CN101711667A - 用于谱域oct的声光选通光谱快速探测方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于谱域OCT的声光选通光谱快速探测方法及系统。从宽带光源发出的低相干光，经光隔离器入射到宽带光纤耦合器，经分光后分别进入样品臂和参考臂，从样品臂和参考臂返回的光在宽带光纤耦合器中产生干涉，由探测臂实施干涉光谱的探测，传入计算机作后续处理以重建样品图像。在探测臂中采用基于单元探测器的高速声光选通光栅光谱仪，干涉光谱信号先通过光栅分光，再通过脉冲式射频信号驱动的声光调制器所形成的声光栅对光的偏折作用来依次选通窄带光谱，得到时间序列的各色窄带光谱并由单元探测器探测。实现光谱的高速探测，在1024像素条件下行频可达100kHz。它可用于各种波段的谱域OCT系统以及其他涉及光谱仪的领域。
Description
技术领域
本发明涉及谱域光学相干层析成(OCT)像技术，尤其是涉及一种用于谱域OCT的声光选通光谱快速探测方法及系统。
背景技术
光学相干层析成像(Optical Coherence Tomography，OCT)是一种新兴的生物医学光学成像技术，能非侵入地、无损伤地对活体组织的内部结构以及生理功能进行高分辨率的三维成像。谱域OCT不需要时域OCT的轴向扫描来得到样品的深度信息，深度信息是由通过探测到的光谱信息的傅里叶逆变换得到，因此大大提高了成像速度和灵敏度。
目前传统的谱域OCT系统大多都是通过线阵CCD来并行采集干涉信号经光栅分光后的光谱分量，其系统核心是探测臂中的用CCD探测的多通道光谱仪，然而用CCD探测的光栅光谱仪的这种探测方法有其缺陷。其一，传统谱域OCT的轴向扫描速度与CCD的积分时间也就是CCD的行频或帧率直接相关，因此轴向扫描速度受到CCD的行频或帧率限制。奥地利的维也纳大学的Fercher小组使用了面阵CCD，像素是H1024×V250，其帧率很低。为了得到高一点的轴向扫描速度，国外很多科研机构都采用更高速度的线阵CCD在谱域OCT光谱仪探测，但行频大都在几十kHz，美国MIT大学的Fujimoto小组和哈佛大学医学院的Bouma小组都采用Atmel公司的2048像素，29kHz行频的CCD，2008年Fujimoto小组采用4096像素的12kHz行频的CCD用在谱域OCT的扫描探头，美国印第安纳大学的Miller小组采用的512像素的75kHz行频的CCD探测器，波兰哥白尼大学Wojtkowski小组使用的也是Atmel Aviiva的M4CL2014的2048像素、53kHz行频的CCD。美国的Iftimia等人采用Basler Vision公司的1024像素、58kHz行频的CCD。还有一些小组使用CMOS探测器，能达到比较高的行频速度，但由于其暗电流比较大，造成信噪比不高，并且CMOS的光电转换效率也比较低。其二，由于商用化的1300nm波段的铟镓砷阵列CCD很少提供，像素分辨率也比较低，大于1024像素的几乎没有，大部分都是512像素和1024像素的，并且价格非常昂贵，主要用于军事领域，因此目前的谱域OCT主要采用硅材料的CCD，大都集中在850nm波段。2006年美国的纽约大学Zhenguo Wang等人使用了1300nm波段的铟镓砷阵列CCD，灵敏度和像素分辨率都不高。
综上所述，线阵CCD行频直接跟轴向扫描速度相关，如何突破现有线阵CCD行频的限制，获得更高速的光谱探测方法是谱域OCT技术，尤其是1300nm波段的谱域OCT技术发展的一大技术难点。
发明内容
为了克服上述技术难点的不足，本发明的目的在于提供了一种用于谱域OCT的声光选通光谱快速探测方法及系统，应用在谱域OCT系统的探测臂部分，采用基于单元探测器的高速声光选通光栅光谱仪结构来实现高速光谱探测。
本发明的目的是通过如下技术方案实现的：
一、一种用于谱域OCT的声光选通光谱快速探测方法：
在谱域OCT系统的探测臂采用基于单元探测器的高速声光选通光栅光谱仪，实现谱域OCT的光谱快速探测；其具体步骤如下：
