CN103431845B - 基于径向偏振光束的光学相干层析成像方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于径向偏振光束的光学相干层析成像方法及装置，所述方法包括如下步骤：低相干光源发出的光束经过科勒照明系统处理后，再经过偏振转换系统调控光束的偏振态，并经过光瞳滤波器调控光束的振幅及相位分布，从而形成径向偏振光束；径向偏振光束入射到分光棱镜上，光束被分为两路，分别进入样品臂和参考臂；两路光束分别被各自的显微物镜聚焦到待测样品上和参考平面镜上，被待测样品和参考平面镜反射后的返回的光在分光棱镜处汇合，经过聚焦透镜聚焦，成像到探测器上，并随后传输到计算机上进行后续处理，其中参考平面镜横向移动以实现横向扫描，而待测样品放置在能够空间移动的三维平移台以实现样品的三维成像。

Description

基于径向偏振光束的光学相干层析成像方法及装置

技术领域

本发明涉及光学相干层析成像技术，具体涉及一种利用径向偏振光束的超分辨光学相干层析成像方法及装置。

背景技术

光学相干层析成像技术(Optical Coherence Tomography，OCT)是继X射线、CT、磁共振成像(MRI)、超声诊断技术之后的又一种新的断层成像技术。与常规医学影像学方法相比，具有更高的灵敏度与分辨率。可以实现对生物组织的无损伤、非侵入、非电离辐射、微米量级的结构成像以及偏振OCT、多普勒OCT、光谱OCT、弹性OCT等功能成像，用于活体生物组织的显微结构分析和特性参数测量,在生物医学(眼科、皮肤科、心血管系统、消化系统及中医学等)和许多领域开始被广泛地应用。其中最成熟的是眼科OCT的应用，其在视网膜疾病、黄斑疾病、视神经疾病、青光眼和糖尿病等临床研究方面有重要价值。

作为一种全新的成像模式，主要是基于低相干干涉以及外差探测技术而工作。通过测量背向散射或者背向反射光，OCT可以生物组织内部微观结构进行高分辨率、截面层析成像。成像分辨率高达1～15μm，比传统超声成像要高1～2个数量级，且具有在体非破坏性的优点。对于人眼等透明组织，其探测深度可以达至～2cm，而对于皮肤等高散射性组织，其探测深度可以达到2～3mm。在每秒数帧图像的采样速率下，可以进行高速实时成像。因此，OCT可以实现“光学活检”的功能，即在组织病理学检测所能达到的分辨率层次上对生物组织结构以及病理现象进行在体实时成像，而无需标准切除活检和组织病理学检测所必须进行的样本的切除以及处理过程。

全场光学相干层析术(Full—Field Optical Coherence Tomography,FFOCT)是在传统OCT技术的基础上改进而来，克服了传统OCT需要横向扫描的弱点，并且在视场内的样品的所有点能被同时采集而保持一致性、易于实现高分辨、系统控制比较简单和机械稳定性高等特性。

如图1所示，FF-OCT系统主要由三部分组成：照明系统、干涉系统、图像采集系统。低相干光源(如钨卤灯)101和科勒照明系统102组成照明系统；分光棱镜103和聚焦透镜104组成干涉系统；CCD 105、压电陶瓷(PZT)106、三维平移台107及计算机108等组成控制及数据处理系统。

系统分辨率主要包括纵向分辨率和横向分辨率，它们是评价OCT系统性能的重要指标。在很多医学成像应用中，都要求系统具有高的分辨率。与传统的光学显微镜类似，OCT系统的横向分辨率取决于探测光束的聚焦状态，根据阿贝判据有，

$\mathrm{\Δx}=0.61\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{NA}}---\left(1\right)$

其中，NA为显微物镜的数值孔径，λ为光束的波长。由此式可知，要获得高横向分辨率，必须使用高数值孔径显微物镜，但其最高分辨率受限于衍射极限。

在较低数值孔径情况下，OCT的纵向分辨率为，

$\mathrm{\Δz}=\frac{2\ln 2}{\mathrm{\π}}\frac{{\mathrm{\λ}}^2}{\mathrm{\Δ\λ}}---\left(2\right)$

