專利名稱：用于譜域oct的聲光選通光譜快速探測(cè)方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及譜域光學(xué)相干層析成(OCT)像技術(shù)，尤其是涉及一種用于譜域OCT的 聲光選通光譜快速探測(cè)方法及系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
光學(xué)相干層析成像(Optical Coherence Tomography, OCT)是一種新興的生物醫(yī) 學(xué)光學(xué)成像技術(shù)，能非侵入地、無損傷地對(duì)活體組織的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及生理功能進(jìn)行高分辨 率的三維成像。譜域OCT不需要時(shí)域OCT的軸向掃描來得到樣品的深度信息，深度信息是 由通過探測(cè)到的光譜信息的傅里葉逆變換得到，因此大大提高了成像速度和靈敏度。
目前傳統(tǒng)的譜域OCT系統(tǒng)大多都是通過線陣CCD來并行采集干涉信號(hào)經(jīng)光柵分光 后的光譜分量，其系統(tǒng)核心是探測(cè)臂中的用CCD探測(cè)的多通道光譜儀，然而用CCD探測(cè)的光 柵光譜儀的這種探測(cè)方法有其缺陷。其一，傳統(tǒng)譜域OCT的軸向掃描速度與CCD的積分時(shí) 間也就是CCD的行頻或幀率直接相關(guān)，因此軸向掃描速度受到CCD的行頻或幀率限制。奧 地利的維也納大學(xué)的Fercher小組使用了面陣CCD，像素是H1024XV250，其幀率很低。為 了得到高一點(diǎn)的軸向掃描速度，國外很多科研機(jī)構(gòu)都采用更高速度的線陣CCD在譜域OCT 光譜儀探測(cè)，但行頻大都在幾十kHz，美國MIT大學(xué)的Fujimoto小組和哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院的 Bouma小組都采用Atmel公司的2048像素，29kHz行頻的CCD, 2008年Fujimoto小組采用 4096像素的12kHz行頻的CCD用在譜域OCT的掃描探頭，美國印第安納大學(xué)的Miller小 組采用的512像素的75kHz行頻的CCD探測(cè)器，波蘭哥白尼大學(xué)Wo jtkowski小組使用的也 是Atmel Aviiva的M4CL2014的2048像素、53kHz行頻的CCD。美國的Iftimia等人采用 Basler Vision公司的1024像素、58kHz行頻的CCD。還有一些小組使用CMOS探測(cè)器，能達(dá) 到比較高的行頻速度，但由于其暗電流比較大，造成信噪比不高，并且CMOS的光電轉(zhuǎn)換效 率也比較低。其二，由于商用化的1300nm波段的銦鎵砷陣列CCD很少提供，像素分辨率也 比較低，大于1024像素的幾乎沒有，大部分都是512像素和1024像素的，并且價(jià)格非常昂 貴，主要用于軍事領(lǐng)域，因此目前的譜域OCT主要采用硅材料的CCD,大都集中在850nm波 段。2006年美國的紐約大學(xué)Zhenguo Wang等人使用了 1300nm波段的銦鎵砷陣列CCD,靈 敏度和像素分辨率都不高。 綜上所述，線陣CCD行頻直接跟軸向掃描速度相關(guān)，如何突破現(xiàn)有線陣CCD行頻的 限制，獲得更高速的光譜探測(cè)方法是譜域OCT技術(shù)，尤其是1300nm波段的譜域OCT技術(shù)發(fā) 展的一大技術(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用于譜域OCT的聲 光選通光譜快速探測(cè)方法及系統(tǒng)，應(yīng)用在譜域OCT系統(tǒng)的探測(cè)臂部分，采用基于單元探測(cè) 器的高速聲光選通光柵光譜儀結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)高速光譜探測(cè)。
