CN104977275A - 一种sbs超声场激励下的oct成像装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种SBS超声场激励下的OCT成像装置及方法，计算机分别连接第一激光器、第二激光器、反射镜、探测器和ICCD；第一激光器的出射光线与半波片、偏振耦合器、镀全反膜玻璃平板、四分之波片和聚焦透镜的轴线共轴，并依次透过半波片、偏振耦合器、四分之波片和聚焦透镜，随后入射样品；经过采集单独的TD-OCT信号：采集被探测液体在布里渊散射超声场激励下的样品TD-OCT图像：进行对比得到的OCT图像，分析计算被测液体的成像特征和特征参数。不仅探测被测样品的环境场光谱，也对其三维结构进行实时成像。利用了布里渊散射装置辅助OCT系统进行成像研究，也利用单独的布里渊散射系统，探测并计算其特征参数。

Description

一种SBS超声场激励下的OCT成像装置及方法

技术领域

本发明涉及光学相干层析成像技术，特别涉及一种在SBS（受激布里渊散射）激励下的OCT（光学相干层析技术）成像装置及方法。

背景技术

布里渊散射作为非线性光学中的一个重要研究方向，目前在水中以及大气中的研究都较为深入。针对液体中的布里渊散射，主要是针对作为牛顿流体的水进行研究，在基础特性研究领域,利用布里渊散射测量了海水声速、盐度、温度，并利用研究成果研究设计了水下布里渊散射激光雷达等一些成熟的雷达装置。

布里渊散射激光雷达具有自身的局限性：该技术是通过探测环境场的布里渊散射散射光谱来进行物体探测，因此无法对被探测物体进行实时实物三维成像；其次目前针对液体的布里渊散射研究，主要局限在对水中的研究，对如血液、油品等的非牛顿流体的研究涉足甚少。

OCT（光学相干层析技术）是基于低相干干涉原理的一种技术，具有分辨断层成像的能力，可获得生物组织表层下高分辨率的截面图像。具有高分辨率、高灵敏度、无辐射、无损伤等优点。在医疗领域日趋成熟，不仅可以应用于眼科，皮肤科等外科疾病，也能使用内窥镜技术，将OCT应用于诊断一些内科疾病。

一般的TDOCT (时域光学相干层析技术)采用点扫描的方式，主要由光源、分光棱镜、反射镜、光探测器组成，光源发出的光被分光棱镜分成两路：一路称为样品臂，被透镜聚集于样品上，然后被样品内部的细微结构反射或散射回来；另一路成为参考臂，被透镜聚焦到反射镜上，然后被反射回来。假设样品臂中的光从离开分光棱镜到重新回到分光棱镜的总光程为样品臂总光程;参考臂中的光从离开分光棱镜到重新回到分光棱镜的总光程为参考臂总光程。如果样品臂总光程与参考臂总光程的光程差等于相干长度，就会在分光棱镜上发生双光束干涉，此干涉信号被光探测器记录。纵向扫描是通过反射镜的上下移动改变参考臂中总光程，实现对于样品纵向深度的扫描。

因此我们提出将SBS和TDOCT相结合的方法，研究体在SBS超声场激励状态下的OCT图像，分析被探测液体的结构会发生什么变化，这样不仅能对水、酒精等牛顿流体进行探测，而且能对油、血液等非牛顿流体进行探测，从而丰富液体中的布里渊散射研究。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：将OCT成像系统和SBS系统相结合，并用于流体的成像特征及特征参数探测。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案。一种SBS超声场激励下的OCT成像装置，包括：计算机、第一激光器、第二激光器、F-P标准具、ICCD（增强电荷耦合器件)、分束镜和探测器，计算机分别连接第一激光器、第二激光器、第三平面镜、探测器和ICCD；第二激光器的出射光线与第一半波片、第一偏振耦合器、镀全反膜玻璃平板、四分之波片和聚焦透镜的轴线共轴，并依次透过第一半波片、第一偏振耦合器、四分之波片和聚焦透镜，随后入射样品；在镀全反膜玻璃平板的一侧依次设置有第二偏振耦合器和第二平面镜；后向散射光被第二偏振耦合器反射后，依次通过共轴的第二半波片、分束镜进入探测器；分束镜一侧依次设置有第一偏振耦合器和第一平面镜，第一激光器的出射光线通过第一平面镜反射后被第一偏振耦合器反射，然后依次通过镀全反膜玻璃平板、四分之波片、聚焦透镜入射样品；分束镜的另一侧设置有第三平面镜；在第二偏振耦合器的另一侧设置有第二平面镜，第二平面镜的一侧设置有准直系统、F-P标准具及ICCD，且第二平面镜的出射光线与准直系统和F-P标准具共轴，第二平面镜的出射光线经准直系统入射F-P标准具并由ICCD接收。

