CN100398057C - 光学相干层析成像中的色散补偿方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光学相干层析成像(OCT)中的色散补偿方法及系统，在原有的单光栅快速扫描光学延迟线中增加一块与原有闪耀光栅平行放置的闪耀光栅且两闪耀光栅刻线平行，这就引入了两闪耀光栅间距这一独立调整变量，其与单光栅快速扫描光学延迟线(RSOD)中的闪耀光栅相对于傅氏变换透镜的离焦量组合调节，可产生大变化范围的任意符号组合的群速度色散和三阶色散，可使OCT系统中参考臂和样品臂的色散得到精确匹配。从而较基于单光栅RSOD色散补偿的OCT系统来说，纵向分辨率更接近理论计算值。双光栅RSOD色散调节范围大、补偿光谱范围宽、剩余色散小，并有常规单光栅RSOD同样的独立控制相位延迟和群延迟的能力，可承担深度扫描、位相调制和色散补偿三个功能。

Description

光学相干层析成像中的色散补偿方法及系统

技术领域

本发明涉及一种光学相干层析成像(OCT)技术，尤其涉及一种光学相干层析成像中的色散补偿方法及系统。

背景技术

光学相干层析成像(Optical Coherence Tomography，简称OCT)是一种具有层析功能的生物医学光学成像技术，具备了组织病理分析所需的超高分辨率(1微米至20微米)，能非侵入性地对组织表面以下的内部结构、生理功能乃至分子信息进行可视化成像，是重要的最小侵入成像工具，能发挥早期诊断、过程监视和手术介导等临床功能。OCT以其超高分辨率、超快成像速度、无辐射损伤、光信息多元性、价格适中、结构紧凑，以及与现有医疗仪器兼容性好等优势，是目前被广泛看好的可在临床医学上发挥重要作用的光学手段。

在结构OCT和各种功能OCT系统中，都需要引入多普勒频移来实现外差调制。多普勒频移通常是通过在参考臂中引入电光或声光调制器实现的。然而调制器中的电光或声光晶体引入了较大的正色散，如果不对参考臂中多余的正色散进行补偿的话，将使OCT系统纵向分辨率达不到所预期的理论值。目前，单光栅快速扫描光学延迟线(Rapid Scanning Optical Delay Line，简称RSOD)是OCT中广泛使用的色散补偿系统，如图1所示，由光纤准直镜1射出的平行光经闪耀光栅2衍射后，不同波长的光的衍射角不一样，经过傅立叶变换透镜3后，每一波长的光都聚焦到振镜4上，各波长的光经振镜4反射，再次通过傅立叶透镜3后，各波长的光都将与经闪耀光栅2衍射后入射到傅立叶变换透镜3上的相同波长的光平行，但不同波长的光方向不一样，再经闪耀光栅2衍射后，各种不同波长的衍射光将相互平行，但不同波长的光有一横向错位，各波长的光经平面镜反射后将原路返回，消除各波长光之间的横向错位，成为一束光，进入光纤准直镜。单光栅RSOD通过调节闪耀光栅相对于傅立叶变换透镜焦点的偏离(即离焦量)来引入色散。但此方法引入的群速度色散(GVD)和三阶色散(TOD)异号，无法同时补偿上述晶体引入的正的GVD和TOD，即只能将系统色散匹配到二阶，但依然存在严重的三阶色散失配，使系统的实际纵向分辨率因色散失配而低于理论值。

发明内容

本发明的目的是提供一种光学相干层析成像中的色散补偿方法及系统，该方法能实现大变化范围的任意符号组合的群速度色散(GVD)和三阶色散(TOD)，可将OCT系统的色散匹配到三阶，从而确保OCT系统的纵向分辨率不因色散失配而下降。

本发明的目的是通过如下技术方案实现的：

1.光学相干层析成像中的色散补偿方法：在原有的单光栅快速扫描光学延迟线中新增加一块与原有闪耀光栅平行放置的闪耀光栅且两闪耀光栅刻线平行，由光纤准直器射出的平行光首先到达新增加的闪耀光栅上，经其衍射后衍射光再到达原有的闪耀光栅。

所述的新增加的闪耀光栅放置于光纤准直器和原有闪耀光栅之间，这样的双闪耀光栅快速扫描光学延迟线结构新增了光栅间距调节变量，组合调节光栅间距和光栅离焦量，可产生任意符号组合的群速度色散和三阶色散，从而使光学相干层析成像系统中参考臂和样品臂的色散得到精确匹配。

