CN103845039B - 用于频域oct系统的光谱仪 - Google Patents

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一种用于频域OCT系统的光谱仪，其结构包括单模光纤、消色差透镜、闪耀光栅、光电探测器和光谱仪底板，单模光纤、消色差透镜、闪耀光栅和光电探测器均固定在光谱仪底板上。OCT系统的干涉光输入至单模光纤，单模光纤的输出光经消色差透镜准直后照射至闪耀光栅上，衍射光栅的一级衍射光经同一消色差透镜聚焦后由光电探测器探测。本发明系统结构简单、紧凑，利用一个消色差透镜同时实现入射光的准直与衍射光栅一级衍射光的聚焦，有利于频域OCT系统的小型化。

Description

用于频域OCT系统的光谱仪
技术领域
本发明涉及光谱仪，特别是一种用于频域OCT系统的光谱仪。
背景技术
光学相干层析成像（Optical Coherence Tomography,OCT）是一种基于低相干光干涉术的非侵入高分辨层析成像技术，在活体生物组织成像、亚表面无损检测等领域已有广泛的应用。时域OCT是最早提出来的OCT技术，而之后发展起来的频域OCT，相对于时域OCT在成像速度和灵敏度方面有较大优势，是OCT技术的发展方向。频域OCT系统与时域OCT系统都是基于低相干光干涉原理，不同之处在于干涉信号的探测方式上：时域OCT在时间域探测干涉信号，而频域OCT则利用光谱仪代替时域OCT的点光电探测器，在频域探测干涉信号的光谱。在频域OCT系统中，参考臂和探测臂的干涉光信号准直后入射到光栅上，经光栅衍射后被一物镜聚焦在线阵光电探测器，得到信号的干涉谱；通过对干涉谱做逆傅立叶变换可以得到被测样品深度分辨的反射率信息。
由于频域OCT技术利用光谱仪代替点光电探测器，相对于时域OCT技术减少了一维扫描，具有更高的成像速度。当前的超快频域OCT系统的成像速度比最快的时域OCT系统的成像速度要高出两个数量级。频域OCT技术使得实时三维组织成像真正成为了可能，这是其相对于时域OCT最重要的优势。
频域OCT技术首先在眼科疾病的诊断中得到应用，随着系统性能的不断提高和各种功能性OCT技术的发展，频域OCT技术的应用也更加广泛，目前已被广泛应用于眼科、肠胃科、心血管、牙科和皮肤科疾病的检测。而各种临床应用也对频域OCT系统提出了越来越高的要求，其中就包括系统及其仪器化后的小型化与便携式，尤其在眼科等成熟的临床应用领域，希望OCT仪器能够小型化至便携的手持式。
但在目前频域OCT系统的光谱仪中，OCT的干涉信号首先经过一个准直镜准直后入射至衍射光栅，经光栅衍射后的再由聚焦镜聚焦至CCD等线阵光电探测器上，实现干涉谱探测。在该种结构的光谱仪中，入射光束的准直与衍射光束的聚焦分别使用准直镜和聚焦镜实现，入射光束准直与衍射光束聚焦为分立的两个光路，光路较长，不利于小型化，不利于OCT仪器的紧凑与便携化。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于频域OCT系统的光谱仪，该光谱仪结构简单、紧凑，利用一个消色差透镜同时实现入射光的准直与衍射光栅衍射光的聚焦，有利于频域OCT系统的小型化与便携化。
本发明的技术解决方案如下：
一种用于频域OCT系统的光谱仪，其结构包括单模光纤、消色差透镜、闪耀光栅、光电探测器和光谱仪底板；OCT系统的干涉光输入至单模光纤，单模光纤的输出光经消色差透镜准直后的准直光束照射至闪耀光栅上，闪耀光栅的一级衍射光经消色差透镜聚焦后的聚焦光束由光电探测器探测；所述的单模光纤、消色差透镜、闪耀光栅和光电探测器均固定在光谱仪底板上。
所述的单模光纤输出端口的输出端面位于消色差透镜的前焦点，且输出端口为PC或APC接头。
所述的闪耀光栅的闪耀角度为γ度，且闪耀光栅的刻线方向平行于光谱仪底板所在平面与闪耀光栅所在平面的交线。
所述的闪耀光栅在底板上位置的确定如下：首先使光谱仪底板所在平面与闪耀光栅所在平面的夹角等于（90-γ）度，即闪耀光栅上入射光的入射角与衍射角相等；然后以在闪耀光栅的平面内经过闪耀光栅中心的与闪耀光栅的刻线方向垂直的直线为旋转轴旋转闪耀光栅θ角度，以使得一级衍射光与照射至闪耀光栅上的准直光束分开，其中θ小于5度。
