CN104706322B

CN104706322B - 一种基于光计算的扫频光学相干成像系统

Info

Publication number: CN104706322B
Application number: CN201510108910.6A
Authority: CN
Inventors: 薛平; 张晓�; 霍天成; 王成铭; 陈天元; 廖文超; 艾盛楠; 章文欣; 谢睿程
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2015-03-12
Filing date: 2015-03-12
Publication date: 2017-03-01
Anticipated expiration: 2035-03-12
Also published as: CN104706322A

Abstract

本发明涉及一种基于光计算的扫频光学相干成像系统，其特征在于：包括一扫频干涉系统和一光计算系统；所述扫频干涉系统包括脉冲激光器、扫频光器件、OCT干涉仪和光电探测器；所述光计算系统包括射频放大器、光强度调制器、宽带光源、色散器件、马赫‑曾德尔干涉仪、平衡探测器、包络检波器、数据采集卡和计算机。本发明实现了光频域信号的实时傅里叶变换，由于实时傅里叶变换能够及时地处理扫频光学相干成像系统的图像数据，所以本发明的成像速度极快，可以广泛应用于扫频光学相干成像中。

Description

一种基于光计算的扫频光学相干成像系统

技术领域

本发明涉及一种扫频光学相干成像系统(Swept Source Optical CoherenceTomograpgy，简称SS-OCT)，特别是关于一种基于光计算的扫频光学相干成像系统，属于生物医学光子学领域。

背景技术

目前光学相干层析技术(Optical Coherence Tomograpgy，简称OCT)已经由传统的时域光学相干层析(Time Domain-OCT，简称TD-OCT)发展为频域光学相干层析(FourierDomain-OCT，简称FD-OCT)。其中，FD-OCT有两种类型：基于CCD(Charge-coupled Device)的光谱仪探测式的光谱光学相干层析(Spectral Domain-OCT，简称SD-OCT)和基于扫频激光器的扫频光学相干层析(Swept Source-OCT，简称SS-OCT)。和其它类型OCT相比，SS-OCT兼具光谱SD-OCT的快速成像能力和时域OCT的点探测优势。

现有的SS-OCT中，探测器测量的是样品光和参考光的干涉信号的时域波形，它是样品的空间信息的傅立叶变换。因此，从探测器获得的数据需要做一次傅立叶逆变换，从而得到一线样品深度方向的结构信息。目前，扫描速度在MHz级的扫频光源已经出现，但是在图像数据处理过程中，傅里叶逆变换的运算量对于现有计算机的中央处理器(CentralProcessing Unit，简称CPU)或图形处理器(Graphic Processing Unit，简称GPU)来讲太过庞大，导致难以实现高分辨率三维实时成像。因此，SS-OCT成像速度的瓶颈就是图像数据处理的速度。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够有效提高成像速度的基于光计算的扫频光学相干成像系统。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种基于光计算的扫频光学相干成像系统，其特征在于：包括一扫频干涉系统和一光计算系统；所述扫频干涉系统包括脉冲激光器、扫频光器件、OCT干涉仪和光电探测器；所述光计算系统包括射频放大器、光强度调制器、宽带光源、色散器件、马赫-曾德尔干涉仪、平衡探测器、包络检波器、数据采集卡和计算机；所述脉冲激光器将输出的光脉冲发送到所述扫频光器件，得到波数随时间近似线性变化的扫频光，扫频光发射到所述OCT干涉仪得到待测样品时域上的干涉信号，待测样品时域上的干涉信号经所述光电探测器探测接收并转换为电信号，电信号发送到所述射频放大器驱动所述光强度调制器进行工作；所述宽带光源发出的直流宽带光经所述光强度调制器将光强调制为待测样品时域上干涉信号的波形后经所述色散器件发射到所述马赫-曾德尔干涉仪，所述马赫-曾德尔干涉仪将出射的光信号发送到所述平衡探测器，所述平衡探测器将光信号进行处理并将得到的电信号发送到所述包络检波器得到包络信号，包络信号经所述数据采集卡输入到所述计算机进行显示，获得所述待测样品的结构信息。

