專利名稱：Oct中基于時空分光的寬光譜高分辨探測方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)相干層析成像(OCT)技術(shù)，尤其涉及一種OCT中基于時 空分光的寬光譜高分辨探測方法的系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
光學(xué)相干層析成像(Optical Coherence Tomography,簡稱OCT)能實(shí)施活 體內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)與生理功能的非接觸、無損傷、高分辨率在體成像，在生物醫(yī) 學(xué)成像領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。
目前的譜域OCT系統(tǒng)通過高速線陣CCD來并行采集干涉信號的光譜分量， 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(diǎn)，其系 統(tǒng)核心是探測臂中的快速光譜儀。在OCT系統(tǒng)中，系統(tǒng)的軸向分辨率是與光源 帶寬成反比，光源帶寬越寬，對應(yīng)的相干長度就越短，軸向分辨率就越高。在 眼科、皮膚、腫瘤等學(xué)科中，超高分辨率(2-3um)的醫(yī)學(xué)圖像對臨床疾病診斷 有著重要意義。因此，譜域OCT必須采用更寬光譜范圍的光源，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(tǒng)的軸向分辨率。國外很多 科研機(jī)構(gòu)都開展了這方面的研究，如美國哈佛醫(yī)學(xué)院的N.A.Nassif小組構(gòu)建了 基于S90nm中心波長，帶寬150nm的SLD (超輻射二極管)光源的超高分辨率 譜域OCT系統(tǒng)，軸向分辨率為2.9um;美國麻省理工的J. G. Fujimoto小組構(gòu)建 了基于850nm中心波長，帶寬144nm的飛秒激光器的超高分辨率超譜域OCT 系統(tǒng)，軸向分辨率為2.1um。在超高分辨率譜域OCT系統(tǒng)的探測臂部分，傳統(tǒng) 的方法是采用更多像素數(shù)的線陣CCD來探測更多的光譜分量，或者基于有限像 素數(shù)的線陣CCD探測更寬的光譜范圍，但犧牲光譜儀的光譜分辨率。由于線陣 CCD像素數(shù)的增加意味著視場的增大，除非設(shè)計更加復(fù)雜的光學(xué)成像系統(tǒng)，否 則在像面上(CCD感光面)不可避免的會出現(xiàn)嚴(yán)重的場曲現(xiàn)象，同時由于光譜 范圍太寬，色散現(xiàn)象嚴(yán)重，導(dǎo)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?dāng)_(cross-talk),探測信噪比下降繼而系統(tǒng)軸向分辨率 下降，最終降低了成像質(zhì)量。而降低光譜儀的光譜分辨率意味著譜域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 更寬廣的光譜范圍是超高分辨率譜域OCT系統(tǒng)研制的一大技術(shù)難點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述技術(shù)難點(diǎn)的不足，本發(fā)明的目的在于提供了一種OCT中基于 時空分光的寬光譜高分辨探測方法的系統(tǒng)，在超高分辨率的譜域OCT系統(tǒng)的探 測臂部分，采用時間域和空間域兩級分光的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)高光譜分辨率的超寬帶 光譜探測。
本發(fā)明的目的是通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的
一、 一種OCT中基于時空分光的寬光譜高分辨探測方法
在譜域OCT系統(tǒng)的探測臂采用時間域和空間域兩級分光，實(shí)現(xiàn)譜域OCT
的寬帶光譜高分辨率探測；其具體步驟如下
1) 在譜域OCT系統(tǒng)的探測臂中，先通過自由光譜范圍大、光譜分辨率低 的聲光調(diào)制器(acousto-optic tunable filter, AOTF)作為一級分光器件進(jìn)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(tǒng)的探測臂中，在一級分光器件之后，再通過光譜分辨 率高、自由光譜范圍窄的空間域分光器件進(jìn)行第二級分光，將來自聲光調(diào)制器 的序列窄帶光譜在空間域上實(shí)施進(jìn)一步的分光；空間域分光器件虛像相控陣列