(1)在谱域OCT系统的探测臂中，先通过光栅作为分光器件进行分光，将宽带光谱在空间上分成各色窄带光谱；
(2)在光栅分光之后，再通过脉冲式射频信号驱动声光调制器所形成的声光栅对光的偏折作用来选通窄带光谱，实现序列窄带光谱快速依次输出；
(3)时间序列的窄带光谱信号通过由聚焦透镜和高速单元探测器组成的光谱成像系统实施光谱探测。
二、一种用于谱域OCT的声光选通光谱快速探测系统：
包括宽带光源、光隔离器、宽带光纤耦合器、四个偏振控制器、样品臂、参考臂和探测臂；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样品臂，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。所述探测臂：包括光纤准直镜、光栅、聚焦透镜、射频驱动器、声光调制器、聚焦透镜和单元探测器；进入探测臂的光从光纤准直镜准直平行后经光栅分光，光栅和声光调制器分别位于聚焦透镜的前焦面和后焦面上，光经光栅分光后经聚焦透镜各色光聚焦在声光调制器上，各色光平行于聚焦透镜的主光轴斜入射在声光调制器上，射频驱动器的射频脉冲信号驱动声光调制器，光经射频脉冲信号驱动的声光调制器选通衍射时间序列的窄带光谱信号，经聚焦透镜聚焦在单元探测器上进行探测，声光调制器和单元探测器分别放置在聚焦透镜的前焦面和后焦面上。
所述样品臂包括光纤准直镜、扫描振镜和聚焦透镜；经分光后的光从第二偏振控制器经光纤准直镜、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。
所述参考臂包括光纤准直镜、色散补偿器、中性滤光片和平面反射镜；经分光后的光从第三偏振控制器、经光纤准直镜、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。
与背景技术相比，本发明具有的有益效果是：
1、由于脉冲式射频信号驱动声光调制器所形成的声光栅对光的偏折作用来选通窄带光谱，并且由单元探测器探测，可以突破传统的多通道光谱仪CCD行频的限制，达到高速的轴向扫描速度。
2、脉冲射频信号驱动的声光选通光栅光谱仪取代了传统的多通道光谱仪，系统对探测器要求低，只要普通的光电二极管探测器即可符合其时间响应等要求。
3、本发明提出的声光选通光谱快速探测方法，采用光电二极管单元探测器取代CCD，所以除了可以应用于850nm波段的谱域系统中，也可以应用于1300nm和1050nm波段的光谱探测。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明的声光选通光谱的原理图。
图3是本发明应用在谱域OCT的系统结构示意图。
图中：1.光纤准直镜，2.光栅，3.聚焦透镜，4.射频驱动器，5.声光调制器，6.聚焦透镜，7.单元探测器，8.宽带光源，9.偏振控制器，10.光隔离器，11.宽带光纤耦合器，12.光纤准直镜，13.扫描振镜，14.聚焦透镜，15.样品，16.光纤准直镜，17.色散补偿器，18.中性滤光片，19.平面反射镜，20.样品臂，21.参考臂，22.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：
本发明单元探测器探测的高速声光选通光栅光谱仪中，通过控制加载在声光调制器上的脉冲射频信号，将整个宽带光谱范围内的窄带光谱信号在时间上衍射选通，分成时间序列窄带光谱依次输出，由光电二极管单元探测器探测。快速响应的光电二极管单元探测器取代传统的多通道光栅光谱仪的线阵CCD进行探测信号，脉冲射频信号的重复频率就是探测器的行频，也就是应用在谱域OCT成像系统的轴向扫描速度，实现高速探测，大大提高了成像速度。
