CN102095694A

CN102095694A - 频域光学相干层析成像系统

Info

Publication number: CN102095694A
Application number: CN 201110001627
Authority: CN
Inventors: 许�鹏; 何红
Original assignee: Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Priority date: 2011-01-06
Filing date: 2011-01-06
Publication date: 2011-06-15

Abstract

一种频域光学相干层析成像系统，主要包括迈克尔干涉仪系统、光谱仪系统、信号处理系统，所述的光谱仪系统包括衍射光栅、聚焦透镜、CCD光电探测器，其特点在于：在所述的CCD光电探测器前设置了CCD光谱响应度补偿片，该CCD光谱响应度补偿片是根据频域光学相干层析成像系统的宽带光源的波长范围和所述的CCD探测器的光谱响应曲线而等分为多个基元，每个基元对应于所述的CCD探测器相应的采样波段，通过改变每个基元的厚度，以离散分布的透过率对光谱响应进行补偿。本发明的补偿片可以平衡CCD器件各探测器单元对不同波长响应的不一致性，从而减小干涉功率谱中的噪音信号，使得重建的OCT图像质量得到改善，提高成像速度。

Description

频域光学相干层析成像系统

技术领域

本发明涉及光学相干层析成像，尤其是一种频域相干层析成像系统。

背景技术

光学相干层析成像(Optical Coherence Tomography，简称为OCT)是上世纪九十年代发展起来的一种新型层析成像技术，OCT采用了低相干干涉技术可以获取组织内部微观结构信息，具有无辐射损伤、非侵入性、高灵敏度、高分辨率等优点，率先应用于医学诊疗，近年来随着OCT技术不断发展，其应用已扩展到材料科学、薄膜技术等诸多基础研究领域。

光学相干层析成像分为时域OCT和频域OCT。时域OCT根据参考臂与测量臂的等光程以参考臂的逐点移动获得被测样品的深度信息。时域OCT是最典型的OCT系统，对于各种不同的应用具有很强的适应性，但是它必须进行深度扫描，这对高速实时成像很不利。频域OCT作为一种新的OCT技术克服了时域OCT的不足，它利用背向散射光与参考光的干涉光谱实现深度信号的一次成像，极大地提高了成像速度。

频域OCT系统主要组成部分为迈克尔干涉仪和光谱仪，由宽带光源发出的光经分光棱镜按振幅分为等光强的两束光，一束为参考光束，一束为测量光束，参考光束被参考镜反射，而测量光束进入待测量的样品后有一定的穿透深度，样品自其表面到不同深度的各个层面对测量光束都有一定程度的背向散射。两束来自参考镜和样品内部的背向散射光将会在分光棱镜处相遇形成干涉信号，干涉信号被衍射光栅分光后由CCD阵列检测。样品的深度信息都包含在干涉光谱中，通过计算机对其进行傅里叶逆变换可以获得样品的深度图像。因为频域OCT不需要轴向扫描，所以只需横向的二维扫描即可获得三维图像。

频域OCT重建图像要进行离散傅里叶逆变换为：

i (h_{n}) = {FT}^{- 1} [I (k_{m})] = \frac{1}{N} Σ_{m = 1}^{N} I (k_{m}) \exp [- j (\frac{2 π}{N} mn)]

其中：i(h_n)为宽带光源发出的光波电场在光程域的自相关函数离散采样点，I(k_m)为波数域的功率谱函数离散采样点，可以由CCD采样获得。对于频域OCT系统，被测样品的深度信息蕴含于CCD检测的光谱信号中，而CCD对不同波长的信号具有不同的响应，所以要提高重建图像的质量，必须进行适当的补偿。

现有的CCD光谱响应补偿技术是通过软件实现的，已知宽带光源波长范围λ₁～λ₂，CCD光谱响应曲线为R(λ)，则在计算机内部维护了一个光谱响应度查找表，CCD检测到的光强I_CCD与实际光强I之间的关系为：

用软件实现补偿的方法的不足是要耗费计算的时间，不利于快速成像，因此需要寻找硬件实现补偿的技术途径。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，对现有频域光学相干层析成像系统进行改进，提供一种频域光学相干层析成像系统，以改善光学相干层析成像的质量，提高成像速度。

