CN108535217A - 光学相干层析成像系统 - Google Patents

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丁庆
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Abstract

本发明涉及一种光学相干层析成像系统。该系统包括光源、光纤耦合器、透镜组、信号采集设备及信号处理设备。光源用于发射初始光；光纤耦合器用于将初始光分束，得到参考光和样品光；透镜组设置于光纤耦合器与待测样品之间的光路上；样品光经过光纤传输至透镜组，再经过透镜组入射至待测样品，并由待测样品反射，得到样品反射光；样品反射光经过透镜组并和参考光干涉，得到干涉光；透镜组用于降低样品光的损耗；信号采集设备用于探测干涉光以得到干涉光谱；信号处理设备用于处理干涉光谱得到待测样品的结构图像。上述光学相干层析成像系统可以增强干涉光的信号，从而使得干涉光谱中的光强较大，从而得到待测样品的结构图像的效果较好。

Description

光学相干层析成像系统
技术领域
本发明涉及成像技术领域，特别涉及一种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，简称OCT)技术开始于20世纪90年代，由于其具有分辨率高、非接触、快速、成本低等优势，因此受到广泛关注。OCT系统又分为时域OCT系统和频域OCT系统。时域OCT系统通过使用步进电机轴向移动参考光路扫描从而对待测样品成像，由于机械运动的限制使得时域OCT系统成像的速度较慢，难以用于在线样品检测。频域OCT系统并不需要机械运动来移动参考光路，而是通过光谱仪的分光直接测量样品反射光信号的频域信息。再通过傅里叶变换，将频域信息转换为时域信息，从而得到样品的结构图像。然而，频域OCT系统的成像效果并不理想。
发明内容
基于此，有必要针对频域OCT系统的成像效果并不理想的问题，提供一种光学相干层析成像系统。
一种光学相干层析成像系统，包括：
光源，用于发射初始光；
光纤耦合器，用于将所述初始光分束，得到参考光和样品光；
透镜组，设置于所述光纤耦合器与所述待测样品之间的光路上；所述样品光经过光纤传输至所述透镜组，再经过所述透镜组入射至待测样品，并由所述待测样品反射，得到样品反射光；所述样品反射光经过所述透镜组并和所述参考光干涉，得到干涉光；所述透镜组用于降低所述样品光的损耗；
信号采集设备，用于探测所述干涉光以得到干涉光谱；及
信号处理设备，用于处理所述干涉光谱得到所述待测样品的结构图像，以对所述待测样品进行在线检测。
上述光学相干层析成像系统中，在样品光传输至待测样品的光路上设置了透镜组。透镜组可以降低样品光的损耗，使得尽可能多的样品光能量到达待测样品，同时样品光被待测样品反射，得到样品反射光。由于光路可逆，样品反射光也经过透镜组传播，透镜组还可以降低样品反射光的损耗，使得与参考光干涉的样品反射光的能量尽可能强。这样可以增强干涉光的信号，从而使得干涉光谱中的光强较大，从而得到待测样品的结构图像的效果较好。
在其中一个实施例中，所述透镜组包括第一会聚透镜和第二会聚透镜，所述第一会聚透镜的焦距小于所述第二会聚透镜，所述第二会聚透镜的口径大于所述第一会聚透镜，所述第一会聚透镜和所述第二会聚透镜的光轴重合；所述样品光依次经过所述第一会聚透镜和所述第二会聚透镜会聚至所述待测样品。
在其中一个实施例中，所述第一会聚透镜的焦距在2mm至3.6mm的范围内；所述第二会聚透镜的焦距在70mm至80mm。
在其中一个实施例中，所述第二会聚透镜将发散的所述样品光转变为平行样品光；
所述透镜组包括第三会聚透镜，所述第三会聚透镜的光轴与所述第二会聚透镜的光轴重合，所述第三会聚透镜的口径不小于所述第二会聚透镜；所述第三会聚透镜将所述平行样品光会聚至所述待测样品。
在其中一个实施例中，所述第二会聚透镜和所述第三会聚透镜是消色差透镜。
在其中一个实施例中，所述信号采集设备是光谱仪；所述光谱仪包括：
