全深度谱域光学相干层析成像装置及方法

摘要

本发明公开了一种全深度谱域光学相干层析成像装置及方法，该装置包括沿光路方向依次设置的光源、光纤型迈克尔逊干涉系统、光谱仪和信号处理系统。宽带光源发出的光经过2×2光纤耦合器后分别经过参考臂和样品臂后返回，经光谱仪分光后聚焦的线阵CCD上，得到干涉光谱。利用预存在电脑里的不同光程差下的干涉光谱信号对获得的样品的干涉光谱进行处理得到二维图像，相比于传统的傅里叶变换算法，该图像重构算法能够使得纵向分辨率不随深度的改变而改变。利用重构的一系列二维图像合成样品的三维结构图，实现对样品的微米级别的测量。

说明书

技术领域

本发明涉及谱域光学相干层析成像技术领域，特别是一种全深度谱域光学相干层析 成像装置及方法。

背景技术

光学相干层析术(OCT)是由Huang等人于1991年提出的一种高分辨无损伤的光 学成像技术，其成像过程类似于超声成像，通过样品不同位置的背向散射或背向反射光 与参考光的干涉，获得样品的结构信息，然后通过光束的横向扫描获得样品的横截面图 像。由于OCT系统采用的是宽带光源，所以其相干长度较短，为了对样品深度方向成 像，需要在参考臂引入扫描装置进行深度扫描从而获得不同深度处的信号。所以早期的 OCT称之为时域OCT。OCT技术提出之后首先被应用于眼科，1991年Huang等人首先 获得了人眼视网膜的在体层析图像，1993年Fercher等人获得了视乳头盘的OCT图像， 同年Swanson等人获得了人眼黄斑的OCT图像。1995年Tearney等人获得了人体皮肤 的OCT图像并且测量了真皮层表皮层以及角质层的折射率，OCT技术逐渐被广泛应用 于临床医学。

1995年，Fercher等人提出了频域光学相干层析技术(FDOCT)。FDOCT在探测臂 利用光谱仪代替了TDOCT中的光电探测器，通过探测干涉光谱信号实现在深度方向上 一次成像。FDOCT相比于TDOCT的显著特点是参考臂不需要运动机构进行轴向扫描， 样品的深度信息由探测到的干涉光谱信息通过傅里叶变换得到。所以FDOCT具有更快 的速度更高的信噪比。频域光学相干层析成像技术根据其光源与探测机制的不同又分为 谱域OCT(SDOCT)系统和扫频OCT(SSOCT)系统。SDOCT采用的是宽带光源和 快速多通道光谱仪，而SSOCT采用的是快速可调谐激光器和单点光电探测器。由于 SDOCT相比有TDOCT具有更高的信噪比，SDOCT被广泛应用于眼科，皮肤科，心血 管，血流等各领域。1995年Fercher等人实现了眼模型内部的一维测距及人眼角膜厚度 的测量。1998年G.Hausler等人实现了人体皮肤结构的载体测量，同时定量验证了有黑 色素瘤的皮肤具有更强的后向散射。2002年M.Wojtkowski首次实现了人体视网膜成像。 通过与多普勒效应相结合，Z.Chen等人实现了对血流速度的定量测量，从而发展了谱 域多普勒OCT(SD-DOCT)。R。Wang等人利用超快速的SDOCT实现了对视网膜血 管的三维可视化，并发展成为光学相干血管造影术(OCA)。J.Welzel等人利用SDOCT 对非黑瘤皮肤癌，黑色素瘤，皮肤炎症，寄生虫疾病，指甲以及监视治疗效果等方面进 行了研究。

虽然谱域光学相干层析成像技术已得到广泛应用，但是它还存在着一些的问题，影 响着成像质量。例如由于对信号的处理是通过傅里叶变换得到的，傅里叶变换对实数信 号存在着共轭像的问题，并且傅里叶变换要求信号的均匀采样。复共轭像的存在会使得 重建的样品结构产生混叠。另外实际中得到的干涉光谱信号在波长域是均匀采样的，在 波数域确是非均匀采样的。而谱域光学相干层析成像技术的图像重建是将干涉光谱从波 数域傅里叶变换到空间域。所以由于干涉光谱在波数域的非均匀采样，直接对干涉光谱 进行傅里叶变换会引起纵向分辨率随深度的增加而变差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够对生物组织三维全深度成像的谱域光学相干层析 成像装置及方法，并且能够保持纵向分辨率不随深度的改变而改变。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种全深度谱域光学相干层析成像装置，包括 沿光路方向依次设置的光源、光纤耦合器、第一准直透镜、第一聚焦透镜、平面镜、第 二准直透镜、X扫描振镜、Y扫描振镜、第二聚焦透镜、载物台、第三准直透镜、衍射 光栅、第三聚焦透镜、线阵CCD14、电脑和线性位移台，其中平面镜固定于线性位移 台上且平面镜位于第一聚焦透镜的焦平面，线阵CCD设于第三聚焦透镜的焦平面，线 阵CCD的输出端接入电脑，所有光学元件相对于基底同轴等高，即相对于光学平台或 仪器底座同轴等高；

