CN102499648B - 一种基于菲涅尔光谱仪的频域光学相干层析成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于菲涅尔光谱仪的频域光学相干层析成像系统，其特征在于：它包括一迈克尔逊干涉仪，一菲涅尔光谱仪和一傅里叶转换模块；迈克尔逊干涉仪将样品各层返回的样品光和参考光相干叠加后的相干光发射到菲涅尔光谱仪中，相干光在菲涅尔光谱仪中分别经一准直镜和一扩束透镜组后平行入射到一菲涅尔波带片上，菲涅尔波带片将相干光按照波数等间隔展开并投射到一线阵CCD上，线阵CCD读取相干光的频谱数据并发送到傅里叶转换模块，傅里叶转换模块通过离散傅里叶变换将频谱数据还原为样品空间位置信息。本发明不仅可以应用于在频域光学相干层析成像中，还可以应用在其他需要进行波长-波数转换和重采样进行成像或探测按波数均匀展开的光谱分析中特别是可以应用于生物医学成像过程中。

Description

一种基于菲涅尔光谱仪的频域光学相干层析成像系统

技术领域

本发明涉及一种频域光学相干层析成像系统，特别是关于一种基于菲涅尔光谱仪的频域光学相干层析成像系统。

背景技术

近十几年来光学相干CT(Optical Coherence Tomography，简称OCT)技术发展迅速，该技术可以对生物组织或人体组织进行断层成像，分辨率远高于X射线成像和超声波成像。特别是频域光学相干CT(FD-OCT)技术，它不仅具有高分辨断层成像能力，而且它具有频域并行读取能力，能够一次读取沿样品某一深度方向的一线光信号，FD-OCT技术还具有高灵敏度的优点，实现高速成像潜力巨大。

在光纤化FD-OCT系统中，宽带光由单模光纤传导，经环形器和耦合器后分成两束，其中一束经成像物镜聚焦在样品上，另一束经可调衰减片照射在反射平面镜上。样品中不同深度的样品光与参考光相干叠加，现有技术是将此相干光经准直器准直平行后，再通过光栅将相干光的频谱展开，然后经消色差透镜聚焦在线阵CCD上。线阵CCD每曝光一次可以得到沿样品深度方向一线的频域信息，在计算机上作快速傅立叶变换后得到深度方向的一线数据，即样品不同深度的返回光信号强度。但是，此时线阵CCD上记录的频谱是按近似等间隔的波长而展开的，而傅里叶变换要求频谱按波数均匀展开，否则会导致傅里叶变换后的空间域信号纵向分辨率变差。现有的频域光学相干层析成像系统还需要做波长-波数转换和重采样的数据后处理过程，极大地影响了成像系统的成像速度。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够极大地提高成像系统的成像速度，且能够有效避免像差问题的基于菲涅尔光谱仪的频域光学相干层析成像系统。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种基于菲涅尔光谱仪的频域光学相干层析成像系统，其特征在于：它包括一迈克尔逊干涉仪，一菲涅尔光谱仪和一傅里叶转换模块；所述迈克尔逊干涉仪将样品某一深度方向各层返回的样品光和参考光相干叠加后的相干光发射到所述菲涅尔光谱仪中，所述相干光在所述菲涅尔光谱仪中分别经一准直镜和一扩束透镜组后平行入射到一菲涅尔波带片上，所述菲涅尔波带片将所述相干光按照波数等间隔展开并投射到一线阵CCD上，不同波长的所述相干光聚焦在不同的焦点上，所述线阵CCD中感光阵列沿着焦点排列的方向布置，所述线阵CCD读取相干光的频谱数据并发送到所述傅里叶转换模块，所述傅里叶转换模块通过离散傅里叶变换将所述频谱数据还原为样品空间位置信息。