当两平行放置的闪耀光栅的光栅面与傅立叶变换透镜的光轴垂直时，只引入色散量不随时间而变的静态色散，而不引入色散量随时间改变的动态色散；当两平行放置的闪耀光栅的光栅面与傅立叶变换透镜的光轴不垂直时，则此时既引入静态色散又引入动态色散，且动态色散的大小由光栅面法线与光轴的夹角决定，夹角越大，引入的动态色散越大。

当两闪耀光栅的光栅面有夹角时，或两闪耀光栅的刻线方向有夹角时，根据理论计算和数值分析表明，此时引入的色散量将偏离相对两闪耀光栅的光栅面和刻线方向均严格平行时引入的色散量，但仍可产生任意符号组合的群速度色散和三阶色散，从而使光学相干层析成像系统中参考臂和样品臂的色散得到精确匹配。

2.光学相干层析成像中的色散补偿系统，包括由光纤准直器，原有的闪耀光栅，傅立叶变换透镜，振镜和平面反射镜。在光纤准直器和原有的闪耀光栅之间插入了新增的闪耀光栅，新增的闪耀光栅与原有的闪耀光栅平行放置，两闪耀光栅刻线平行且两闪耀光栅的光栅面垂直于傅立叶变换透镜的光轴；由光纤准直镜射出的平行光首先到达新增的闪耀光栅，经其衍射后衍射光再到达原有的闪耀光栅并被其衍射，各个波长的衍射光通过傅立叶变换透镜聚焦到振镜上，各个波长的光经振镜反射，再经过傅立叶变换透镜后，依次被原有的闪耀光栅和新增的闪耀光栅衍射，此时各种不同波长的光都将与原入射光平行，各

个波长的光入射到一个反射面与各波长光行进方向垂直放置的平面反射镜上，然后原路返回，各波长的光最终重合为一束，进入光纤准直镜。

当两平行放置的闪耀光栅的光栅面不与傅立叶变换透镜的光轴垂直时，该系统将引入动态色散，所引入动态色散的大小由光栅面法线与光轴的夹角决定，夹角越大，引入的动态色散越大。

本发明的原理在于：使原有闪耀光栅相对于傅立叶透镜的离焦量引入负的群速度色散和正的三阶色散；而通过适当的选择两闪耀光栅的线对数，可使两闪耀光栅间距在引入较小的正的群速度色散时，引入较大的负的三阶色散，这样适当调节两色散调节变量就可使双光栅RSOD引入的总的群速度色散和三阶色散均为负值，从而补偿相位调制器中晶体引入的正色散。也可通过选择两闪耀光栅的线对数，使双光栅RSOD引入的任意符号组合的群速度色散和三阶色散，以满足具体应用的需要。

本发明与背景技术相比具有的有益效果是：

1)在常规的单光栅RSOD中新增加了一块闪耀光栅，引入了两闪耀光栅间距这一独立调整变量，其与常规单光栅RSOD中的闪耀光栅相对于傅氏变换透镜的离焦量组合调节，可产生大变化范围的任意符号组合的群速度色散(GVD)和三阶色散(TOD)，可使OCT系统中参考臂和样品臂的色散得到精确匹配。从而较基于单光栅RSOD色散补偿的OCT系统来说，纵向分辨率更接近理论计算值。双光栅RSOD具有色散调节范围大、补偿光谱范围宽、剩余色散小的优点。

2)经理论分析，模拟计算和实验论证，双光栅RSOD也拥有常规单光栅RSOD同样的独立控制相位延迟和群延迟的能力，因此可承担深度扫描、位相调制和色散补偿三个功能。

附图说明

图1为现行OCT系统中常规的单光栅快速扫描光学延迟线的结构示意图。

图2为本发明提出的双光栅快速扫描光学延迟线的结构示意图。

图中：1、光纤准直器，2、原有的闪耀光栅，3、傅立叶变换透镜，4、振镜，5、平面反射镜，6、新增的闪耀光栅。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的原理及具体实施方式。