本發(fā)明的目的是通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的
3
—、一種用于譜域OCT的聲光選通光譜快速探測(cè)方法 在譜域OCT系統(tǒng)的探測(cè)臂采用基于單元探測(cè)器的高速聲光選通光柵光譜儀，實(shí)現(xiàn) 譜域OCT的光譜快速探測(cè)；其具體步驟如下 (1)在譜域OCT系統(tǒng)的探測(cè)臂中，先通過光柵作為分光器件進(jìn)行分光，將寬帶光譜 在空間上分成各色窄帶光譜； (2)在光柵分光之后，再通過脈沖式射頻信號(hào)驅(qū)動(dòng)聲光調(diào)制器所形成的聲光柵對(duì) 光的偏折作用來選通窄帶光譜，實(shí)現(xiàn)序列窄帶光譜快速依次輸出； (3)時(shí)間序列的窄帶光譜信號(hào)通過由聚焦透鏡和高速單元探測(cè)器組成的光譜成像 系統(tǒng)實(shí)施光譜探測(cè)。 二、一種用于譜域OCT的聲光選通光譜快速探測(cè)系統(tǒng) 包括寬帶光源、光隔離器、寬帶光纖耦合器、四個(gè)偏振控制器、樣品臂、參考臂和探 測(cè)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)入樣品臂，另一路經(jīng)第三偏振控制器進(jìn)入?yún)⒖急?，返?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(cè)臂。所述探測(cè)臂包括光纖 準(zhǔn)直鏡、光柵、聚焦透鏡、射頻驅(qū)動(dòng)器、聲光調(diào)制器、聚焦透鏡和單元探測(cè)器；進(jìn)入探測(cè)臂的 光從光纖準(zhǔn)直鏡準(zhǔn)直平行后經(jīng)光柵分光，光柵和聲光調(diào)制器分別位于聚焦透鏡的前焦面和 后焦面上，光經(jīng)光柵分光后經(jīng)聚焦透鏡各色光聚焦在聲光調(diào)制器上，各色光平行于聚焦透 鏡的主光軸斜入射在聲光調(diào)制器上，射頻驅(qū)動(dòng)器的射頻脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)聲光調(diào)制器，光經(jīng)射 頻脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)的聲光調(diào)制器選通衍射時(shí)間序列的窄帶光譜信號(hào)，經(jīng)聚焦透鏡聚焦在單元 探測(cè)器上進(jìn)行探測(cè)，聲光調(diào)制器和單元探測(cè)器分別放置在聚焦透鏡的前焦面和后焦面上。
所述樣品臂包括光纖準(zhǔn)直鏡、掃描振鏡和聚焦透鏡；經(jīng)分光后的光從第二偏振控 制器經(jīng)光纖準(zhǔn)直鏡、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。 所述參考臂包括光纖準(zhǔn)直鏡、色散補(bǔ)償器、中性濾光片和平面反射鏡；經(jīng)分光后的
光從第三偏振控制器、經(jīng)光纖準(zhǔn)直鏡、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。
與背景技術(shù)相比，本發(fā)明具有的有益效果是 1、由于脈沖式射頻信號(hào)驅(qū)動(dòng)聲光調(diào)制器所形成的聲光柵對(duì)光的偏折作用來選通 窄帶光譜，并且由單元探測(cè)器探測(cè)，可以突破傳統(tǒng)的多通道光譜儀CCD行頻的限制，達(dá)到高 速的軸向掃描速度。 2、脈沖射頻信號(hào)驅(qū)動(dòng)的聲光選通光柵光譜儀取代了傳統(tǒng)的多通道光譜儀，系統(tǒng)對(duì)
