CN108572161B - 基于分波阵面干涉仪的光学相干层析成像装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于分波阵面干涉仪的光学相干层析成像装置，包括光源、光学干涉仪、光束扫描单元、控制和数据采集单元以及探测光谱仪，所述光学干涉仪包括具有a端、b端、c端的光学环形器，以及第一准直透镜、全反射分束镜、参考臂；所述光源发出的光进入光学环形器的a端，从b端输出，穿过第一准直透镜形成准直光束，所述全反射分束镜的一部分镜面位于准直光束中，将准直光束分为两路分别进入参考臂和光束扫描单元；分别从参考臂和光束扫描单元返回的参考光、样品光经第一准直透镜形成光干涉信号进入光学环形器的b端，从c端输出，所述控制和数据采集单元利用探测光谱仪采集光干涉信号的光谱得到图像，所述控制和数据采集单元还向光束扫描单元发送驱动信号。

Description

基于分波阵面干涉仪的光学相干层析成像装置
技术领域
本发明涉及光学相干层析成像装置，具体涉及一种基于分波阵面干涉仪的光学相干层析成像装置。
背景技术
光学相干层析成像（OCT）是一种非接触、无损伤的医用光学成像技术。通过对样品内部散射光的检测，OCT可以对生物样品的结构进行高分辨成像，分辨率在微米量级。
在OCT技术中,通常采用麦克尔逊干涉仪进行深度方向距离的相干检测，这种技术被称为分振幅型干涉技术。在基于麦克尔逊干涉仪的OCT系统中，由低相干光源发出的光从光源臂进入干涉仪，入射到光学分光镜（或光纤分束器）上，光学分光镜（或光纤分束器）将入射光分别传导到干涉仪的参考臂和样品臂中，从参考臂反射回来的参考光和从样品中散射回来的样品光在光学分光镜（或光纤分束器）上耦合，然后光干涉信号进入干涉仪的探测臂，由探测器接收。
然而，在麦克尔逊干涉仪中，入射光被一个部分反射（或透射）分光镜（或光纤分束器）分为样品光和参考光。对于从组织散射的样品光来说，也需要经过同一个分光镜（或光纤分束器）才能进入探测器，这造成了信号光的损耗，一般为50%左右，而信号光的损耗会降低OCT成像系统的灵敏度；另外，OCT技术采用的是宽带光源，这就要求干涉仪分光镜（或光纤分束器）具有很宽的带宽，从而增加系统的硬件成本；还有,对于不同的生物样品，为了获得理想的成像效果，往往需要采用不同波长的光源，例如，对于视网膜成像多用850纳米波长的光源，对于高散射性样品，则需要采用波长大于1.3微米的光源，而为了获得高的成像分辨率，人们会采用短于800纳米波长的光源。但工作在特殊波长的宽带光学分光镜（或光纤分束器）的制作比较困难，并不容易获得，这限制了OCT成像系统探测光波长选择的灵活性。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供基于分波阵面干涉仪的光学相干层析成像装置，可以解决现有光学相干层析成像装置对信号光有较大的损耗，影响成像灵敏度的问题。
本发明通过以下技术方案实现：
基于分波阵面干涉仪的光学相干层析成像装置，包括光源、光学干涉仪、光束扫描单元、控制和数据采集单元以及探测光谱仪，所述光学干涉仪包括具有a端、b端、c端的光学环形器，以及第一准直透镜、全反射分束镜、参考臂；所述光源发出的光进入光学环形器的a端，从b端输出，穿过第一准直透镜形成准直光束，所述全反射分束镜的一部分镜面位于准直光束中，将准直光束分为两路分别进入参考臂和光束扫描单元；分别从参考臂和光束扫描单元返回的参考光、样品光经第一准直透镜形成光干涉信号进入光学环形器的b端，从c端输出，所述控制和数据采集单元利用探测光谱仪采集光干涉信号的光谱得到图像，所述控制和数据采集单元还向光束扫描单元发送驱动信号。
本发明的进一步方案是，所述光源与光学环形器的a端之间还设置有偏振控制器，用于控制光线进入环行器的偏振态，以消除环行器中的双折射效应可能引起的假像。
本发明的进一步方案是，所述参考臂由依次设置的光学玻璃平板、参考臂透镜、参考臂全反射镜组成；光学玻璃平板用于干涉仪样品臂和参考臂之间的色散平衡。
本发明的进一步方案是，所述全反射分束镜为金属膜反射镜，其反射率对波长不敏感，使得成像装置的工作波长不受限制，这有利于使用任意波长的光源对生物组织样品进行成像。
本发明与现有技术相比的优点在于：
一、采样全反射分束镜进行分光，可以消除传统迈克尔逊干涉仪中所使用分光镜（或光纤分束器）对信号光的损耗，这有利于提高系统探测灵敏度；
二、光干涉信号对干涉仪光路中光的偏振态不敏感，降低了系统调整要求；
三、参考光的光强可以通过调节全反射分束镜的位置进行控制，使得参考光路中不需要额外的光学衰减器，这降低了系统对光源功率的要求以及硬件成本，而且消除了光学衰减器对干涉仪色散平衡产生的不利影响。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为不同分光比下测量得到的OCT系统灵敏度。
图3 以手掌皮肤作为生物样品的OCT结构图像。
具体实施方式
如图1所示的基于分波阵面干涉仪的光学相干层析成像装置，包括光源1、光学干涉仪2、光束扫描单元3、控制和数据采集单元4以及探测光谱仪5。
所述光源1为一台功率可调SLD，其中心波长为850纳米，带宽33纳米。
所述光学干涉仪2包括具有a端、b端、c端的光学环形器7，以及第一准直透镜8、全反射分束镜9、参考臂，所述参考臂由依次设置的光学玻璃平板11、参考臂透镜12、参考臂全反射镜13组成；所述全反射分束镜9为镀银反射镜。
所述光束扫描单元3包括依次设置的扫描振镜19、第一扫描透镜18、第二扫描透镜17、第三扫描透镜16组成；所述第一扫描透镜18和第二扫描透镜17焦距为40毫米，第三扫描透镜16的焦距为30毫米。
所述控制和数据采集单元4由计算机21，和分别连接于计算机21的输入端、输出端的图像采集卡22、扫描驱动卡20组成。
所述探测光谱仪5由依次设置的焦距为60毫米的第二准直透镜26、1200线/毫米的光栅25、焦距为150毫米的探测仪透镜24、E2V公司生产的线阵CCD相机23组成。在700微瓦样品照射功率下，测量得到的系统灵敏度为97dB。
所述光源1发出的光经偏振控制器6进入光学环形器7的a端，从b端输出，穿过第一准直透镜8形成准直光束，所述全反射分束镜9的一部分镜面位于准直光束中，将准直光束分成分光比分别为Rr和Rs的两路，其中Rr+Rs=1，分别经第一全反射镜10、第二全反射镜14进入参考臂和光束扫描单元3；进入参考臂的光束依次穿过光学玻璃平板11、参考臂透镜12入射到参考臂全反射镜13，再从参考臂全反射镜13反射返回形成参考光；进入光束扫描单元3的光束经扫描振镜19的反射依次穿过第一扫描透镜18、第二扫描透镜17、第三扫描透镜16照射在生物样品15上，从生物样品15散射的样品光，原路返回光学干涉仪2，和参考光经第一准直透镜8汇聚形成光干涉信号进入光学环形器7的b端，从c端输出进入探测光谱仪5；进入探测光谱仪5的光干涉信号经第二准直透镜26进行准直，然后穿过光栅25和探测仪透镜24汇聚到线阵CCD相机23的表面，计算机21通过图像采集卡22接收由线阵CCD相机23采集到的光谱信号，经付里叶变换得到组织样品15的结构图像，同时，由计算机21生成的扫描驱动信号经扫描驱动卡20输出到扫描振镜19上，产生所需要的扫描方式。
全反射分束镜9在准直光束的光路中插入的深度不同，会产生不同的分光比R=Rs/Rr；在不同分光比R下，测量OCT系统灵敏度的变化可以得知全反射分束镜9对样品散射光的影响。在测量过程中，通过调节光源1的输出功率，使得生物样品15上的入射光功率始终保持在700微瓦，这样可以避免采样光功率变化引起的误差。OCT系统灵敏度的测量结果如图2所示，可见，当分光比从1增加到14时，OCT系统灵敏度的值在95.56到97.5之间；如果全反射分束镜9阻挡了来自生物样品15的散射光，则OCT系统的灵敏度应该随着分光比R的减小而降低。从图2可以看出，OCT系统灵敏度随分光比R变化不明显，因为不同分光比R对应着全反射分束镜9不同的插入深度，因此，全反射分束镜9对于来自生物样品15的散射光没有附加损耗。
以人的手掌皮肤作为生物样品15，入射到手掌皮肤上的光的采样功率为900微瓦，通过调整全反射分束镜9的位置，将参考光信号调整到最佳，实验得到的手掌皮肤组织结构如图3所示，图像大小为3.5 毫米x 1.5毫米。由图3可以看出，本发明所述结构装置完全可以用于OCT成像。