所述迈克逊干涉仪采用光纤化迈克尔逊干涉仪和空间化迈克尔逊干涉仪中的一种。

所述光纤化迈克逊干涉仪包括一宽带光源，所述宽带光源输出宽带光经一单模光纤发射到一光纤环形器中，所述宽带光经所述光纤环形器后发射到一光纤耦合器中，所述光纤耦合器将宽带光分成两束，两束宽带光分别经一偏振控制器由所述单模光纤分别出射，其中一束所述宽带光经一准直镜、一衰减片和一透镜发射到一参考镜，另一束所述宽带光经另一准直镜发射到一扫描振镜上，所述宽带光经所述扫描振镜反射并经一成像物镜聚焦后发射到待检测的样品上，经所述样品各层反射的样品光和经所述参考镜垂直反射的参考光分别沿着光原来的传播路径返回，并在空间发生相干叠加形成相干光返回到所述光纤环形器中，并经所述单模光纤发射到所述菲涅尔光谱仪中。

所述参考镜采用能够使所述宽带光按照原传播路径返回的光学器件。

所述成像物镜采用能够使入射到样品上的所述宽带光聚焦的光学器件。

所述扩束透镜组采用两对称设置的透镜，两所述透镜采用具有聚焦功能且能够使入射到所述菲涅尔波带片上的相干光为平行光的光学器件。

所述菲涅尔波带片的设计波长、环数和最内环直径的选取分别根据所述迈克逊干涉仪的宽带光源、所述菲涅尔光谱仪的分辨率和焦距确定；所述菲涅耳波带片采用圆环形、方形、椭圆形、螺旋形中的一种。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明采用迈克逊干涉仪和菲涅尔光谱仪结合，与现有技术相比省去了波长-波数转换和重采样的数据处理过程，实现了在波数域对样品的一线信号的快速提取，极大地减少了成像系统后处理时间，提高了成像速度和性能。2、由于传统频域相干层析成像系统采用了光栅和聚焦透镜来将各种波长的光汇聚到CCD上，本发明采用菲涅尔光带片和线阵CCD，无需聚焦透镜即可将不同波长的光汇聚到CCD上，因此有效避免了聚焦透镜带来的像差问题。3、本发明将相干光从菲涅尔波带片投射到线阵CCD上，菲涅尔波带片由于菲涅尔衍射效应，平行入射到菲涅尔波带片上的相干光会产生类似透镜的现象，不同波长的相干光会聚焦在不同的焦点上，与普通透镜不同的是，其焦距与波长成反比关系，即与波数成正比，因此将CCD沿着焦点排列的方向布置则可以直接实现波数均匀、等间隔采样，有效避免了傅里叶变换后的空间域信号纵向分辨率变差的问题。4、本发明调节简便，灵活性高，有利于频域光学相干层析技术的进一步实用化，不仅可以应用于在频域光学相干层析成像中，还可以应用在其他需要进行波长-波数转换和重采样进行成像或探测按波数均匀展开的光谱分析中特别是可以应用于生物医学成像过程中。

附图说明

图1是本发明的成像系统结构示意图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明包括一光纤化迈克逊干涉仪1、一菲涅尔光谱仪2和一傅里叶转换模块(FFT)3。

光纤化迈克逊干涉仪1包括一宽带光源10，宽带光源10输出的宽带光经单模光纤发射到一光纤环形器11中，宽带光在光纤环形器11中按照固定的传播路径射出并经单模光纤发射到一光纤耦合器12中，光纤耦合器12按照设定的分光比将宽带光分成两束，两束宽带光分别经一偏振控制器13后由单模光纤分别出射，其中一束宽带光经一准直镜14、一衰减片15、一透镜16后发射到一参考镜17上。另一束宽带光经另一准直镜14发射到一扫描振镜18上，宽带光经扫描振镜18反射后经一成像物镜19聚焦后发射到待检测的样品上。经样品某一深度方向各层反射的样品光和经参考镜17垂直反射的参考光分别沿着光原来的传播路径返回，并在空间发生相干叠加后返回到光纤环形器11中，相干光在光纤环形器11中按照固定的传播路径传播并经单模光纤发射到菲涅尔光谱仪2。

