CN108931478A - 单次采集无色散移相全场光学相干层析成像装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单次采集无色散移相全场光学相干层析成像装置及方法。该装置包括科勒照明、偏振分光器件、参考臂、样品臂、面阵CCD、FPGA和控制电路。该方法基于迈克尔逊干涉和低相干光源，采用偏振分光镜、四分之一玻片、偏振片和一对完全相同的CCD获得两组相位差相差π/2相位的干涉条纹，实现全波段无色散移相；配合希尔伯特算法，单次采集即可解调层析信号；由计算机处理得到样品的二维断层图，最终通过电控位移平台进行轴向扫描以获取三维信息；控制系统采用FPGA搭建电路以产生频率可调的高精度信号，同步控制双CCD、样品臂和参考臂电控位移平台。本发明可进行亚微米量级的生物组织的离体或在体成像，具有成像质量高、速度快的优点。

Description

单次采集无色散移相全场光学相干层析成像装置及方法

技术领域

本发明涉及全场光学相干层析成像(Full-field Optical CoherenceTomography,FF-OCT)技术领域，特别是一种单次采集无色散移相全场光学相干层析成像装置及方法。

背景技术

全场光学相干层析(Full-field Optical Coherence Tomography，FF-OCT)最早在1998年被提出，是一种非入侵性成像技术，可对生物组织等获取微米量级的在体光学断层成像，在生物医学领域具有重要的应用前景。FF-OCT系统以并行扫描方式的快速著称，一次扫描可得X-Y面的二维信息，在样品臂深度方向进行扫描即可获得三维结构。结合大NA显微物镜与宽带光源，FF-OCT可以同时获得超高横、纵分辨率约1微米，这种高分辨率的成像模式在组织细胞水平的成像中起着非常重要的作用。FF-OCT可以看作是全场照明显微镜与低相干干涉仪的结合。光源发出的光经由分光棱镜分束，分别入射参考臂和样品臂，由参考镜原路返回的参考光和样品光发生干涉，通过成像透镜，由面阵探测器采集图像，分析处理干涉图像，从而获得样品的光学信息。

为了解调出一幅正面光学断层图像的振幅，需要对干涉信号进行调制。采用压电陶瓷的移相法为调制相位的方法之一，通过在参考光束和样品光束间引入移相量，采集几幅干涉图像后，对其光强信号进行加减运算滤除干涉项与背景图像信息来获得样品的层析图，该方法具有操作简单、信息存储和处理量小的优点，常采用三步移相法、四步移相法。在全场OCT中，大多数全场OCT系统采用压电PZT(Piezoelectric transducer,PZT)陶瓷移相器移相，由于全场OCT采用宽带光源提高轴向分辨率，这会引起以下问题：一，PZT仅针对中心波长移相，存在色散，所以PZT移相需要算法补偿误差；二，无法运用在共光路系统中，当带宽小于60μm时，对比度误差小于2％；但当带宽在180μm时，对比度误差为22％。

因此，很多无色散移相器被研制。第一类为基于几何相位采用旋转波片的方式移相，该方法基于Pancharatnam相位或Berry相位的移相器。当光束偏振态沿某路径改变并回到初始态时，光束可获得一附加的移相量，该移相只依赖于偏振态改变的路径，而与波长无关，是一种无色散相移器。目前报道了在四分之一波片或者半波片后放置旋转偏振片的无色散移相装置。第二类QHQ(quarter-half-quarter)移相器的基本装置为两片四分之一波片之间插入旋转半波片。上述两类移相器的缺陷是：旋转光学器件改变相位，不仅效率低下而且会在成像系统引入机械振动。针对以上缺陷，液晶移相器LCPS(liquid-crystal phaseshifter)提供无机械振动的移相机制，将LQ(Liquid-crystal)或者铁电液晶FLC(ferroelectric liquid-crystal)代替旋转半波片改变相位。因为低触发电源电压和功率带来的快速可调谐双折射特性，液晶设备对偏振态的控制极为有效。2002年法国物理化学研究院采用偏振干涉，由光弹性双折射调制器产生频率(50kHz)极高的正弦信号调制两臂，参考光与样品光通过CCD前的检偏器后发生干涉，该方法采集速度快，但所使用的仪器复杂，实验过程不够简洁。2003年，日本山形大学采用基于移相法的双通道外差检测法，由两臂的液晶移相器(LCS)与脉冲配合对相干光引入π/2的相位差，且由两台CCD分别接收，同时采集两幅干涉图，使得成像时间大为缩短，但系统使用的迈克尔逊干涉结构两臂不能独立调节，且双CCD的同步与采集信号的计算量很大。