(Virtual Imaged Phased Array ， VIPA)的自由光譜范圍大于聲光調(diào)制器的光譜分 辨率；
3) 在譜域OCT系統(tǒng)的探測臂中，利用兩級分光器件時空分光后的光譜， 通過由聚焦透鏡和高速線陣CCD組成的光譜成像系統(tǒng)實(shí)施光譜成像和并行探 測。
二、 一種OCT中基于時空分光的寬光譜高分辨探測系統(tǒng)
本發(fā)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(jīng)第一偏振控制器、 光隔離器入射到寬帶光纖耦合器，經(jīng)分光后一路經(jīng)第二偏振控制器進(jìn)入掃描探 頭，另一路經(jīng)第三偏振控制器進(jìn)入?yún)⒖急?，返回的光在寬帶光纖耦合器中干涉 后，經(jīng)第四偏振控制器，進(jìn)入探測臂把干涉信號分解成光譜信號，最后這些光 譜信號傳入計算機(jī)，在計算機(jī)進(jìn)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(diào)制器、準(zhǔn)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；干涉光先通過自由光譜范圍大、光譜分辨率低的聲光調(diào)
制器后，經(jīng)準(zhǔn)直透鏡和柱面聚焦透鏡，入射到一個光譜分辨率高、自由光譜范
圍窄的虛像相控陣列，再由聚焦透鏡成像和高速線陣CCD進(jìn)行并行探測，實(shí)現(xiàn) 譜域OCT的寬光譜高分辨測量。所述掃描探頭包括準(zhǔn)直透鏡、掃描振鏡和聚焦透鏡；經(jīng)寬帶光纖耦合器 分光后的光經(jīng)第二偏振控制器、準(zhǔn)直透鏡、掃描振鏡和聚焦透鏡后照射到樣品， 由原路返回經(jīng)第二偏振控制器至寬帶光纖耦合器。
所述參考臂包括準(zhǔn)直透鏡、色散補(bǔ)償器、中性濾光片和平面反射鏡；經(jīng) 寬帶光纖耦合器分光后的光經(jīng)第三偏振控制器、準(zhǔn)直透鏡、色散補(bǔ)償器、中性 濾光片和平面反射鏡，由原路返回經(jīng)第三偏振控制器至寬帶光纖耦合器。
所述探測臂由聲光調(diào)制器、準(zhǔn)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；先通過自由光譜范圍大、光譜分辨率低的聲光 調(diào)制器進(jìn)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(diào)制器出射的序列窄帶光譜經(jīng)準(zhǔn)直透鏡和柱面聚焦透鏡，入射 到一個光譜分辨率高、自由光譜范圍窄的虛像相控陣列進(jìn)行空間域上的第二級 分光。虛像相控陣列的自由光譜范圍大于聲光調(diào)制器的光譜分辨率，它將聲光 調(diào)制器輸出的序列窄帶光譜在空間上進(jìn)行高分辨分光。經(jīng)前后兩級分光器件時
空分光后的光譜，經(jīng)聚焦透鏡成像，采用高速線陣CCD進(jìn)行并行探測，實(shí)現(xiàn)譜 域OCT的寬光譜高分辨測量。最后這些光譜信號傳入計算機(jī)，并在計算機(jī)中實(shí)
施逆傅立葉變換等處理重建樣品圖像。
與背景技術(shù)相比，本發(fā)明具有的有益效果是
1、 通過聲光調(diào)制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(shí)現(xiàn)高光譜分辨率的寬帶光譜探測。相比傳統(tǒng)的光柵光譜儀，光譜信號在時間
域上得到了預(yù)先處理，因此減小了光譜成像系統(tǒng)中CCD的視場。由于成像視場 變小，可以消除傳統(tǒng)譜域OCT系統(tǒng)的光譜儀在大光譜范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(dǎo)致的離焦現(xiàn)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(tǒng)更容易實(shí) 現(xiàn)小型化和集成化。
2、 由于聲光調(diào)制器自由光譜范圍很寬，虛像相控陣列的光譜分辨率很高， 兩者級聯(lián)而成的時空分光組合器件，可以突破傳統(tǒng)成像光譜儀中光譜范圍與光 譜分辨率的制約關(guān)系，實(shí)現(xiàn)寬帶光譜的高分辨探測。