如图1所示，本发明包括光纤准直镜1(OZ Optics，Inc.，HPUCO-23A-1300/1500-S-10AC)、光栅2(Newport，Inc.，53-*-148R)、聚焦透镜3(Thorlabs，Inc.，AC254-254-B)、射频驱动器4(LeCroy，Inc.，9100)、声光调制器5(Crystal Technology，3165-1)、聚焦透镜6(Thorlabs，Inc.，AC254-100-B)和单元探测器7(New Focus，Inc.，2117-FS)；从光纤准直镜1出来的准直平行光经光栅2分光，光栅2位于聚焦透镜3的前焦面上，经光栅2分光后的各色光经聚焦透镜3后在它的后焦面上汇聚成平行于它的主光轴的一系列光谱，斜入射在声光调制器5上，声光调制器5放置在聚焦透镜3的后焦面上，射频驱动器4的射频脉冲信号驱动声光调制器5所形成的声波布拉格光栅对光的偏折作用来选通窄带光谱，其余的色光不在声光栅的作用区域，未衍射直接透射声光调制器晶体，脉冲射频声波在声光调制器晶体中传播，依次衍射各色光，经声光调制器5衍射选通时间序列的窄带光谱信号，衍射色光经聚焦透镜6聚焦在单元探测器7上进行探测，声光调制器5和单元探测器7分别放置在聚焦透镜6的前焦面和后焦面上。
如图2(a)所示，脉冲射频声波与声光晶体二氧化碲晶体作用形成的布拉格声光栅，平行的各色光斜入射在声光调制器晶体上，布拉格声光栅传播到第一个色光光斑λ1入射晶体的位置，λ1色光经布拉格声光栅衍射偏折选通，其他所有色光没有经布拉格声光栅作用而直接透射通过二氧化碲声光晶体，光传播方向不变，没有被选通，不会进入聚焦透镜和单元探测器被探测到。如图2(b)所示，脉冲射频声波传播到第二个色光光斑λ2入射晶体的位置，λ2色光经布拉格声光栅衍射偏折选通；第一个色光光斑λ1由于没有了布拉格声光栅的作用，所以λ1直接透射二氧化碲声光晶体，沿原方向传播，不会被选通；而其他色光也是没有经布拉格声光栅作用而直接透射通过二氧化碲声光晶体，光传播方向不变，没有被选通。脉冲射频声波在二氧化碲声光晶体传播，则依次选通各色光，得到时间序列的窄带光谱，并被单元探测器探测。
商品化的声光调制器的二氧化碲声光晶体的长度为4.3cm(大约都是4cm左右)，声波在二氧化碲晶体的速度是4.2mm/μs，所以脉冲射频声波在晶体中传播的时间是10.2μs，脉冲射频信号在声光晶体二氧化碲晶体中的传播时间长短就是代表了探测器的行频高低，即脉冲射频信号的重复频率就是谱域OCT系统的轴向扫描速度近似为100kHz。射频驱动器发出的脉冲射频信号的声波频率是200MHz，峰值功率为1W，声波在二氧化碲晶体的波长为21μm。脉冲射频声波的脉宽为20ns，上升沿和下降沿都是5ns，所以形成布拉格声光栅有效的作用时间近似是10ns。光谱分辨率由声波与晶体的声光效应所形成的布拉格衍射光栅作用单元决定，为42μm左右。所以二氧化碲声光晶体的长度为4.3cm的声光调制器的光谱分辨单元数为1024即相当于1024像素。所以本发明探测器能达到100kHz行频、1024像素。
如图3所示，本发明应用在谱域OCT成像系统中的探测臂。谱域OCT成像系统包括宽带光源8、四个偏振控制器9、光隔离器10、宽带光纤耦合器11、样品臂20、参考臂21和探测臂22。从宽带光源8出来的低相干光，经第一偏振控制器9、光隔离器10入射到宽带光纤耦合器11，经分光后，一路经第二偏振控制器9进入样品臂20，经光纤准直镜12、扫描振镜13和聚焦透镜14后照射到样品15，信号光由原路返回经第二偏振控制器9至宽带光纤耦合器11；另一路光经第三偏振控制器9进入参考臂21，经光纤准直透镜16、色散补偿器17、中性滤光片18和平面反射镜19，反射光由原路返回经第三偏振控制器9至宽带光纤耦合器11。从样品臂20和参考臂21返回的光在宽带光纤耦合器11中干涉后，经第四偏振控制器9，进入探测臂22。最后单元探测器探测的光谱信号的测量结果再由计算机控制的数据采集卡采样数据点，采样后数据在计算机中进行逆傅立叶变换等处理来重建样品图像。系统中偏振控制器9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。
