CN109297596B - 可消除oct共轭镜像的定相差双路线阵谱域oct装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可消除OCT共轭镜像的定相差双路线阵谱域OCT装置及方法，包括超辐射发光二极管、准直器、第一分束镜、第二分束镜、第三分束镜、第四分束镜、第一柱透镜、第二柱透镜、第三柱透镜、第一聚焦物镜、第二聚焦物镜、反射镜、第一二维光谱仪、第二二维光谱仪、以及上位机。本发明能够一次性产生相位差90°的两个二维干涉信号并使用两个二维光谱仪同步采集两二维干涉信号，然后结合两相去共轭镜像法去除共轭镜像。

Description

可消除OCT共轭镜像的定相差双路线阵谱域OCT装置及方法

技术领域

本发明涉及成像领域，特别是一种可消除OCT共轭镜像的定相差双路线阵谱域OCT装置及方法。

背景技术

线阵谱域OCT能够在一次性获得样品整个轴向界面的成像，实现快速的三维成像。但传统的线阵谱域OCT系统却存在着一些缺点。传统线阵谱域OCT所产生的干涉信号是复数域的干涉信号，具有实部与虚部，然而，传统线阵谱域OCT的二维光谱仪只能采集到样品干涉信号的实部信息。由于干涉信号的缺失，在进行快速傅里叶变换时会产生混频，使得系统成像时存在两个像，即真实的像与共轭镜像。为了使成像结果不受共轭镜像影响，一般将样品放置于零光程位置的一侧，这便使得传统的线阵谱域OCT的成像深度只有2-7mm。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提出一种可消除OCT共轭镜像的定相差双路线阵谱域OCT装置及方法，能够一次性产生相位差90°的两个二维干涉信号并使用两个二维光谱仪同步采集两二维干涉信号，然后结合两相去共轭镜像法去除共轭镜像。

本发明采用以下方案实现：一种可消除OCT共轭镜像的定相差双路线阵谱域OCT装置，包括超辐射发光二极管、准直器、第一分束镜、第二分束镜、第三分束镜、第四分束镜、第一柱透镜、第二柱透镜、第三柱透镜、第一聚焦物镜、第二聚焦物镜、反射镜、第一二维光谱仪、第二二维光谱仪、以及上位机；

所述第一分束镜的四个方向分别设置有第一柱透镜、第二柱透镜、第二分束镜、第三分束镜；所述第二分束镜在一个出光方向上设置有第一聚焦物镜，另一个出光方向与第四分束镜的一个出光方向相对；所述第三分束镜的一个出光方向上依次设置有第二聚焦物镜以及反射镜，另一个出光方向与第四分束镜的另一个出光方向相对；所述第四分束镜不与第二分束镜、第三分束镜相对的一个出光方向上设置有第三柱透镜；

所述超辐射发光二极管发出的光经所述准直器准直成一束平行光；所述平行光依次经过水平放置的第一柱透镜、第一分束镜分成功率相等的两束光，一束为样品光，一束为参考光；所述样品光从第一分束镜出射后，依次经过第二分束镜与第一聚焦物镜照射向样品；所述参考光从第一分束镜出射后，依次经第三分束镜、第二聚焦物镜照射向反射镜；样品的背向散射光射回第二分束镜分成功率相等的A口样品光和B口样品光，当A口样品光和参考光的光程差在光源相干范围之内并在第一分束镜处重合时产生干涉，该干涉光束被水平放置的第二柱透镜重新准直后照射向第一二维光谱仪；当B口样品光和参考光的光程差在光源相干范围之内并在第四分束镜处重合时产生干涉，该干涉光束被水平放置的第三柱透镜重新准直后照射向第二二维光谱仪；

第一光谱仪与第二光谱仪均与所述上位机电性相连，通过上位机控制两个光谱仪同步采集样品的两相位差为90°的干涉信号。

进一步地，每个光谱仪均包括三个柱透镜、一个狭缝、一个反射镜、一个反射式刻线衍射光栅、以及一面阵相机；干涉信号在光谱仪中的光路上依次设置有柱透镜、狭缝、柱透镜、反射镜、反射式刻线衍射光栅、柱透镜、面阵相机。