本发明的技术解决方案如下：

一种频域光学相干层析成像系统，主要包括迈克尔干涉仪系统、光谱仪系统、信号处理系统，所述的光谱仪系统包括衍射光栅、聚焦透镜、CCD光电探测器，其特点在于：在所述的CCD光电探测器前设置了CCD光谱响应度补偿片，该CCD光谱响应度补偿片是根据频域光学相干层析成像系统的宽带光源的波长范围和所述的CCD探测器的光谱响应曲线而等分为多个基元，每个基元对应于所述的CCD探测器相应的采样波段，通过改变每个基元的厚度，以离散分布的透过率对光谱响应进行补偿。

本发明的突出特点是结构简单，不改变原有的光学系统，只是在CCD探测器前增设了一个响应度补偿片，以此补偿CCD探测器对不同波长响应的不均匀性，提高了系统的成像质量，加快了图像重建速度，有利于快速实时成像。

附图说明

图1为现有技术中频域OCT系统的光谱仪结构示意图。

图2为本发明频域OCT系统的光谱仪结构示意图。

图3是制作本发明CCD光谱响应补偿片的光刻工艺流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

请参阅图2，图2为本发明频域OCT系统的光谱仪结构示意图。由图可见，本发明频域光学相干层析成像系统，主要包括迈克尔干涉仪系统、光谱仪系统、信号处理系统，所述的光谱仪系统包括衍射光栅1、聚焦透镜2、CCD光电探测器3，其特点是在所述的CCD光电探测器3前设置了CCD光谱响应度补偿片4，该CCD光谱响应度补偿片4是根据频域光学相干层析成像系统的宽带光源的波长范围和所述的CCD探测器的光谱响应曲线而等分为多个基元，每个基元对应于不同的波长，通过改变每个基元的厚度，以离散透过率分布的补偿片对光谱响应进行补偿。

本发明的原理如下：

在原有的频域OCT系统的CCD探测器3前设置了一个CCD光谱响应补偿片4，该补偿片是依据CCD探测器3的光谱响应曲线R(λ)以及宽带光源的波长范围λ₁～λ₂而设计的，设CCD探测器的光谱响应的采样波段数为N，N为大于1的正整数，因此补偿片只需对N个采样波段进行透过率补偿即可实现目的。

把CCD探测器的每个采样波段之间的间隔看成相等，则第n个采样波段的平均波长(以下简称为采样波长)可表示为：

λ_{n} = λ_{1} + (i - 1) (\frac{λ_{2} - λ_{1}}{N - 1})

其中：n＝1，2，3，......，N。每一个采样波长λ_n对应着一个光谱响应度R(λ_n)，则补偿片对于采样波长λ_n的增益应为光谱响应度的倒数

，进行归一化处理之后即得到补偿片的透过率分布T(λ_n)。

选择对于λ₁～λ₂波长范围呈光学中性的材料制作基片，把基片等分成N个基元，根据补偿片每个基元的透过率T(λ_n)以及透过率随厚度变化的曲线，可以通过改变每个基元的厚度来实现不同的透过率。其制作工艺采用大规模集成电路的光刻技术，其加工技术主要由掩膜制作技术，图形曝光技术和图形加工技术组成。制作过程请参见图3，主要分以下步骤完成：

1.制作刻蚀用的振幅掩膜5，通常N级台阶需要M个不同尺寸的掩膜，使得N＝2^M，把掩膜标号为M，M-1，M-2，...，1。

2.图形曝光，将标号为M的掩膜图形精确复制到表面涂有光刻胶6的基片7上；

3.显影，通过显影将掩膜上通光部分的光刻胶清除，片基裸露；

4.刻蚀，在光刻胶保护下对片基进行刻蚀；

5.再涂光刻胶，将标号为M-1的掩膜图形精确复制到表面涂有光刻胶的基片上。

6.重复进行上述步骤图形曝光、显影、刻蚀步骤，完成两次套刻，最终清除光刻胶。

图2是本发明的一个具体实例，该实例表明干涉信号由衍射光栅1分光，再经过聚焦透镜2并且经过补偿片4进行透过率补偿之后，由CCD探测器3获得光谱信号并由后续信号处理系统重建图像。

Claims

1.一种频域光学相干层析成像系统，主要包括迈克尔干涉仪系统、光谱仪系统、信号处理系统，所述的光谱仪系统包括衍射光栅、聚焦透镜、CCD光电探测器，其特征在于：在所述的CCD光电探测器前设置了CCD光谱响应度补偿片，该CCD光谱响应度补偿片是根据频域光学相干层析成像系统的宽带光源的波长范围和所述的CCD探测器的光谱响应曲线而等分为多个基元，每个基元对应于所述的CCD探测器相应的采样波段，通过改变每个基元的厚度，以离散分布的透过率对光谱响应进行补偿。