所述宽带光源、光强度调制器、色散器件、马赫-曾德尔干涉仪和所述平衡探测器之间设置一助推光学放大器或一掺杂光纤放大器。

所述扫频光器件包括第一环形器和第一光纤布拉格光栅，当所述扫频光器件采用所述第一环形器和第一光纤布拉格光栅时，所述脉冲激光器发出的脉冲光发送到所述第一环形器，经所述第一环形器出射的脉冲光被所述第一光纤布拉格光栅反射并经所述第一环形器发射到所述OCT干涉仪。

所述扫频光器件采用光纤，当所述扫频光器件采用光纤时，所述脉冲激光器发出的光脉冲经所述光纤发射到OCT干涉仪。

所述色散器件包括第二环形器和第二光纤布拉格光栅，当所述色散器件采用所述第二环形器和第二光纤布拉格光栅时，经所述光强度调制器调制后的宽带光发送到所述第二环形器，经所述第二环形器出射的宽带光被所述第二光纤布拉格光栅反射返回经所述第二环形器发射到所述马赫-曾德尔干涉仪。

所述色散器件采用一光纤，当所述色散器件采用所述光纤时，经所述光强度调制器调制后的宽带光经所述光纤发射到所述马赫-曾德尔干涉仪。

所述OCT干涉仪包括第三环形器、第一耦合器、第一聚焦透镜、第二聚焦透镜、反射镜和二维扫描系统；经所述扫频光器件出射的光经所述第三环形器进入所述第一耦合器根据设定参数进行分光，经所述第一耦合器出射的小部分光成为参考光，参考光经所述第一聚焦透镜会聚后发射到所述反射镜后沿着原光路返回进入所述第三环形器；经所述第一耦合器出射的大部分光成为样品光，样品光经所述第二聚焦透镜会聚后经所述二维扫描系统发射到待测样品的不同位置，所述二维扫描系统用于进行X和Y方向的扫描，所述待测样品不同位置的不同深度反射的光沿着原光路返回进入所述第三环形器；经所述反射镜反射的参考光和经所述待测样品反射的样品光均经所述第三环形器发射到所述光电探测器。

所述马赫-曾德尔干涉仪包括第二耦合器、第一光纤、第二光纤和第三耦合器，其中，所述第二耦合器和第三耦合器的耦合参数均为50/50；经所述色散器件出射的光经所述第二耦合器出射的同比例的光分别发射到所述第一光纤和第二光纤，经色散量不同的所述第一光纤和第二光纤出射的光均发射到所述第三耦合器，所述第三耦合器将两束光同比例耦合后发送到所述平衡探测器。

所述光强度调制器采用电光强度调制器和声光强度调制器中的一种。

所述脉冲激光器和宽带光源的输出波长的工作波段为850nm、1064nm、1310nm和1550nm中的一种。

本发明由于采取以上技术方案，具有以下优点：1、区别于传统的SS-OCT，本发明由于使用了新型光学实时傅里叶变换的方法，使得SS-OCT无须再使用高性能计算机进行离散傅里叶变换，因此摆脱了计算机运算速度不够快对SS-OCT成像速度的制约，能够大大地提高系统成像速度。2、基于光学实时傅里叶变换系统的SS-OCT从光源到探测器，整个光路不但结构简单，且均可采用全光纤器件，使系统的能量利用率、稳定性、集成度更高。3、本发明由于设置有马赫-曾德尔干涉仪，经马赫-曾德尔干涉仪出射的同比例光经平衡探测器接收，其中的直流信号以及共模噪声均被平衡探测器去除，能够有效提高信噪比。综上所述，由于实时傅里叶变换能够及时地处理扫频光学相干成像系统的图像数据，所以本发明的成像速度极快。另外，本发明具有结构简单、全光纤化、工作稳定等优点，可以广泛应用于扫频光学相干成像中。

附图说明

图1为本发明的扫频光学相干成像系统结构示意图；

图2为采用镜面作为样品时，理论计算得到的平衡探测器的输出信号示意图；

图3为采用镜面作为样品时，实验测得的平衡探测器的输出信号示意图。

具体实施方式

以下结合附图来对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅仅是用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