本发明是在原有的常规单光栅RSOD的光纤准直镜和原有的闪耀光栅间增加一块闪耀光栅，其与原有的闪耀光栅平行放置且光栅刻线方向一致。如图2所示，双光栅RSOD由光纤准直器1、原有的闪耀光栅2、傅立叶变换透镜3、振镜4、平面反射镜5和新增的闪耀光栅6组成。宽带光谱的低相干光由光纤准直镜1射出，首先在新增的闪耀光栅6上发生衍射。随后，各个波长的光在原有的闪耀光栅2上再次发生衍射，通过傅立叶变换透镜3，每一个波长的光将聚焦在振镜4上，经振镜4反射的光经过傅立叶变换透镜3后，各波长的光都将与经原有的闪耀光栅2衍射后入射到傅立叶变换透镜3上的相同波长的光平行，但不同波长的光方向不一样。各波长的光再依次经原有的闪耀光栅2和新增的闪耀光栅6衍射后各波长的光将变成平行光，但不同波长的光有一横向错位。各个波长的光入射到一个反射面与各波长光行进方向垂直放置的平面反射镜5上，然后沿原路返回，各波长的光最终消除了横向错位，重合为一束，进入光纤准直镜1。此时的光束已补偿了由相位调制器中的电光或声光晶体引入的色散，在2*2光纤耦合器处和样品臂的反射光干涉产生干涉信号。

以原有的闪耀光栅2和新增的闪耀光栅6的光栅面平行，刻线方向平行且光栅面垂直于傅立叶变换透镜3的光轴为例来分析双光栅RSOD引入的色散。如图2所示，追迹对应色光在双光栅RSOD中的路径，可以得到该色光在双光栅RSOD中的相位，并注意加上由两光栅引入的相位矫正因子即可得到该色光对应的真正相位，将该相位对中心波长作泰勒级数展开，可以得到双光栅RSOD引入的群速度色散和三阶色散都由原有的闪耀光栅2相对傅立叶变换透镜3的离焦量和原有的闪耀光栅2与新增的闪耀光栅6的间距决定，其中由离焦量引入的群速度色散和三阶色散由下两式给出：

${\mathrm{GVD}}_I\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{d^2\mathrm{\φ}\left(\mathrm{\ω}\right)}{d{\mathrm{\ω}}^2}=\frac{-16{\mathrm{\π}}^2{m}^{2}c(L_1-f)}{{d_{\mathrm{eff}}}^2{\mathrm{\ω}}^3{\cos }^3\text{\θ}}---\left(1\right)$

${\mathrm{TOD}}_I\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{d^3\mathrm{\φ}\left(\mathrm{\ω}\right)}{d{\mathrm{\ω}}^3}=\frac{48{\mathrm{\π}}^2{m}^{2}c(L_1-f)}{{d_{\mathrm{eff}}}^2{\mathrm{\ω}}^4{\cos }^3\mathrm{\θ}}(1+\frac{2\mathrm{\π}\mathrm{mc}\sin \mathrm{\θ}}{d_{\mathrm{eff}}\mathrm{\ω}{\cos }^2\mathrm{\θ}})---\left(2\right)$

其中m表示原有的闪耀光栅2的闪耀级次，c表示真空中的光速，L₁-f表示原有的闪耀光栅2相对傅立叶变换透镜3的离焦量，d_eff表示两闪耀光栅平行放置情况下的等效光栅线对数，θ表示经原有的闪耀光栅2衍射后对应色光的衍射角。

由两光栅间距引入的群速度色散和三阶色散由下两式给出：

${\mathrm{GVD}}_{\mathrm{II}}\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{d^2\mathrm{\φ}\left(\mathrm{\ω}\right)}{d{\mathrm{\ω}}^2}=\frac{16{\mathrm{\π}}^2{m}^{,2}{\mathrm{cL}}_2}{{d_1}^2{\cos }^3{\mathrm{\β\ω}}^3}(3{\tan }^2\mathrm{\β}-1)---\left(3\right)$

${\mathrm{TOD}}_{\mathrm{II}}\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{d^3\mathrm{\φ}\left(\mathrm{\ω}\right)}{{\mathrm{d\ω}}^3}=\frac{-48{\mathrm{\π}}^2{m}^{,2}{\mathrm{cL}}_2}{{d_1}^2{\cos }^3{\mathrm{\β\ω}}^4}(3{\tan }^2\mathrm{\β}+\frac{2\mathrm{\π}{m}^{,}c\sin \mathrm{\β}}{d_1\mathrm{\ω}{\cos }^2\mathrm{\β}}+\frac{10\mathrm{\π}{m}^{,}c{\tan }^3\mathrm{\β}}{d_1\mathrm{\ω}\cos \mathrm{\β}}-1)---\left(4\right)$

