系 統核心是探測臂中的快速光譜儀。在OCT系統中，系統的軸向解析度是與光源 帶寬成反比，光源帶寬越寬，對應的相干長度就越短，軸向解析度就越高。在 眼科、皮膚、腫瘤等學科中，超高解析度(2-3um)的醫學圖像對臨床疾病診斷 有著重要意義。因此，譜域OCT必須採用更寬光譜範圍的光源，同時探測臂的 光柵光譜儀必須探測更寬的光譜成分，才能提高系統的軸向解析度。國外很多 科研機構都開展了這方面的研究，如美國哈佛醫學院的N.A.Nassif小組構建了 基於S90nm中心波長，帶寬150nm的SLD (超輻射二極體)光源的超高解析度 譜域OCT系統，軸向解析度為2.9um;美國麻省理工的J. G. Fujimoto小組構建 了基於850nm中心波長，帶寬144nm的飛秒雷射器的超高解析度超譜域OCT 系統，軸向解析度為2.1um。在超高解析度譜域OCT系統的探測臂部分，傳統 的方法是採用更多像素數的線陣CCD來探測更多的光譜分量，或者基於有限像 素數的線陣CCD探測更寬的光譜範圍，但犧牲光譜儀的光譜解析度。由於線陣 CCD像素數的增加意味著視場的增大，除非設計更加複雜的光學成像系統，否 則在像面上(CCD感光面)不可避免的會出現嚴重的場曲現象，同時由於光譜 範圍太寬，色散現象嚴重，導致不同色光的聚焦位置不同，使得光譜儀無法完 全分開各種色光而引入串擾(cross-talk),探測信噪比下降繼而系統軸向解析度 下降，最終降低了成像質量。而降低光譜儀的光譜解析度意味著譜域OCT成像 深度的降低。因此，如何在有限成像視場的情況下使光柵光譜儀高分辨地測量 更寬廣的光譜範圍是超高解析度譜域OCT系統研製的一大技術難點。

發明內容
為了克服上述技術難點的不足，本發明的目的在於提供了一種OCT中基於 時空分光的寬光譜高分辨探測方法的系統，在超高解析度的譜域OCT系統的探 測臂部分，採用時間域和空間域兩級分光的結構來實現高光譜解析度的超寬帶 光譜探測。
本發明的目的是通過如下技術方案實現的
一、 一種OCT中基於時空分光的寬光譜高分辨探測方法
在譜域OCT系統的探測臂採用時間域和空間域兩級分光，實現譜域OCT
的寬帶光譜高解析度探測；其具體步驟如下
1) 在譜域OCT系統的探測臂中，先通過自由光譜範圍大、光譜解析度低 的聲光調製器(acousto-optic tunable filter, AOTF)作為一級分光器件進行時間域 上的第一級分光，將寬帶光譜在時間上分成序列窄帶光譜依次輸出；
2) 在譜域OCT系統的探測臂中，在一級分光器件之後，再通過光譜分辨 率高、自由光譜範圍窄的空間域分光器件進行第二級分光，將來自聲光調製器 的序列窄帶光譜在空間域上實施進一步的分光；空間域分光器件虛像相控陣列
(Virtual Imaged Phased Array ， VIPA)的自由光譜範圍大於聲光調製器的光譜分 辨率；
3) 在譜域OCT系統的探測臂中，利用兩級分光器件時空分光後的光譜， 通過由聚焦透鏡和高速線陣CCD組成的光譜成像系統實施光譜成像和並行探 測。
二、 一種OCT中基於時空分光的寬光譜高分辨探測系統
本發明包括寬帶光源、光隔離器、寬帶光纖耦合器、四個偏振控制器、參