假设一有限长度的光信号(例如：一个光脉冲)通过一色散量足够大的理想色散介质(仅有二阶色散，且二阶色散系数不随波长变化)，由于不同波长的光在色散介质中存在速度差，输出光的时域形状将近似为其频域上的光谱形状。众所周知，光信号的时域形状和频域上的光谱形状是傅里叶变换的关系，因此，色散介质就相当于对该光信号做了傅里叶变换。

显然，色散介质是线性系统，线性系统的特性由其冲击响应函数描述，根据关于色散的方程：

可知若输入的光信号为一冲击函数δ，得到的冲击响应函数h(t)∝exp(-it²/(2D))。其中，t为时间，A(z,t)为光信号在色散介质的z处的时域波形，β为二阶色散系数，exp为e指数，若色散介质长度为z₀，其色散量D＝z₀β。

对任一光信号f(t)，将其输入一色散量足够大的理想色散介质，输出波形(其近似的傅里叶变换结果)为|f(t)*h(t)|，*为卷积，||为求模运算。此数学形式也可以写为|f(t)*h(t)|∝|f(t)*exp(-it²/(2D))|＝((f(t)*cos(t²/(2D)))²+(f(t)*sin(t²/(2D)))²)^1/2。实际上，较之f(t)，cos(t²/(2D))和sin(t²/(2D))都是变化极快的函数，又因为(cos(t²/(2D)))²+(sin(t²/(2D)))²＝1，因此|f(t)*h(t)|实际就正比于f(t)*cos(t²/(2D))或者f(t)*sin(t²/(2D))的包络，这一点可以由数值计算验证。

综上所述，某个函数f(t)的傅里叶变换可以近似为其与函数cos(at²)的卷积运算结果的包络，即：f(t)*cos(at²)的包络。其中，a为一常数。

另外，由色散介质的特性可知，色散介质可以实现时域信号与其频谱之间的卷积。数学表达式为：

I_out(t)∝I_in(t)*S(ω＝t/D₀)

其中，I_in(t)和I_out(t)分别为输入和输出色散介质的光信号强度，S(ω)为输入信号的频谱，ω为角频率，D₀为色散介质的色散量。S(ω＝t/D₀)表示将ω＝t/D₀代入S(ω)表达式所得到的关于时间t的函数。为了对SS-OCT的干涉信号强度波形I_in(t)做实时傅里叶变换，利用两臂有色散量差ΔD的马赫-曾德尔干涉仪将其频谱S(ω)设置为：

S(ω)∝cos((ΔD/2)ω²)+1

考虑到频谱取值不能为负，所以上式中加入了常数项1。若将此后的光信号注入到色散量为D₀的色散介质，那么就可以实现时域信号I_in(t)与其频谱S(ω)的卷积运算，输出光强I_out(t)为：

I_out(t)∝I_in(t)*cos(ΔD/2(t/D₀)²)+I_in(t)*1

其中，I_in(t)*1为直流量，实际中可以使用平衡探测器将其去除。而I_in(t)*cos(ΔD/2(t/D₀)²)就是SS-OCT干涉信号波形I_in(t)与cos(at²)的卷积。这样，就实现了对SS-OCT的干涉信号做实时傅里叶变换。

不难发现，采用光路来实现这样的卷积运算，也就相当于构造了一个等效色散介质，利用这个等效色散介质对信号做近似的傅里叶变换。显然，等效色散介质色散量D与ΔD和D₀的关系为D＝D₀ ²/ΔD。其中，ΔD和D₀根据实际应用进行选取，可先用Matlab做卷积和取包络的数值运算，并对运算结果进行判定，如果结果符合预设的傅里叶变换，则认为此时ΔD和D₀的选取是合适的。