所述的光电探测器的光敏面位于闪耀光栅的一级衍射光经消色差透镜聚焦后的焦平面上。
所述的光电探测器为线阵CCD、线阵CMOS线阵光电探测器件。
本发明与在先技术相比，具有以下优点和积极效果：
1、本发明利用一个消色差透镜同时实现入射光的准直与衍射光栅一级衍射光的聚焦，与OCT系统中常用的光谱仪结构相比，省去了一个用于光束聚焦的消色差透镜。
2、本发明结构简单，可实现紧凑型光谱仪，有利于频域OCT系统的小型化。
附图说明
图1是本发明用于频域OCT系统的光谱仪的结构示意图。
图2是本发明用于频域OCT系统的光谱仪所在的OCT系统示意图。
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，但不应以此限制本发明的保护范围。
本发明用于频域OCT系统的光谱仪的结构示意图如图1所示。由图可见，本发明用于频域OCT系统的光谱仪，其结构包括单模光纤1、消色差透镜2、闪耀光栅3、光电探测器4和光谱仪底板5；OCT系统的干涉光输入至单模光纤1，单模光纤1的输出光6经消色差透镜2准直后的准直光束7照射至闪耀光栅3上，闪耀光栅3的一级衍射光8经消色差透镜2聚焦后的聚焦光束9由光电探测器4探测；单模光纤1、消色差透镜2、闪耀光栅3和光电探测器4均固定在光谱仪底板5上。
所述的单模光纤1输出端口的输出端面位于消色差透镜2的前焦点，且输出端口为PC或APC接头。
所述的闪耀光栅3的闪耀角度为γ度，且闪耀光栅3的刻线方向平行于光谱仪底板5所在平面与闪耀光栅3所在平面的交线。
所述的闪耀光栅3在底板5上位置的确定如下：首先使光谱仪底板5所在平面与闪耀光栅3所在平面的夹角等于（90-γ）度，即闪耀光栅3上入射光的入射角与衍射角相等；然后以在闪耀光栅3的平面内经过闪耀光栅3中心的与闪耀光栅3的刻线方向垂直的直线为旋转轴旋转闪耀光栅3角度θ，以使得一级衍射光8与照射至闪耀光栅上的准直光束7分开，其中θ小于5度。
所述的光电探测器4的光敏面位于闪耀光栅3的一级衍射光经消色差透镜2聚焦后的焦平面上。
所述的光电探测器4为线阵CCD、线阵CMOS线阵光电探测器件。
如图2所示的频域OCT系统，宽带光源11发出的光输入至光纤耦合器12的端口12a，光纤耦合器12输出的两路光分别输入至参考臂和样品臂：端口12b输出的光输入至参考臂，经偏振控制器13后输出至准直透镜14，经准直透镜14准直后由反射镜15反射，并返回至透镜14和偏振控制器13，再次由进入光纤耦合器12的端口12b；端口12c输出的光输入至样品臂，经透镜16准直后，由扫描振镜17反射至聚焦透镜18，光束聚焦后入射至样品19，由样品19反射的光束依次经过透镜18、扫描振镜17和透镜16，再次进入至光纤耦合器12的端口12c。由光纤耦合器12的端口12d输出的干涉信号输入至本发明的用于频域OCT系统的紧凑型光谱仪的单模光纤1中，光电探测器4输出的电信号由计算机20采集，经处理后得到样品19的层析结构图像。
宽带光源11的中心波长为830nm，带宽为±10nm；宽带光源发出的光经50/50光纤耦合器分别射入参考臂与样品臂。参考臂端光纤输出的光经准直后照射在参考镜上。样品臂光纤输出的光经准直后通过振镜，被物镜聚焦在样品上。振镜的转轴轴心位于物镜的前焦面形成近似远心光路，保证在扫描样品时不引入额外的相移。参考镜与样品返回的散射光重新被耦合进光纤，并通过光纤耦合器的输出端连接至本发明的用于频域OCT系统的紧凑型光谱仪的单模光纤。单模光纤输出端口为APC接头；消色差透镜的焦距为200mm，口径约为Ф50mm，单模光纤输出端口的输出端面位于消色差透镜的前焦点，即与消色差透镜中心距离为200mm；闪耀光栅的线数为1200线/mm，边长为50mm，在830nm波长处的闪耀角度为29.87°；确定闪耀光栅在底板上的位置：首先使光谱仪底板所在平面与闪耀光栅所在平面的夹角等于（90-29.87）=60.13度，此时闪耀光栅上入射光的入射角与衍射角相等，然后以在闪耀光栅的平面内经过闪耀光栅中心的与闪耀光栅的刻线方向垂直的直线为旋转轴旋转闪耀光栅角度1度，以使得衍射光束与入射光束分开；光电探测器为线阵CCD，像素数为1024，像素尺寸为14微米。在上述条件下，本发明的用于频域OCT系统的紧凑型光谱仪的光谱分辨率为0.05nm，满足系统要求。

