CN102641116A - 双通道全范围复频域光学相干层析成像系统 - Google Patents

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戴翠霞
林晓艳
王竑
吴文娟
潘瑞芹
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Abstract

本发明公开了一种双通道全范围复频域光学相干层析成像系统，该系统利用3×3光纤耦合器使光源分光到两个参考臂和一个样品臂，利用两个参考臂各自和样品臂组成的频域光学相干层析成像系统对不同深度的样品进行探测，从而达到了扩大探测深度、提高成像质量的目的。在此系统中，只采用由一套光源和一套光谱仪组成的光学相干层析系统完成了对较深样品的清晰成像。此系统对检测高散射生物组织及工业样品具有潜在的应用价值。

Description

双通道全范围复频域光学相干层析成像系统
技术领域
本发明涉及一种复频域光学相干层析成像系统，特别涉及一种基于3                                               
Figure 2012101332838100002DEST_PATH_IMAGE001
3光纤耦合器的双通道频域光学相干层析成像系统，属于光学成像领域。
背景技术
频域光学相干层析技术是一种可以提供高分辨率、高灵敏度、非接触、无损伤的层析成像技术。此技术的探测深度一直受到限制：图像处理中对干涉光谱的傅立叶变换具有哈密顿对称性，重建样品的图像关于参考臂和样品的等光程差位置对称，为了避免实像和共轭像的相互交叠，只有一半的复空间用来成像；另外，频域光学相干层析系统的探测深度受到其光谱仪本身的频谱分辨率的限制。因此，目前传统频域光学相干层析系统的最大探测范围只有7mm左右（以眼睛作为样品）。
为了解决以上的问题，目前报道了几种扩大探测深度的方法：提高光谱仪的分辨率、减小光源的谱宽、采用全范围复频域技术或应用双通道双聚焦系统等。其中，前两种方法受到光谱仪和光源能力限制，第三种方法能扩大探测深度到两倍深度，但受到PZT等移相器动态能力及系统噪声的影响，第四种方法可根据成像位置较灵活地进行光线聚焦，但此方法需要两套独立的光学相干层析系统，从而提高了系统的复杂性和系统造价。此外，以上方法在扩大探测深度的同时尚未重视灵敏度降低的不利因素：灵敏度随成像深度而降低，因而成像质量随探测深度的增加而快速衰减。
发明内容
为了解决背景技术中存在的上述问题，本发明提供一种采用全范围复频域技术的双通道频域光学相干层析系统以扩大探测深度、提高成像质量并简化系统装置、减少系统的造价的双通道全范围复频域光学相干层析成像系统。
本发明的技术方案是：一种双通道全范围复频域光学相干层析成像系统，其特点是：该系统包括一套光源、一套光谱仪、短参考臂、长参考臂、一个样品臂、一个3
Figure 333493DEST_PATH_IMAGE001
3光纤耦合器和电脑，所述的3
Figure 147865DEST_PATH_IMAGE001
3光纤耦合器置有三个输入端，其中一个输入端作为光源输入端，通过隔离器和光源连接，另外一个输入端通过第一透镜和光谱仪连接，作为光谱仪耦合得到从参考臂和样品臂返回的干涉光谱，第三个端口闲置不用；3
Figure 839834DEST_PATH_IMAGE001
3光纤耦合器置有三个输出端，一个输出端和样品臂连接，其它两个输出端分别和短参考臂、长参考臂连接；所述的短参考臂由第二透镜、第一快门装置和第一平面镜构成，所述的长参考臂由第五透镜、第二快门装置和第二平面镜构成；所述样品臂由第三透镜、第四透镜、X-Y扫描振镜和样品组成；由光源、光谱仪、样品臂和短参考臂构成第一通道，由光源、光谱仪、样品臂和长参考臂构成第二通道；在所述的样品臂中，从光纤输出的光投射到X-Y扫描振镜的位置偏离振镜的轴心，通过安装振镜的精密平移台的移动获得每两个相邻纵向扫描间存在将近
Figure 2012101332838100002DEST_PATH_IMAGE003
的相移，样品光通过样品臂的光学元件第三透镜、第四透镜聚焦在样品之中，两个参考臂的长度与各自样品成像位置匹配，系统成像根据两通道的样品臂位置得到样品前后节部分的像及其共轭像：第一通道通过第一快门装置关闭长参考臂获得干涉频谱1，第二通道通过第二快门装置关闭短参考臂获得干涉频谱2，通道1用于对样品较浅深度处成像，通道2用于对样品较深深度处成像，利用全范围复频域技术采用希尔伯特图像处理算法计算得到样品前后节消除了共轭部分的像，在第一通道和第二通道之间的距离可通过安装到移动平移台上的平面镜成像测量得到，两通道中计算得到的样品前后节部分的像加以探测得到的样品前后节部分之间的距离，从而可以得到整个样品的合成像。
所述的光谱仪包括用于分开各个波长光的光栅、用于接收干涉光谱信号的成像探测器CCD和使光聚集到CCD上的透镜；由CCD接收到的深浅两部分干涉光谱的信号输送到电脑中图像处理单元，所述图像处理单元与光谱仪相连接。
所述图像处理单元是希尔伯特图像处理单元。 
本发明的有益效果是，本发明的一种双通道全范围复频域光学相干层析成像系统利用3
Figure 919917DEST_PATH_IMAGE001
