CN103565405B - 基于分段光谱光程编码的谱域oct探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于分段光谱光程编码的谱域OCT探测系统及方法。在传统参考臂中设置一个二向色镜，将光源光谱分为两部分，并分别抵达透射光路和反射光路。借助透射光路与反射光路中平面反射镜不同位置的设置，使两部分光谱在参考臂中经历不同的光程，分别与样品中两个不同深度段的返回光相干涉。两部分光谱干涉信号进入探测臂后，同时被光谱仪中CCD不同区域的像素点探测，实现无混叠情况下的光谱并行获取。本发明在不改变谱域OCT探测臂与样品臂的条件下，通过在参考臂中加入一个较简单的分光结构，基于分段光谱的不同参考光程，实现样品中不同零光程位置的设置与双参考臂谱域OCT信号的并行探测，进而拓展谱域OCT的成像量程。

Description

基于分段光谱光程编码的谱域OCT探测方法

技术领域

本发明涉及光学相干层析成像（OpticalCoherenceTomography，简称OCT）技术，尤其涉及一种基于分段光谱光程编码的谱域OCT探测系统及方法。

背景技术

光学相干层析成像（OCT）能实施活体内部组织结构与生理功能的非接触、无损伤、高分辨率在体成像，在生物医学成像领域有着广泛的应用。尤其在眼科领域，OCT的应用前景更是巨大，常见的眼前节OCT（AnteriorsegmentOCT,AS-OCT）由于可以非接触地提供静动状态下的光学路径中眼前节的结构图像，且不需通过刺激对侧眼引发调节来间接观察被观察眼的相应变化，成为了测量和分析眼前节组织和结构的理想工具，与其它技术相比有着其不可比拟的优点。目前常用的谱域OCT系统，通常应用高速线阵CCD或者CMOS来并行采集干涉信号的光谱分量，无需轴向扫描就可以得到样品的深度信息，具有快速和高灵敏度的特点，其系统核心是探测臂中的快速光谱仪。系统的成像深度基本上由快速光谱仪中的各元器件参数决定，谱域OCT系统的成像深度通常在2~3mm左右，故还不足以测量全眼前节的深度（12mm~14mm）。

为了实现大深度成像，在常见的谱域OCT系统中，主流的实现方法有三种：通过消除镜像增加一倍成像深度、通过多次切换参考臂成像拼接和利用两套光谱仪同时成像。但是这些方法各有其利弊，消镜像的方法中常见的有B-M-mode和振镜偏移消镜像法。虽然消镜像能实现想要的深度倍增，但如B-M-mode法，使用时会存在因横向灵敏度下降而造成的成像质量下降的问题，同时方法中也很容易带入环境干扰，且软件编程方面也会有较复杂的要求。通过切换参考臂来达到成像深度倍增也有多种切换手段，通常利用振镜切换来实现。但是切换过程会带来时间损耗，一定程度上会限制系统成像速度，而且需要做后期的图像拼接处理，不能到实时成像的要求。利用两套光谱仪同时成像也能达到想要的成像深度，但是需要额外的搭建一套光谱仪，着实不够经济。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供了一种基于分段光谱光程编码的谱域OCT探测系统及方法。在原有的谱域OCT系统的基础上，改变参考臂的部分结构，实现分段同时成像的大深度探测；将一个光源光谱分成两部分进行利用，每部分光谱各自且同时成像，这样就不会产生额外的时间损耗，减少大量的图像拼接工作，而且能相对灵活便捷的选择两段探测的目标位置，从而利用较简单经济的实验装置实现大深度的谱域OCT系统的探测，具体内容如下：

本发明一种基于分段光谱光程编码的谱域OCT探测系统，包括宽带光源、光隔离器、宽带光纤耦合器、第一偏振控制器、第二偏振控制器、样品臂、参考臂和探测臂；所述的样品臂包括第一准直透镜、扫描振镜和第一聚焦透镜；所述的参考臂包括第二光纤准直器、二向色镜DM、第一平面反射镜和第二平面反射镜；所述的探测臂包括第三光纤准直器、光栅、第二聚焦透镜、CCD探测器和计算机；DM全称为DichroicMirror；