一种SBS超声场激励下的OCT成像装置的成像方法，其步骤如下：

1）采集单独的TD-OCT信号：

S11：打开第二激光机，输出一束竖直偏振光；

S12：所述竖直偏振光经过第一半波片变成水平偏振光，随后通过第一偏振耦合器后继续向前传播，作为OCT系统的样品臂，其余被反射的光作为OCT系统的参考臂；

S13：所述样品臂中，通过第一偏振耦合器的水平偏振光，通过四分之波片后变成圆偏振光，经过聚焦透镜，聚焦于样品中；

S14：从所述样品中返回的散射光通过四分之波片后变成竖直偏振光，经镀有全反膜玻璃平板反射，再经第二偏振耦合器反射，通过第二半波片变为水平偏振光，进入分束镜；

S15：所述参考臂中，经过第一偏振耦合器反射的水平偏振光，通过分束镜后被第三平面镜反射，随后入射分束镜，与上述步骤S14中水平偏振光发生干涉，并被探测器接收，输入计算机进行分析成像；

2）采集被探测液体在布里渊散射超声场激励下的所述样品的TD-OCT图像：

S21：打开第一激光器，输出一束竖直偏振光；

S22：上述竖直偏振光被第一偏振耦合器反射，并入射四分之波片，变成圆偏振光，经过聚焦透镜入射所述样品，激发所述样品处于SBS超声场激励状态；

S23：所述样品中返回的后向布里渊散射光信号，通过四分之波片变成水平偏振光，并一次经过镀全反膜玻璃平板反射、第二偏振耦合器透射，第二平面镜反射后，通过准直系统准直后入射到F-P标准具上进行分光，最后由ICCD记录散射光谱，并输入计算机；

S24：同步骤S11～S15，获得所述样品在产生SBS时的OCT图像；

3）对比步骤1）和步骤2）得到的OCT图像，分析计算被测液体的成像特征和特征参数。

本发明的优点在于将两种成像系统相结合，不仅探测被测样品的环境场光谱，同时也对其三维结构进行实时成像。一方面利用布里渊散射装置与OCT系统结合进行成像研究，另一方面利用单独的布里渊散射系统，探测并计算其特征参数。

附图说明

图1为本发明的OCT成像系统结构原理图。

图中：1.计算机，2.第一激光器，3.第一平面镜，4.第二激光器，5.第一半波片，6.第一偏振耦合器，7.镀全反膜玻璃平板，8.四分之波片，9.聚焦透镜，10.样品，11.第二半波片，12.第二偏振耦合器，13.第二平面镜，14.准直系统，15.F-P标准具，16.ICCD，17.分束镜，18.第三平面镜，19.探测器。