3光纤耦合器采用一个光源、一套光谱仪，可以减少装置的复杂性，节省系统的造价；系统中包括两个光学相干层析通道，分别对探测样品的深浅部位进行成像以增大成像深度；成像过程中采用全范围复频域技术，从而在扩大探测深度的同时减小了因深度增加灵敏度降低的缺陷，提高了成像质量。
附图说明
图1是基于33光纤耦合器的双通道频域光学相干层析系统示意图；
图中：1.光源；2.隔离器；3. 3
Figure 850012DEST_PATH_IMAGE001
3光纤耦合器；4.短参考臂5.样品臂；
6.长参考臂；7.第一透镜；8.光谱仪；9.电脑；401.第二透镜；402.第一快门装置；403.第一平面镜；501.第三透镜；502.第四透镜；503.样品（眼睛）；504. X-Y扫描振镜；601.第五透镜；602.第二快门装置；603.第二平面镜。
图2是以眼睛作为样品采用全范围复频域技术的通道1成像效果示意图；
图3是以眼睛作为样品未采用全范围复频域技术的通道2成像效果示意图；
图4是以眼睛作为样品整个系统成像的示意图。
具体实施方式
由图1所示，一种双通道全范围复频域光学相干层析成像系统，其特征在于：该系统包括一套光源1、一套光谱仪8、短参考臂4、长参考臂6、一个样品臂5、一个3
Figure 843376DEST_PATH_IMAGE001
3光纤耦合器3和电脑9，所述的3
Figure 410755DEST_PATH_IMAGE001
3光纤耦合器置有三个输入端，其中一个输入端作为光源1输入端，通过隔离器2和光源1连接，另外一个输入端通过第一透镜7和光谱仪8连接，作为光谱仪8耦合得到从参考臂4、6和样品臂5返回的干涉光谱，第三个端口闲置不用；33光纤耦合器3置有三个输出端，一个输出端和样品臂5连接，其它两个输出端分别和短参考臂4、长参考臂6连接；所述的短参考臂4由第二透镜401、第一快门装置402和第一平面镜403构成，所述的长参考臂6由第五透镜601、第二快门装置602和第二平面镜603构成；所述样品臂5由第三透镜501、第四透镜502、X-Y扫描振镜504和样品503组成；由光源1、光谱仪8、样品臂5和短参考臂4构成第一通道，由光源1、光谱仪8、样品臂5和长参考臂6构成第二通道；在所述的样品臂5中，从光纤输出的光投射到X-Y扫描振镜504的位置偏离振镜的轴心，通过安装振镜的精密平移台的移动获得每两个相邻纵向扫描间存在将近
Figure 671152DEST_PATH_IMAGE003
的相移，样品光通过样品臂5的光学元件第三透镜501、第四透镜502聚焦在样品之中，两个参考臂的长度与各自样品成像位置匹配，系统成像根据两通道的样品臂5位置得到样品前后节部分的像及其共轭像：第一通道通过第一快门装置402关闭长参考臂6获得干涉频谱1，第二通道通过第二快门装置602关闭短参考臂4获得干涉频谱2，通道1用于对样品较浅深度处成像，通道2用于对样品较深深度处成像，利用全范围复频域技术采用希尔伯特图像处理算法计算得到样品前后节消除了共轭部分的像，在第一通道和第二通道之间的距离可通过安装到移动平移台上的平面镜成像测量得到，两通道中计算得到的样品前后节部分的像加以探测得到的样品前后节部分之间的距离，从而可以得到整个样品的合成像。
所述的光谱仪8包括用于分开各个波长光的光栅、用于接收干涉光谱信号的成像探测器CCD和使光聚集到CCD上的透镜；由CCD接收到的深浅两部分干涉光谱的信号输送到电脑9中图像处理单元，所述图像处理单元与光谱仪8相连接。所述图像处理单元是希尔伯特图像处理单元。所述光源1采用超亮发光二极管SLD。
图2是以眼睛作为样品采用全范围复频域技术的通道1成像效果示意图 (a) 采用经典频域光学相干层析算法得到的图像; (b) 采用全范围复频域算法得到的图像。
图像大小： 12.8(深) × 12(宽) mm。图2显示了以人眼作为样品的在体成像。系统通道1中把参考臂长度设置为与样品臂在虹膜上面的位置等光程的大小。图2(a)中显示了未采用全范围复频域技术的成像，样品结构被叠加在一起的共轭像所干扰。图2(b)显示了采用全范围复频域技术的成像，可以看到成像范围是从角膜的前表面到晶体的前表面。成像质量比之前双通道双聚焦系统成像质量改善很多：角膜的上皮细胞、晶体内高反射部分及晶体囊的内容都能较好地观测到。
图3是以眼睛作为样品未采用全范围复频域技术的通道2成像效果示意图 ，成像大小： 6.4(深) × 12(宽) mm。图3显示了通道2中得到的眼睛晶状体后半部分成像：晶体内部的高散射部分及晶状体囊都可以清楚地看到。采用此样品，此通道可以不采用全范围复频域技术。在不采用全范围复频域算法得到的图像中，可以看到成像质量随探测距离的增加而快速衰减，其中，高散射的虹膜部分都已模糊不清。
图4是以眼睛作为样品整个系统成像的示意图，图4显示了由双通道系统成像组合得到的整个眼前节部分的成像，由此可以看到，整个眼前节部分的组织都可以得到理想成像。
因此，此发明给出了一种基于3
Figure 163313DEST_PATH_IMAGE001
3光纤耦合器的双通道复频域光学相干层析系统以扩大探测深度，提高成像质量。此系统两个通道共用一个样品臂。两通道所得到的干涉光谱均可以采用全范围复频域技术进行处理得到扩大探测深度、减小灵敏度衰减的图像。在此系统中需采用快门装置关闭其中一个通道的方式得到另外一个通道相应的干涉频谱进行处理，所以比较适合静止的样品成像。此系统对生物组织成像和工业样品检测有着潜在的应用价值。