发明内容

本发明的目的是提供一种提高信号质量、增加采集速度的单次采集无色散移相全场光学相干层析成像装置及方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种单次采集无色散移相全场光学相干层析成像装置，包括光源、前置聚光镜、孔径光阑、视场光阑、照明会聚透镜、分光棱镜、中性滤波片、四分之一玻片、线偏振片、参考臂显微物镜、参考镜、参考臂电控位移平台、样品臂反射镜、色散补偿玻璃板、样品臂显微物镜、样品、样品臂电控位移平台、偏振分光镜、第一会聚透镜、第二会聚透镜、第一面阵CCD、第二面阵CCD、FPGA、计算机、参考臂电动位移平台控制器、样品臂电动位移平台控制器、第一CCD控制器、第二CCD控制器；

所述光源、前置聚光镜、孔径光阑、视场光阑、照明会聚透镜、分光棱镜构成科勒照明系统，中性滤波片、四分之一玻片、线偏振片、参考臂显微物镜、参考镜构成参考臂，样品臂反射镜、色散补偿玻璃板、样品臂显微物镜、样品、样品臂电控位移平台构成样品臂；参考臂显微物镜设置于分光棱镜的反射出射面，样品臂反射镜设置于分光棱镜的透射出射面；参考镜设置于参考臂电控位移平台上，样品设置于样品臂电控位移平台上，第一会聚透镜设置于偏振分光镜的透射出射面，第二会聚透镜设置于偏振分光棱镜的反射出射面，第一面阵CCD设置于第一会聚透镜的焦面上，第二面阵CCD设置于第二会聚透镜的焦面上；第一面阵CCD和第二面阵CCD的信号由FPGA同步，并接入计算机，FPGA发出的信号分别接入参考臂电动位移平台控制器、样品臂电动位移平台控制器、第一CCD控制器、第二CCD控制器，参考臂电动位移平台控制器接入参考臂电控位移平台，样品臂电动位移平台控制器接入样品臂电控位移平台。

一种单次采集无色散移相全场光学相干层析成像方法，其特征在于，步骤如下：

步骤1，光源发出的光束经过科勒照明系统，被非偏振敏感分光棱镜分成两束完全一样的光束，从分光棱镜反射面出射的光束进入参考臂，从分光棱镜的透射面出射的光束进入样品臂；

步骤2，进入参考臂的光束经过中性滤波片进行衰减，接着顺次经过四分之一玻片、线偏振片，入射至参考臂显微物镜的后焦平面上，在参考镜处获取均匀光，接着该均匀光束沿原路返回，参考臂返回的光是圆偏振光；

步骤3，进入样品臂的光束顺次经过样品臂反射镜转折光路、色散补偿玻璃板补偿系统色散，然后入射至样品臂显微物镜的后焦面上，样品获得均匀光照，样品光记录样品信息的自然后向散射光也沿原路返回；

步骤4，两束返回的光经过偏振分光镜发生干涉，分别从偏振分光镜出射，其中一组为圆偏振光的水平分量与样品光的干涉，另一组为圆偏振光的垂直分量与样品光的干涉，两者相位差相差π/2，相位相差π/2的干涉光分别经第一会聚透镜、第二会聚透镜成像至第一面阵CCD、第二面阵CCD，通过解调得到层析图。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：(1)移相精确度高，对全波段实现无色散移相；(2)断层成像速度快，希尔伯特移相算法仅需CCD采集一次即可成像；(3)成像质量高，不采用PZT进行物理伸缩移相，因此也不会产生运动伪影。