Claims (6)

1.用于频域OCT系统的光谱仪，其结构包括单模光纤(1)、消色差透镜(2)、闪耀光栅(3)、光电探测器(4)和光谱仪底板(5)；OCT系统的干涉光输入至单模光纤(1)，该单模光纤(1)的输出光(6)经消色差透镜(2)准直后的准直光束(7)照射在所述的闪耀光栅(3)上，该闪耀光栅(3)的一级衍射光(8)经消色差透镜(2)聚焦后的聚焦光束(9)由光电探测器(4)探测；所述的单模光纤(1)、消色差透镜(2)、闪耀光栅(3)和光电探测器(4)均固定在光谱仪底板(5)上。
2.根据权利要求1所述的光谱仪，其特征在于所述的单模光纤(1)输出端口的输出端面位于消色差透镜(2)的前焦点，且输出端口为PC或APC接头。
3.根据权利要求1所述的光谱仪，其特征在于所述的闪耀光栅(3)的闪耀角度为γ度，且闪耀光栅(3)的刻线方向平行于光谱仪底板(5)所在平面与闪耀光栅(3)所在平面的交线。
4.根据权利要求3所述的光谱仪，其特征在于所述的闪耀光栅(3)在底板(5)上位置的确定如下：首先使光谱仪底板(5)所在平面与闪耀光栅(3)所在平面的夹角等于90-γ度，即闪耀光栅(3)上入射光的入射角与衍射角相等；然后以在闪耀光栅(3)的平面内经过闪耀光栅(3)中心的与闪耀光栅(3)的刻线方向垂直的直线为旋转轴旋转闪耀光栅(3)一个θ角度，使一级衍射光(8)与照射至闪耀光栅上的准直光束(7)分开，其中θ小于5度。
5.根据权利要求1所述的光谱仪，其特征在于所述的光电探测器(4)的光敏面位于闪耀光栅(3)的一级衍射光经消色差透镜(2)聚焦后的焦平面上。
6.根据权利要求1所述的光谱仪，其特征在于所述的光电探测器(4)为线阵CCD、线阵CMOS线阵光电探测器件。
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