进一步地，所述第一分束镜、第二分束镜、第三分束镜以及第四分束镜组成干涉仪，该干涉仪结合了迈克耳孙干涉仪和马赫-泽德干涉仪的特点。

本发明还提供了一种基于上文所述的可消除OCT共轭镜像的定相差双路线阵谱域OCT装置的方法，包括以下步骤：

步骤S1：所述准直器将所述超辐射发光二极管所发射出的光准直成平行光；

步骤S2：该平行光经过水平放置的第一柱透镜，然后经过第一分束镜被分成功率相等的两束光，一束为样品光，一束为参考光；样品光依次经过第二分束镜、第一聚焦物镜聚焦成线照射向样品，参考光依次经过第三分束镜、第二聚焦物镜聚焦成线照射向反射镜；样品的背向散射光经过第二分束镜分成功率相等的A口样品光和B口样品光，反射镜反射回来的光经过第三分束镜分成功率相等的A口参考光和B口参考光；当A口样品光和参考光的光程差在光源相干范围之内并在第一分束镜处重合时产生A口干涉光束，该A口干涉光束被水平放置的第二柱透镜重新准直后照射向第一二维光谱仪；当B口样品光和参考光的光程差在光源相干范围之内并在第四分束镜处重合时产生B口干涉光束，该B口干涉光束被水平放置的第三柱透镜重新准直后照射向第二二维光谱仪；

步骤S3：调节第一分束镜与第四分束镜组成的分束镜组，使得A口干涉信号与B口干涉信号的相位差为90°；

步骤S4：A口产生的干涉信号被第一二维光谱仪中的反射式刻线衍射光栅按波长展开并被面阵相机所捕获；B口产生的干涉信号被第二二维光谱仪中的反射式刻线衍射光栅按波长展开并被面阵相机所捕获；其中，面阵相机能并行的获得多行干涉信号，所捕获的干涉信号的公式表达如式(1)所示：

式中，DC为直流信号，AC为样品臂各层的自相干信号，A_nr是光源的光强分布函数，A_nm表示样品一次背向散射光光强分布函数，I_nn表示样品臂直流信号，I_rr表示参考臂直流，z_n和z_m是样品臂的光程，z_r是参考臂的光程，k为波数；

步骤S5：对两二维光谱仪中的面阵相机所捕获的不同相位的干涉信号进行信号重构，得到复数域的干涉信号；

步骤S6：对复数域的干涉信号进行快速傅里叶变换，去除共轭镜像，获得样品一个轴向界面的成像。

进一步地，步骤S4具体包括以下步骤：

步骤S41：将公式(1)简化为公式(4)：

式中，I₀(k)表示直流信号与自相干信号之和，为各反射层干涉信号的合相位，φ为A口与B口干涉信号的相位差；

步骤S42：A口的面阵相机捕获的干涉信号其公式表达如式(5)所示，B口的面阵相机捕获的干涉信号其公式如式(6)所示：

步骤S43：采集参考臂和样品臂的直流，扣去公式(5)(6)中的直流信号与自相干信号后，将公式(5)、(6)表达为：

通过式(7)，计算出各个波长处的干涉信号的强度与相位：

步骤S44：重构后的干涉信号表示为：

本发明能够一次性获得样品的两个相位差为90°的二维干涉信号，并使用两个二维光谱仪对两干涉信号进行同步采集。扣除干涉信号的直流噪声后，利用两相去共轭镜像的方法重构出复数域干涉信号，对复数域干涉信号进行快速傅里叶变换可获得样品轴向截面成像。因为系统采用新型线阵干涉仪结构获得相位差为90°的两二维干涉信号，无需移相器，所以获得的干涉信号的相位差不受移相器性能与外界环境影响。

