CN104027073A - 基于扫频光源的共路光学相干层析成像系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于扫频光源的共路光学相干层析成像(OCT)系统及方法，包括宽带扫频光源、三端环形器、探头、干涉系统及控制处理系统，探头包括格林透镜及MEMS反射镜；宽带扫频光源发出的激光经三端环形器进探头，探头中的格林透镜将一部分激光汇聚，并使其经MEMS反射镜反射出探头后照射到样品上对样品进行一维或二维扫描以得到样品信息，带有样品信息的汇聚激光回到三端环形器，形成样品光；另一部分激光经格林透镜的端面后直接反回三端环形器，形成参考光；样品光与参考光经三端环形器进入干涉系统形成干涉信号，干涉信号进入控制处理系统处理，形成样品图像。该OCT系统和方法利用格林透镜的端面直接提供参考光，代替单独的样品臂，结构简单。
Description
技术领域
本发明属于光学相干层析成像(Optical Coherence Tomography，简称OCT)技术领域，具体涉及一种基于扫频光源的共路光学相干层析成像系统及方法。
背景技术
光学相干层析技术(OCT，Optical Coherence Tomography)是近十几年来出现的一种新兴技术，它具有高分辨率，且能实时进行三维成像，已经成为医学、工业、卫生等领域一个重要的影像成像技术。目前OCT多为分光路型光纤系统，即光源通过分路器分为两路，一路进入参考臂，一路进入样品臂，这两路返回的光最终再形成干涉信息，而在实际应用时，样品臂经常需要弯曲或者一次性更换，那么这些情况下需要对参考臂的长度进行调节、或者在软件算法里进行补偿、或者是在系统里加入偏振控制器等硬件来匹配，进而补偿样品臂在使用过程中产生的光程、色散及偏振等变动，以保证图像的质量，这就制约了光纤分路型OCT的实时应用。
现有中国专利文献CN 101091647 A公开了一种硬管式共路型内窥OCT并行成像方法及系统。在该申请专利中，采用具有整数倍周期长度的格林棒透镜作为内窥探头传光器件，使用柱透镜实现对内腔壁的线聚焦照明，利用面阵CCD探测器进行谱域信号的并行探测。格林棒透镜的前端面置于柱透镜后焦面上，整数倍周期长度可保证传输至后端面的光束形状与入射前端面的相一致，因此可把后端面作为参考面，它和样品具有共轭成像关系，二者构成一个共路的传感干涉仪，它们之间的光程差由另一共路干涉仪进行补偿。线照明并行成像技术与谱域探测技术的结合，无需扫描即能快速得到内腔壁的二维图像。尽管该申请成像质量不受环境影响、且速度快，但是仍然需要额外制作一个反射面作为参考面，并需要电控平台等复杂装置，增加实现难度。
发明内容
本发明的目的在于提出一种无需额外增加反射面来提供参考光，且结构简单、易于实现的基于扫频光源的共路光学相干层析成像系统及方法。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于扫频光源的共路光学相干层析成像系统，包括宽带扫频光源、三端环形器、探头、干涉系统及控制处理系统，所述探头包括格林透镜及MEMS反射镜；所述宽带扫频光源发出的激光经所述三端环形器进入所述探头，所述探头中的所述格林透镜将一部分激光进行汇聚形成汇聚激光，所述汇聚激光经所述MEMS反射镜反射出所述探头后照射到样品上，所述控制处理系统对所述MEMS反射镜加电控制使经所述MEMS反射镜反射的汇聚激光对样品进行一维或二维扫描，以得到一维或二维的样品信息，带有样品信息的汇聚激光经过样品不同深度的后向散射后经所述探头收集并回到所述三端环形器，形成样品光；另一部分激光经所述格林透镜的端面后直接反射回所述三端环形器，形成参考光；所述样品光与所述参考光经所述三端环形器后进入所述干涉系统干涉后形成干涉信号，该干涉信号经所述控制处理系统转换为电信号并处理，形成样品的二维或三维图像。