Claims (3)

1.一种双通道全范围复频域光学相干层析成像系统，其特征在于：该系统包括一套光源（1）、一套光谱仪（8）、短参考臂（4）、长参考臂（6）、一个样品臂（5）、一个3                                               
Figure 2012101332838100001DEST_PATH_IMAGE001
3光纤耦合器（3）和电脑（9），所述的3
Figure 21843DEST_PATH_IMAGE001
3光纤耦合器置有三个输入端，其中一个输入端作为光源（1）输入端，通过隔离器（2）和光源（1）连接，另外一个输入端通过第一透镜（7）和光谱仪（8）连接，作为光谱仪（8）耦合得到从参考臂（4、6）和样品臂（5）返回的干涉光谱，第三个端口闲置不用；3
Figure 801580DEST_PATH_IMAGE001
3光纤耦合器（3）置有三个输出端，一个输出端和样品臂（5）连接，其它两个输出端分别和短参考臂（4）、长参考臂（6）连接；所述的短参考臂（4）由第二透镜（401）、第一快门装置（402）和第一平面镜（403）构成，所述的长参考臂（6）由第五透镜（601）、第二快门装置（602）和第二平面镜（603）构成；所述样品臂（5）由第三透镜（501）、第四透镜（502）、X-Y扫描振镜（504）和样品（503）组成；由光源（1）、光谱仪（8）、样品臂（5）和短参考臂（4）构成第一通道，由光源（1）、光谱仪（8）、样品臂（5）和长参考臂（6）构成第二通道；在所述的样品臂（5）中，从光纤输出的光投射到X-Y扫描振镜（504）的位置偏离振镜的轴心，通过安装振镜的精密平移台的移动获得每两个相邻纵向扫描间存在将近
Figure 2012101332838100001DEST_PATH_IMAGE003
的相移，样品光通过样品臂（5）的光学元件第三透镜（501）、第四透镜（502）聚焦在样品之中，两个参考臂的长度与各自样品成像位置匹配，系统成像根据两通道的样品臂（5）位置得到样品前后节部分的像及其共轭像：第一通道通过第一快门装置（402）关闭长参考臂（6）获得干涉频谱1，第二通道通过第二快门装置（602）关闭短参考臂（4）获得干涉频谱2，通道1用于对样品较浅深度处成像，通道2用于对样品较深深度处成像，利用全范围复频域技术采用希尔伯特图像处理算法计算得到样品前后节消除了共轭部分的像，在第一通道和第二通道之间的距离可通过安装到移动平移台上的平面镜成像测量得到，两通道中计算得到的样品前后节部分的像加以探测得到的样品前后节部分之间的距离，从而可以得到整个样品的合成像。
2.根据权利要求1所述的双通道全范围复频域光学相干层析成像系统，其特征在于：所述的光谱仪（8）包括用于分开各个波长光的光栅、用于接收干涉光谱信号的成像探测器CCD和使光聚集到CCD上的透镜；由CCD接收到的深浅两部分干涉光谱的信号输送到电脑（9）中图像处理单元，所述图像处理单元与光谱仪（8）相连接。
3.根据权利要求1所述的双通道全范围复频域光学相干层析成像系统，其特征在于：所述图像处理单元是希尔伯特图像处理单元。
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