3、 本發(fā)明提出的寬光譜高分辨探測方法和系統(tǒng)除了可以應(yīng)用于超高分辨率 譜域OCT系統(tǒng)中，也可以應(yīng)用于其它光譜探測應(yīng)用領(lǐng)域，如天文學(xué)，元素分析， 以及其它光譜成像系統(tǒng)中。


圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理示意圖。圖2是本發(fā)明探測臂的放大示意圖。
圖3是本發(fā)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(zhǔn)直透鏡，6、掃描振鏡，7、聚焦透鏡，8、樣品，9、準(zhǔn)直透鏡，10、色散 補(bǔ)償器，11、中性濾光片，12、平面反射鏡，13、聲光調(diào)制器，14、準(zhǔn)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(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施示例對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明
如圖l、圖2所示，本發(fā)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(jīng)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(jīng) 分光后， 一路經(jīng)第二偏振控制器4進(jìn)入掃描探頭20，經(jīng)準(zhǔn)直透鏡5、掃描振鏡6 和聚焦透鏡7后照射到樣品8，由原路返回經(jīng)第二偏振控制器4至寬帶光纖耦合 器3;另一路經(jīng)第三偏振控制器4進(jìn)入?yún)⒖急?9，經(jīng)準(zhǔn)直透鏡9、色散補(bǔ)償器 10、中性濾光片11和平面反射鏡12，由原路返回經(jīng)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中干涉后， 經(jīng)第四偏振控制器4，進(jìn)入探測臂21。
在探測臂21中，干涉光首先進(jìn)入聲光調(diào)制器13，通過控制聲光調(diào)制器的輸 出頻段，將整個寬帶光譜范圍內(nèi)的光信號在時間上分成序列窄帶光譜依次輸出， 實(shí)現(xiàn)時間域上的第一次分光。聲光調(diào)制器輸出的窄帶光譜，經(jīng)準(zhǔn)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的自由光譜范圍大于聲光調(diào)制器13的光譜分辨率。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(chǎn)生了空間分光的作用。利用前后兩級分光器件經(jīng)時空分 光后的光譜，經(jīng)聚焦透鏡17成像，采用高速線陣CCD 18進(jìn)行光譜的并行探測， 從而實(shí)現(xiàn)超寬帶光譜的高分辨測量。最后這些光譜信號的測量結(jié)果傳入計算機(jī)， 在計算機(jī)中進(jìn)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(diào)制器13上的射頻頻 率，改變聲光調(diào)制器13的輸出頻段，將整個寬帶光譜范圍內(nèi)的光信號在時間上分成序列窄帶光譜依次輸出，實(shí)現(xiàn)時間域上的第一次分光。虛像相控陣列16對 每一個聲光調(diào)制器13的窄帶輸出信號做進(jìn)一步的空間分光，實(shí)現(xiàn)寬光譜的高分 辨時空域探測。
系統(tǒng)中偏振控制器4的作用是便于調(diào)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(zhì)量。
本發(fā)明公開的一種譜域OCT的寬光譜高分辨探測方法及系統(tǒng)，可以在有限 視場的情況下，對超寬光譜進(jìn)行高分辨測量，從而能實(shí)現(xiàn)譜域OCT的超高軸向 分辨率，同時能改善傳統(tǒng)譜域OCT系統(tǒng)光譜探測中由場曲引入的信噪比和軸向 分辨率下降等問題，在超高分辨率譜域OCT的光譜探測中有重要意義，也可以 用于其它領(lǐng)域的寬光譜高分辨探測系統(tǒng)。
權(quán)利要求