所述的宽带光源经光隔离器连接宽带光线耦合器的一个端口，而宽带光纤耦合器的两端出口分别经过第一偏振控制器和第二偏振控制器连接到样品臂和参考臂；其中第一偏振控制器连接样品臂中的第一准直透镜，接着经过扫描振镜后通过第一聚焦透镜，对准样品；而第二偏振控制器连接第二准直透镜，第二准直透镜对准二向色镜DM，并在二向色镜DM的两个出射边各放置一面平面反射镜。宽带光纤耦合器的第四个端口连接探测臂，分别经过第三准直透镜、光栅、第二聚焦透镜，最后对准探测器CCD，探测器CCD连接计算机，以进行数据处理。

宽带光源发出探测光束经宽带光纤耦合器后，一部分光通过第一偏振控制器进入参考臂，另一部分光通过第二偏振控制器进入样品臂；进入样品臂部分的光依次通过第一光纤准直器、扫描振镜和第一聚焦透镜后照射到样品上，样品的后向散射光经原路返回至宽带光纤耦合器；进入参考臂部分的光经第二光纤准直器到达二向色镜DM，按照不同的波长长度，入射光被分成反射和透射两部分。之后，两部分光被分别打到第一平面反射镜和第二平面反射镜上，并按原路返回到宽带光纤耦合,进而与样品臂返回的光进行干涉；此时，从宽带光纤耦合器进入探测臂的干涉信号同时包括了第一平面反射镜对应的第一参考光路同样品内部信息干涉产生的信号，以及第二平面反射镜对应的第二参考光路同样品内部信息干涉产生的信号，两部分信号分别对应不同深度段的样品结构信息。在探测臂中，出射光经光纤准直镜准直后，经光栅分光和聚焦透镜聚焦后，两部分信号被探测器上不同位置的像素点并行探测，再传入计算机通过快速傅立叶变换得到样品深度信息。

一种基于分段光谱光程编码的谱域OCT探测方法，其具体步骤如下：

步骤一：在传统谱域OCT系统的基础上，保证样品臂和探测臂不变，在参考臂的出射光处添加分光元器件DM和两面平面反射镜。

步骤二：光源出射后经宽带光纤耦合器，打入参考臂和样品臂，进入参考臂的光经准直后打到分光元器件DM上，分光元器件DM能使入射的光谱根据波长长短，一部分透射，一部分反射，即将整个光源光谱被分成两个部分。

步骤三：参考臂中经分光元器件DM分光得到的两部分光谱分别被打到两面平面反射镜上。遮蔽第二参考光路，调整第一参考光路，使得第一平面反射镜同样品内部第一个目标位置相对应，并调节出干涉信号。

步骤四：保证其他部件不动，使第二参考光路通光，调整第二平面反射镜的位置，使得其与样品中第二目标位置相对应，并调节出干涉信号。

步骤五：由两平面反射镜和样品干涉产生的两组干涉信号，同时进入探测臂，并使干涉信号分解成光谱信号，且探测器CCD上不同区域的像素点会并行记录两部分干涉信号的内容。被探测的信号最后传入计算机，通过傅立叶变换重建图像。

由于参考臂中两个平面反射镜相对于宽带光纤耦合器的光程不同，则对应到样品臂中会产生两个零光程位置，且通过调整两平面反射镜的位置，便能对应得到在样品中需要探测的目标深度位置的信息。由于传统谱域OCT结构中只存在一个参考臂，对应的就只有一个零光程位置，而系统灵敏度随深度的增加存在一个下降的趋势，即远离零光程位置的样品深层结构成像会不够清晰。本发明所描述的结构，能使系统产生两个零光程位置，则能较好地应对传统系统中所存在的问题。同时，从样品臂和两个参考臂返回来的光经干涉后，两部分干涉信号同时被光谱仪探测。则无需进行例如参考臂切换等方法中图像的后续拼接工作，且系统不存在因为切换等因素造成的成像速度受限，而更加有利于例如眼前节等运动样品的OCT探测成像或动态捕捉，实现了基于分段光谱光程编码的大量程的谱域OCT系统的探测。