所述参考臂21包括光纤准直镜16、色散补偿器17、中性滤光片18和平面反射镜19；经分光后的光从第三偏振控制器9、经光纤准直镜16、色散补偿器17、中性滤光片18和平面反射镜19，由原路返回经第三偏振控制器9至宽带光纤耦合器11。
所述样品臂20包括光纤准直镜12、扫描振镜13和聚焦透镜14；经分光后的光从第二偏振控制器9经光纤准直镜12、扫描振镜13和聚焦透镜14后照射到样品15，由原路返回经第二偏振控制器9至宽带光纤耦合器11。
本发明公开的一种用于谱域OCT成像系统的声光选通光谱快速探测方法及系统，核心就是基于单元探测器的高速声光选通光栅光谱仪。干涉信号先由光栅分光，经脉冲式射频声波信号驱动的声光调制器的高速调制选通时间序列的窄带光谱，并由单元探测器探测。用于谱域OCT系统的基于单元探测器的高速声光选通光栅光谱仪能够实现光谱的高速探测，在1024像素条件下行频达到100kHz，从而具有高速轴向扫描速度的优点，并且可以应用于各种波段的谱域OCT系统。这种声光选通光谱快速探测方法及系统在谱域OCT成像技术以及其他涉及光谱仪的相关领域具有重要意义。
Claims (4)
1.一种用于谱域OCT的声光选通光谱快速探测方法，其特征在于：在谱域OCT系统的探测臂采用基于单元探测器的高速声光选通光栅光谱仪，实现谱域OCT的光谱快速探测；其具体步骤如下：
(1)在谱域OCT系统的探测臂中，先通过光栅作为分光器件进行分光，将宽带光谱在空间上分成各色窄带光谱；
(2)在光栅分光之后，再通过脉冲式射频信号驱动声光调制器所形成的声光栅对光的偏折作用来选通窄带光谱，实现序列窄带光谱快速依次输出；
(3)时间序列的窄带光谱信号通过由聚焦透镜和高速单元探测器组成的光谱成像系统实施光谱探测。
2.一种实施权利要求1所述方法的一种用于谱域OCT的声光选通光谱快速探测系统，包括宽带光源(8)、光隔离器(10)、宽带光纤耦合器(11)、四个偏振控制器(9)、样品臂(20)、参考臂(21)和探测臂(22)；从宽带光源(8)出来的低相干光，经第一偏振控制器(9)、光隔离器(10)入射到宽带光纤耦合器(11)，经分光后一路经第二偏振控制器(9)进入样品臂(20)，另一路经第三偏振控制器(9)进入参考臂(21)，返回的光在宽带光纤耦合器(11)中干涉后，经第四偏振控制器(9)，进入探测臂(22)；其特征在于所述探测臂(22)：包括光纤准直镜(1)、光栅(2)、聚焦透镜(3)、射频驱动器(4)、声光调制器(5)、聚焦透镜(6)和单元探测器(7)；进入探测臂(22)的光从光纤准直镜(1)准直平行后经光栅(2)分光，光栅(2)和声光调制器(5)分别位于聚焦透镜(3)的前焦面和后焦面上，光经光栅(2)分光后经聚焦透镜(3)后各色光聚焦在声光调制器(5)上，各色光平行于聚焦透镜(3)的主光轴斜入射在声光调制器(5)上，射频驱动器(4)的射频脉冲信号驱动声光调制器(5)，光经射频脉冲信号驱动的声光调制器(5)选通衍射时间序列的窄带光谱信号，经聚焦透镜(6)聚焦在单元探测器(7)上进行探测，声光调制器(5)和单元探测器(7)分别放置在聚焦透镜(6)的前焦面和后焦面上。
3.根据权利要求2所述方法的一种用于谱域OCT的声光选通光谱快速探测的系统，其特征在于：所述样品臂(20)包括光纤准直镜(12)、扫描振镜(13)和聚焦透镜(14)；经分光后的光从第二偏振控制器(9)经光纤准直镜(12)、扫描振镜(13)和聚焦透镜(4)后照射到样品(15)，由原路返回经第二偏振控制器(9)至宽带光纤耦合器(11)。
4.根据权利要求2所述方法的一种用于谱域OCT的声光选通光谱快速探测的系统，其特征在于：所述参考臂(21)包括光纤准直镜(16)、色散补偿器(17)、中性滤光片(18)和平面反射镜(19)；经分光后的光从第三偏振控制器(9)、经光纤准直镜(16)、色散补偿器(17)、中性滤光片(18)和平面反射镜(19)，由原路返回经第三偏振控制器(9)至宽带光纤耦合器(11)。
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