其中，m’表示新增的闪耀光栅6的闪耀级次，L₂表示两闪耀光栅的间距，d₁表示新增的闪耀光栅6的光栅常数，β表示经新增的闪耀光栅6衍射后对应色光的衍射角。

所以，双光栅RSOD引入的总的群速度色散和三阶色散为：

GVD_total(ω)＝GVD_I(ω)+GVD_II(ω)(5)

TOD_total(ω)＝TOD_I(ω)+TOD_II(ω)(6)

当β取值使得3tan²β-1≈0时，就可在GVD_II取较小正值的情况下获得较大的负的TOD_II。若此时使L₁-f＞0，则GVD_I＜0，TOD_I＞0。由于I和II取决于不同的变量，可分别控制两变量的取值，使得GVD_total＜0且TOD_total＜0，这就可对参考臂中晶体引入的正的GVD和TOD同时进行补偿。

在色散匹配过程中，根据参考臂与样品臂的色散不匹配量，适当调节原有的闪耀光栅2与新增的闪耀光栅6的间距和原有的闪耀光栅2相对傅立叶变换透镜3的离焦量，就可使得参考臂与样品臂的群速度色散和三阶色散得到精确匹配，从而确保OCT系统的纵向分辨率不因色散失配而下降。

Claims (5)

1.光学相干层析成像中的色散补偿方法，其特征在于：在原有的单闪耀光栅快速扫描光学延迟线中新增加一块与原有闪耀光栅平行放置的闪耀光栅且两闪耀光栅刻线平行，由光纤准直器射出的平行光首先到达新增加的闪耀光栅上，经其衍射后衍射光再到达原有的闪耀光栅；所述的新增加的闪耀光栅放置于光纤准直器和原有闪耀光栅之间，这样的双闪耀光栅快速扫描光学延迟线结构新增了光栅间距调节变量，组合调节光栅间距和光栅离焦量，可产生任意符号组合的群速度色散和三阶色散，从而使光学相干层析成像系统中参考臂和样品臂的色散得到精确匹配。

2.根据权利要求1所述的光学相干层析成像中的色散补偿方法，其特征在于：当两平行放置的闪耀光栅的光栅面与傅立叶变换透镜的光轴垂直时，只引入色散量不随时间而变的静态色散，而不引入色散量随时间改变的动态色散；当两平行放置的闪耀光栅的光栅面与傅立叶变换透镜的光轴不垂直时，则此时既引入静态色散又引入动态色散，且动态色散的大小由光栅面法线与光轴的夹角决定，夹角越大，引入的动态色散越大。

3.根据权利要求1所述的光学相干层析成像中的色散补偿方法，其特征在于：当两闪耀光栅的光栅面有夹角时，或两闪耀光栅的刻线方向有夹角时，根据理论计算和数值分析表明，此时引入的色散量将偏离相对两闪耀光栅的光栅面和刻线方向均严格平行时引入的色散量，但仍可产生任意符号组合的群速度色散和三阶色散，从而使光学相干层析成像系统中参考臂和样品臂的色散得到精确匹配。

4.光学相干层析成像中的色散补偿系统，包括由光纤准直器(1)，原有的闪耀光栅(2)，傅立叶变换透镜(3)，振镜(4)和平面反射镜(5)，其特征在于：在光纤准直器(1)和原有的闪耀光栅(2)之间插入了新增的闪耀光栅(6)，新增的闪耀光栅(6)与原有的闪耀光栅(2)平行放置，两闪耀光栅刻线平行且两闪耀光栅的光栅面垂直于傅立叶变换透镜的光轴；由光纤准直器(1)射出的平行光首先到达新增的闪耀光栅(6)，经其衍射后衍射光再到达原有的闪耀光栅(2)并被其衍射，各个波长的衍射光通过傅立叶变换透镜(3)聚焦到振镜(4)上，各个波长的光经振镜(4)反射，再经过傅立叶变换透镜(3)后，依次被原有的闪耀光栅(2)和新增的闪耀光栅(6)衍射，此时各种不同波长的光都将与原入射光平行，各个波长的光入射到一个反射面与各波长光行进方向垂直放置的平面反射镜(5)上，然后原路返回，各波长的光最终重合为一束，进入光纤准直器(1)。

5.根据权利要求4所述的光学相干层析成像中的色散补偿系统，其特征在于：当两平行放置的闪耀光栅的光栅面不与傅立叶变换透镜(3)的光轴垂直时，该系统将引入动态色散，所引入动态色散的大小由光栅面法线与光轴的夹角决定，夹角越大，引入的动态色散越大。

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