CN101427911A

CN101427911A - 超高分辨率谱域oct的超宽带光谱探测方法及系统

Info

Publication number: CN101427911A
Application number: CNA2008101634367A
Authority: CN
Inventors: 丁志华; 王凯; 王川; 孟婕; 吴彤; 陈明惠; 徐磊
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2008-12-22
Filing date: 2008-12-22
Publication date: 2009-05-13
Anticipated expiration: 2028-12-22
Also published as: CN101427911B

Abstract

本发明公开了超高分辨率谱域OCT的超宽带光谱探测方法及系统。从宽带光源出来的低相干光，经光隔离器入射到宽带光纤耦合器，经分光后分别进入扫描探头和参考臂，返回的光在宽带光纤耦合器中干涉，在探测臂中把干涉信号分解成不同的光谱传入计算机处理，通过逆傅立叶变换重建图像。在探测臂中引入双光栅产生正交色散同时使用DMD和面阵CCD实现超宽光谱的快速并行探测。双光栅系统能减小光谱成像系统的视场，解决了大视场光谱成像时存在的场曲以及光谱串扰等问题；DMD提高了有限尺度和有限像素数CCD光谱测量的范围以及光谱测量的分辨率，能同时实现超宽带光谱的超分辨探测，从而实现高信噪比和超高分辨率的谱域OCT成像。

Description

超高分辨率谱域OCT的超宽带光谱探测方法及系统

技术领域

本发明涉及光学相干层析成像技术，尤其涉及一种超高分辨率谱域OCT的超宽带光谱探测方法及系统。

背景技术

光学相干层析成像(Optical Coherence Tomography，简称OCT)是一种新兴的光学成像技术，能实现对活体内部的组织结构与生理功能进行非接触、无损伤、高分辨率成像，在疾病的早期检测和在体活检领域有着广泛应用。

目前的谱域OCT系统通过高速线阵CCD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的快速光栅光谱仪。在OCT系统中，系统的轴向分辨率是与光源带宽成反比的，光源带宽越宽，对应的相干长度就越短，轴向分辨率就越高。在眼科、皮肤、肿瘤等学科中，超高分辨率(2-3um)的医学影像图像对临床疾病诊断有着重大意义。因此，谱域OCT必须采用更宽光谱范围的光源，同时探测臂的光栅光谱仪必须探测更宽的光谱成分，才能提高系统的轴向分辨率。国外很多科研机构都开展了这方面的研究，如美国哈佛医学院的N.A.Nassif小组构建了基于890nm中心波长，带宽150nm的SLD(超辐射二极管)光源的超高分辨率谱域OCT系统，轴向分辨率为2.9um；美国麻省理工的J.G.Fujimoto小组构建了基于850nm中心波长，带宽144nm的飞秒激光器的超高分辨率超谱域OCT系统，轴向分辨率为2.1um。在超高分辨率谱域OCT系统的探测臂部分，传统的方法是采用更多像素数的线阵CCD来探测更多的光谱分量，或者基于有限像素数的线阵CCD探测更宽的光谱范围，但牺牲光谱仪的光谱分辨率。由于线阵CCD像素数的增加意味着视场的增大，除非设计更加复杂的光学成像系统，否则在像面上(CCD感光面)不可避免的会出现严重的场曲现象，同时由于光谱范围太宽，色散现象严重，导致不同色光的聚焦位置不同，使得光谱仪无法完全分开各种色光而引入串扰(cross-talk)，探测信噪比下降继而系统轴向分辨率下降，最终降低了成像质量。而降低光谱仪的光谱分辨率意味着谱域OCT成像深度的降低。因此，如何在有限成像视场的情况下使光栅光谱仪高分辨地测量更宽广的光谱范围是超高分辨率谱域OCT系统研制的一大技术难点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超高分辨率谱域OCT的光谱探测方法及系统。在超高分辨率的谱域OCT系统的探测臂部分，采用双光栅的结构来实现正交色散，同时通过DMD(数字微镜器件Digital Micromirror Device的简称)来减小成像视场，能在小成像视场的情况下探测更多的光谱分量。