基于上述原理，如图1所示，本发明的基于光计算的扫频光学相干成像系统包括一扫频干涉系统和一光计算系统；扫频干涉系统包括脉冲激光器1、扫频光器件2、OCT干涉仪3和光电探测器4；光计算系统包括射频放大器5、光强度调制器6、宽带光源7、色散器件8、马赫-曾德尔干涉仪9、平衡探测器10、包络检波器11、数据采集卡12和计算机13。脉冲激光器1将输出的光脉冲发送到扫频光器件2，得到波数随时间近似线性变化的扫频光，扫频光经OCT干涉仪3得到待测样品时域上的干涉信号，待测样品时域上的干涉信号经光电探测器探测4接收并转换为电信号，电信号发送到射频放大器5驱动光强度调制器6进行工作；宽带光源7发出的直流宽带光被光强度调制器6调制为待测样品时域上干涉信号的波形后经色散器件8发送到马赫-曾德尔干涉仪9，马赫-曾德尔干涉仪9将出射的光信号发送到平衡探测器10，平衡探测器10将光信号进行处理并将得到的电信号发送到包络检波器11得到包络信号，包络信号经数据采集卡12输入到计算机13进行显示，获得待测样品的结构信息。

在一个优先的实施例中，为了提高输出信号的功率，宽带光源7、光强度调制器6、色散器件8、马赫-曾德尔干涉仪9和平衡探测器10之间的光路任一位置可以设置一助推光学放大器或掺杂光纤放大器用于放大信号。

在一个优选的实施例中，如图1所示，扫频光器件2可以采用第一环形器21和第一光纤布拉格光栅22，当扫频光器件2采用第一环形器21和第一光纤布拉格光栅22时，脉冲激光器1发出的脉冲光发送到第一环形器21，经第一环形器21出射的脉冲光被第一光纤布拉格光栅22反射并经第一环形器21进入OCT干涉仪3；另外，扫频光器件2还可以采用与第一光纤布拉格光栅22色散量相等的光纤，当扫频光器件2采用光纤时，脉冲激光器1发出的光脉冲经光纤发射到OCT干涉仪3。

在一个优选的实施例中，如图1所示，色散器件8可以采用第二环形器81和第二光纤布拉格光栅82(线性啁啾光纤光栅)，当色散器件8采用第二环形器81和第二光纤布拉格光栅82时，经光强度调制器6调制后的宽带光发送到第二环形器81，经第二环形器81出射的宽带光被第二光纤布拉格光栅82反射返回经第二环形器81进入马赫-曾德尔干涉仪9。另外，色散器件8还可以采用与第二光纤布拉格光栅82色散量相等的光纤，当色散器件8采用光纤时，经光强度调制器6调制后的宽带光经光纤发射到马赫-曾德尔干涉仪9。

在一个优选的实施例中，如图1所示，OCT干涉仪3为现有技术，包括第三环形器31、第一耦合器32、第一聚焦透镜33、第二聚焦透镜34、反射镜35和二维扫描系统36，二维扫描系统36包括X方向和Y方向的两个扫描振镜；第一环形器件21出射的光经第三环形器31进入第一耦合器32根据设定参数进行分光，经第一耦合器32出射的小部分光成为参考光，参考光经第一聚焦透镜33会聚后发射到反射镜35后沿着原光路返回进入第三环形器31；经第一耦合器32出射的大部分光成为样品光，样品光经二维扫描系统36发射到待测样品37的不同位置，待测样品37不同位置的不同深度反射的光沿着原光路返回进入第三环形器31；经反射镜35反射的参考光和经待测样品37反射的样品光均经第三环形器31发射到光电探测器4。

在一个优选的实施例中，如图1所示，马赫-曾德尔干涉仪9包括第二耦合器91、第一光纤92、第二光纤93和第三耦合器94，其中，第二耦合器91和第三耦合器94的耦合参数均为50/50；经色散器件8出射的光经第二耦合器91出射的同比例的光分别发射到第一光纤92和第二光纤93，经色散量不同的第一光纤92和第二光纤93出射的光均发射到第三耦合器94，第三耦合器94将两束光同比例耦合发送到平衡探测器10，由于马赫-曾德尔干涉仪9为现有技术，具体工作原理在此不再赘述。马赫-曾德尔干涉仪9相当于一个滤波器，对于不同波长具有不同的透射率，其输出频谱的形状为cos((ΔD/2)ω²)+1，ΔD为马赫-曾德尔干涉仪两臂的色散量差。