其中，所述干涉系统包括第一耦合器、第一光纤、第二光纤、第二耦合器，所述样品光经所述三端环形器后进入所述第一耦合器分成两束样品光，其中一束样品光进入所述第一光纤，另一束样品光进入所述第二光纤，所述参考光经所述三端环形器后进入所述第一耦合器分成两束参考光，其中一束参考光进入所述第一光纤，另一束参考光进入所述第二光纤，经所述第一光纤、所述第二光纤的参考光与样品光进入所述第二耦合器后，形成具有相位差的两路干涉信号。
其中，所述第一耦合器为一分二耦合器，所述第二耦合器为二分二耦合器，所述第一光纤与第二光纤分别具有不同长度。
其中，所述控制处理系统包括平衡探测器、高速采集卡、计算机、控制卡；所述控制卡输出用于驱动所述MEMS反射镜使经所述MEMS反射镜反射的汇聚激光对样品进行一维或二维扫描的驱动信号以及样品扫描的同步信号，所述两路干涉信号经所述平衡探测器后形成一路差分后的电信号，该电信号进入所述高速采集卡的数据采集端，该高速采集卡根据所述同步信号采集样品的一维或二维扫描信息，并接收所述宽带扫频光源发出的采样信号，根据所述同步信号与所述采样信号对接收的所述电信号进行信号采集转换，使其转换成离散的包含样品信息的干涉信号，该离散的干涉信号在所述计算机中进行傅里叶变换，以得到样品的二维图像，所述二维图像进一步重构为三维图像。
其中，所述控制卡为一块板卡或者多块板卡。
其中，所述激光为宽带扫频可见光、近红外或红外光。
一种基于扫频光源的共路光学相干层析成像方法，包括以下步骤：
步骤A：宽带扫频光源发出激光和采样信号，控制卡输出样品扫描的同步信号、以及用于驱动MEMS反射镜使经所述MEMS反射镜反射的激光对样品进行一维或二维扫描的驱动信号；
步骤B：所述步骤A中的激光经过三端环形器进入探头，探头中的格林透镜将一部分激光进行汇聚形成汇聚激光，该汇聚激光经所述MEMS反射镜反射出所述探头后照射到样品上，同时，所述驱动信号驱动所述MEMS反射镜使经所述MEMS反射镜反射的汇聚激光对样品进行一维或二维扫描，以得到一维或二维的样品信息，带有样品信息的汇聚激光经样品不同深度的后向散射后经探头收集并回到三端环形器，形成样品光；另一部分激光经过格林透镜的端面后直接反射回三端环形器，形成参考光；
步骤C：所述步骤B中的参考光和样品光均进入干涉系统形成干涉信号；样品光经三端环形器后进入第一耦合器分成两束样品光，其中一束样品光进入第一光纤，另一束样品光进入第二光纤，参考光经三端环形器后进入第一耦合器分成两束参考光，其中一束参考光进入第一光纤，另一束参考光进入第二光纤，经第一光纤、第二光纤的参考光与样品光进入第二耦合器后，形成具有相位差的两路干涉信号；
步骤D：所述步骤C中的两路干涉信号进入控制处理系统；两路干涉信号进入平衡探测器，经平衡探测器后形成一路差分后的电信号；
步骤E：所述高速采集卡根据所述同步信号采集样品的扫描信息，并接收宽带扫频光源发出的采样信号，根据同步信号与采样信号对所述步骤D中形成的电信号进行信号采集转换，使其转换成离散的包含样品信息的干涉信号；
步骤F：将所述步骤E中采集到的离散的干涉信号传入计算机进行运算，以得到样品的二维图像，并实时显示，所述二维图像进一步重构为三维图像。
本发明的有益效果为：
本发明的基于扫频光源的共路光学相干层析成像系统通过采用格林透镜的固有的端面作为参考面，通过该端面作为反射宽带扫频光源发出的激光的一个反射面，反射后形成参考光，无需额外配置反射面来作为参考面，因而省去了参考面相配套的固定结构及控制单元，使得该系统的结构简单，容易实现，且大大降低成本。同时，通过格林透镜的固有的端面作为参考面，使得参考光与样品光在同一光路中传播，也使得参考光与样品光在共路系统中干涉，并将干涉后的干涉信号通过平衡探测器，实现抑制共模噪声以及样品本身的自相关信号噪声，且成像质量高，整个系统稳定，不易受外界环境的影响，使用时无需调整参考臂，使用更加便利。另外，在干涉系统中，参考光与样品光干涉时，通过第一耦合器、第一光纤、第二光纤以及第二耦合器，实现全光纤光路，无需额外的参考臂，使得该系统易于集成、易于实现小型化。采用上述OCT系统的方法，其成像过程大大简化，成像质量大大提高，并且操作过程简便，容易实现。