考臂、掃描探頭和探測臂；從寬帶光源出來的低相干光，經第一偏振控制器、 光隔離器入射到寬帶光纖耦合器，經分光後一路經第二偏振控制器進入掃描探 頭，另一路經第三偏振控制器進入參考臂，返回的光在寬帶光纖耦合器中幹涉 後，經第四偏振控制器，進入探測臂把幹涉信號分解成光譜信號，最後這些光 譜信號傳入計算機，在計算機進行處理，通過逆傅立葉變換重建圖像。所述探
測臂包括聲光調製器、準直透鏡、柱面聚焦透鏡、虛像相控陣列、聚焦透鏡 和高速線陣CCD組成；幹涉光先通過自由光譜範圍大、光譜解析度低的聲光調
制器後，經準直透鏡和柱面聚焦透鏡，入射到一個光譜解析度高、自由光譜範
圍窄的虛像相控陣列，再由聚焦透鏡成像和高速線陣CCD進行並行探測，實現 譜域OCT的寬光譜高分辨測量。所述掃描探頭包括準直透鏡、掃描振鏡和聚焦透鏡；經寬帶光纖耦合器 分光後的光經第二偏振控制器、準直透鏡、掃描振鏡和聚焦透鏡後照射到樣品， 由原路返回經第二偏振控制器至寬帶光纖耦合器。
所述參考臂包括準直透鏡、色散補償器、中性濾光片和平面反射鏡；經 寬帶光纖耦合器分光後的光經第三偏振控制器、準直透鏡、色散補償器、中性 濾光片和平面反射鏡，由原路返回經第三偏振控制器至寬帶光纖耦合器。
所述探測臂由聲光調製器、準直透鏡、柱面聚焦透鏡、虛像相控陣列、 聚焦透鏡和高速線陣CCD組成；先通過自由光譜範圍大、光譜解析度低的聲光 調製器進行時間域上的第一級分光，將寬帶光譜在時間上分成序列窄帶光譜依 次輸出。從聲光調製器出射的序列窄帶光譜經準直透鏡和柱面聚焦透鏡，入射 到一個光譜解析度高、自由光譜範圍窄的虛像相控陣列進行空間域上的第二級 分光。虛像相控陣列的自由光譜範圍大於聲光調製器的光譜解析度，它將聲光 調製器輸出的序列窄帶光譜在空間上進行高分辨分光。經前後兩級分光器件時
空分光後的光譜，經聚焦透鏡成像，採用高速線陣CCD進行並行探測，實現譜 域OCT的寬光譜高分辨測量。最後這些光譜信號傳入計算機，並在計算機中實
施逆傅立葉變換等處理重建樣品圖像。
與背景技術相比，本發明具有的有益效果是
1、 通過聲光調製器和虛像相控陣列在時間域和空間域上的兩級分光，能夠 實現高光譜解析度的寬帶光譜探測。相比傳統的光柵光譜儀，光譜信號在時間
域上得到了預先處理，因此減小了光譜成像系統中CCD的視場。由於成像視場 變小，可以消除傳統譜域OCT系統的光譜儀在大光譜範圍探測時存在的光譜串
擾以及大視場時存在的場曲、畸變以及色散導致的離焦現象，能顯著提高光譜 探測的信噪比。同時，西為光譜成像視場的減小，整個光譜探測系統更容易實 現小型化和集成化。
2、 由於聲光調製器自由光譜範圍很寬，虛像相控陣列的光譜解析度很高， 兩者級聯而成的時空分光組合器件，可以突破傳統成像光譜儀中光譜範圍與光 譜解析度的制約關係，實現寬帶光譜的高分辨探測。
3、 本發明提出的寬光譜高分辨探測方法和系統除了可以應用於超高解析度 譜域OCT系統中，也可以應用於其它光譜探測應用領域，如天文學，元素分析， 以及其它光譜成像系統中。


圖1是本發明的系統結構原理示意圖。圖2是本發明探測臂的放大示意圖。
圖3是本發明的時序圖。
圖中1、寬帶光源，2、光隔離器，3、寬帶光纖耦合器，4、偏振控制器， 5、準直透鏡，6、掃描振鏡，7、聚焦透鏡，8、樣品，9、準直透鏡，10、色散 補償器，11、中性濾光片，12、平面反射鏡，13、聲光調製器，14、準直透鏡， 15、柱面透鏡，16、虛像相控陣列，17、聚焦透鏡，18、高速線陣CCD， 19、 參考臂，20、掃描探頭，21、探測臂。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施示例對本發明作進一步的說明