相干光分别经一准直镜21、一扩束透镜组22后平行入射到菲涅尔波带片23上，菲涅尔波带片23将相干光按照波数等间隔展开并投射到线阵CCD24上，不同波长的相干光聚焦在不同的焦点上，线阵CCD24中的感光阵列沿着焦点排列的方向布置，线阵CCD24每曝光一次可以得到沿着样品深度方向一线的频域信息，线阵CCD24读取相干光的频谱数据并通过数据采集卡将其发送到傅里叶转换模块3，傅里叶转换模块3通过离散傅里叶变换将频谱数据还原为样品各层的空间位置信息，通过计算机显示出样品深度方向的结构信息。为了获取整个样品的结构图像，可以通过不断旋转扫描振镜1的方式获取样品的横向方向信息和深度方向信息。

其中，傅里叶转换模块3可以依据离散傅里叶变换公式将获取的频域数据转变为样品的空间位置信息，具体的公式如下：

$f\left(t\right)=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\underset{-\∞}{\overset{\∞}{\∫}}F\left(\mathrm{\ω}\right)e^{\mathrm{j\ωt}}\mathrm{d\ω}$

上述公式中，F(ω)为样品的频域数据，f(t)为样品的空间位置信息。

上述实施例中，由于本发明采用宽带光源10，除设计波长外，设计波长附近光源带宽范围内的其它波长的光也会分别聚焦在不同焦点上，且波长越长焦距越短。距离菲涅尔波带片23最近的焦点和最远的焦点之间的距离即为宽带光被菲涅尔波带片23聚焦的焦距范围，线阵CCD24放置的位置及选用的长度应保证覆盖此焦距范围。

上述各实施例中，本发明还可以利用分束镜、自由空间光隔离器分别替换光纤环形器11和光纤耦合器12构成空间化迈克尔逊干涉仪获取参考光和样品光在空间的相干叠加。

上述各实施例中，光纤环形器11还可以采用光隔离器，光纤耦合器12可以采用1*2的光纤耦合器也可以采用2*2光纤耦合器。

上述各实施例中，菲涅尔波带片23可以根据所选用宽带光源10的中心波长来确定其设计波长，根据菲涅尔光谱仪2的分辨率来确定菲涅尔波带片23的环数，根据焦距来确定菲涅尔波带片23的最内环直径的大小(焦距是菲涅尔波带片对宽带光带宽范围内各个波长的焦距，焦距与最内环半径的平方成正比，与波长成反比)，只要能够满足上述参数要求，菲涅耳波带片23可以为圆环形、方形、椭圆形、螺旋形或其它形状。

上述各实施例中，入射到菲涅尔波带片23的相干光可以沿菲涅尔波带片轴对称入射，也可以偏轴入射或斜平行入射，但是入射光必须是平行光，这样才能够保证从菲涅尔波带片23出射的光能够按照波数均匀展开。

上述各实施例中，参考镜17可以为普通平面反射镜、角耦反射镜或者其它可以使光按照原传播路径返回的光学器件。

上述各实施例中，光纤耦合器12的分光比可以根据实际的需要来确定，为使样品的OCT图像具有高的信噪比，可以采用较高的分光比，例如分光比为90/10，使入射到样品的宽带光为宽带光总光强的90％，入射到参考镜17的宽带光为宽带光总光强的10％。

上述各实施例中，成像物镜19可以采用消色差聚焦透镜、非球面聚焦透镜和其它具有聚焦功能的光学器件，只要确保入射到样品上的宽带光为聚焦光即可。

上述各实施例中，扩束透镜组22可以采用两个对称设置的透镜22，按照两个透镜22的焦距关系确定其之间的距离，两透镜22可以采用消色差扩束透镜、非球面聚焦透镜、球面镜、角锥透镜、球透镜、凹面镜等其它具有聚焦功能且能够保证入射到菲涅尔波带片23的光为平行光的光学器件，也可以采用多组透镜以提高扩束比例。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、设置位置及其连接方式都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (9)