附图说明

图1为本发明单次采集无色散移相全场光学相干层析成像装置的结构示意图。

图2为本发明装置中控制系统信号传输示意图。

图3为本发明控制系统FPGA的电路示意图。

图中：1科勒照明光源，2前置聚光镜，3孔径光阑，4视场光阑、5照明会聚透镜，6分光棱镜，7中性滤波片，8四分之一玻片，9线偏振片，10参考臂显微物镜，11参考镜，12参考臂电控位移平台，13样品臂反射镜，14色散补偿玻璃板，15样品臂显微物镜，16样品，17样品臂电控位移平台，18偏振分光镜，19第一会聚透镜，20第二会聚透镜，21第一面阵CCD，22第二面阵CCD，23FPGA，24计算机，25参考臂电动位移平台控制器，26样品臂电动位移平台控制器，27第一CCD控制器，28第二CCD控制器，29分频电路，30累加寄存器，31波形存储器，32脉冲产生电路，33数模转换电路，34低通滤波器。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，本发明单次采集无色散移相全场光学相干层析成像装置，包括光源1、前置聚光镜2、孔径光阑3、视场光阑4、照明会聚透镜5、分光棱镜6、中性滤波片7、四分之一玻片8、线偏振片9、参考臂显微物镜10、参考镜11、参考臂电控位移平台12、样品臂反射镜13、色散补偿玻璃板14、样品臂显微物镜15、样品16、样品臂电控位移平台17、偏振分光镜18、第一会聚透镜19、第二会聚透镜20、第一面阵CCD21、第二面阵CCD22、FPGA23、计算机24、参考臂电动位移平台控制器25、样品臂电动位移平台控制器26、第一CCD控制器27、第二CCD控制器28；

所述光源1、前置聚光镜2、孔径光阑3、视场光阑4、照明会聚透镜5、分光棱镜6构成科勒照明系统，中性滤波片7、四分之一玻片8、线偏振片9、参考臂显微物镜10、参考镜11构成参考臂，样品臂反射镜13、色散补偿玻璃板14、样品臂显微物镜15、样品16、样品臂电控位移平台17构成样品臂；参考臂显微物镜10设置于分光棱镜6的反射出射面，样品臂反射镜13设置于分光棱镜6的透射出射面；参考镜11设置于参考臂电控位移平台12上，样品16设置于样品臂电控位移平台17上，第一会聚透镜19设置于偏振分光镜18的透射出射面，第二会聚透镜20设置于偏振分光棱镜18的反射出射面，第一面阵CCD21设置于第一会聚透镜19的焦面上，第二面阵CCD22设置于第二会聚透镜20的焦面上；第一面阵CCD21和第二面阵CCD22的信号由FPGA23同步，并接入计算机24，FPGA23发出的信号分别接入参考臂电动位移平台控制器25、样品臂电动位移平台控制器26、第一CCD控制器27、第二CCD控制器28，参考臂电动位移平台控制器25接入参考臂电控位移平台12，样品臂电动位移平台控制器26接入样品臂电控位移平台17。

进一步地，所述光源1发出的光经过前置聚光镜2会聚到孔径光阑3上，然后通过视场光阑4、照明会聚透镜5入射至分光棱镜6，分光棱镜6产生反射光和透射光，其中反射光入射参考臂，成像于参考臂显微物镜10的前焦面，返回的参考光沿原路返回并通过线偏振片9、四分之一波片8，得到参考圆偏振参考光；透射光经过样品臂反射镜13成像于样品臂显微物镜15的后焦面，样品光记录样品信息的自然后向散射光也沿原路返回；通过视场光阑4调节参考臂显微物镜10、样品臂显微物镜15后焦面上的照明视场大小；两束返回的光经过偏振分光镜18发生干涉，分别从偏振分光镜18出射，相位相差π/2的干涉光分别经第一会聚透镜19、第二会聚透镜20成像至第一面阵CCD21、第二面阵CCD22。