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。参见图1，一种SBS超声场激励下的OCT成像装置，包括：计算机1、第一激光器2、第二激光器4、F-P标准具15、ICCD 16、分束镜17和探测器19；计算机1分别连接第一激光器2、第二激光器4、第三平面镜18、探测器19和ICCD16；第二激光器4的出射光线与第一半波片5、第一偏振耦合器6、镀全反膜玻璃平板7、四分之波片8和聚焦透镜9的轴线共轴，并依次透过第一半波片5、第一偏振耦合器6、四分之波片8和聚焦透镜9，随后入射样品10；在镀全反膜玻璃平板7的一侧依次设置有第二偏振耦合器12和第二平面镜13；后向散射光被第二偏振耦合器12反射后，依次通过共轴的第二半波片11、分束镜17进入探测器19；分束镜17一侧依次设置有第一偏振耦合器6和第一平面镜3，第一激光器2的出射光线通过第一平面镜3反射后被第一偏振耦合器6反射，然后依次通过镀全反膜玻璃平板7、四分之波片8、聚焦透镜9入射样品10；分束镜17的另一侧设置有第三平面镜18，且第三平面镜18可以沿着Z轴方向移动；在第二偏振耦合器12的另一侧设置有第二平面镜13，第二平面镜13的一侧设置有准直系统14、F-P标准具15及ICCD16，且第二平面镜13的出射光线与准直系统14和F-P标准具15共轴，第二平面镜13的出射光线经准直系统14入射F-P标准具15并由ICCD16接收。

一种SBS超声场激励下的OCT成像装置的成像方法，其步骤如下：

1）采集单独的TD-OCT信号：

S11：打开第二激光机4，输出一束竖直偏振光；

S12：所述竖直偏振光经过第一半波片5变成水平偏振光，随后通过第一偏振耦合器6后继续向前传播，作为OCT系统的样品臂，其余被反射的光作为OCT系统的参考臂；

S13：所述样品臂中，通过第一偏振耦合器6的水平偏振光，通过四分之波片8后变成圆偏振光，经过聚焦透镜9，聚焦于样品10中；

S14：从所述样品10中返回的散射光通过四分之波片8后变成竖直偏振光，经镀有全反膜玻璃平板7反射，再经第二偏振耦合器12反射，通过第二半波片11变为水平偏振光，进入分束镜17；

S15：所述参考臂中，经过第一偏振耦合器6反射的水平偏振光，通过分束镜17后被第三平面镜18反射，随后入射分束镜17，与上述步骤S14中水平偏振光发生干涉，并被探测器19接收，输入计算机1进行分析成像；

2）采集被探测液体在布里渊散射超声场激励下的所述样品的TD-OCT图像：

S21：打开第一激光器2，输出一束竖直偏振光；

S22：上述竖直偏振的窄带红外光第一偏振耦合器6反射，并入射四分之波片8，变成圆偏振光，经过聚焦透镜9入射所述样品10，激发所述样品10处于SBS超声场激励状态；

S23：所述样品10中返回的后向布里渊散射光信号，通过四分之波片8变成水平偏振光，并一次经过镀全反膜玻璃平板7反射、第二偏振耦合器12透射，第二平面镜13反射后，通过准直系统14准直后入射到F-P标准具15上进行分光，最后由ICCD 16记录散射光谱，并输入计算机1；

S24：同步骤S11～S15，获得所述样品10在产生SBS时的OCT图像；

3）对比步骤1）和步骤2）得到的OCT图像，分析计算被测液体的成像特征和特征参数。

本发明将布里渊散射技术与OCT成像技术相结合，通过分析液体在SBS激励状态下的断层扫描图像，来研究其成像特征，结合布里渊散射光谱计算其特征参数，如频移、体粘滞系数等。当被测样品为血液等非牛顿液体的时候，其频移和体粘滞系数能够帮助分析其病理特性，因此本发明对医疗研究也有实用意义。利用本发明不仅能够分析被测液体的成像特征，而且能计算液体的特征参数，对丰富布里渊散射在非牛顿液体的研究有着重要作用。

实施例：以下介绍本发明在用于测量血液时SBS超声场激励下的OCT图像的实现方法：使用双激光器，其中第一激光器2作为SBS系统的光源，第二激光器4作为OCT系统的光源。首先只打开第二激光器4，对未产生SBS的样品10进行OCT扫描成像；然后打开第一激光器2，激发样品的SBS，再对样品10进行OCT扫描成像，得出样品10在布里渊散射超声场激励下的OCT图像。通过比较两次扫描得到的图像，分析其成像特征和特征参数。