1.一种基于菲涅尔光谱仪的频域光学相干层析成像系统，其特征在于：它包括一迈克尔逊干涉仪，一菲涅尔光谱仪和一傅里叶转换模块；所述迈克尔逊干涉仪将样品某一深度方向各层返回的样品光和参考光相干叠加后的相干光发射到所述菲涅尔光谱仪中，所述相干光在所述菲涅尔光谱仪中分别经一准直镜和一扩束透镜组后平行入射到一菲涅尔波带片上，所述菲涅尔波带片将所述相干光按照波数等间隔展开并投射到一线阵CCD上，不同波长的所述相干光聚焦在不同的焦点上，所述线阵CCD中感光阵列沿着焦点排列的方向布置，所述线阵CCD读取相干光的频谱数据并发送到所述傅里叶转换模块，所述傅里叶转换模块通过离散傅里叶变换将所述频谱数据还原为样品空间位置信息。

2.如权利要求1所述的一种基于菲涅尔光谱仪的频域光学相干层析成像系统，其特征在于：所述迈克逊干涉仪采用光纤化迈克尔逊干涉仪和空间化迈克尔逊干涉仪中的一种。

3.如权利要求2所述的一种基于菲涅尔光谱仪的频域光学相干层析成像系统，其特征在于：所述光纤化迈克逊干涉仪包括一宽带光源，所述宽带光源输出宽带光经一单模光纤发射到一光纤环形器中，所述宽带光经所述光纤环形器后发射到一光纤耦合器中，所述光纤耦合器将所述宽带光分成第一、第二两束，第一、第二束宽带光分别经一偏振控制器由所述单模光纤分别出射，其中第一束宽带光经一准直镜、一衰减片和一透镜发射到一参考镜；第二束宽带光经另一准直镜发射到一扫描振镜上，且经所述扫描振镜反射并经一成像物镜聚焦后发射到待检测的样品上，经所述样品各层反射的样品光和经所述参考镜垂直反射的参考光分别沿着光原来的传播路径返回，并在空间发生相干叠加形成相干光返回到所述光纤环形器中，并经所述单模光纤发射到所述菲涅尔光谱仪中。

4.如权利要求3所述的一种基于菲涅尔光谱仪的频域光学相干层析成像系统，其特征在于：所述参考镜采用能够使所述第一束宽带光按照原传播路径返回的光学器件。

5.如权利要求3所述的一种基于菲涅尔光谱仪的频域光学相干层析成像系统，其特征在于：所述成像物镜采用能够使入射到样品上的所述第二束宽带光聚焦的光学器件。

6.如权利要求4所述的一种基于菲涅尔光谱仪的频域光学相干层析成像系统，其特征在于：所述成像物镜采用能够使入射到样品上的所述第二束宽带光聚焦的光学器件。

7.如权利要求1或2或3或4或5或6所述的一种基于菲涅尔光谱仪的频域光学相干层析成像系统，其特征在于：所述扩束透镜组采用两对称设置的透镜，所述两对称设置的透镜采用具有聚焦功能且能够使入射到所述菲涅尔波带片上的相干光为平行光的光学器件。

8.如权利要求1或2或3或4或5或6所述的一种基于菲涅尔光谱仪的频域光学相干层析成像系统，其特征在于：所述菲涅尔波带片的设计波长、环数和最内环直径的选取分别根据所述迈克逊干涉仪的宽带光源、所述菲涅尔光谱仪的分辨率和焦距确定；所述菲涅耳波带片采用圆环形、方形、椭圆形、螺旋形中的一种。

9.如权利要求7所述的一种基于菲涅尔光谱仪的频域光学相干层析成像系统，其特征在于：所述菲涅尔波带片的设计波长、环数和最内环直径的选取分别根据所述迈克逊干涉仪的宽带光源、所述菲涅尔光谱仪的分辨率和焦距确定；所述菲涅耳波带片采用圆环形、方形、椭圆形、螺旋形中的一种。

Images