其中，Δλ为光源的带宽。因此，其纵向分辨率直接取决于光源的相干长度。实际上，在较高数值孔径情况下，纵向分辨率不仅与光源相干长度有关，与显微物镜数值孔径也有关系，随着数值孔径增加，其纵向分辨率下降。

另外，横向分辨率同时还与显微物镜的焦深有关，

$z_R=2\frac{\mathrm{\λn}}{{\mathrm{NA}}^2}---\left(3\right)$

其中，n为样品的折射率。可以看出，增大显微物镜的数值孔径，可以降低探测光束在焦点处光斑的尺寸，但是，同时也降低了焦深的大小。与传统的显微镜和共焦显微技术类似，通过增大数值孔径提高OCT横向分辨率的办法是以牺牲焦深为代价的，因此通常需要在横向分辨率和焦深之间折中地选择显微物镜的数值孔径。

发明内容

本发明将一种独特的偏振光束——径向偏振光束引入到传统的OCT系统中，以进一步提高传统OCT的成像分辨率，并解决高数值孔径成像时横向分辨率和焦深之间的矛盾。

本发明提供一种基于径向偏振光束的光学相干层析成像方法，包括如下步骤：低相干光源发出的光束经过科勒照明系统处理后，再经过偏振转换系统调控光束的偏振态，并经过光瞳滤波器调控光束的振幅及相位分布，从而形成径向偏振光束；径向偏振光束入射到分光棱镜上，光束被分为两路，分别进入样品臂和参考臂；两路光束分别被各自的显微物镜聚焦到待测样品上和参考平面镜上，被待测样品和参考平面镜反射后的返回的光在分光棱镜处汇合，经过聚焦透镜聚焦，成像到探测器上，并随后传输到计算机上进行后续处理，其中参考平面镜横向移动以实现横向扫描，而待测样品放置在能够空间移动的三维平移台以实现样品的三维成像。

可选的，显微物镜满足正弦条件，为高数值孔径显微物镜，显微物镜的数值孔径为0.95，并且光瞳滤波器为七环带光瞳滤波器，其器件滤波函数为，

$T\left(\mathrm{\θ}\right)=\left\{\begin{array}{cc}1& \mathrm{\θ}\∈\left[\mathrm{0,0.08}\mathrm{\α}\right]\∪[0.63\mathrm{\α},0.64\mathrm{\α}]\∪[0.83\mathrm{\α},\mathrm{\α}]\\ 0& \mathrm{\θ}\∈[0.08\mathrm{\α},0.63\mathrm{\α}]\∪[0.65\mathrm{\α},0.80\mathrm{\α}]\\ -1& \mathrm{\θ}\∈[0.64\mathrm{\α},0.65\mathrm{\α}]\∪[0.80\mathrm{\α},0.83\mathrm{\α}]\end{array}\right.,$

其中，α为聚焦光束的最大会聚角。

本发明提供一种基于径向偏振光束的光学相干层析成像装置，包括：照明系统，由低相干光源、柯勒照明系统、偏振转换系统及光瞳滤波器组成，其中低相干光源发出的光束经过科勒照明系统处理后，再经过偏振转换系统调控光束的偏振态，并经过光瞳滤波器调控光束的振幅及相位分布，从而形成径向偏振光束；干涉系统，由分光棱镜和聚焦透镜组成；控制和数据处理系统，由探测器、压电陶瓷、三维平移台及计算机组成，其中径向偏振光束入射到分光棱镜上，光束被分为两路，分别进入样品臂和参考臂，两路光束分别被各自的显微物镜聚焦到待测样品上和参考平面镜上，被待测样品和参考平面镜反射后的返回的光在分光棱镜处汇合，经过聚焦透镜聚焦，成像到探测器上，并随后传输到计算机上进行后续处理，以及其中参考平面镜横向移动以实现横向扫描，而待测样品放置在能够空间移动的三维平移台以实现样品的三维成像。