附图说明
图1是本发明的基于扫频光源的共路光学相干层析成像系统示意图；
图2是本发明的基于扫频光源的共路光学相干层析成像方法示意图。
图中：1-宽带扫频光源；2-三端环形器；3-探头；4-格林透镜；5-端面；6-MEMS反射镜；7-第一耦合器；8-第一光纤；9-第二光纤；10-第二耦合器；11-平衡探测器；12-高速采集卡；13-计算机；14-控制卡。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
如图1所示，一种基于扫频光源的共路光学相干层析成像系统，包括宽带扫频光源1、三端环形器2、探头3、干涉系统及控制处理系统，探头3包括格林透镜4及MEMS反射镜6；宽带扫频光源1发出的激光经三端环形器2进入探头3，探头3中的格林透镜4将一部分激光进行汇聚形成汇聚激光，汇聚激光经MEMS反射镜6反射出探头3后照射到样品上，控制处理系统对MEMS反射镜6加电控制使经MEMS反射镜6反射的汇聚激光对样品进行一维或二维扫描，以得到一维或二维的样品信息，带有样品信息的汇聚激光经过样品不同深度的后向散射后经探头3收集并回到三端环形器2，形成样品光；另一部分激光经格林透镜4的端面5后直接反射回三端环形器2，形成参考光；样品光与参考光经三端环形器2后进入干涉系统干涉后形成干涉信号，该干涉信号经控制处理系统转换为电信号并处理，形成样品的二维或三维图像。其中，宽带扫频光源1输出的激光为宽带扫频可见光(波长范围在770～350纳米之间)、近红外(波长在780～3000nm范围的电磁波)或红外光。优选的，在本实施例中，该激光为波长随时间变化的红外光，即频率也在随着时间变化，故称为扫频光源，如中心波长为1310nm，波长从1250nm变化到1350nm，带宽100nm。该基于扫频光源的共路光学相干层析成像系统通过采用格林透镜4的固有的端面5作为参考面，通过该端面4作为反射宽带扫频光源1发出的激光的一个反射面，反射后形成参考光，无需额外配置反射面来作为参考面，因而省去了与参考面相配套的固定结构及控制单元，使得该系统的结构简单，容易实现，且大大降低成本。
在本实施例中，干涉系统与三端环行器2连接，而三端环行器2与探头3连接，控制处理装置与探头3、干涉系统及宽带扫频光源1连接。其中，控制处理系统对MEMS反射镜6加电控制，具体地，利用控制处理系统与MEMS反射镜6之间电连接，通过控制处理系统发出电信号来控制MEMS反射镜6的偏转，从而实现对样品的一维或二维扫描。
进一步地，干涉系统包括第一耦合器7、第一光纤8、第二光纤9、第二耦合器10，样品光经三端环形器2后进入第一耦合器7分成两束样品光，其中一束样品光进入第一光纤8，另一束样品光进入第二光纤9，参考光经三端环形器2后进入第一耦合器7分成两束参考光，其中一束参考光进入第一光纤8，另一束参考光进入第二光纤9，经第一光纤8、第二光纤9的参考光与样品光进入第二耦合器10后，形成具有相位差的两路干涉信号。更进一步地，第一耦合器7为一分二耦合器，第二耦合器10为二分二耦合器，第一光纤8与第二光纤9分别具有不同长度。第一耦合器7的作用是将参考光和样品光都一分为二，之后其中一束样品光与其中一束参考光经过第一光纤8，另一束样品光与另一束参考光经第二光纤9，从第一光纤8、第二光纤9进入第二耦合器10的参考光与样品光发生干涉，形成两路干涉信号，并且两路的干涉信号位相差180度。