如圖l、圖2所示，本發明包括寬帶光源l、光隔離器2、寬帶光纖耦合器 3、四個偏振控制器4、參考臂19、掃描探頭20和探測臂21。從寬帶光源l出 來的低相干光，經第一偏振控制器4、光隔離器2入射到寬帶光纖耦合器3，經 分光後， 一路經第二偏振控制器4進入掃描探頭20，經準直透鏡5、掃描振鏡6 和聚焦透鏡7後照射到樣品8，由原路返回經第二偏振控制器4至寬帶光纖耦合 器3;另一路經第三偏振控制器4進入參考臂19，經準直透鏡9、色散補償器 10、中性濾光片11和平面反射鏡12，由原路返回經第三偏振控制器4至寬帶光 纖耦合器3。從掃描探頭20和參考臂19返回的光在寬帶光纖耦合器3中幹涉後， 經第四偏振控制器4，進入探測臂21。
在探測臂21中，幹涉光首先進入聲光調製器13，通過控制聲光調製器的輸 出頻段，將整個寬帶光譜範圍內的光信號在時間上分成序列窄帶光譜依次輸出， 實現時間域上的第一次分光。聲光調製器輸出的窄帶光譜，經準直透鏡14，入 射柱面透鏡15，被匯聚成一條直線，匯聚在虛像相控陣列16的下表面上，虛像 相控陣列16的自由光譜範圍大於聲光調製器13的光譜解析度。除了入射窗口 之外，虛像相控陣列16的上表面鍍有反射率100%的反射膜，將下表面反射的 能量全部反射回下表面，下表面則鍍有高反射膜，上下表面的多次反射形成了 一系列由柱面透鏡15所聚焦的平行光匯聚而成的直線的虛像，即虛像陣列。這 些虛像之間互相干涉產生了空間分光的作用。利用前後兩級分光器件經時空分 光後的光譜，經聚焦透鏡17成像，採用高速線陣CCD 18進行光譜的並行探測， 從而實現超寬帶光譜的高分辨測量。最後這些光譜信號的測量結果傳入計算機， 在計算機中進行逆傅立葉變換等處理來重建樣品圖像。
如圖3所示，在所述探測臂中，通過控制加載在聲光調製器13上的射頻頻 率，改變聲光調製器13的輸出頻段，將整個寬帶光譜範圍內的光信號在時間上分成序列窄帶光譜依次輸出，實現時間域上的第一次分光。虛像相控陣列16對 每一個聲光調製器13的窄帶輸出信號做進一步的空間分光，實現寬光譜的高分 辨時空域探測。
系統中偏振控制器4的作用是便於調整各個通道的偏振模式，以將偏振模 色散的影響降到最低，提高成像質量。
本發明公開的一種譜域OCT的寬光譜高分辨探測方法及系統，可以在有限 視場的情況下，對超寬光譜進行高分辨測量，從而能實現譜域OCT的超高軸向 解析度，同時能改善傳統譜域OCT系統光譜探測中由場曲引入的信噪比和軸向 解析度下降等問題，在超高解析度譜域OCT的光譜探測中有重要意義，也可以 用於其它領域的寬光譜高分辨探測系統。
權利要求
1、一種OCT中基於時空分光的寬光譜高分辨探測方法，其特徵在於在譜域OCT系統的探測臂採用時間域和空間域兩級分光，實現譜域OCT的寬帶光譜高解析度探測；其具體步驟如下1)在譜域OCT系統的探測臂中，先通過自由光譜範圍大、光譜解析度低的聲光調製器作為一級分光器件進行時間域上的第一級分光，將寬帶光譜在時間上分成序列窄帶光譜依次輸出；2)在譜域OCT系統的探測臂中，在一級分光器件之後，再通過光譜解析度高、自由光譜範圍窄的空間域分光器件進行第二級分光，將來自聲光調製器的序列窄帶光譜在空間域上實施進一步的分光；空間域分光器件虛像相控陣列的自由光譜範圍大於聲光調製器的光譜解析度；3)在譜域OCT系統的探測臂中，利用兩級分光器件時空分光後的光譜，通過由聚焦透鏡和高速線陣CCD組成的光譜成像系統實施光譜成像和並行探測。