探測(cè)器要求低，只要普通的光電二極管探測(cè)器即可符合其時(shí)間響應(yīng)等要求。 3、本發(fā)明提出的聲光選通光譜快速探測(cè)方法，采用光電二極管單元探測(cè)器取代
CCD，所以除了可以應(yīng)用于850nm波段的譜域系統(tǒng)中，也可以應(yīng)用于1300nm和1050nm波段
的光譜探測(cè)。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2是本發(fā)明的聲光選通光譜的原理圖。
圖3是本發(fā)明應(yīng)用在譜域OCT的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。 圖中1.光纖準(zhǔn)直鏡，2.光柵，3.聚焦透鏡，4.射頻驅(qū)動(dòng)器，5.聲光調(diào)制器，6.聚 焦透鏡，7.單元探測(cè)器，8.寬帶光源，9.偏振控制器，IO.光隔離器，ll.寬帶光纖耦合器， 12.光纖準(zhǔn)直鏡，13.掃描振鏡，14.聚焦透鏡，15.樣品，16.光纖準(zhǔn)直鏡，17.色散補(bǔ)償器， 18.中性濾光片，19.平面反射鏡，20.樣品臂，21.參考臂，22.探測(cè)臂。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施示例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明 本發(fā)明單元探測(cè)器探測(cè)的高速聲光選通光柵光譜儀中，通過控制加載在聲光調(diào)制 器上的脈沖射頻信號(hào)，將整個(gè)寬帶光譜范圍內(nèi)的窄帶光譜信號(hào)在時(shí)間上衍射選通，分成時(shí) 間序列窄帶光譜依次輸出，由光電二極管單元探測(cè)器探測(cè)?？焖夙憫?yīng)的光電二極管單元探 測(cè)器取代傳統(tǒng)的多通道光柵光譜儀的線陣CCD進(jìn)行探測(cè)信號(hào)，脈沖射頻信號(hào)的重復(fù)頻率就 是探測(cè)器的行頻，也就是應(yīng)用在譜域OCT成像系統(tǒng)的軸向掃描速度，實(shí)現(xiàn)高速探測(cè)，大大提 高了成像速度。 如圖1所示，本發(fā)明包括光纖準(zhǔn)直鏡l(OZ Optics, Inc., HPUC0-23A-1300/1500-S-10AC)、 光柵2(Newport, Inc. ，53_*_148R)、 聚焦透鏡 3(Thorlabs， Inc. ， AC254-254-B)、射頻驅(qū)動(dòng)器4(LeCroy， Inc. ，9100)、聲光調(diào)制器 5 (Crystal Technology, 3165-1)、聚焦透鏡6 (Thorlabs， Inc. ， AC254-100-B)和單元探測(cè) 器7(New Focus ， Inc. ，2117_FS);從光纖準(zhǔn)直鏡1出來的準(zhǔn)直平行光經(jīng)光柵2分光，光柵2 位于聚焦透鏡3的前焦面上，經(jīng)光柵2分光后的各色光經(jīng)聚焦透鏡3后在它的后焦面上匯 聚成平行于它的主光軸的一系列光譜，斜入射在聲光調(diào)制器5上，聲光調(diào)制器5放置在聚焦 透鏡3的后焦面上，射頻驅(qū)動(dòng)器4的射頻脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)聲光調(diào)制器5所形成的聲波布拉格 光柵對(duì)光的偏折作用來選通窄帶光譜，其余的色光不在聲光柵的作用區(qū)域，未衍射直接透 射聲光調(diào)制器晶體，脈沖射頻聲波在聲光調(diào)制器晶體中傳播，依次衍射各色光，經(jīng)聲光調(diào)制 器5衍射選通時(shí)間序列的窄帶光譜信號(hào)，衍射色光經(jīng)聚焦透鏡6聚焦在單元探測(cè)器7上進(jìn) 行探測(cè)，聲光調(diào)制器5和單元探測(cè)器7分別放置在聚焦透鏡6的前焦面和后焦面上。