光纤转接件，用于接收经过光纤传输的所述干涉光，并使得所述干涉光在自由空间传播；
第一准直透镜，接收光纤转接件出射的所述干涉光，并将所述干涉光转变为平行干涉光；
衍射光栅，用于使得所述平行干涉光发生衍射，并得到衍射光；
第二准直透镜，用于会聚所述衍射光；
线阵相机，用于接收所述衍射光，并由所述衍射光得到所述干涉光谱；及
第一套筒，用于集成所述第二准直透镜和所述线阵相机，且所述第二准直透镜和所述线阵相机在所述第一套筒内具有预设的相对位置。
在其中一个实施例中，系统还包括第二套筒，所述第二套筒用于集成所述光纤转接件和所述第一准直透镜，且所述光纤转接件与所述第一准直透镜具有预设的相对位置。
在其中一个实施例中，所述平行干涉光入射至所述衍射光栅的入射角为30°。
在其中一个实施例中，所述衍射光栅为透射式光栅。
在其中一个实施例中，所述第一准直透镜和所述第二准直透镜均是消色差透镜。
附图说明
图1为一实施例的光学相干层析成像系统的示意图；
图2是图1所示的实施例的信号采集设备的示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
图1为一实施例的光学相干层析成像系统100的示意图。一种光学相干层析成像系统100(简称系统)，包括光源110、光纤耦合器120、透镜组130、信号采集设备160和信号处理设备170。
光源110用于发射初始光。光源110是宽带光源110。例如，光源110发出的初始光的中心波长为840nm，带宽为100nm，输出功率为10mW。初始光经过光纤300传输至光纤耦合器120。
光纤耦合器120用于将初始光分束，得到参考光和样品光。光纤耦合器120的工作波长与初始光的参数一致。本实施例中，光纤耦合器120的中心波长是850nm，工作带宽是100nm。光纤耦合器120为2×2的光纤耦合器120，耦合比为50:50。
透镜组构成系统的样品臂。透镜组130用于降低样品光的损耗。样品光经过光纤300传输至透镜组130，再经过透镜组130入射至待测样品200，并由待测样品200反射，得到样品反射光。样品反射光经过透镜组130传播，并和参考光干涉，得到干涉光。由于样品反射光的信号太弱，不足以得到待测样品200的信息，对于干涉光，一方面，可以增强光信号强度；另一方面，从干涉光中可以得到样品反射光与参考光的信号差异，从该信号差异便可得到样品的信息。
需要说明的是，与样品反射光干涉的参考光可以是参考光本身，也可以是参考光经过反射或者其它光路变换的光束，只要与样品反射光干涉的光束的参数与参考光一致即可。
信号采集设备160用于探测干涉光，得到干涉光谱。本实施例中，信号采集设备160是光谱仪。
信号处理设备170用于处理干涉光谱，得到待测样品200的结构图像。对于待测样品200沿样品光传播方向的任一截面，信号处理设备170可以得到该截面的深度结构图像。信号处理设备170可以是计算机。
上述光学相干层析成像系统100中，在样品光传输至待测样品200的光路上设置了透镜组130。透镜组130可以降低样品光的损耗，使得尽可能多的样品光能量到达待测样品200，同时样品光被待测样品200反射，得到样品反射光。由于光路可逆，样品反射光也经过透镜组130传播，透镜组130还可以降低样品反射光的损耗，使得与参考光干涉的样品反射光的能量尽可能强。这样可以增强干涉光的信号，从而使得干涉光谱中的光强较大，从而得到待测样品200的结构图像的效果较好。
本实施例中，透镜组130包括第一会聚透镜131和第二会聚透镜132。第一会聚透镜131的焦距小于第二会聚透镜132。第二会聚透镜132的口径大于第一会聚透镜131。第一会聚透镜131和第二会聚透镜132的光轴重合。样品光依次经过第一会聚透镜131和第二会聚透镜132会聚至待测样品200。第一会聚透镜131靠近传输样品光的光纤300的输出端。由于样品光入射第一会聚透镜131时是发散光。第一会聚透镜131由于焦距较小，可以将样品光的能量尽量约束在一个小角度，从而可以减少样品光的能量损耗。本实施例中，第一会聚透镜131的焦距在2mm至3.6mm的范围内。