Claims (4)

1.基于分波阵面干涉仪的光学相干层析成像装置，包括光源（1）、光学干涉仪（2）、光束扫描单元（3）、控制和数据采集单元（4）以及探测光谱仪（5），其特征在于：所述光学干涉仪（2）包括具有a端、b端、c端的光学环形器（7），以及第一准直透镜（8）、全反射分束镜（9）、参考臂；所述光源（1）发出的光进入光学环形器（7）的a端，从b端输出，穿过第一准直透镜（8）形成准直光束，所述全反射分束镜（9）的一部分镜面位于准直光束中，将准直光束分为两路分别进入参考臂和光束扫描单元（3）；分别从参考臂和光束扫描单元（3）返回的参考光、样品光经第一准直透镜（8）形成光干涉信号进入光学环形器（7）的b端，从c端输出，所述控制和数据采集单元（4）利用探测光谱仪（5）采集光干涉信号的光谱得到图像，所述控制和数据采集单元（4）还向光束扫描单元（3）发送驱动信号。
2.如权利要求1所述的基于分波阵面干涉仪的光学相干层析成像装置，其特征在于：所述光源（1）与光学环形器（7）的a端之间还设置有偏振控制器（6）。
3.如权利要求1所述的基于分波阵面干涉仪的光学相干层析成像装置，其特征在于：所述参考臂由依次设置的光学玻璃平板（11）、参考臂透镜（12）、参考臂全反射镜（13）组成。
4.如权利要求1所述的基于分波阵面干涉仪的光学相干层析成像装置，其特征在于：所述全反射分束镜（9）为金属膜反射镜或介质膜全反射镜。
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