CN103792192A - 基于单探测器的偏振频域光学相干层析成像系统 - Google Patents

Abstract

一种基于单探测器的偏振频域光学相干层析成像系统，包括低相干光源、第一准直器、起偏器、迈克尔逊干涉仪、偏振分束器、第二准直器、第一光纤、第三准直器、第四准直器、第二光纤、第五准直器、光栅、柱面透镜和探测器。本发明采用单一探测器，简化了系统结构，避免了两个探测器采集信号时存在的时间不同步问题，同时本发明中两路光都以最高衍射效率的入射角度照射到光栅上，衍射效率的提高增大了系统的信噪比，提高了图像质量。

Description

基于单探测器的偏振频域光学相干层析成像系统

技术领域

本发明涉及偏振频域光学相干层析成像（Polarization-sensitive Fourier DomainOptical Coherence Tomography，PS-FD-OCT）系统，尤其是一种基于单探测器的偏振频域光学相干层析成像系统。

背景技术

光学相干层析成像（Optical Coherence Tomography，OCT）是近二十几年来发展起来的可以对生物组织进行层析成像的技术，具有分辨率高、非侵入等特点。传统OCT中认为样品不同的深度反射回探测器的光的特性是不同的，利用这个原理获得样品内部的结构信息。但很多生物组织中都存在光的偏振现象。当组织中某处发生病变时，该处组织的反射率、双折射率等都会发生变化，从而改变组织内反射光的强度和偏振态。传统OCT对具有双折射性质的生物组织（例如肌肉、牙齿等）所成层析图像的对比度并不理想，无法显示出具有双折射特性的生物组织分层的组织性质。为此，Hee等人发展出偏振OCT（Polarization-Sensitive optical coherencetomography，PS-OCT）技术，特别是近几年发展起来的偏振频域OCT（PS-FD-OCT），具有成像速度快、信噪比高等优点。PS-FD-OCT对生物组织的偏振特性非常敏感，利用偏振光对样品成像，提高系统的实际分辨率和成像对比度，不仅可得到组织的强度图像，也可同时得到组织的延迟图像和快轴图像，为更好的了解样品内部信息提供了更多依据，能够更全面的观测样品的内部结构。

在PS-FD-OCT系统中，宽带光经起偏器变为线偏振光，然后经分束器分为两束，其中一束经过波片、成像物镜等后照射到样品上，另一束经波片、可调衰减片后照射到参考镜上，从样品不同深度处反射回的光和从参考镜反射回的光在分束器处相干叠加，然后该相干光分经偏振分束器后分成水平偏振和垂直偏振两束，分别被两个光谱仪中的光栅分光后经透镜聚焦由探测器记录（参见在先技术[1],

E,Baumann B,Pircher M,and Christoph K.Hitzenberger,“Polarizationmaintaining fiber based ultra-high resolution spectral domain polarization sensitiveoptical coherence tomography”.Optics Express,2009,17(25):22704.）。使用双探测器的系统复杂，两个光谱仪的探测器硬件和软件触发需要较高要求的同步，否则两探测器间的信号采集会产生时间延迟。Bernhard等人采用把水平偏振和垂直偏振两束光同时入射到光栅上，光线以不同衍射角从光栅出射，用一个线阵CCD的毗邻区域探测这两路信号的方法实现样品的偏振探测（参见在先技术[2]，BernhardBaumann,Erich

Michael Pircher,and Christoph K.Hitzenberger，“Singlecamera based spectral domain polarization sensitive optical coherence tomography”.Optics Express,2007,15(3):1054.）。光线以Littrow角入射时，衍射效率最高，但为保证两束光以合适的不同的衍射角从光栅出射，这两束光的入射角度都偏离Littrow角一定的角度。OCT信号相对较弱，衍射效率越高系统信噪比越好，光线以偏离Littrow角的角度入射降低了衍射效率，降低了系统信噪比，图像质量下降，为保证水平偏振光和垂直偏振光都有相对较高的衍射效率，偏离角度需要精确计算且不能偏离太大，增加了系统调节的难度。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种基于单探测器的偏振频域光学相干层析成像系统，该系统只采用单一探测器，简化了系统结构，避免了两个探测器采集信号时时间不同步的问题，同时提高了系统的信噪比，提高了图像质量。