第一会聚透镜131的出射光经过第二会聚透镜132到达待测样品200处。本实施例中，第二会聚透镜132将发散的样品光转变为平行样品光。
透镜组130包括第三会聚透镜133，第三会聚透镜133的光轴与第二会聚透镜132的光轴重合。第三会聚透镜133的口径不小于第二会聚透镜132。第三会聚透镜133将平行样品光会聚至待测样品200。这样，在第二会聚透镜132至待测样品200的距离一定时，在第二会聚透镜132与待测样品200之间设置了第三会聚透镜133。第三会聚透镜133相对于第二会聚透镜132靠近待测样品200，并且第三会聚透镜133的口径不小于第二会聚透镜132，这样由待测样品200反射的样品反射光也可以尽可能多的进入到第三会聚透镜133，然后再沿样品光的光路传回至光纤耦合器120。因此，第三会聚透镜133避免了样品反射光的损耗，提高了样品光的回光效率，从而进一步降低了样品光的损耗。
本实施例中，第二会聚透镜132和第三会聚透镜133的焦距均在70mm至80mm，第二会聚透镜132和第三会聚透镜133的口径相等。这样，第二会聚透镜132和第三会聚透镜133的焦距远大于第一会聚透镜131。因此，第二会聚透镜132收集样品光的效率较高。第三会聚透镜133收集样品反射光的效率较高。本实施例中，第二会聚透镜132和第三会聚透镜133的焦距为75mm。第二会聚透镜132和第三会聚透镜133是消色差透镜。这样，第二会聚透镜132和第三会聚透镜133可以消除样品光的色散。使得系统成像的分辨率较高。
光学相干层析成像系统100还包括参考臂140。参考臂140包括参考准直透镜141和参考平面镜142。参考平面镜142与参考准直透镜141的光轴垂直。参考光经过光纤300传输至参考准直透镜141。参考准直透镜141将发散的参考光转变为平行光。平行光传输至参考平面镜142，并被参考平面镜142反射形成参考反射光。参考反射光沿着参考光的光路返回至光纤耦合器120。参考反射光与样品反射光在光纤耦合器120中发生干涉，得到干涉光。
光学相干层析成像系统100还包括光纤隔离器150。光纤隔离器150设置于光源110与光纤耦合器120之间的光路上。这样，光纤隔离器150可以将光源110的初始光引入至光纤耦合器120中，还可以隔离干涉光至光源110的光路，避免光源110被干涉光干扰。
需要说明的是，在其它实施例中，光束，比如初始光、参考光、样品光的传输媒介也可以不是光纤300。例如，光束的传输媒介也可以自由空间。
图2是图1所示的实施例的信号采集设备160的示意图。本实施例中，信号采集设备160是光谱仪。
光谱仪包括光纤转接件161、第一准直透镜162、平面反射镜163、衍射光栅164、第二准直透镜165、线阵相机166、第一套筒(未示出)及第二套筒(未示出)。
光纤转接件161用于接收经过光纤300传输的干涉光，并使得干涉光在自由空间传播。即光纤转接件161使得光的传播媒介由光纤300转为自由空间。
第一准直透镜162接收光纤转接件161出射的干涉光，并将干涉光转变为平行干涉光。
平面反射镜163接收平行干涉光，并将平行干涉光反射至衍射光栅164。此处，平面反射镜163用于改变光路，使得光谱仪的光学器件所占的空间较小。平行干涉光至平面反射镜163的入射角为30°。
衍射光栅164与平面反射镜163平行。衍射光栅164用于使得平行干涉光发生衍射，并得到衍射光。衍射光栅164为透射式光栅。即平行干涉光入射至衍射光栅164的入射角为30°，这样，可以使得光栅衍射一级效率最高，成像效果较好。
第二准直透镜165用于会聚衍射光。平行的衍射光入射至第二准直透镜165上，并由第二准直透镜165会聚至线阵相机166上。本实施例中，第一准直透镜162和第二准直透镜165均为消色差透镜，这样可以使得系统成像效果较好。
线阵相机166用于接收衍射光，并由衍射光得到干涉光谱。