进一步地，参考臂中四分之一玻片8快轴与水平方向成45°或135°。

进一步地，所述的光源1为超辐射二极管、超辐射发光二极管、卤钨灯或超连续谱光源。

进一步地，所述的参考镜11为反射镜、K9玻璃或者YAG晶体。

进一步地，所述FGPA23包括分频电路29、累加寄存器30、波形存储器31、脉冲产生电路32、数模转换电路33、低通滤波器34，FGPA23利用直接数字频率合成器电路原理发出同步信号：一路方波信号输入至参考臂电动位移平台控制器25和样品臂电动位移平台控制器26，由参考臂电控位移平台12和样品臂电控位移平台17带着参考镜11和样品进行扫描；另一路TTL信号输入至第一CCD控制器27、第二CCD控制器28，开启第一面阵CCD21、第二面阵CCD22的感光元件，配合调制方式实现自动化采集。

一种单次采集无色散移相全场光学相干层析成像方法，步骤如下：

步骤1，光源1发出的光束经过科勒照明系统，被非偏振敏感分光棱镜6分成两束完全一样的光束，从分光棱镜6反射面出射的光束进入参考臂，从分光棱镜6的透射面出射的光束进入样品臂；

步骤2，进入参考臂的光束经过中性滤波片7进行衰减，接着顺次经过四分之一玻片8、线偏振片9，入射至参考臂显微物镜10的后焦平面上，在参考镜11处获取均匀光，接着该均匀光束沿原路返回，参考臂返回的光是圆偏振光，具体如下：

经过四分之一玻片8和线偏振片9的光束偏振态采用琼斯矩阵计算，快轴方向与X轴成45°的四分之一波片琼斯矩阵表示为J_AQWP：

其中，i表示虚数；

参考镜11不携带任何偏振信息，故返回的参考光经过线偏振片9后表示为E表示振幅，θ＝0表示光矢量与X轴的夹角，E_in入射至参考臂显微物镜10的后焦平面上，在参考镜11处获取均匀光，接着该均匀光束沿原路返回，参考臂到达偏振分光棱镜18之前的参考光束表示为E_out：

步骤3，进入样品臂的光束顺次经过样品臂反射镜13转折光路、色散补偿玻璃板14补偿系统色散，然后入射至样品臂显微物镜15的后焦面上，样品16获得均匀光照，样品光记录样品信息的自然后向散射光也沿原路返回；

步骤4，两束返回的光经过偏振分光镜18发生干涉，分别从偏振分光镜18出射，其中一组为圆偏振光的水平分量与样品光的干涉，另一组为圆偏振光的垂直分量与样品光的干涉，两者相位差相差π/2，相位相差π/2的干涉光分别经第一会聚透镜19、第二会聚透镜20成像至第一面阵CCD21、第二面阵CCD22，通过解调得到层析图；

所述相位相差π/2的干涉光分别经第一会聚透镜19、第二会聚透镜20成像至第一面阵CCD21、第二面阵CCD22，第一面阵CCD21、第二面阵CCD22接收的干涉信号I_A(x,y)和I_B(x,y)表示为：

其中，I_sam(x,y)和I_ref(x,y)分别表示相干平面处的直流信号，相干信号为I_inc(x,y)，表示初始相位，a为光强因子；

两正交干涉信号相减后得到S₁(x,y)，即S₁(x,y)≡I_A(x,y)-I_B(x,y)，简化后表示为：

其中最终得到：

通过希尔伯特变换，sin(·)函数变换成cos(·)函数，得到S₂(x,y)：

最终，一幅层析图的实际信号A(x,y)表示为：

图2为本发明的控制系统结构图。由计算机发出指令给FPGA23，接着FPGA23发出四路同步信号。一路模拟信号给参考臂电动位移平台控制器25，带动参考臂电控位移平台12轴向移动，改变光程；一路模拟信号给样品臂电动位移平台控制器26，带动样品臂电控位移平台17轴向移动，进行对焦调节，以实现样品不同深处断面的层析成像；最后两路TTL信号给第一CCD控制器27和第二CCD控制器28，开启第一面阵CCD 21和第二面阵CCD 22的感光元件配合调制方式实现自动化采集。

图3为本发明的控制系统中FPGA23包含的电路模块：分频电路29、累加寄存器30、波形存储器31、脉冲产生电路32、数模转换电路33、低通滤波器34。分频电路29可以得到频率可变的信号，有利于实验时的对信号的实时调整和测试。

Claims (9)