所述光源发出的光通过光纤耦合器分成两路：其中一路光置于第一准直透镜的焦点 上产生准直光，该准直光通过第一聚焦透镜聚焦到平面镜后，平面镜的反射光沿原光路 返回经第一准直透镜重新耦合进光纤耦合器；另一路光置于第二准直透镜的焦点处，经 第二准直透镜后形成准直光，该准直光依次经过X扫描振镜、Y扫描振镜后经第二聚焦 透镜聚焦到载物台上的样品上，经样品后向散射或后向反射的光沿原光路返回经第二准 直透镜重新耦合进光纤耦合器；重新耦合进光纤耦合器的两路光发生干涉，产生的干涉 光经光纤耦合器的输出端置于第三准直透镜的焦点处，经第三准直透镜产生的准直光入 射至衍射光栅，经衍射光栅分光后入射至第三聚焦透镜，第三聚焦透镜将光聚焦到线阵 CCD的感光元件上，线阵CCD将光信号转换为电信号输入电脑中处理得到OCT图像。

一种基于权利要求1所述的全深度谱域光学相干层析成像装置的成像方法，包括以 下步骤：

步骤1，将光纤耦合器参考臂的输出端置于第一准直透镜的前焦点处，将平面镜置 于第一聚焦透镜后焦面上；

步骤2，将光纤耦合器的样品臂的输出端置于第二准直透镜的前焦点处，调节X扫 描振镜、Y扫描振镜相对的位置方向使得光路转折90度，并且使得准直后的光斑偏离 Y扫描振镜的转轴但在X扫描振镜的转轴上，调节第二聚焦透镜使得准直光聚焦到载物 台的平面镜上并沿原路返回；

步骤3，将光纤耦合器的探测臂输出端置于第三准直透镜的前焦点处产生准直光， 调节衍射光栅的位置及方向使得该准直光以度角入射至衍射光栅，调节第三聚焦透镜的 位置使得第三聚焦透镜的光轴与衍射光的方向同轴并且使得衍射光斑处于第三聚焦透 镜中心，调节线阵CCD的位置，使得CCD的探测面处于第三聚焦透镜的后焦面上；

步骤4，在样品臂中的载物台上设置平面镜，调节使光聚焦在该平面镜上，使样品 臂和参考臂重新耦合进光纤耦合器的光束发生干涉，启动线性位移台获得不同光程差下 的干涉光谱，探测臂中的线阵CCD将干涉光谱信号转换为电信号输入电脑存储于电脑 中；

步骤5，保持样品臂不变，将样品臂中载物台上的平面镜换为待测样品，调节载物 台使样品臂和参考臂重新耦合进光纤耦合器的光束发生干涉，驱动X扫描振镜、Y扫描 振镜进行横向扫描获得三维干涉光谱信号；

步骤6，探测臂中的线阵CCD将干涉光谱信号转换为电信号输入电脑，通过步骤4 中存储的干涉光谱重构二维图像，并将一系列的二维图像合成待测样品的三维结构图。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：(1)能够对样品进行三维结构探测，实 现微米量级层析成像探测；(2)该系统为光纤型谱域光学相干层析成像系统，结构简单， 稳定；(3)实现全深度成像，无需声光，电光调制，也不需要移相干涉，实现全深度范 围内纵向分辨率基本保持不变。

附图说明

图1为本发明谱域光学相干层析成像装置的结构示意图。

具体实施方式

结合图1，本发明全深度谱域光学相干层析成像装置，包括沿光路方向依次设置的 光源1、光纤耦合器2、第一准直透镜3、第一聚焦透镜4、平面镜5、第二准直透镜6、 X扫描振镜7、Y扫描振镜8、第二聚焦透镜9、载物台10、第三准直透镜11、衍射光 栅12、第三聚焦透镜13、线阵CCD14、电脑15和线性位移台16，其中平面镜5固定 于线性位移台16上且平面镜5位于第一聚焦透镜4的焦平面，线阵CCD14设于第三聚 焦透镜13的焦平面，线阵CCD14的输出端接入电脑15，所有光学元件相对于基底同 轴等高，即相对于光学平台或仪器底座同轴等高；