第一套筒用于集成第二准直透镜165和线阵相机166，且第二准直透镜165和线阵相机166在第一套筒内具有预设的相对位置。这样可以避免线阵相机166与第二准直透镜165间的俯仰、上下、左右的调节，大大简化了光谱仪的调节问题，使用方便，从而使得光谱仪的工作效率较高。
第二套筒用于集成光纤转接件161和第一准直透镜162，且光纤转接件161与第一准直透镜162具有预设的相对位置。同样，可以使得光纤转接件161和第一准直透镜162安装方便，调节简单，从而使得光谱仪的工作效率较高。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种光学相干层析成像系统，其特征在于，包括：
光源，用于发射初始光；
光纤耦合器，用于将所述初始光分束，得到参考光和样品光；
透镜组，设置于所述光纤耦合器与所述待测样品之间的光路上；所述样品光经过光纤传输至所述透镜组，再经过所述透镜组入射至待测样品，并由所述待测样品反射，得到样品反射光；所述样品反射光经过所述透镜组并和所述参考光干涉，得到干涉光；所述透镜组用于降低所述样品光的损耗；
信号采集设备，用于探测所述干涉光以得到干涉光谱；及
信号处理设备，用于处理所述干涉光谱得到所述待测样品的结构图像，以对所述待测样品进行在线检测。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述透镜组包括第一会聚透镜和第二会聚透镜，所述第一会聚透镜的焦距小于所述第二会聚透镜，所述第二会聚透镜的口径大于所述第一会聚透镜，所述第一会聚透镜和所述第二会聚透镜的光轴重合；所述样品光依次经过所述第一会聚透镜和所述第二会聚透镜会聚至所述待测样品。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述第一会聚透镜的焦距在2mm至3.6mm的范围内；所述第二会聚透镜的焦距在70mm至80mm。
4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述第二会聚透镜将发散的所述样品光转变为平行样品光；
所述透镜组包括第三会聚透镜，所述第三会聚透镜的光轴与所述第二会聚透镜的光轴重合，所述第三会聚透镜的口径不小于所述第二会聚透镜；所述第三会聚透镜将所述平行样品光会聚至所述待测样品。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述第二会聚透镜和所述第三会聚透镜是消色差透镜。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述信号采集设备是光谱仪；所述光谱仪包括：
光纤转接件，用于接收经过光纤传输的所述干涉光，并使得所述干涉光在自由空间传播；
第一准直透镜，接收光纤转接件出射的所述干涉光，并将所述干涉光转变为平行干涉光；
衍射光栅，用于使得所述平行干涉光发生衍射，并得到衍射光；
第二准直透镜，用于会聚所述衍射光；
线阵相机，用于接收所述衍射光，并由所述衍射光得到所述干涉光谱；及
第一套筒，用于集成所述第二准直透镜和所述线阵相机，且所述第二准直透镜和所述线阵相机在所述第一套筒内具有预设的相对位置。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，还包括第二套筒，所述第二套筒用于集成所述光纤转接件和所述第一准直透镜，且所述光纤转接件与所述第一准直透镜具有预设的相对位置。
8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述平行干涉光入射至所述衍射光栅的入射角为30°。
9.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述衍射光栅为透射式光栅。
10.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述第一准直透镜和所述第二准直透镜均是消色差透镜。
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