进一步地，控制处理系统包括平衡探测器11、高速采集卡12、计算机13、控制卡14；其中，平衡探测器11与高速采集卡12连接，用于接收干涉系统发送的干涉信号，将干涉信号转换成原始电信号，将原始电信号输入高速采集卡；计算机13与高速采集卡12、控制卡14连接，用于对控制卡14发出扫描指令，用于接收高速采集卡12输出的原始数据，对所述原始数据进行快速傅立叶变换获取二维或三维图像，并显示，高速采集卡12还与宽带扫频光源1连接；具体地，控制卡14输出用于驱动MEMS反射镜6使经MEMS反射镜6反射的汇聚激光对样品进行一维或二维扫描的驱动信号以及样品扫描的同步信号，两路干涉信号经平衡探测器11后形成一路差分后的电信号，该电信号进入高速采集卡12的数据采集端，该高速采集卡12根据同步信号采集样品的一维或二维扫描信息，并接收宽带扫频光源1发出的采样信号，根据同步信号与采样信号对接收的电信号进行信号采集转换，使其转换成离散的包含样品信息的干涉信号，该离散的干涉信号在计算机13中进行傅里叶变换，以得到样品的二维图像，二维图像进一步重构为三维图像。
本发明的OCT成像系统通过格林透镜4的端面5作为参考面，使得参考光与样品光在同一光路中传播，也使得参考光与样品光在共路系统中干涉，并将干涉后的干涉信号通过平衡探测器11，实现抑制共模噪声以及样品本身的自相关信号噪声，且成像质量高，整个系统稳定，不易受外界环境的影响，使用时无需调整参考臂，使用更加便利。另外，在干涉系统中，参考光与样品光干涉时，通过第一耦合器7、第一光纤8、第二光纤9以及第二耦合器10，实现全光纤光路，无需额外的参考臂，使得该系统易于集成、易于实现小型化。
其中，控制卡14为一块板卡或者多块板卡。
其中，经平衡探测器11后形成的干涉信号为IBPD，其表达式为：
其中，RS为样品的后向振幅散射率，Rr为端面5的振幅反射率，k为激光波数，l1-l2为第一光纤8和第二光纤9的光程差，z为样品深度，Wd为格林透镜4的工作距离，lc为宽带扫频光源1的相干范围，z2为样品光的光程，z1为激光经端面5反射后回到三端环形器2的光程。
其中，参考光的振动表达式为：ER＝Rrcos(kz1)，其中，Rr为端面5的振幅反射率，k为激光波数，z1为激光经端面5反射后回到三端环形器2的光程。
其中，样品光的振动表达式为：ES＝RScos(kz2)，其中，RS为样品的后向振幅散射率，k为激光波数，z2为样品光的光程。
如图2所示，一种基于扫频光源的共路光学相干层析成像方法，包括以下步骤：
步骤A：宽带扫频光源1发出激光和采样信号，控制卡14输出样品扫描的同步信号、以及用于驱动MEMS反射镜6使经MEMS反射镜6反射的激光对样品进行一维或二维扫描的驱动信号；
步骤B：步骤A中的激光经过三端环形器2进入探头3，探头3中的格林透镜4将一部分激光进行汇聚形成汇聚激光，该汇聚激光经MEMS反射镜6反射出探头3后照射到样品上，同时，驱动信号驱动MEMS反射镜6使经MEMS反射镜6反射的汇聚激光对样品进行一维或二维扫描，以得到一维或二维的样品信息，带有样品信息的汇聚激光经样品不同深度的后向散射后经探头3收集并回到三端环形器2，形成样品光；另一部分激光经过格林透镜4的端面5后直接反射回三端环形器2，形成参考光；
步骤C：步骤B中的参考光和样品光均进入干涉系统形成干涉信号；样品光经三端环形器2后进入第一耦合器7分成两束样品光，其中一束样品光进入第一光纤8，另一束样品光进入第二光纤9，参考光经三端环形器2后进入第一耦合器7分成两束参考光，其中一束参考光进入第一光纤8，另一束参考光进入第二光纤9，经第一光纤8、第二光纤9的参考光与样品光进入第二耦合器10后，形成具有相位差的两路干涉信号；