1、一種OCT中基于時空分光的寬光譜高分辨探測方法，其特征在于在譜域OCT系統(tǒng)的探測臂采用時間域和空間域兩級分光，實(shí)現(xiàn)譜域OCT的寬帶光譜高分辨率探測；其具體步驟如下1)在譜域OCT系統(tǒng)的探測臂中，先通過自由光譜范圍大、光譜分辨率低的聲光調(diào)制器作為一級分光器件進(jìn)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(tǒng)的探測臂中，在一級分光器件之后，再通過光譜分辨率高、自由光譜范圍窄的空間域分光器件進(jìn)行第二級分光，將來自聲光調(diào)制器的序列窄帶光譜在空間域上實(shí)施進(jìn)一步的分光；空間域分光器件虛像相控陣列的自由光譜范圍大于聲光調(diào)制器的光譜分辨率；3)在譜域OCT系統(tǒng)的探測臂中，利用兩級分光器件時空分光后的光譜，通過由聚焦透鏡和高速線陣CCD組成的光譜成像系統(tǒng)實(shí)施光譜成像和并行探測。
2、 一種實(shí)施權(quán)利要求1所述的一種OCT中基于時空分光的寬光譜高分辨 探測方法的系統(tǒng)，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(jīng)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(jīng)分光后一路經(jīng)第二偏振控制器(4)進(jìn)入掃描探頭(20)， 另一路經(jīng)第三偏振控制器(4)進(jìn)入?yún)⒖急?19)，返回的光在寬帶光纖耦合器(3)中干涉后，經(jīng)第四偏振控制器(4)，進(jìn)入探測臂(21)把干涉信號分解成 光譜信號，最后這些光譜信號傳入計算機(jī)，在計算機(jī)進(jìn)行處理，通過逆傅立葉 變換重建圖像；其特征在于，所述探測臂(21):包括聲光調(diào)制器(13)、準(zhǔn)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；干涉光先通過自由光譜范圍大、光譜分辨率低的聲光調(diào)制 器(13)后，經(jīng)準(zhǔn)直透鏡(14)和柱面聚焦透鏡(15)，入射到一個光譜分辨率高、 自由光譜范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(jìn)行并行探測，實(shí)現(xiàn)譜域OCT的寬光譜高分辨測量。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種OCT中基于時空分光的寬光譜高分辨探測 方法的系統(tǒng)，其特征在于所述參考臂(19)包括準(zhǔn)直透鏡(9)、色散補(bǔ)償器(10)、中性濾光片(11)和平面反射鏡(12);經(jīng)分光后的光從第三偏振控制器(4)、經(jīng)準(zhǔn)直透鏡(9)、色散補(bǔ)償器(10)、中性濾光片(11)和平面反射鏡 (12)，由原路返回經(jīng)第三偏振控制器(4)至寬帶光纖耦合器(3)。
4、根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種OCT中基于時空分光的寬光譜高分辨探測 方法的系統(tǒng)，其特征在于所述掃描探頭(20)包括準(zhǔn)直透鏡(5)、掃描振鏡(6) 和聚焦透鏡(7);經(jīng)分光后的光從第二偏振控制器(4)經(jīng)準(zhǔn)直透鏡(5)、掃描 振鏡(6)和聚焦透鏡(7)后照射到樣品(8)，由原路返回經(jīng)第二偏振控制器 (4)至寬帶光纖耦合器(3)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種OCT中基于時空分光的寬光譜高分辨探測方法及系統(tǒng)。從寬帶光源發(fā)出的低相干光，經(jīng)光隔離器入射到寬帶光纖耦合器，經(jīng)耦合器分光后分別進(jìn)入掃面探頭和參考臂，返回的光在寬帶光纖耦合器中產(chǎn)生干涉，探測臂將干涉信號分解成不同光譜分量后實(shí)施探測，然后傳入計算機(jī)重建樣品圖像。在探測臂中干涉光譜信號先通過低分辨率、寬自由光譜范圍的時間域分光器件，再通過高分辨率、窄自由光譜范圍的空間域分光器件，再由光譜成像系統(tǒng)探測。本發(fā)明能夠在滿足高光譜分辨率的前提下，減小光譜成像系統(tǒng)的視場，避免了大視場光譜成像時存在的場曲以及光譜串?dāng)_等問題，從而實(shí)現(xiàn)高信噪比、高分辨率的譜域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(yōu)先權(quán)日2009年8月6日
發(fā)明者丁志華, 彤 吳, 婕 孟, 凱 王, 川 王, 陳明惠 申請人:浙江大學(xué)