本发明的技术解决方案如下：

一种基于单探测器的偏振频域光学相干层析成像系统，其特点在于：包括低相干光源、第一准直器、起偏器、迈克尔逊干涉仪、偏振分束器、第二准直器、第一光纤、第三准直器、第四准直器、第二光纤、第五准直器、光栅、柱面透镜和探测器；低相干光源发出的光顺序经过第一准直器、起偏器后变为偏振光耦合进迈克尔逊干涉仪的分束器，该分束器将光束分为参考臂光路和样品臂光路，参考臂的光经过四分之一波片后照射在参考镜上，样品臂的光经过四分之一波片后经过二维振镜被成像物镜聚焦在待测样品内，从待测样品反射回的带有待测样品信息的光和从参考镜反射回的参考光在所述的分束器处发生干涉；迈克尔逊干涉仪的输出端连接偏振分束器，该偏振分束器将干涉光束分为水平偏振光和垂直偏振光两路光，水平偏振光通过第二准直器耦合进第一光纤中，在第一光纤的另一端经第三准直器后平行入射到所述的光栅上，所述的垂直偏振光通过第四准直器耦合进第二光纤中，在第二光纤的另一端经第五准直器后平行入射到所述的光栅上，所述的水平偏振光和垂直偏振光入射到光栅的位置不同，经光栅分光后同时被所述的柱面透镜成像在同一探测器的不同区域上，探测器不同位置同时探测到水平偏振信号和垂直偏振信号，这两路信号经图像采集卡采集后被送入计算机进行数据处理，得到样品的强度图像、延迟图像和快轴方向图像。

所述的探测器是面阵CCD或其他的具有光电信号转换功能且能同时探测至少两路信号的面阵探测器阵列。

所述的光栅是透射光栅或反射光栅。

所述的低相干光源为宽带光源，其光谱带宽为几十纳米到几百纳米，包括发光二极管（LED）或超辐射发光二极管（SLD）或飞秒激光器或超连续谱光源。

所述的迈克尔逊干涉仪具有两个接近等光程的干涉光路，分别为参考臂和样品臂，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；参考臂光路中包括四分之一波片和参考镜，样品臂光路中包括四分之一波片、二维振镜、成像物镜、样品；所述的迈克尔逊干涉仪中的分束器是非偏振敏感分束器。

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。

所述的迈克尔逊干涉仪输出端连接的分束器是偏振敏感分束器，是分束棱块或光纤化的偏振分束器。

该系统的工作情况如下：

低相干光源发出的光准直后，经过主轴方向为水平或垂直方向的起偏器后成为线偏振光，耦合进迈克尔逊干涉仪，迈克尔逊干涉仪的非偏振分束器将光分为参考光路和样品光路。参考光路中的光经过一个四分之一波片后照射在参考镜上，经参考镜反射后再次经过这个四分之一波片；样品光路中的光经过一个四分之一波片后经振镜、聚焦透镜后照射到样品上，由于受到样品内部随机偏振态的影响，由样品反射回来的光其偏振态为一随机偏振态，样品反射光再次经过样品臂四分之一波片回到分束器。参考光与样品光在迈克尔逊干涉仪分束器处汇合产生干涉，经由一个偏振敏感分束器分成水平H和垂直V两路偏振光，这两路偏振光分别耦合进两根光纤中，在两根光纤另一端经透镜准直后都可以以较高衍射效率的入射角度入射到同一光栅的上下两个区域，分别记为A和B区域，光栅A和B区域分光后的光再经过同一柱面透镜，由于柱面透镜只在一个方向上聚焦，因此H和V偏振光经柱面透镜后各自形成一矩形的光斑块，分别被探测器的两个区域探测，分别对应记为H和V区域，探测到的信号经图像采集卡采集后被送入计算机进行数据处理，两路信号分别记为I_H和I_V，对两路信号进行逆傅里叶变换后得到每一路信号的A-scan信号，记为A_H(z)exp[iΦ_H(z)]和A_V(z)exp[iΦ_V(z)]，z是样品深度坐标，A_H和A_V分别是水平和垂直干涉信号的幅度，Φ_H和Φ_V分别是水平和垂直干涉信号的相位。由此可得到双折射样品的强度图像R(z)、延迟图像δ(z)和快轴图像θ(z)：

$R\left(z\right)=A_H^2\left(z\right)+A_V^2\left(z\right)$

$\mathrm{\δ}\left(z\right)=\arctan \left[\frac{A_V\left(z\right)}{A_H\left(z\right)}\right]$

$\mathrm{\θ}\left(z\right)=\frac{\mathrm{\π}-[{\mathrm{\Φ}}_V\left(z\right)-{\mathrm{\Φ}}_H\left(z\right)]}{2}.$