与背景技术相比，本发明具有的有益效果是：

1、本发明的系统结构相对简单。只需要在传统的谱域OCT系统上对于参考臂做略微改动即可:即在参考臂上加上用于分光的DM器件，就能实现大深度的OCT成像探测。

2、本发明的系统结构可以实现分段的大深度成像。进入参考臂的光通过分光器件，分别打到两面平面反射镜上。两面平面反射镜在样品中，对应产生两个不同的零光程位置，从而实现分段成像的效果。这样既能对同个目标位置重复成像提高图像质量，又能对两个目标位置同时成像实现大深度探测。

3、本发明的参考臂部分没有动件，受环境干扰较少，系统相对稳定。不存在像光开关或者振镜切换等方法中会引入的额外时间损耗，也不需要做后期的图像拼接等工作，方便、快捷。

4、本发明把整个光源光谱做了较特别的利用，这种概念特别适用于宽光谱的光源。可通过本发明装置，较简单的把一个宽光谱分成两个部分并分别加以利用，实现基于光谱复用的大深度谱域OCT系统。这个概念在其他的系统设计中也能用到。

附图说明

图1是本发明系统的结构原理示意图；

图2是本发明系统的参考臂放大示意图；

图3是本发明系统中探测器探测信息时的示意图；

图4是本发明系统应用于眼前节时的成像效果示意图。

图中：1、宽带光源，2、光隔离器，3、宽带光纤耦合器，4、第一偏振控制器，5、第二偏振控制器，6、第一光纤准直器，7、振镜，8、第一聚焦透镜，9、样品，10、第二光纤准直器，11、二向色镜，12、第一平面反射镜，13、第二平面反射镜，14、第三光纤准直器，15、光栅，16、第二聚焦透镜，17、CCD探测器，18、计算机，19、样品臂，20、参考臂，21、探测臂。

具体实施方式

下面结合附图和实施示例对本发明作进一步的说明：

如图1、图2所示，本发明一种基于分段光谱光程编码的谱域OCT探测系统，包括宽带光源1、光隔离器2、宽带光纤耦合器3、第一偏振控制器4、第二偏振控制器5、样品臂19、参考臂20和探测臂21；所述的样品臂19包括第一准直透镜6、扫描振镜7和第一聚焦透镜8；所述的参考臂20包括第二光纤准直器10、二向色镜DM11、第一平面反射镜12和第二平面反射镜13；所述的探测臂21包括第三光纤准直器14、光栅15、第二聚焦透镜16、CCD探测器17和计算机18；

所述的宽带光源1经光隔离器2连接宽带光线耦合器3的一个端口，而宽带光纤耦合器3的两端出口分别经过第一偏振控制器4和第二偏振控制器5连接到样品臂19和参考臂20；其中第一偏振控制器4连接样品臂19中的第一准直透镜6，接着经过扫描振镜7后通过第一聚焦透镜8，对准样品9；而第二偏振控制器5连接第二准直透镜10，第二准直透镜10对准二向色镜DM11，并在二向色镜DM11的两个出射边各放置一面平面反射镜。宽带光纤耦合器3的第四个端口连接探测臂21，分别经过第三准直透镜14、光栅15、第二聚焦透镜16，最后对准探测器CCD17，探测器CCD17连接计算机18，以进行数据处理。

如图3、图4所示，宽带光源1发出探测光束经宽带光纤耦合器3后，一部分光通过第一偏振控制器4进入参考臂20，另一部分光通过第二偏振控制器5进入样品臂19；进入样品臂部分的光依次通过第一光纤准直器6、扫描振镜7和第一聚焦透镜8后照射到样品上，样品的后向散射光经原路返回至宽带光纤耦合器；进入参考臂20部分的光经第二光纤准直器10到达二向色镜DM11，按照不同的波长长度，入射光被分成反射和透射两部分，之后，两部光分别被打到第一平面反射镜12和第二平面反射镜上13，并按原路返回到宽带光纤耦合3,进而与样品臂19返回的光进行干涉；从宽带光纤耦合器3进入探测臂21干涉信号同时包括了第一平面反射镜12对应的第一参考光路同样品内部信息干涉产生的信号，以及第二平面反射镜13对应的第二参考光路同样品内部信息干涉产生的信号，两部分信号分别对应不同深度段的样品结构信息。在探测臂21中，出射光经光纤准直镜14准直后，经光栅15分光和聚焦透镜16聚焦后，两部分信号被探测器上不同位置的像素点并行探测，再传入计算机通过快速傅立叶变换得到样品深度信息。