本发明针对传统线阵谱域OCT存在共轭镜像的问题提出了一种结合了迈克耳孙干涉仪和马赫-泽德干涉仪的结构特点的定相差双路线阵谱域OCT，能够产生两个相位差固定为90°的干涉信号，同时通过两个二维光谱仪同步采集两个相位的二维干涉信号。这种新型结构的线阵谱域OCT系统相对于传统的线阵谱域OCT系统来说虽然增加了一个二维光谱仪，但两干涉信号的相位差稳定，且在满足线阵谱域OCT横向并行探测的同时增加系统的成像深度。

与现有技术相比，本发明有以下有益效果：相对于传统移相法，本发明的定相差双路线阵谱域OCT无需移相器便可获得相位差为90°的两干涉信号，干涉信号的相位差不受移相器性能的影响，抗干扰能力较强，同时，能够在不降低线阵谱域OCT高速成像的情况下增加系统成像深度。相对于采用3×3光纤耦合器的系统，系统的研发成本较低，结构简单，易于商业化。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图。

图2为本发明实施例的A口干涉光谱及二维成像结果图。

图3为本发明实施例的B口干涉光谱及二维成像结果图。

图4为本发明实施例的重构后干涉信号的实部与虚部图。

图5为本发明实施例的重构后的二维成像结果图。

图中，1为超辐射发光二极管，2为准直器、3为第一分束镜、4为第二分束镜、5为第三分束镜、6为第四分束镜、7为第一柱透镜、8为第二柱透镜、9为第三柱透镜、10为第一聚焦物镜、11为第二聚焦物镜、12为反射镜、13为第一二维光谱仪、14为第二二维光谱仪、15为上位机；16、17、18均为第一二维光谱仪中的柱透镜，19为第一二维光谱仪中的狭缝，20为第一二维光谱仪中的反射镜，21为第一二维光谱仪中的反射式刻线衍射光栅，22为第一二维光谱仪中的面阵相机；23、24、25均为第二二维光谱仪中的柱透镜，26为第二二维光谱仪中的狭缝，27为第二二维光谱仪中的反射镜，28为第二二维光谱仪中的反射式刻线衍射光栅，29为第二二维光谱仪中的面阵相机，30为样品。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

如图1所示，本实施例提供了一种可消除OCT共轭镜像的定相差双路线阵谱域OCT装置，包括超辐射发光二极管1、准直器2、第一分束镜3、第二分束镜4、第三分束镜5、第四分束镜6、第一柱透镜7、第二柱透镜8、第三柱透镜9、第一聚焦物镜10、第二聚焦物镜11、反射镜12、第一二维光谱仪13、第二二维光谱仪14、以及上位机15；

所述第一分束镜的四个方向分别设置有第一柱透镜、第二柱透镜、第二分束镜、第三分束镜；所述第二分束镜在一个出光方向上设置有第一聚焦物镜，另一个出光方向与第四分束镜的一个出光方向相对；所述第三分束镜的一个出光方向上依次设置有第二聚焦物镜以及反射镜，另一个出光方向与第四分束镜的另一个出光方向相对；所述第四分束镜不与第二分束镜、第三分束镜相对的一个出光方向上设置有第三柱透镜；

所述超辐射发光二极管发出的光经所述准直器准直成一束平行光；所述平行光依次经过水平放置的第一柱透镜、第一分束镜分成功率相等的两束光，一束为样品光，一束为参考光；所述样品光从第一分束镜出射后，依次经过第二分束镜与第一聚焦物镜照射向样品；所述参考光从第一分束镜出射后，依次经第三分束镜、第二聚焦物镜照射向反射镜；样品的背向散射光射回第二分束镜分成功率相等的A口样品光和B口样品光，当A口样品光和参考光的光程差在光源相干范围之内并在第一分束镜处重合时产生干涉，该干涉光束被水平放置的第二柱透镜重新准直后照射向第一二维光谱仪；当B口样品光和参考光的光程差在光源相干范围之内并在第四分束镜处重合时产生干涉，该干涉光束被水平放置的第三柱透镜重新准直后照射向第二二维光谱仪；