如圖2(a)所示，脈沖射頻聲波與聲光晶體二氧化碲晶體作用形成的布拉格聲光 柵，平行的各色光斜入射在聲光調(diào)制器晶體上，布拉格聲光柵傳播到第一個(gè)色光光斑A工入 射晶體的位置，A工色光經(jīng)布拉格聲光柵衍射偏折選通，其他所有色光沒有經(jīng)布拉格聲光柵 作用而直接透射通過二氧化碲聲光晶體，光傳播方向不變，沒有被選通，不會(huì)進(jìn)入聚焦透鏡 和單元探測(cè)器被探測(cè)到。如圖2(b)所示，脈沖射頻聲波傳播到第二個(gè)色光光斑、入射晶 體的位置，入2色光經(jīng)布拉格聲光柵衍射偏折選通；第一個(gè)色光光斑A工由于沒有了布拉格 聲光柵的作用，所以A工直接透射二氧化碲聲光晶體，沿原方向傳播，不會(huì)被選通；而其他色 光也是沒有經(jīng)布拉格聲光柵作用而直接透射通過二氧化碲聲光晶體，光傳播方向不變，沒 有被選通。脈沖射頻聲波在二氧化碲聲光晶體傳播，則依次選通各色光，得到時(shí)間序列的窄 帶光譜，并被單元探測(cè)器探測(cè)。 商品化的聲光調(diào)制器的二氧化碲聲光晶體的長(zhǎng)度為4.3cm(大約都是4cm左 右)，聲波在二氧化碲晶體的速度是4. 2mm/y s，所以脈沖射頻聲波在晶體中傳播的時(shí)間是 10. 2ii s，脈沖射頻信號(hào)在聲光晶體二氧化碲晶體中的傳播時(shí)間長(zhǎng)短就是代表了探測(cè)器的行頻高低，即脈沖射頻信號(hào)的重復(fù)頻率就是譜域OCT系統(tǒng)的軸向掃描速度近似為100kHz。 射頻驅(qū)動(dòng)器發(fā)出的脈沖射頻信號(hào)的聲波頻率是200MHz，峰值功率為1W，聲波在二氧化碲晶 體的波長(zhǎng)為21 m。脈沖射頻聲波的脈寬為20ns，上升沿和下降沿都是5ns，所以形成布拉 格聲光柵有效的作用時(shí)間近似是10ns。光譜分辨率由聲波與晶體的聲光效應(yīng)所形成的布拉 格衍射光柵作用單元決定，為42iim左右。所以二氧化碲聲光晶體的長(zhǎng)度為4. 3cm的聲光 調(diào)制器的光譜分辨單元數(shù)為1024即相當(dāng)于1024像素。所以本發(fā)明探測(cè)器能達(dá)到100kHz 行頻、1024像素。 如圖3所示，本發(fā)明應(yīng)用在譜域OCT成像系統(tǒng)中的探測(cè)臂。譜域OCT成像系統(tǒng)包 括寬帶光源8、四個(gè)偏振控制器9、光隔離器10、寬帶光纖耦合器11、樣品臂20、參考臂21和 探測(cè)臂22。從寬帶光源8出來的低相干光，經(jīng)第一偏振控制器9、光隔離器10入射到寬帶 光纖耦合器ll，經(jīng)分光后，一路經(jīng)第二偏振控制器9進(jìn)入樣品臂20，經(jīng)光纖準(zhǔn)直鏡12、掃描 振鏡13和聚焦透鏡14后照射到樣品15，信號(hào)光由原路返回經(jīng)第二偏振控制器9至寬帶光 纖耦合器11 ;另一路光經(jīng)第三偏振控制器9進(jìn)入?yún)⒖急?1，經(jīng)光纖準(zhǔn)直透鏡16、色散補(bǔ)償 器17、中性濾光片18和平面反射鏡19，反射光由原路返回經(jīng)第三偏振控制器9至寬帶光纖 耦合器11。從樣品臂20和參考臂21返回的光在寬帶光纖耦合器11中干涉后，經(jīng)第四偏 振控制器9，進(jìn)入探測(cè)臂22。最后單元探測(cè)器探測(cè)的光譜信號(hào)的測(cè)量結(jié)果再由計(jì)算機(jī)控制 的數(shù)據(jù)采集卡采樣數(shù)據(jù)點(diǎn)，采樣后數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行逆傅立葉變換等處理來重建樣品圖 像。