如图1所示，SBS超声场激励下的OCT成像装置：包含以下装置：1.计算机，2.第一激光器，3.第一平面镜，4.第二激光器，5.第一半波片，6.第一偏振耦合器，7.镀全反膜玻璃平板，8.四分之波片，9.聚焦透镜，10.样品，11.第二半波片，12.第二偏振耦合器，13.第二平面镜，14.准直系统，15.F-P标准具，16.ICCD，17.分束镜，18.第三平面镜，19.探测器。

上述第一激光器2与第二激光器4均为NG：YAD种子激光器，输出激光波长为532nm；上述第一半波片5、四分之波片8、第二半波片11、均为与532nm波长适配的波片；上述分束镜17为中性分光分束镜；上述准直系统14由透镜及光阑组成；上述探测器19为光学外差探测器。

上述一种SBS超声场激励下的OCT成像装置，计算机1分别连接第一激光器2、第二激光器4、第三平面镜18、探测器19和ICCD16；第二激光器4的出射光线与第一半波片5、第一偏振耦合器6、镀全反膜玻璃平板7、四分之波片8和聚焦透镜9的轴线共轴，并依次透过第一半波片5、第一偏振耦合器6、四分之波片8和聚焦透镜9，随后入射样品10；在镀全反膜玻璃平板7的一侧依次设置有第二偏振耦合器12和第二平面镜13；后向散射光被第二偏振耦合器12反射后，依次通过共轴的第二半波片11、分束镜17进入探测器19；分束镜17一侧依次设置有第一偏振耦合器6和第一平面镜3，第一激光器2的出射光线通过第一平面镜3反射后被第一偏振耦合器6反射，然后依次通过镀全反膜玻璃平板7、四分之波片8、聚焦透镜9入射样品10；分束镜17的另一侧设置有第三平面镜18，且第三平面镜18可以沿着Z轴方向移动；在第二偏振耦合器12的另一侧设置有第二平面镜13，第二平面镜13的一侧设置有准直系统14、F-P标准具15及ICCD16，且第二平面镜13的出射光线与准直系统14和F-P标准具15共轴，第二平面镜13的出射光线经准直系统14入射F-P标准具15并由ICCD16接收。

本发明分三步完成：

第一步，先采集未发生布里渊散射时的样品10中的OCT图像。具体步骤如下：

S11：打开第二激光器4，发出一束波长为532nm的竖直偏振光。

S12：上述竖直偏振光入射第一半波片5，变为水平偏振光，随后通过第一偏振耦合器6后继续向前传播。上述的第一偏振耦合器6对水平偏振光的透射率约为90%，透射过第一偏振耦合器6的光路作为OCT系统的样品臂。另外10%的光被第一偏振耦合器6反射，作为OCT系统的参考臂；

S13：在上述样品臂中：透射过第一偏振耦合器6的光通过四分之波片8后变成圆偏振光，经过聚焦透镜9后射入样品10。

S14：接收从样品10中返回的后向散射光，通过四分之波片8后变成竖直偏振光，被镀全反膜玻璃平板7和第二偏振耦合器12的反射，通过第二半波片11后变成水平偏振光，入射分束镜17；

S15：如步骤S2中所述参考臂中，被第一偏振耦合器6反射的光通过分束镜17，经第三平面镜18反射后入射分束镜17，将第三平面镜18在Z轴向方向上移动，以改变参考臂的光程；

S16,：如步骤S14和步骤S15中所述，参考臂中的后向散射光和样品臂中的反射光发生干涉，被探测器19接收，并输入计算机1，进行分析成像。

第二步，先让样品10产生SBS，再探测样品10在产生布里渊散射时的OCT图像。具体步骤如下：

S21：打开第一激光器2，输出一束532nm的竖直偏振光；

S22：上述竖直偏振光，经过第一偏振耦合器6反射后入射四分之波片8，变成圆偏振光，经过聚焦透镜9入射样品10，产生SBS信号；

S23：接收样品10产生的后向布里渊散射信号，通过四分之波片8后变为水平偏振光，经镀全反膜玻璃平板7反射后，透射过第二偏振耦合器12，经过平面镜13反射后，通过准直系统14准直后入射到F-P标准具15进行分光，最后由ICCD 16记录散射光谱；