附图说明

图1是FF-OCT(全场光学相干层析术)的系统结构示意图。

图2是引入径向偏振光束的FF-OCT系统结构示意图。

图3是径向偏振光束生成系统，左上角的图对应径向偏振光束横截面上的偏振分布，右上角的图则是双波片偏振旋转结构。

图4是光瞳滤波器的结构示意图。

图5(a)－图5(c)是径向偏振光聚焦整形获得的超小光斑及长焦深结构，其中图5(a)为聚焦光场的二维强度分布，图5(b)和图5(c)分别是沿z轴和x轴的强度分布(实线对应未经光瞳滤波的情况，点划线对应光瞳滤波后的结果)。

具体实施方式

为了进一步提高OCT的成像分辨率，同时解决高横向分辨率和大焦深之间的矛盾，本发明将一种独特的偏振光束——径向偏振光束引入到OCT成像系统中，建立如图2所示的OCT系统。

如图2所示，本发明的OCT系统主要包括：低相干光源(如钨卤灯)201、柯勒照明系统202、偏振转换系统203及光瞳滤波器204组成的照明系统；分光棱镜205和聚焦透镜212组成的干涉系统；由CCD 207、压电陶瓷(PZT)208、三维平移台209及计算机210组成的控制和数据处理系统。

具体的工作过程是：低相干光源201发出的光束首先经过科勒照明系统202处理而提高了照明亮度的均匀性，然后再经过偏振转换系统203调控光束的偏振态，并经过光瞳滤波器204调控光束的振幅及相位分布，从而形成径向偏振光束；径向偏振光束入射到分光棱镜205上，光束被分为两路，分别进入样品臂和参考臂；然后两束光束分别被各自的显微物镜206聚焦到待测样品S上和参考平面镜211上。经过参考平面镜211与样品S反射后的返回的光在分光棱镜205处汇合，经过聚焦透镜212聚焦，成像到探测器上(如CCD 207)，并随后传输到计算机210上进行后续处理。通过由计算机控制的压电陶瓷208，参考镜211横向移动以实现横向扫描，而待测样品S放置在三维平移台209上，通过计算机控制三维平移台209的空间运动实现样品的三维成像。

由于OCT系统采用的干涉方式以及使用的低相干光源，使其具有很强的层析能力。只有从样品的参考平面镜共轭面返回的反射光才能够与参考光形成有效的干涉信号，而共轭面之外的样品反射光会形成模糊的分布。这里采用的共焦结构也起到空间选通门的作用，使其能对共轭面之外的背景起到一定的滤除作用，排除离焦散射光的影响以保证OCT的光学层析能力。

与图1所示的传统FF-OCT系统相比，如图2所示的OCT系统的主要区别在于照明光束在进行分束之前，经过偏振转换系统和光瞳滤波器进行了偏振、振幅及相位调制，形成径向偏振光束，以便于调整光束经过显微物镜的聚焦光斑形态。

径向偏振光在高数值孔径聚焦的情况下可以获得超小聚焦光斑，如果对其进行相位及振幅调制，还可以获得一些独特的聚焦场分布，进一步提高系统的成像性能，获得更高的横向分辨率和大的焦深。

这里所述的偏振转换系统可在较宽波段内将入射的光束转换为径向偏振光束，可使用的方法较多，其中较为典型的是利用瑞士Arcoptix公司生产的径向偏振转换器，操作波长范围为400-1700nm，转换效率接近90％，转换光束的偏振纯度超过95％。系统结构如图3所示，利用双波片304组成的偏振旋转器303还可以进一步将液晶偏振转换器302生成的径向偏振光束转换为任意其它形式的柱矢量光束。

如图3所示，径向偏振光束是一类在光束横截面上偏振态关于光束传播轴具有轴对称特性的偏振光束，在光束横截面上的局部，光束的偏振态都为线偏振，而且其偏振方向都沿着半径的方向。径向偏振光束的电场复振幅在柱坐标系下由如下公式描述，