1.一种单次采集无色散移相全场光学相干层析成像装置，其特征在于，包括光源(1)、前置聚光镜(2)、孔径光阑(3)、视场光阑(4)、照明会聚透镜(5)、分光棱镜(6)、中性滤波片(7)、四分之一玻片(8)、线偏振片(9)、参考臂显微物镜(10)、参考镜(11)、参考臂电控位移平台(12)、样品臂反射镜(13)、色散补偿玻璃板(14)、样品臂显微物镜(15)、样品(16)、样品臂电控位移平台(17)、偏振分光镜(18)、第一会聚透镜(19)、第二会聚透镜(20)、第一面阵CCD(21)、第二面阵CCD(22)、FPGA(23)、计算机(24)、参考臂电动位移平台控制器(25)、样品臂电动位移平台控制器(26)、第一CCD控制器(27)、第二CCD控制器(28)；

所述光源(1)、前置聚光镜(2)、孔径光阑(3)、视场光阑(4)、照明会聚透镜(5)、分光棱镜(6)构成科勒照明系统，中性滤波片(7)、四分之一玻片(8)、线偏振片(9)、参考臂显微物镜(10)、参考镜(11)构成参考臂，样品臂反射镜(13)、色散补偿玻璃板(14)、样品臂显微物镜(15)、样品(16)、样品臂电控位移平台(17)构成样品臂；参考臂显微物镜(10)设置于分光棱镜(6)的反射出射面，样品臂反射镜(13)设置于分光棱镜(6)的透射出射面；参考镜(11)设置于参考臂电控位移平台(12)上，样品(16)设置于样品臂电控位移平台(17)上，第一会聚透镜(19)设置于偏振分光镜(18)的透射出射面，第二会聚透镜(20)设置于偏振分光棱镜(18)的反射出射面，第一面阵CCD(21)设置于第一会聚透镜(19)的焦面上，第二面阵CCD(22)设置于第二会聚透镜(20)的焦面上；第一面阵CCD(21)和第二面阵CCD(22)的信号由FPGA(23)同步，并接入计算机(24)，FPGA(23)发出的信号分别接入参考臂电动位移平台控制器(25)、样品臂电动位移平台控制器(26)、第一CCD控制器(27)、第二CCD控制器(28)，参考臂电动位移平台控制器(25)接入参考臂电控位移平台(12)，样品臂电动位移平台控制器(26)接入样品臂电控位移平台(17)。

2.根据权利要求1所述的单次采集无色散移相全场光学相干层析成像装置，其特征在于，所述光源(1)发出的光经过前置聚光镜(2)会聚到孔径光阑(3)上，然后通过视场光阑(4)、照明会聚透镜(5)入射至分光棱镜(6)，分光棱镜(6)产生反射光和透射光，其中反射光入射参考臂，成像于参考臂显微物镜(10)的前焦面，返回的参考光沿原路返回并通过线偏振片(9)、四分之一波片(8)，得到参考圆偏振参考光；透射光经过样品臂反射镜(13)成像于样品臂显微物镜(15)的后焦面，样品光记录样品信息的自然后向散射光也沿原路返回；通过视场光阑(4)调节参考臂显微物镜(10)、样品臂显微物镜(15)后焦面上的照明视场大小；两束返回的光经过偏振分光镜(18)发生干涉，分别从偏振分光镜(18)出射，相位相差π/2的干涉光分别经第一会聚透镜(19)、第二会聚透镜(20)成像至第一面阵CCD(21)、第二面阵CCD(22)。