本发明的目的是通过如下技术方案实现的：

一、一种超高分辨率谱域OCT的光谱探测方法：

在超高分辨率谱域OCT系统的探测臂采用双光栅结构，同时使用DMD和面阵CCD来实现小视场和超宽带光谱的探测；其具体步骤如下：

1)在超高分辨率谱域OCT系统的探测臂中使用两块刻线方向正交的衍射光栅来对来干涉光谱信号进行分光，从而得到干涉光谱信号的二维光谱分布；

2)在超高分辨率谱域OCT系统的探测臂部分加入DMD，同时通过成像透镜，使其与二维面阵CCD满足物像共轭关系，使DMD成缩小的像于CCD面上，缩放比例为N:1，N为大于1的整数；

3)双光栅分开的二维光谱分量成像于DMD上，DMD再将这些光谱分量反射并再次成像在面阵CCD上进行测量。由于DMD与CCD满足物像关系，且缩放比例为N:1，N为大于1的整数，可以把DMD上的N个像素组成一个虚拟单元，在光谱成像测量时，依次让虚拟单元里的一个DMD像素单元成像于面阵CCD上，通过N次测量可以获得N倍于CCD象素数的光谱分量测量。

二、一种超高分辨率谱域OCT的光谱探测系统：

从宽带光源出来的低相干光，经第一偏振控制器、光隔离器入射到宽带光纤耦合器，经分光后一路经第二偏振控制器进入扫描探头，另一路经第三偏振控制器进入参考臂，返回的光在宽带光纤耦合器中干涉后，经第四偏振控制器，进入探测臂把干涉信号分解成不同的光谱，最后这些光谱信号传入计算机，在计算机进行处理，通过逆傅立叶变换重建图像。

所述扫描探头：由准直透镜、扫描振镜和聚焦透镜组成；经分光后的光经准直透镜、扫描振镜和聚焦透镜后照射到样品，由原路返回经第二偏振控制器至宽带光纤耦合器。

所述参考臂：由准直透镜、色散补偿器、中性滤光片和平面反射镜组成；经分光后的光经准直透镜、色散补偿器、中性滤光片和平面反射镜，由原路返回经第三偏振控制器至宽带光纤耦合器。

所述探测臂：由光纤、准直透镜、第一衍射光栅、双胶合聚焦透镜、第二衍射光栅、双胶合聚焦透镜、DMD、双胶合聚焦透镜和面阵CCD组成；由扫描探头和参考臂返回的光在宽带光纤耦合器中干涉后，经第四偏振控制器依次进入光纤、准直透镜、第一衍射光栅、双胶合聚焦透镜、第二衍射光栅、双胶合聚焦透镜、DMD、双胶合聚焦透镜和面阵CCD，把干涉信号分解成不同的光谱，最后这些光谱信号传入计算机，在计算机进行处理，通过逆傅立叶变换重建图像。

所述的探测臂中的第一衍射光栅的刻线方向与第二衍射光栅的刻线方向互相垂直，其中衍射光栅的线对数为第二衍射光栅的线对数的1/M，M为大于1的整数，第一衍射光栅双胶合聚焦透镜的前焦面上，DMD位于双胶合聚焦透镜(18)的后焦面上，DMD与面阵CCD满足物像共轭关系，且DMD成缩小的像于面阵CCD上，缩放比例为N:1，N为大于1的整数。

与背景技术相比，本发明具有的有益效果是：

1、通过两块刻线方向正交的衍射光栅对干涉光谱信号进行分光，能得到二维的光谱信号分布。相比传统的单光栅光谱仪，光谱信号从一维分布变成了二维分布，减小了光谱成像的视场，由于成像视场的变小，可以消除传统谱域OCT系统的光谱仪在大光谱范围探测时存在的光谱串扰以及大视场时存在的场曲，畸变以及色散导致的离焦现象，能显著提高光谱测量的信噪比。