S24：同上述步骤S11～S16，探测样品10在SBS激励下的OCT图像。

第三步，对比上述两步得到的OCT图像，分析计算血液的成像特征和特征参数。

本发明可以对SBS超声场激励下的液体，包括牛顿流体及非牛顿流体进行光学相干层析成像。也可以利用本发明，将布里渊散射和OCT成像结合，对流体特征参数进行探测。

Claims (2)

1.一种SBS超声场激励下的OCT成像装置，包括：计算机、第一激光器、第二激光器、F-P标准具、ICCD、分束镜和探测器，其特征在于，计算机分别连接第一激光器、第二激光器、第三平面镜、探测器和ICCD；第二激光器的出射光线与第一半波片、第一偏振耦合器、镀全反膜玻璃平板、四分之波片和聚焦透镜的轴线共轴，并依次透过第一半波片、第一偏振耦合器、四分之波片和聚焦透镜，随后入射样品；在镀全反膜玻璃平板的一侧依次设置有第二偏振耦合器和第二平面镜；后向散射光被第二偏振耦合器反射后，依次通过共轴的第二半波片、分束镜进入探测器；分束镜一侧依次设置有第一偏振耦合器和第一平面镜，第一激光器的出射光线通过第一平面镜反射后被第一偏振耦合器反射，然后依次通过镀全反膜玻璃平板、四分之波片、聚焦透镜入射样品；分束镜的另一侧设置有第三平面镜；在第二偏振耦合器的另一侧设置有第二平面镜，第二平面镜的一侧设置有准直系统、F-P标准具及ICCD，且第二平面镜的出射光线与准直系统和F-P标准具共轴，第二平面镜的出射光线经准直系统入射F-P标准具并由ICCD接收。

2.一种如权利要求1所述的SBS超声场激励下的OCT成像装置的成像方法，其特征在于，其步骤如下：

1）采集单独的TD-OCT信号：

S11：打开第二激光机，输出一束竖直偏振光；

S12：所述竖直偏振光经过第一半波片变成水平偏振光，随后通过第一偏振耦合器后继续向前传播，作为OCT系统的样品臂，其余被反射的光作为OCT系统的参考臂；

S13：所述样品臂中，通过第一偏振耦合器的水平偏振光，通过四分之波片后变成圆偏振光，经过聚焦透镜，聚焦于样品中；

S14：从所述样品中返回的散射光通过四分之波片后变成竖直偏振光，经镀有全反膜玻璃平板反射，再经第二偏振耦合器反射，通过第二半波片变为水平偏振光，进入分束镜；

S15：所述参考臂中，经过第一偏振耦合器反射的水平偏振光，通过分束镜后被第三平面镜反射，随后入射分束镜，与上述步骤S14中水平偏振光发生干涉，并被探测器接收，输入计算机进行分析成像；

2）采集被探测液体在布里渊散射超声场激励下的所述样品的TD-OCT图像：

S21：打开第一激光器，输出一束竖直偏振光；

S22：上述竖直偏振光被第一偏振耦合器反射，并入射四分之波片，变成圆偏振光，经过聚焦透镜入射所述样品，激发所述样品处于SBS超声场激励状态；

S23：所述样品中返回的后向布里渊散射光信号，通过四分之波片变成水平偏振光，并一次经过镀全反膜玻璃平板反射、第二偏振耦合器透射，第二平面镜反射后，通过准直系统准直后入射到F-P标准具上进行分光，最后由ICCD记录散射光谱，并输入计算机；

S24：同步骤S11～S15，获得所述样品在产生SBS时的OCT图像；

3）对比步骤1）和步骤2）得到的OCT图像，分析计算被测液体的成像特征和特征参数。