本发明由于采用上述技术方案，其具有以下优点：

1、采用单一探测器，相比双探测器系统，系统结构得到简化。

2、本发明不需要对探测器进行同步控制，可避免两个探测器采集信号时存在的时间不同步问题。

3、本发明中水平偏振光和垂直偏振光都可以最高衍射效率的角度入射到光栅上，衍射效率的提高增大了系统的信噪比，提高了图像质量。

附图说明

图1为本发明基于单探测器的偏振频域光学相干层析成像系统的结构示意图。

图2为本发明中柱面透镜形成线光示意图。

图3为本发明中探测器探测信号示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此实施例限制本发明的保护范围。

图1为本发明基于单探测器的偏振频域光学相干层析成像系统的结构示意图。由图可见，本发明基于单探测器的偏振频域光学相干层析成像系统，包括低相干光源1、第一准直器2、起偏器3、迈克尔逊干涉仪4、偏振分束器5、第二准直器6、第一光纤7、第三准直器8、第四准直器9、第二光纤10、第五准直器11、光栅12，柱面透镜13和探测器14。低相干光源1发出的光经第一准直器2和起偏器3后变为线偏振光耦合进迈克尔逊干涉仪4，被干涉仪中的非偏振分束器41分为参考臂光路和样品臂光路；参考臂光路的光经四分之一波片42后照射在参考镜43上，被参考镜43反射后再次经过四分之一波片42到达非偏振分束器41，样品臂光路的光经四分之一波片44后经过二维振镜45、成像物镜46后聚焦在双折射样品47内，从样品臂反射回的带有样品信息的光沿原路返回到达非偏振分束器41；从参考镜43和从样品47反射回的光在非偏振分束器41处汇合发生干涉，然后被偏振分束器5分为水平偏振H和垂直偏振V两路，分别记为H通道和V通道；H通道的光经准直器6耦合进第一光纤7，在第一光纤7另一端经第三准直器8准直后可以以最高衍射效率的角度照射在光栅12的A区域，V通道的光经第四准直器9耦合进第二光纤10，在第二光纤10另一端经第五准直器11准直后同样可以以最高衍射效率的角度照射在光栅12的B区域，A区域和B区域不重叠，在本实施例中上下分布在光栅12上；H光路的光和V光路的光被光栅12分光后同时再经过同一柱面透镜13，由于柱面透镜只在一个方向上聚焦，因此H和V偏振光经柱面透镜13后各自形成一矩形的光斑块，分别被同一个探测器14的两个区域探测，分别对应记为H和V区域。H和V两路信号经图像采集卡采集后被送入计算机进行数据处理，两路信号分别记为I_H和I_V，对两路信号进行逆傅里叶变换后得到每一路信号的A-scan信号，记为A_H(z)exp[iΦ_H(z)]和A_V(z)exp[iΦ_V(z)]，z是样品深度坐标，A_H和A_V分别是水平和垂直干涉信号的幅度，Φ_H和Φ_V分别是水平和垂直干涉信号的相位。由此可得到双折射样品的强度图像R(z)、延迟图像δ(z)和快轴图像θ(z)：

$R\left(z\right)=A_H^2\left(z\right)+A_V^2\left(z\right)$

$\mathrm{\δ}\left(z\right)=\arctan \left[\frac{A_V\left(z\right)}{A_H\left(z\right)}\right]$

$\mathrm{\θ}\left(z\right)=\frac{\mathrm{\π}-[{\mathrm{\Φ}}_V\left(z\right)-{\mathrm{\Φ}}_H\left(z\right)]}{2}$

双探测器系统对水平和偏振两路信号进行探测时需进行同步控制，否则两个探测器采集的信号会存在时间延迟的问题。本实施例中，该偏振频域光学相干层析成像系统通过利用柱面透镜对水平和偏振两路光同时进行聚焦，只需采用一个探测器即可同时探测到水平和垂直两路信号，相比双探测器系统，结构得到简化，信号也不会存在时间延迟问题；同时，水平和偏振两路光可以以相同的角度入射到光栅上，都可以选择以最高衍射效率的角度入射，相比在先技术2，从光栅出来的两路光都有最大的衍射效率，提高了系统信噪比和图像质量。