2、通过DMD把光谱分量成像于CCD上，提高了有限尺度与有限像素数CCD的光谱测量的复用能力，不仅扩大了光谱探测的范围，还能提高光谱测量的分辨率，能同时实现超宽带光谱的超分辨探测，从而保证高信噪比和超高分辨率的谱域OCT成像。

3、本发明提出的超宽光谱测量方法和系统除了可以应用于超高分辨率的谱域OCT系统，也可以应用于诸多光谱测量领域如天文学，元素分析，以及其他光谱生物成像方法中。

附图说明

图1是本发明所述的超高分辨率谱域OCT的光谱探测方法的具体实施例的系统示意图。

图2是本发明所述的超高分辨率谱域OCT的光谱探测系统的结构示意图。

图3是DMD上微镜开关状态分布和CCD上像素分布示意图。

图4是DMD与CCD的同步控制信号时序示意图。

图中：1、宽带光源，2、光隔离器，3、宽带光纤耦合器，4、偏振控制器，5、准直透镜，6、扫描振镜，7、聚焦透镜，8、样品，9、准直透镜，10、色散补偿器，11、中性滤光片，12、平面反射镜，13、光纤，14、准直透镜，15、衍射光栅，16、双胶合聚焦透镜，17、衍射光栅，18、双胶合聚焦透镜，19、DMD，20、双胶合聚焦透镜，21、面阵CCD，22、探测臂，23、扫描探头，24、参考臂。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明：

如图1所示，本发明从宽带光源1出来的低相干光，经第一偏振控制器4、光隔离器2入射到宽带光纤耦合器3，经分光后一路经第二偏振控制器4进入扫描探头23，另一路经第三偏振控制器4进入参考臂24，返回的光在宽带光纤耦合器3中干涉后，经第四偏振控制器4，进入探测臂22把干涉信号分解成不同的光谱，最后这些光谱信号传入计算机，在计算机进行处理，通过逆傅立叶变换重建图像。

所述扫描探头23：由准直透镜5、扫描振镜6和聚焦透镜7组成；经分光后的光经准直透镜5、扫描振镜6和聚焦透镜7后照射到样品8，由原路返回经第二偏振控制器4至宽带光纤耦合器3。

所述参考臂24：由准直透镜9、色散补偿器10、中性滤光片11和平面反射镜12组成；经分光后的光经准直透镜9、色散补偿器10、中性滤光片(11)和平面反射镜12，由原路返回经第三偏振控制器4至宽带光纤耦合器3。

如图2所示，所述探测臂22：由光纤13、准直透镜14、第一衍射光栅15、双胶合聚焦透镜16、第二衍射光栅17、双胶合聚焦透镜18、DMD19、双胶合聚焦透镜20和面阵CCD 21组成；由扫描探头23和参考臂24返回的光在宽带光纤耦合器3中干涉后，经第四偏振控制器4依次进入光纤13、准直透镜14、第一衍射光栅15、双胶合聚焦透镜16、第二衍射光栅17、双胶合聚焦透镜18、DMD 19、双胶合聚焦透镜20和面阵CCD 21，把干涉信号分解成不同的光谱，最后这些光谱信号传入计算机，在计算机进行处理，通过逆傅立叶变换重建图像。

所述的探测臂中22的第一衍射光栅15的刻线方向与第二衍射光栅17的刻线方向互相垂直，其中衍射光栅15的线对数为第二衍射光栅17的线对数的1/M，M为大于1的整数，第一衍射光栅15双胶合聚焦透镜16的前焦面上，DMD19位于双胶合聚焦透镜18的后焦面上，DMD 19与面阵CCD 21满足物像共轭关系，且DMD 19成缩小的像于面阵CCD 21上，缩放比例为N:1，N为大于1的整数。