步骤D：步骤C中的两路干涉信号进入控制处理系统；两路干涉信号进入平衡探测器11，经平衡探测器11后形成一路差分后的电信号；
步骤E：高速采集卡12根据同步信号采集样品的扫描信息，并接收宽带扫频光源1发出的采样信号，根据同步信号与采样信号对步骤D中形成的电信号进行信号采集转换，使其转换成离散的包含样品信息的干涉信号；
步骤F：将所述步骤E中采集到的离散的干涉信号传入计算机进行运算，以得到样品的二维图像，并实时显示，所述二维图像进一步重构为三维图像。
平衡探测器11是一种光电转换器件，含两个参数一致的光电探测器，可以做差分运算输出，得到含样品信息的电信号。经平衡探测器11输出的电信号进入高度采集卡12中，高速采集卡12一般的采样频率在100M以上，同时，高速采集卡12根据同步信号开始采集电信号的数据，此时，其将采集到每一幅二维数据的N行与M列数据，并按照采样信号的触发来采集每一点的数据信息，采集数据信号后，高速采集卡12可以将采集的若干幅N*M个数据(离散的干涉信号)一起传输给计算机13，也可采集一幅传输一幅；计算机13接收由高速采集卡12采集的数据信息后，对每一幅的数据信息进行N行*M列的快速傅里叶变换FFT运算，即可得到样品的深度结构图。另外，由于OCT图像数据的采集、处理及显示速度达到30帧每秒以上，所以可实现实时显示。
采用上述OCT系统的方法，其成像过程大大简化，成像质量大大提高，并且操作过程简便，容易实现。
本发明主要保护的是利用格林透镜的一个端面对扫频光源发出的一部分激光直接反射形成参考光，而另一部分激光经MEMS反射镜发射进行样品扫描，这代替了现有技术中需要单独提供额外的样品臂来提供参考光的形式，使得整个系统结构大大简化，并提高后续干涉质量，以提高后续的计算机成像质量，并不涉及对后续计算机处理过程的改进，当然，对于本发明中提到的通过计算机13对接收的数据进行处理的过程可参考无锡微奥科技有限公司的申请号为201210337928.X的一种扫频光源OCT实时图像显示方法及其系统中公开的计算机处理过程进行实现。
以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于扫频光源的共路光学相干层析成像系统，其特征在于：包括宽带扫频光源(1)、三端环形器(2)、探头(3)、干涉系统及控制处理系统，所述探头(3)包括格林透镜(4)及MEMS反射镜(6)；所述宽带扫频光源(1)发出的激光经所述三端环形器(2)进入所述探头(3)，所述探头(3)中的所述格林透镜(4)将一部分激光进行汇聚形成汇聚激光，所述汇聚激光经所述MEMS反射镜(6)反射出所述探头(3)后照射到样品上，所述控制处理系统对所述MEMS反射镜(6)加电控制使经所述MEMS反射镜(6)反射的所述汇聚激光对样品进行一维或二维扫描，以得到一维或二维的样品信息，带有样品信息的汇聚激光经过样品不同深度的后向散射后被所述探头(3)收集并回到所述三端环形器(2)，形成样品光；另一部分激光经所述格林透镜(4)的端面(5)后直接反射回所述三端环形器(2)，形成参考光；所述样品光与所述参考光经所述三端环形器(2)后进入所述干涉系统干涉后形成干涉信号，该干涉信号经所述控制处理系统转换为电信号并处理，形成样品的二维或三维图像。
2.根据权利要求1所述的一种基于扫频光源的共路光学相干层析成像系统，其特征在于：所述干涉系统包括第一耦合器(7)、第一光纤(8)、第二光纤(9)、第二耦合器(10)，所述样品光经所述三端环形器(2)后进入所述第一耦合器(7)分成两束样品光，其中一束样品光进入所述第一光纤(8)，另一束样品光进入所述第二光纤(9)，所述参考光经所述三端环形器(2)后进入所述第一耦合器(7)分成两束参考光，其中一束参考光进入所述第一光纤(8)，另一束参考光进入所述第二光纤(9)，经所述第一光纤(8)、所述第二光纤(9)的参考光与样品光进入所述第二耦合器(10)后，形成具有相位差的两路干涉信号。