其中，A是一常数，代表光场的平均振幅大小；P(r)为光束的光瞳函数，表征了光束的相对振幅及相位分布；为沿着径向的单位矢量。

根据矢量衍射理论，径向偏振光束经过高数值孔径显微物镜聚焦后在焦平面附近某一点S(rS,φS,zS)的聚焦场满足如下关系，

其中，分别是在柱坐标系中沿径向和轴向的正交聚焦场分量；A是一常数分量，表征入射光束的平均振幅；θ是某一聚焦光束的会聚角，即会聚光束波矢与光轴的夹角，其中最大的会聚角α与透镜数值孔径的关系为α＝sin^-1(NA/n)，其中n为聚焦光束所在空间的媒质折射率；P(θ)为入射光束的光瞳函数，表征入射光束的相对振幅及相位分布；A(θ)透镜切趾函数，与透镜类型有关，例如当透镜满足正弦条件时，A(θ)＝cos^1/2θ，当透镜满足赫姆霍斯条件时，A(θ)＝cos^-3/2θ；T(θ)为光瞳滤波函数，表征了光瞳滤波器对光束的振幅及相位调制；J₀()和J₁()分别是级数为0和1的第一类贝塞尔函数。特别说明的是，径向偏振光束聚焦场的强度分布与入射光束的光瞳函数、聚焦透镜的切趾函数以及滤波器的滤波函数都有密切关系，不同的聚焦条件对应不同的聚焦场分布。通过有目的地调控这些聚焦条件，可以得到一些独特的聚焦场分布，包括二维及三维超分辨聚焦光斑。

首先假定光束的波长为λ，径向偏振光束的光瞳函数为贝塞尔-高斯函数，

$P\left(\mathrm{\θ}\right)=\exp [-{\mathrm{\β}}^2{\left(\frac{\sin \mathrm{\θ}}{\sin \mathrm{\α}}\right)}^2]J_1\left(2\mathrm{\β}\frac{\sin \mathrm{\θ}}{\sin \mathrm{\α}}\right)---\left(3\right)$

这里选定β＝1.0。同时假定光瞳滤波器是一种如图4所示的圆环形结构，其滤波函数为，

其中，a_j和分别对应第j个环带振幅透过率的振幅及相位值。

下面提供一种能够针对OCT的应用需求来提高OCT横向分辨率的实例。

实例1：超小光斑及长焦深结构的聚焦光斑

这里假设选用的显微物镜满足正弦条件，为一种高数值孔径显微物镜，显微物镜的数值孔径为0.95，并假定α₀＝0.95α。

设计一种七环带光瞳滤波器进行径向偏振光束的聚焦整形，其中器件滤波函数为，

$T\left(\mathrm{\θ}\right)=\left\{\begin{array}{cc}1& \mathrm{\θ}\∈\left[\mathrm{0,0.08}\mathrm{\α}\right]\∪[0.63\mathrm{\α},0.64\mathrm{\α}]\∪[0.83\mathrm{\α},\mathrm{\α}]\\ 0& \mathrm{\θ}\∈[0.08\mathrm{\α},0.63\mathrm{\α}]\∪[0.65\mathrm{\α},0.80\mathrm{\α}]\\ -1& \mathrm{\θ}\∈[0.64\mathrm{\α},0.65\mathrm{\α}]\∪[0.80\mathrm{\α},0.83\mathrm{\α}]\end{array}\right.---\left(6\right)$

其中，α为聚焦光束的最大会聚角。

图5(a)－图5(c)为得到的聚焦场强度分布。其中图5(a)为聚焦光场的二维强度分布，图5(b)和图5(c)分别是沿z轴和x轴的强度分布(实线对应未经光瞳滤波的情况，点划线对应光瞳滤波后的结果)。

由模拟结果可知，未进行整形前，光斑横向半高全宽度为0.68λ，轴向半高全宽度——即焦深为1.40λ；通过光瞳滤波器的聚焦整形后，焦深扩展为未进行整形前的5倍，为6.98λ，光斑横向尺寸的半高全宽度仅为0.42λ，具有横向超分辨聚焦特性。即经过光瞳滤波处理后，获得的聚焦光斑具有长焦深、横向超分辨特性。

该设计在提高聚焦光斑横向分辨率的同时，增加了成像焦深长度，解决了高横向分辨率和大焦深之间的矛盾。因此，在传统OCT中引入径向偏振光束，并通过光瞳滤波整形，可以获得超小光斑及长焦深结构聚焦光场，从根本上解决了传统OCT在增加显微物镜数值孔径时导致的高横向分辨率和大焦深之间的矛盾，具有很重要的应用价值。

以上已对本发明实施例进行描述。然而，本领域技术人员将理解，在不背离由权利要求所确定的本发明的真实范围和精神的情况下，可对这些实施例进行更改和变型。

Claims (2)