如图2所示，由光纤13出射的干涉光信号，经准直透镜14后，变成平行光照射在衍射光栅15上，衍射光栅15的刻线方向为垂直方向，因此干涉信号在水平方向色散。由于衍射光栅17的刻线方向与衍射光栅15的刻线方向相互垂直，这些经过一次色散的不同色光再通过双胶合聚焦透镜16投射到衍射光栅17时，会再次色散，色散方向与第一次色散方向垂直，在垂直方向色散，因此在经过衍射光栅17之后能得到二维的干涉光谱分量，其中衍射光栅15位于双胶合聚焦透镜16的后焦平面上，作用是把经过衍射光栅15之后衍射的不同方向的色光再次变成平行光照射在衍射光栅17上，从而保证了这些色光再次衍射时有相同的入射角；这些二维光谱分量通过双胶合聚焦透镜18聚焦在DMD19上；通过改变衍射光栅15和衍射光栅17的刻线数，以及衍射光栅17与双胶合聚焦透镜18之间的距离，可以在DMD19上得到不同形状的二维光谱分布。典型的DMD芯片，如DMD3000由1024*768个微反射镜构成，每个微反射镜的大小为13.68um*13.68um，有+12度、0度、-12度三种反射状态，具体的参数和指标可以参见美国德克萨斯仪器公司(TI)关于DMD技术的网站：http:∥www.dlp.com.cn/dlp technology/default.asp，改变DMD上微反射镜的转角就能控制微反射镜的反射方向；且DMD19与面阵CCD20满足物像共轭关系，且DMD19成缩小的像于面阵CCD21上，缩放比例为N:1(N为大于1的整数)。

图3a所示为DMD19上微镜开关状态分布；图3b所示为CCD21上像素分布示意图，作为具体实施方式，DMD19的微镜数为16*16，CCD21的像素数为8*8，且DMD19与CCD21的缩放比例为4:1，DMD19上每4个微镜对应CCD21上的1个像素；且DMD19上微镜处于+12度时为“开”状态，此时微镜反射的光谱分量能通过双胶合聚焦透镜20成像于面阵CCD21上；处于-12度时为“关”状态，此时微镜反射的光谱分量不能通过双胶合聚焦透镜20成像于面阵CCD21上；通过计算机对DMD19实现如下划分：把微镜阵列中的每4个微镜分为一个子块，子块中的4个微镜分别标号为1、2、3、4，不同子块中相同位置的微镜赋予相同的编号，从而把所有微镜按空间位置分成4类：微镜1、微镜2、微镜3、微镜4；通过同步电路控制所有微镜1同步动作，处于“开”状态时，其余微镜都处于“关”状态，依此类推，使微镜1-2-3-4依此处于“开”的状态，CCD21经过连续的4次光谱测量，就能实现4倍于CCD像素数的超分辨光谱测量。

图4为同步信号时序示意图，其中微镜在高电平时代表“开”的状态，在低电平时代表“关”的状态，在CCD21的一次积分时间内，通过同步电路保证微镜1、2、3、4中只有一个微镜处于“开”状态，其余微镜均处于“关”状态；按照微镜1-2-3-4的顺序，使微镜依此处于“开”的状态，通过连续的四次曝光，就能够完成一次完整的光谱采集。

系统中偏振控制器4的作用是便于调整各个通道的偏振模式，以将偏振模色散的影响降到最低，提高成像质量。

本发明公开的一种超高分辨率谱域OCT的光谱探测方法及系统，可以在有限视场的情况下，对超宽光谱进行超分辨测量，从而能实现谱域OCT的超高轴向分辨率，同时能改善传统谱域OCT系统光谱测量中由场曲，光谱串扰引入的信噪比和轴向分辨率下降等问题，在超高分辨率谱域OCT的光谱探测中有重要意义。