图2是柱面透镜形成线光的示意图。

图3是探测器探测信号的示意图。图中所示的y方向是不同波长λ的光经光栅12衍射后分开，再被柱面透镜13聚焦的方向，由于柱面透镜只在一个方向上聚焦，在x方向不对光产生作用，因此探测器探测信号所用的像素是如图3所示的矩形区域。探测水平通道和垂直通道的像素区域分别记为H区域和V区域。假设H区域像素的行和列分别记为i和j（i，j=1，2，3…），每个像素探测到的光强为I_ij，对于每一列j，把所有的行像素探测到的光强叠加起来记为I_j，则

N为H区域探测信号所用的行数，这样矩形区域的探测信号相当于一维线阵CCD探测到的信号，记为I_H。V区域按照同样的方法得到垂直通道的信号I_V。这样，实施例中的探测器即可实现I_H和I_V两路信号的同时探测，不需要对探测器进行同步控制即可避免两路信号探测时存在的时间不同步问题。

Claims (7)

1.一种基于单探测器的偏振频域光学相干层析成像系统，其特征在于：包括低相干光源（1）、第一准直器（2）、起偏器（3）、迈克尔逊干涉仪（4）、偏振分束器（5）、第二准直器（6）、光纤（7）、第三准直器（8）、第四准直器（9）、光纤（10）、第五准直器（11）、光栅（12）、柱面透镜（13）、探测器（14）；低相干光源（1）发出的光顺序经过第一准直器（2）、起偏器（3）后变为偏振光耦合进迈克尔逊干涉仪（4）的分束器（41），该分束器（41）将光束分为参考臂光路和样品臂光路，参考臂的光经过四分之一波片（42）后照射在参考镜（43）上，样品臂的光经过四分之一波片（44）后经过二维振镜（45）被成像物镜（46）聚焦在待测样品（47）内，从待测样品（47）反射回的带有待测样品信息的光和从参考镜（43）反射回的参考光在所述的分束器（41）处发生干涉；迈克尔逊干涉仪（4）的输出端连接偏振分束器（5），该偏振分束器（5）将干涉光束分为水平偏振光（H）和垂直偏振光（V）两路光，水平偏振光（H）通过第二准直器（6）耦合进第一光纤（7）中，在第一光纤（7）的另一端经第三准直器（8）后平行入射到所述的光栅（12）上，所述的垂直偏振光（V）通过第四准直器（9）耦合进第二光纤（10）中，在第二光纤（10）的另一端经第五准直器（11）后平行入射到所述的光栅（12）上，所述的水平偏振光（H）和垂直偏振光（V）入射到光栅（12）的位置不同，经光栅（12）分光后同时被所述的柱面透镜（13）成像在同一探测器（14）的不同区域上，探测器不同位置同时探测到水平偏振信号和垂直偏振信号，这两路信号经图像采集卡采集后被送入计算机进行数据处理，得到样品的强度图像、延迟图像和快轴方向图像。

2.根据权利要求1所述的基于单探测器的偏振频域光学相干层析成像系统，其特征在于：所述的探测器（14）是面阵CCD或其他的具有光电信号转换功能且能同时探测至少两路信号的面阵探测器阵列。

3.根据权利要求1所述的基于单探测器的偏振频域光学相干层析成像系统，其特征在于：所述的光栅（12）是透射光栅或反射光栅。

4.根据权利要求1所述的基于单探测器的偏振频域光学相干层析成像系统，其特征在于：所述的低相干光源（1）为宽带光源，其光谱带宽为几十纳米到几百纳米，包括发光二极管（LED）或超辐射发光二极管（SLD）或飞秒激光器或超连续谱光源。

5.根据权利要求1所述的基于单探测器的偏振频域光学相干层析成像系统，其特征在于：所述的迈克尔逊干涉仪（4）具有两个接近等光程的干涉光路，分别为参考臂和样品臂，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；参考臂光路中包括四分之一波片（42）和参考镜（43），样品臂光路中包括四分之一波片（44）、二维振镜（45）、成像物镜（46）、样品（47）；所述的迈克尔逊干涉仪（4）中的分束器（41）是非偏振敏感分束器。

6.根据权利要求5所述的基于单探测器的偏振频域光学相干层析成像系统，其特征在于：所述参考镜（43）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（46）采用能够使入射到样品上的所述宽带光聚焦的光学器件。

7.根据权利要求1所述的基于单探测器的偏振频域光学相干层析成像系统，其特征在于：所述的迈克尔逊干涉仪（4）输出端连接的分束器是偏振敏感分束器（5），是分束棱块或光纤化的偏振分束器。

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