1.一种基于径向偏振光束的光学相干层析成像方法，包括如下步骤：

低相干光源发出的光束经过科勒照明系统处理后，再经过偏振转换系统调控光束的偏振态，并经过光瞳滤波器调控光束的振幅及相位分布，从而形成径向偏振光束；

所述偏振转换系统包括利用双波片组成的偏振旋转器，用于将液晶偏振转换器生成的径向偏振光束转换为任意其它形式的柱矢量光束；

径向偏振光束入射到分光棱镜上，光束被分为两路，分别进入样品臂和参考臂；

两路光束分别被各自的显微物镜聚焦到待测样品上和参考平面镜上，被待测样品和参考平面镜反射后的返回的光在分光棱镜处汇合，经过聚焦透镜聚焦，成像到探测器上，并随后传输到计算机上进行后续处理，

其中参考平面镜横向移动以实现横向扫描，而待测样品放置在能够空间移动的三维平移台以实现样品的三维成像，

其中显微物镜满足正弦条件，为高数值孔径显微物镜，显微物镜的数值孔径为0.95，

并且光瞳滤波器为七环带光瞳滤波器，其器件滤波函数为，

$T\left(\mathrm{\θ}\right)=\left\{\begin{array}{cc}1& \mathrm{\θ}\∈\left[\mathrm{0,0.08}\mathrm{\α}\right]\∪[0.63\mathrm{\α},0.64\mathrm{\α}]\∪[0.83\mathrm{\α},\mathrm{\α}]\\ 0& \mathrm{\θ}\∈[0.08\mathrm{\α},0.63\mathrm{\α}]\∪[0.65\mathrm{\α},0.80\mathrm{\α}]\\ -1& \mathrm{\θ}\∈[0.64\mathrm{\α},0.65\mathrm{\α}]\∪[0.80\mathrm{\α},0.83\mathrm{\α}]\end{array},\right.$

其中，α为聚焦光束的最大会聚角。

2.一种基于径向偏振光束的光学相干层析成像装置，包括：

照明系统，由低相干光源、柯勒照明系统、偏振转换系统及光瞳滤波器组成，其中低相干光源发出的光束经过科勒照明系统处理后，再经过偏振转换系统调控光束的偏振态，并经过光瞳滤波器调控光束的振幅及相位分布，从而形成径向偏振光束；

所述偏振转换系统包括利用双波片组成的偏振旋转器，用于将液晶偏振转换器生成的径向偏振光束转换为任意其它形式的柱矢量光束；

干涉系统，由分光棱镜和聚焦透镜组成；

控制和数据处理系统，由探测器、压电陶瓷、三维平移台及计算机组成，其中径向偏振光束入射到分光棱镜上，光束被分为两路，分别进入样品臂和参考臂，两束光束分别被各自的显微物镜聚焦到待测样品上和参考平面镜上，被待测样品和参考平面镜反射后的返回的光在分光棱镜处汇合，经过聚焦透镜聚焦，成像到探测器上，并随后传输到计算机上进行后续处理，以及其中参考平面镜横向移动以实现横向扫描，而待测样品放置在能够空间移动的三维平移台以实现样品的三维成像，

其中显微物镜满足正弦条件，为高数值孔径显微物镜，显微物镜的数值孔径为0.95，

并且光瞳滤波器为七环带光瞳滤波器，其器件滤波函数为，

$T\left(\mathrm{\θ}\right)=\left\{\begin{array}{cc}1& \mathrm{\θ}\∈\left[\mathrm{0,0.08}\mathrm{\α}\right]\∪[0.63\mathrm{\α},0.64\mathrm{\α}]\∪[0.83\mathrm{\α},\mathrm{\α}]\\ 0& \mathrm{\θ}\∈[0.08\mathrm{\α},0.63\mathrm{\α}]\∪[0.65\mathrm{\α},0.80\mathrm{\α}]\\ -1& \mathrm{\θ}\∈[0.64\mathrm{\α},0.65\mathrm{\α}]\∪[0.80\mathrm{\α},0.83\mathrm{\α}]\end{array},\right.$

其中，α为聚焦光束的最大会聚角。