Claims

1、一种超高分辨率谱域OCT的超宽带光谱探测方法，其特征在于：在超高分辨率谱域OCT系统的探测臂采用双光栅结构，同时使用DMD和面阵CCD来实现小视场和超宽带光谱的探测；其具体步骤如下：

3)双光栅分开的二维光谱分量成像于DMD上，DMD再将这些光谱分量反射并再次成像在面阵CCD上进行测量，由于DMD与CCD满足物像关系，且缩放比例为N:1，N为大于1的整数，可以把DMD上的N个像素组成一个虚拟单元，在光谱成像测量时，依次让虚拟单元里的一个DMD像素单元成像于面阵CCD上，通过N次测量获得N倍于CCD象素数的光谱分量测量。

2、一种实施权利要求1所述的超高分辨率谱域OCT的超宽带光谱探测方法的系统，其特征在于：从宽带光源(1)出来的低相干光，经第一偏振控制器(4)、光隔离器(2)入射到宽带光纤耦合器(3)，经分光后一路经第二偏振控制器(4)进入扫描探头(23)，另一路经第三偏振控制器(4)进入参考臂(24)，返回的光在宽带光纤耦合器(3)中干涉后，经第四偏振控制器(4)，进入探测臂(22)把干涉信号分解成不同的光谱，最后这些光谱信号传入计算机，在计算机进行处理，通过逆傅立叶变换重建图像。

3、根据权利要求2所述的超高分辨率谱域OCT的超宽带光谱探测方法的系统，其特征在于所述扫描探头(23)：由准直透镜(5)、扫描振镜(6)和聚焦透镜(7)组成；经分光后的光经准直透镜(5)、扫描振镜(6)和聚焦透镜(7)后照射到样品(8)，由原路返回经第二偏振控制器(4)至宽带光纤耦合器(3)。

4、根据权利要求2所述的超高分辨率谱域OCT的超宽带光谱探测方法的系统，其特征在于所述参考臂(24)：由准直透镜(9)、色散补偿器(10)、中性滤光片(11)和平面反射镜(12)组成；经分光后的光经准直透镜(9)、色散补偿器(10)、中性滤光片(11)和平面反射镜(12)，由原路返回经第三偏振控制器(4)至宽带光纤耦合器(3)。

5、根据权利要求2所述的超高分辨率谱域OCT的超宽带光谱探测方法的系统，其特征在于所述探测臂(22)：由光纤(13)、准直透镜(14)、第一衍射光栅(15)、双胶合聚焦透镜(16)、第二衍射光栅(17)、双胶合聚焦透镜(18)、DMD(19)、双胶合聚焦透镜(20)和面阵CCD(21)组成；由扫描探头(23)和参考臂(24)返回的光在宽带光纤耦合器(3)中干涉后，经第四偏振控制器(4)依次进入光纤(13)、准直透镜(14)、第一衍射光栅(15)、双胶合聚焦透镜(16)、第二衍射光栅(17)、双胶合聚焦透镜(18)、DMD(19)、双胶合聚焦透镜(20)和面阵CCD(21)，把干涉信号分解成不同的光谱，最后这些光谱信号传入计算机，在计算机进行处理，通过逆傅立叶变换重建图像。

6、根据权利要求5所述的超高分辨率谱域OCT的超宽带光谱探测方法的系统，其特征在于：所述的探测臂中(22)的第一衍射光栅(15)的刻线方向与第二衍射光栅(17)的刻线方向互相垂直，其中衍射光栅(15)的线对数为第二衍射光栅(17)的线对数的1/M，M为大于1的整数，第一衍射光栅(15)双胶合聚焦透镜(16)的前焦面上，DMD(19)位于双胶合聚焦透镜(18)的后焦面上，DMD(19)与面阵CCD(21)满足物像共轭关系，且DMD(19)成缩小的像于面阵CCD(21)上，缩放比例为N:1，N为大于1的整数。