在一个优选的实施例中，光强度调制器6可以采用电光强度调制器和声光强度调制器中的一种。

在一个优选的实施例中，脉冲激光器1和宽带光源7的输出波长可以根据实际需要选择工作波段，工作波段可以为850nm、1064nm、1310nm或1550nm，但是不限于此；相应地，光路中的相应光学器件的工作波长与脉冲激光器1和宽带光源7所选择的输出波长的工作波段相适应，其中，扫频光器件2和OCT干涉仪3中的光学器件以及光电探测器4的工作波段与脉冲激光器1的工作波段相适应，其余的光学器件的工作波段与宽带光源7的工作波段相适应。

如图2和图3所示，当将镜面作为样品时，平衡探测器10输出信号的理论计算结果与实验结果一致，因此证明本发明的基于光计算的扫频光学相干成像系统的原理正确可行。

下面通过具体实施例对本发明的基于光计算的扫频光学相干成像系统的使用过程进行详细说明。其中，本实施例中脉冲激光1和宽带光源7的工作波段均选择1550nm，扫频光器件2采用第一环形器21和第一光纤布拉格光栅22，色散器件8采用第二环形器81和第二光纤布拉格光栅82，第一耦合器32的耦合参数选择为10/90，光强度调制器6采用电光强度调制器，具体过程为：

工作波段1550nm的脉冲激光1将输出的脉冲激光经第一环形器21发射到第一光纤布拉格光栅22展宽，得到波数随时间近似线性变化的扫频光，扫频光经第三环形器31进入第一耦合器32，10％的光成为参考光，90％的光成为样品光。其中，参考光经第一会聚透镜33会聚后发射到反射镜35后按照原光路返回进入第三环形器31，样品光经第二聚焦透镜34会聚后经二维扫描系统36发射到待测样品37上，二维扫描系统36用于进行X和Y方向的扫描，经待测样品37的不同位置的不同深度反射的样品光沿着原光路返回进入第三环形器31；第三环形器31将经反射镜35反射的参考光和经待测样品反射的样品光得到的干涉信号发送光电探测器4转化为电信号经射频放大器5对电光强度调制器6进行驱动；

1550nm波段的宽带光源7发射的直流宽带光经过电光强度调制器6在时域上被调制为干涉信号的波形并经第二环形器81发送到第二光纤布拉格光栅82，经第二环形器81出射的宽带光被第二光纤布拉格光栅82反射返回经第二环形器81发射到马赫-曾德尔干涉仪9被平衡探测器10接收，其中的直流信号以及共模噪声被平衡探测器10去除，平衡探测器10输出的电信号通过包络检波器11得到其包络信号，该包络信号就是cos((ΔD/2)ω²)与参考光和样品光的干涉信号的卷积结果的包络。最后，电信号经由数据采集卡12转换成数字信息，输入到计算机13进行三维渲染和显示，获得样品的三维分布图。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中所有光学器件可以根据实际情况采用外部支架进行固定，在此不作限定，各部件的结构等都是可以有所变化的，只要满足光路传播条件即可，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims

1.一种基于光计算的扫频光学相干成像系统，其特征在于：包括一扫频干涉系统和一光计算系统；所述扫频干涉系统包括脉冲激光器、扫频光器件、OCT干涉仪和光电探测器；所述光计算系统包括射频放大器、光强度调制器、宽带光源、色散器件、马赫-曾德尔干涉仪、平衡探测器、包络检波器、数据采集卡和计算机；

所述脉冲激光器将输出的光脉冲发送到所述扫频光器件，得到波数随时间近似线性变化的扫频光，扫频光发射到所述OCT干涉仪得到待测样品时域上的干涉信号，待测样品时域上的干涉信号经所述光电探测器探测接收并转换为电信号，电信号发送到所述射频放大器驱动所述光强度调制器进行工作；