3.根据权利要求2所述的一种基于扫频光源的共路光学相干层析成像系统，其特征在于：所述第一耦合器(7)为一分二耦合器，所述第二耦合器(10)为二分二耦合器，所述第一光纤(8)与第二光纤(9)分别具有不同长度。
4.根据权利要求2所述的一种基于扫频光源的共路光学相干层析成像系统，其特征在于：所述控制处理系统包括平衡探测器(11)、高速采集卡(12)、计算机(13)、控制卡(14)；所述控制卡(14)输出用于驱动所述MEMS反射镜(6)使经所述MEMS反射镜(6)反射的汇聚激光对样品进行一维或二维扫描的驱动信号以及样品扫描的同步信号，所述两路干涉信号经所述平衡探测器(11)后形成一路差分后的电信号，该电信号进入所述高速采集卡(12)的数据采集端，该高速采集卡(12)根据所述同步信号采集样品的一维或二维扫描信息，并接收所述宽带扫频光源(1)发出的采样信号，根据所述同步信号与所述采样信号对接收的所述电信号进行信号采集转换，使其转换成离散的包含样品信息的干涉信号，该离散的干涉信号在所述计算机(13)中进行傅里叶变换，以得到样品的二维图像，所述二维图像进一步重构为三维图像。
5.根据权利要求4所述的一种基于扫频光源的共路光学相干层析成像系统，其特征在于：所述控制卡(14)为一块板卡或者多块板卡。
6.根据权利要求1所述的一种基于扫频光源的共路光学相干层析成像系统，其特征在于：所述激光为宽带扫频可见光、近红外或红外光。
7.一种基于扫频光源的共路光学相干层析成像方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤A：宽带扫频光源(1)发出激光和采样信号，控制卡(14)输出样品扫描的同步信号、以及用于驱动MEMS反射镜(6)使经所述MEMS反射镜(6)反射的激光对样品进行一维或二维扫描的驱动信号；
步骤B：所述步骤A中的激光经过三端环形器(2)进入探头(3)，探头(3)中的格林透镜(4)将一部分激光进行汇聚形成汇聚激光，该汇聚激光经所述MEMS反射镜(6)反射出所述探头(3)后照射到样品上，同时，所述驱动信号驱动所述MEMS反射镜(6)使经所述MEMS反射镜(6)反射的汇聚激光对样品进行一维或二维扫描，以得到一维或二维的样品信息，带有样品信息的汇聚激光经样品不同深度的后向散射后经探头(3)收集并回到三端环形器(2)，形成样品光；另一部分激光经过格林透镜(4)的端面(5)后直接反射回三端环形器(2)，形成参考光；
步骤C：所述步骤B中的参考光和样品光均进入干涉系统形成干涉信号；样品光经三端环形器(2)后进入第一耦合器(7)分成两束样品光，其中一束样品光进入第一光纤(8)，另一束样品光进入第二光纤(9)，参考光经三端环形器(2)后进入第一耦合器(7)分成两束参考光，其中一束参考光进入第一光纤(8)，另一束参考光进入第二光纤(9)，经第一光纤(8)、第二光纤(9)的参考光与样品光进入第二耦合器(10)后，形成具有相位差的两路干涉信号；
步骤D：所述步骤C中的两路干涉信号进入控制处理系统；两路干涉信号进入平衡探测器(11)，经平衡探测器(11)后形成一路差分后的电信号；
步骤E：所述高速采集卡(12)根据所述同步信号采集样品的扫描信息，并接收宽带扫频光源(1)发出的采样信号，根据同步信号与采样信号对所述步骤D中形成的电信号进行信号采集转换，使其转换成离散的包含样品信息的干涉信号；
步骤F：将所述步骤E中采集到的离散的干涉信号传入计算机(13)进行运算，以得到样品的二维图像，并实时显示，所述二维图像进一步重构为三维图像。
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