系統(tǒng)中偏振控制器9的作用是便于調(diào)整各個(gè)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。 所述參考臂21包括光纖準(zhǔn)直鏡16、色散補(bǔ)償器17、中性濾光片18和平面反射鏡 19 ;經(jīng)分光后的光從第三偏振控制器9、經(jīng)光纖準(zhǔn)直鏡16、色散補(bǔ)償器17、中性濾光片18和 平面反射鏡19，由原路返回經(jīng)第三偏振控制器9至寬帶光纖耦合器11。
所述樣品臂20包括光纖準(zhǔn)直鏡12、掃描振鏡13和聚焦透鏡14 ;經(jīng)分光后的光從 第二偏振控制器9經(jīng)光纖準(zhǔn)直鏡12、掃描振鏡13和聚焦透鏡14后照射到樣品15，由原路 返回經(jīng)第二偏振控制器9至寬帶光纖耦合器11。 本發(fā)明公開的一種用于譜域OCT成像系統(tǒng)的聲光選通光譜快速探測(cè)方法及系統(tǒng)， 核心就是基于單元探測(cè)器的高速聲光選通光柵光譜儀。干涉信號(hào)先由光柵分光，經(jīng)脈沖式 射頻聲波信號(hào)驅(qū)動(dòng)的聲光調(diào)制器的高速調(diào)制選通時(shí)間序列的窄帶光譜，并由單元探測(cè)器探 測(cè)。用于譜域OCT系統(tǒng)的基于單元探測(cè)器的高速聲光選通光柵光譜儀能夠?qū)崿F(xiàn)光譜的高速 探測(cè)，在1024像素條件下行頻達(dá)到lOOkHz，從而具有高速軸向掃描速度的優(yōu)點(diǎn)，并且可以 應(yīng)用于各種波段的譜域OCT系統(tǒng)。這種聲光選通光譜快速探測(cè)方法及系統(tǒng)在譜域OCT成像 技術(shù)以及其他涉及光譜儀的相關(guān)領(lǐng)域具有重要意義。
權(quán)利要求
一種用于譜域OCT的聲光選通光譜快速探測(cè)方法，其特征在于在譜域OCT系統(tǒng)的探測(cè)臂采用基于單元探測(cè)器的高速聲光選通光柵光譜儀，實(shí)現(xiàn)譜域OCT的光譜快速探測(cè)；其具體步驟如下(1)在譜域OCT系統(tǒng)的探測(cè)臂中，先通過光柵作為分光器件進(jìn)行分光，將寬帶光譜在空間上分成各色窄帶光譜；(2)在光柵分光之后，再通過脈沖式射頻信號(hào)驅(qū)動(dòng)聲光調(diào)制器所形成的聲光柵對(duì)光的偏折作用來選通窄帶光譜，實(shí)現(xiàn)序列窄帶光譜快速依次輸出；(3)時(shí)間序列的窄帶光譜信號(hào)通過由聚焦透鏡和高速單元探測(cè)器組成的光譜成像系統(tǒng)實(shí)施光譜探測(cè)。
2. —種實(shí)施權(quán)利要求1所述方法的一種用于譜域OCT的聲光選通光譜快速探測(cè)系 統(tǒng)，包括寬帶光源(8)、光隔離器(10)、寬帶光纖耦合器(11)、四個(gè)偏振控制器(9)、樣品 臂(20)、參考臂(21)和探測(cè)臂(22);從寬帶光源(8)出來的低相干光，經(jīng)第一偏振控制器 (9)、光隔離器(10)入射到寬帶光纖耦合器(ll)，經(jīng)分光后一路經(jīng)第二偏振控制器(9)進(jìn) 入樣品臂(20)，另一路經(jīng)第三偏振控制器(9)進(jìn)入?yún)⒖急?21)，返回的光在寬帶光纖耦合 器(11)中干涉后，經(jīng)第四偏振控制器(9)，進(jìn)入探測(cè)臂(22);其特征在于所述探測(cè)臂(22): 包括光纖準(zhǔn)直鏡(D、光柵(2)、聚焦透鏡(3)、射頻驅(qū)動(dòng)器(4)、聲光調(diào)制器(5)、聚焦透鏡 (6)和單元探測(cè)器(7);進(jìn)入探測(cè)臂(22)的光從光纖準(zhǔn)直鏡(1)準(zhǔn)直平行后經(jīng)光柵(2)分 光，光柵(2)和聲光調(diào)制器(5)分別位于聚焦透鏡(3)的前焦面和后焦面上，光經(jīng)光柵(2) 分光后經(jīng)聚焦透鏡(3)后各色光聚焦在聲光調(diào)制器(5)上，各色光平行于聚焦透鏡(3)的 主光軸斜入射在聲光調(diào)制器(5)上，射頻驅(qū)動(dòng)器(4)的射頻脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)聲光調(diào)制器(5)， 光經(jīng)射頻脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)的聲光調(diào)制器(5)選通衍射時(shí)間序列的窄帶光譜信號(hào)，經(jīng)聚焦透鏡 (6)聚焦在單元探測(cè)器(7)上進(jìn)行探測(cè)，聲光調(diào)制器(5)和單元探測(cè)器(7)分別放置在聚焦 透鏡(6)的前焦面和后焦面上。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述方法的一種用于譜域OCT的聲光選通光譜快速探測(cè)的系統(tǒng)，其 特征在于所述樣品臂(20)包括光纖準(zhǔn)直鏡(12)、掃描振鏡(13)和聚焦透鏡(14);經(jīng)分光 后的光從第二偏振控制器(9)經(jīng)光纖準(zhǔn)直鏡(12)、掃描振鏡(13)和聚焦透鏡(4)后照射到 樣品(15)，由原路返回經(jīng)第二偏振控制器(9)至寬帶光纖耦合器(11)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述方法的一種用于譜域OCT的聲光選通光譜快速探測(cè)的系統(tǒng)，其 特征在于所述參考臂(21)包括光纖準(zhǔn)直鏡(16)、色散補(bǔ)償器(17)、中性濾光片(18)和 平面反射鏡(19);經(jīng)分光后的光從第三偏振控制器(9)、經(jīng)光纖準(zhǔn)直鏡(16)、色散補(bǔ)償器 (17)、中性濾光片(18)和平面反射鏡(19)，由原路返回經(jīng)第三偏振控制器(9)至寬帶光纖 耦合器(11)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于譜域OCT的聲光選通光譜快速探測(cè)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)分光后分別進(jìn)入樣品臂和參考臂，從樣品臂和參考臂返回的光在寬帶光纖耦合器中產(chǎn)生干涉，由探測(cè)臂實(shí)施干涉光譜的探測(cè)，傳入計(jì)算機(jī)作后續(xù)處理以重建樣品圖像。在探測(cè)臂中采用基于單元探測(cè)器的高速聲光選通光柵光譜儀，干涉光譜信號(hào)先通過光柵分光，再通過脈沖式射頻信號(hào)驅(qū)動(dòng)的聲光調(diào)制器所形成的聲光柵對(duì)光的偏折作用來依次選通窄帶光譜，得到時(shí)間序列的各色窄帶光譜并由單元探測(cè)器探測(cè)。實(shí)現(xiàn)光譜的高速探測(cè)，在1024像素條件下行頻可達(dá)100kHz。它可用于各種波段的譜域OCT系統(tǒng)以及其他涉及光譜儀的領(lǐng)域。
文檔編號(hào)A61B5/00GK101711667SQ20091015491
公開日2010年5月26日 申請(qǐng)日期2009年11月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月26日
發(fā)明者丁志華, 吳彤, 沈龍飛, 王凱, 王川, 王玲, 陳明惠 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)