所述宽带光源发出的直流宽带光经所述光强度调制器将光强调制为待测样品时域上干涉信号的波形后经所述色散器件发射到所述马赫-曾德尔干涉仪，所述马赫-曾德尔干涉仪将出射的光信号发送到所述平衡探测器，所述平衡探测器将光信号进行处理并将得到的电信号发送到所述包络检波器得到包络信号，包络信号经所述数据采集卡输入到所述计算机进行显示，获得所述待测样品的结构信息。

2.如权利要求1所述的一种基于光计算的扫频光学相干成像系统，其特征在于：所述宽带光源、光强度调制器、色散器件、马赫-曾德尔干涉仪和所述平衡探测器之间设置一助推光学放大器或一掺杂光纤放大器。

3.如权利要求1或2所述的一种基于光计算的扫频光学相干成像系统，其特征在于：所述扫频光器件包括第一环形器和第一光纤布拉格光栅，当所述扫频光器件采用所述第一环形器和第一光纤布拉格光栅时，所述脉冲激光器发出的脉冲光发送到所述第一环形器，经所述第一环形器出射的脉冲光被所述第一光纤布拉格光栅反射并经所述第一环形器发射到所述OCT干涉仪。

4.如权利要求1或2所述的一种基于光计算的扫频光学相干成像系统，其特征在于：所述扫频光器件采用光纤，当所述扫频光器件采用光纤时，所述脉冲激光器发出的光脉冲经所述光纤发射到OCT干涉仪。

5.如权利要求1或2所述的一种基于光计算的扫频光学相干成像系统，其特征在于：所述色散器件包括第二环形器和第二光纤布拉格光栅，当所述色散器件采用所述第二环形器和第二光纤布拉格光栅时，经所述光强度调制器调制后的宽带光发送到所述第二环形器，经所述第二环形器出射的宽带光被所述第二光纤布拉格光栅反射返回经所述第二环形器发射到所述马赫-曾德尔干涉仪。

6.如权利要求1或2所述的一种基于光计算的扫频光学相干成像系统，其特征在于：所述色散器件采用一光纤，当所述色散器件采用所述光纤时，经所述光强度调制器调制后的宽带光经所述光纤发射到所述马赫-曾德尔干涉仪。

7.如权利要求1或2所述的一种基于光计算的扫频光学相干成像系统，其特征在于：所述OCT干涉仪包括第三环形器、第一耦合器、第一聚焦透镜、第二聚焦透镜、反射镜和二维扫描系统；经所述扫频光器件出射的光经所述第三环形器进入所述第一耦合器根据设定参数进行分光，经所述第一耦合器出射的小部分光成为参考光，参考光经所述第一聚焦透镜会聚后发射到所述反射镜后沿着原光路返回进入所述第三环形器；经所述第一耦合器出射的大部分光成为样品光，样品光经所述第二聚焦透镜会聚后经所述二维扫描系统发射到待测样品的不同位置，所述二维扫描系统用于进行X和Y方向的扫描，所述待测样品不同位置的不同深度反射的光沿着原光路返回进入所述第三环形器；经所述反射镜反射的参考光和经所述待测样品反射的样品光均经所述第三环形器发射到所述光电探测器。

8.如权利要求1或2所述的一种基于光计算的扫频光学相干成像系统，其特征在于：所述马赫-曾德尔干涉仪包括第二耦合器、第一光纤、第二光纤和第三耦合器，其中，所述第二耦合器和第三耦合器的耦合参数均为50/50；经所述色散器件出射的光经所述第二耦合器出射的同比例的光分别发射到所述第一光纤和第二光纤，经色散量不同的所述第一光纤和第二光纤出射的光均发射到所述第三耦合器，所述第三耦合器将两束光同比例耦合后发送到所述平衡探测器。

9.如权利要求1或2所述的一种基于光计算的扫频光学相干成像系统，其特征在于：所述光强度调制器采用电光强度调制器和声光强度调制器中的一种。

10.如权利要求1或2所述的一种基于光计算的扫频光学相干成像系统，其特征在于：所述脉冲激光器和宽带光源的输出波长的工作波段为850nm、1064nm、1310nm和1550nm中的一种。