3.根据权利要求1所述的单次采集无色散移相全场光学相干层析成像装置，其特征在于，参考臂中四分之一玻片(8)快轴与水平方向成45°或135°。

4.根据权利要求1所述的单次采集无色散移相全场光学相干层析成像装置，其特征在于，所述的光源(1)为超辐射二极管、超辐射发光二极管、卤钨灯或超连续谱光源。

5.根据权利要求1所述的单次采集无色散移相全场光学相干层析成像装置，其特征在于，所述的参考镜(11)为反射镜、K9玻璃或者YAG晶体。

6.根据权利要求1所述的单次采集无色散移相全场光学相干层析成像装置，其特征在于，所述FGPA(23)包括分频电路(29)、累加寄存器(30)、波形存储器(31)、脉冲产生电路(32)、数模转换电路(33)、低通滤波器(34)，FGPA(23)利用直接数字频率合成器电路原理发出同步信号：一路方波信号输入至参考臂电动位移平台控制器(25)和样品臂电动位移平台控制器(26)，由参考臂电控位移平台(12)和样品臂电控位移平台(17)带着参考镜(11)和样品进行扫描；另一路TTL信号输入至第一CCD控制器(27)、第二CCD控制器(28)，开启第一面阵CCD(21)、第二面阵CCD(22)的感光元件，配合调制方式实现自动化采集。

7.一种基于权利要求1所述单次采集无色散移相全场光学相干层析成像装置的单次采集无色散移相全场光学相干层析成像方法，其特征在于，步骤如下：

步骤1，光源(1)发出的光束经过科勒照明系统，被非偏振敏感分光棱镜(6)分成两束完全一样的光束，从分光棱镜(6)反射面出射的光束进入参考臂，从分光棱镜(6)的透射面出射的光束进入样品臂；

步骤2，进入参考臂的光束经过中性滤波片(7)进行衰减，接着顺次经过四分之一玻片(8)、线偏振片(9)，入射至参考臂显微物镜(10)的后焦平面上，在参考镜(11)处获取均匀光，接着该均匀光束沿原路返回，参考臂返回的光是圆偏振光；

步骤3，进入样品臂的光束顺次经过样品臂反射镜(13)转折光路、色散补偿玻璃板(14)补偿系统色散，然后入射至样品臂显微物镜(15)的后焦面上，样品(16)获得均匀光照，样品光记录样品信息的自然后向散射光也沿原路返回；

步骤4，两束返回的光经过偏振分光镜(18)发生干涉，分别从偏振分光镜(18)出射，其中一组为圆偏振光的水平分量与样品光的干涉，另一组为圆偏振光的垂直分量与样品光的干涉，两者相位差相差π/2，相位相差π/2的干涉光分别经第一会聚透镜(19)、第二会聚透镜(20)成像至第一面阵CCD(21)、第二面阵CCD(22)，通过解调得到层析图。

8.根据权利要求7所述的单次采集无色散移相全场光学相干层析成像方法，其特征在于，步骤2所述进入参考臂的光束经过中性滤波片(7)进行衰减，接着顺次经过四分之一玻片(8)、线偏振片(9)，入射至参考臂显微物镜(10)的后焦平面上，在参考镜(11)处获取均匀光，接着该均匀光束沿原路返回，参考臂返回的光是圆偏振光，具体如下：

经过四分之一玻片(8)和线偏振片(9)的光束偏振态采用琼斯矩阵计算，快轴方向与X轴成45°的四分之一波片琼斯矩阵表示为J_AQWP：

其中，i表示虚数；

参考镜(11)不携带任何偏振信息，故返回的参考光经过线偏振片(9)后表示为E表示振幅，θ＝0表示光矢量与X轴的夹角，E_in入射至参考臂显微物镜(10)的后焦平面上，在参考镜(11)处获取均匀光，接着该均匀光束沿原路返回，参考臂到达偏振分光棱镜(18)之前的参考光束表示为E_out：

9.根据权利要求7所述的单次采集无色散移相全场光学相干层析成像方法，其特征在于，步骤4所述相位相差π/2的干涉光分别经第一会聚透镜(19)、第二会聚透镜(20)成像至第一面阵CCD(21)、第二面阵CCD(22)，第一面阵CCD(21)、第二面阵CCD(22)接收的干涉信号I_A(x,y)和I_B(x,y)表示为：

其中，I_sam(x,y)和I_ref(x,y)分别表示相干平面处的直流信号，相干信号为I_inc(x,y)，表示初始相位，a为光强因子；

两正交干涉信号相减后得到S₁(x,y)，即S₁(x,y)≡I_A(x,y)-I_B(x,y)，简化后表示为：

其中最终得到：

通过希尔伯特变换，sin(·)函数变换成cos(·)函数，得到S₂(x,y)：

最终，一幅层析图的实际信号A(x,y)表示为：