一种基于分段光谱光程编码的谱域OCT探测方法，其具体步骤如下：

步骤一：在传统谱域OCT系统的基础上，保证样品臂和探测臂不变，在参考臂的出射光处添加分光元器件DM和两面平面反射镜。

步骤二：光源出射后经宽带光纤耦合器，打入参考臂和样品臂，进入参考臂的光经准直后打到分光元器件DM上，分光元器件DM能使入射的光谱根据波长长短，一部分透射，一部分反射，即将整个光源光谱被分成两个部分。

步骤三：参考臂中经分光元器件分光得到的两部分光谱分别被打到两面平面反射镜上。遮蔽第二参考光路，调整第一参考光路，使得第一平面反射镜同样品内部第一个目标位置相对应，并调节出干涉信号。

步骤四：保证其他部件不动，使第二参考光路通光，调整第二平面反射镜的位置，使得其与样品中第二目标位置相对应，并调节出干涉信号。

步骤五：由两平面反射镜和样品干涉产生的两组干涉信号，同时进入探测臂，并使干涉信号分解成光谱信号，且探测器CCD上不同区域的像素点会并行记录两部分干涉信号的内容。被探测的信号最后传入计算机，通过傅立叶变换重建图像。

由于参考臂中两个平面反射镜相对于宽带光纤耦合器的光程不同，则对应到样品臂中会产生两个零光程位置，且通过调整两平面反射镜的位置，便能对应得到在样品中需要探测的目标深度位置的信息。由于传统谱域OCT结构中只存在一个参考臂，对应的就只有一个零光程位置，而系统灵敏度随深度的增加存在一个下降的趋势，即远离零光程位置的样品深层结构成像会不够清晰。本发明所描述的结构，能使系统产生两个零光程位置，则能较好地应对传统系统中所存在的问题。同时，从样品臂和两个参考臂返回来的光经干涉后，两部分干涉信号同时被光谱仪探测。则无需进行例如参考臂切换等方法中图像的后续拼接工作，且系统不存在因为切换等因素造成的成像速度受限，而更加有利于例如眼前节等运动样品的OCT探测成像或动态捕捉，实现了基于分段光谱光程编码的大量程的谱域OCT系统的探测。

Claims (1)

1.基于分段光谱光程编码的谱域OCT探测方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：

步骤一：在传统谱域OCT系统的基础上，保证样品臂和探测臂不变，在参考臂的出射光处添加分光元器件DM和两面平面反射镜；

步骤二：光源出射后经宽带光纤耦合器，打入参考臂和样品臂，进入参考臂的光经准直后打到分光元器件DM上，分光元器件DM能使入射的光谱根据波长长短，一部分透射，一部分反射，即将整个光源光谱被分成两个部分；

步骤三：参考臂中经分光元器件DM分光得到的两部分光谱分别被打到两面平面反射镜上；遮蔽第二参考光路，调整第一参考光路，使得第一平面反射镜同样品内部第一个目标位置相对应，并调节出干涉信号；

步骤四：保证其他部件不动，使第二参考光路通光，调整第二平面反射镜的位置，使得其与样品中第二目标位置相对应，并调节出干涉信号；

步骤五：由两平面反射镜和样品干涉产生的两组干涉信号同时进入探测臂，并使干涉信号分解成光谱信号，且探测器CCD上不同区域的像素点会并行记录两部分干涉信号的内容；被探测的信号最后传入计算机，通过傅立叶变换重建图像。