所述光源1发出的光通过光纤耦合器2分成两路：其中一路光置于第一准直透镜3 的焦点上产生准直光，该准直光通过第一聚焦透镜4聚焦到平面镜5后，平面镜5的反 射光沿原光路返回经第一准直透镜3重新耦合进光纤耦合器2；另一路光置于第二准直 透镜6的焦点处，经第二准直透镜6后形成准直光，该准直光依次经过X扫描振镜7、 Y扫描振镜8后经第二聚焦透镜9聚焦到载物台10上的样品上，经样品后向散射或后 向反射的光沿原光路返回经第二准直透镜6重新耦合进光纤耦合器2；重新耦合进光纤 耦合器2的两路光发生干涉，产生的干涉光经光纤耦合器2的输出端置于第三准直透镜 11的焦点处，经第三准直透镜11产生的准直光入射至衍射光栅12，经衍射光栅12分 光后入射至第三聚焦透镜13，第三聚焦透镜13将光聚焦到线阵CCD14的感光元件上， 线阵CCD14将光信号转换为电信号输入电脑15中处理得到OCT图像。

所述光纤耦合器2为50:50的2×2光纤耦合器。

所述线性位移台16为Thorlabs公司的LNR50S/M带梯形步进器的50毫米 TravelMax平台、最大行程为50毫米，增量运动的最小单位为0.05微米。

所述衍射光栅12的入射角为30度。

本发明全深度谱域光学相干层析成像方法，包括以下步骤：

步骤1，将光纤耦合器2参考臂的输出端置于第一准直透镜3的前焦点处，将平面 镜5置于第一聚焦透镜4后焦面上；所述光纤耦合器2为50:50的2×2光纤耦合器。

步骤2，将光纤耦合器2的样品臂的输出端置于第二准直透镜6的前焦点处，调节 X扫描振镜7、Y扫描振镜8相对的位置方向使得光路转折90度，并且使得准直后的光 斑偏离Y扫描振镜8的转轴但在X扫描振镜7的转轴上，调节第二聚焦透镜9使得准 直光聚焦到载物台10的平面镜上并沿原路返回；

步骤3，将光纤耦合器2的探测臂输出端置于第三准直透镜11的前焦点处产生准直 光，调节衍射光栅12的位置及方向使得该准直光以30度角入射至衍射光栅12，调节第 三聚焦透镜13的位置使得第三聚焦透镜13的光轴与衍射光的方向同轴并且使得衍射光 斑处于第三聚焦透镜13中心，调节线阵CCD14的位置，使得CCD的探测面处于第三 聚焦透镜13的后焦面上；

步骤4，在样品臂中的载物台10上设置平面镜，调节使光聚焦在该平面镜上，使样 品臂和参考臂重新耦合进光纤耦合器2的光束发生干涉，启动线性位移台16获得不同 光程差下的干涉光谱，探测臂中的线阵CCD14将干涉光谱信号转换为电信号输入电脑 15存储于电脑中；

步骤5，保持样品臂不变，将样品臂中载物台10上的平面镜换为待测样品，调节载 物台10使样品臂和参考臂重新耦合进光纤耦合器2的光束发生干涉，驱动X扫描振镜 7、Y扫描振镜8进行横向扫描获得三维干涉光谱信号；其中光斑偏离Y扫描振镜8的 转轴，产生调制频率，用于去除谱域光学相干层析成像技术中的复共轭像问题，光斑的 偏置距离满足以下条件：

$f_c=\frac{2\mathrm{k\delta }}{\pi }\omega >\frac{f_s}{2}$

式中，f_c为调制频率，k为波数，δ为光斑偏离Y振镜转轴的距离，ω为Y扫描振 镜7扫描时的角速度，f_s为纵向扫描的频率。

步骤6，探测臂中的线阵CCD14将干涉光谱信号转换为电信号输入电脑15，通过 步骤4中存储的干涉光谱重构二维图像，并将一系列的二维图像合成待测样品的三维结 构图。所述重构二维图像中进行去除复共轭像时，先对同一像素不同横向位置处的干涉 光谱信号进行傅里叶变换，然后对傅里叶变换后的信号进行加窗逆傅里叶变换以滤除直 流项，从而获得复干涉光谱。