2、 一種實施權利要求1所述的一種OCT中基於時空分光的寬光譜高分辨 探測方法的系統，包括寬帶光源(O、光隔離器(2)、寬帶光纖耦合器(3)、 四個偏振控制器(4)、參考臂(19)、掃描探頭(20)和探測臂(21);從寬帶 光源(1)出來的低相干光，經第一偏振控制器(4)、光隔離器(2)入射到寬 帶光纖耦合器(3)，經分光後一路經第二偏振控制器(4)進入掃描探頭(20)， 另一路經第三偏振控制器(4)進入參考臂(19)，返回的光在寬帶光纖耦合器(3)中幹涉後，經第四偏振控制器(4)，進入探測臂(21)把幹涉信號分解成 光譜信號，最後這些光譜信號傳入計算機，在計算機進行處理，通過逆傅立葉 變換重建圖像；其特徵在於，所述探測臂(21):包括聲光調製器(13)、準直 透鏡(14)、柱面聚焦透鏡(15)、虛像相控陣列(16)、聚焦透鏡(17)和高速線 陣CCD (18)組成；幹涉光先通過自由光譜範圍大、光譜解析度低的聲光調製 器(13)後，經準直透鏡(14)和柱面聚焦透鏡(15)，入射到一個光譜解析度高、 自由光譜範圍窄的虛像相控陣列(16)，再由聚焦透鏡(17)成像和高速線陣CCD(18)進行並行探測，實現譜域OCT的寬光譜高分辨測量。
3、 根據權利要求2所述的一種OCT中基於時空分光的寬光譜高分辨探測 方法的系統，其特徵在於所述參考臂(19)包括準直透鏡(9)、色散補償器(10)、中性濾光片(11)和平面反射鏡(12);經分光後的光從第三偏振控制器(4)、經準直透鏡(9)、色散補償器(10)、中性濾光片(11)和平面反射鏡 (12)，由原路返回經第三偏振控制器(4)至寬帶光纖耦合器(3)。
4、根據權利要求2所述的一種OCT中基於時空分光的寬光譜高分辨探測 方法的系統，其特徵在於所述掃描探頭(20)包括準直透鏡(5)、掃描振鏡(6) 和聚焦透鏡(7);經分光後的光從第二偏振控制器(4)經準直透鏡(5)、掃描 振鏡(6)和聚焦透鏡(7)後照射到樣品(8)，由原路返回經第二偏振控制器 (4)至寬帶光纖耦合器(3)。
全文摘要
本發明公開了一種OCT中基於時空分光的寬光譜高分辨探測方法及系統。從寬帶光源發出的低相干光，經光隔離器入射到寬帶光纖耦合器，經耦合器分光後分別進入掃面探頭和參考臂，返回的光在寬帶光纖耦合器中產生幹涉，探測臂將幹涉信號分解成不同光譜分量後實施探測，然後傳入計算機重建樣品圖像。在探測臂中幹涉光譜信號先通過低解析度、寬自由光譜範圍的時間域分光器件，再通過高解析度、窄自由光譜範圍的空間域分光器件，再由光譜成像系統探測。本發明能夠在滿足高光譜解析度的前提下，減小光譜成像系統的視場，避免了大視場光譜成像時存在的場曲以及光譜串擾等問題，從而實現高信噪比、高解析度的譜域OCT成像。
文檔編號A61B5/00GK101617935SQ20091010097
公開日2010年1月6日 申請日期2009年8月6日 優先權日2009年8月6日
發明者丁志華, 彤 吳, 婕 孟, 凱 王, 川 王, 陳明惠 申請人:浙江大學