第一光谱仪与第二光谱仪均与所述上位机电性相连，通过上位机控制两个光谱仪同步采集样品的两相位差为90°的干涉信号。

在本实施例中，每个光谱仪均包括三个柱透镜、一个狭缝、一个反射镜、一个反射式刻线衍射光栅、以及一面阵相机；干涉信号在光谱仪中的光路上依次设置有柱透镜、狭缝、柱透镜、反射镜、反射式刻线衍射光栅、柱透镜、面阵相机。

在本实施例中，所述第一分束镜、第二分束镜、第三分束镜以及第四分束镜组成干涉仪，该干涉仪结合了迈克耳孙干涉仪和马赫-泽德干涉仪的特点。

本实施例还提供了一种基于上文所述的可消除OCT共轭镜像的定相差双路线阵谱域OCT装置的方法，包括以下步骤：

步骤S1：所述准直器将所述超辐射发光二极管所发射出的光准直成平行光；

步骤S2：该平行光经过水平放置的第一柱透镜，然后经过第一分束镜被分成功率相等的两束光，一束为样品光，一束为参考光；样品光依次经过第二分束镜、第一聚焦物镜聚焦成线照射向样品，参考光依次经过第三分束镜、第二聚焦物镜聚焦成线照射向反射镜；样品的背向散射光经过第二分束镜分成功率相等的A口样品光和B口样品光，反射镜反射回来的光经过第三分束镜分成功率相等的A口参考光和B口参考光；当A口样品光和参考光的光程差在光源相干范围之内并在第一分束镜处重合时产生A口干涉光束，该A口干涉光束被水平放置的第二柱透镜重新准直后照射向第一二维光谱仪；当B口样品光和参考光的光程差在光源相干范围之内并在第四分束镜处重合时产生B口干涉光束，该B口干涉光束被水平放置的第三柱透镜重新准直后照射向第二二维光谱仪；

步骤S3：调节第二分束镜与第四分束镜组成的分束镜组，使得A口干涉信号与B口干涉信号的相位差为90°；

步骤S4：A口产生的干涉信号被第一二维光谱仪中的反射式刻线衍射光栅按波长展开并被面阵相机所捕获；B口产生的干涉信号被第二二维光谱仪中的反射式刻线衍射光栅按波长展开并被面阵相机所捕获；其中，面阵相机能并行的获得多行干涉信号，所捕获的干涉信号的公式表达如式(1)所示：

式中，DC为直流信号，AC为样品臂各层的自相干信号，A_nr是光源的光强分布函数，A_nm表示样品一次背向散射光光强分布函数，I_nn表示样品臂直流信号，I_rr表示参考臂直流，z_n和z_m是样品臂的光程，z_r是参考臂的光程，k为波数；

步骤S5：对两二维光谱仪中的面阵相机所捕获的不同相位的干涉信号进行信号重构，得到复数域的干涉信号；

步骤S6：对复数域的干涉信号进行快速傅里叶变换，去除共轭镜像，获得样品一个轴向界面的成像。

在本实施例中，步骤S4具体包括以下步骤：

步骤S41：将公式(1)简化为公式(4)：

式中，I₀(k)表示直流与自相干信号之和，为各反射层干涉信号的合相位，φ为A口与B口干涉信号的相位差；

步骤S42：A口的面阵相机捕获的干涉信号其公式表达如式(5)所示，B口的面阵相机捕获的干涉信号其公式如式(6)所示：

步骤S43：采集参考臂和样品臂的直流，扣去公式(5)(6)中的直流与自相干信号后，将公式(5)、(6)表达为：

通过式(7)，计算出各个波长处的干涉信号的强度与相位：

步骤S44：重构后的干涉信号表示为：

重构后的干涉信号实部与虚部如图4所示，对重构后的复数域干涉信号进行快速傅里叶变换便可得到样品的轴向界面成像。如图5所示，样品位于距零光程200微米处，对比于图2、图3中的传统线阵谱域OCT测量结果可看出，在-200微米处的共轭镜像得到了有效抑制。

本实施例能够一次性获得样品的两个相位差为90°的二维干涉信号，并使用两个二维光谱仪对两干涉信号进行同步采集。扣除干涉信号的直流噪声后，利用两相去共轭镜像的方法重构出复数域干涉信号，对复数域干涉信号进行快速傅里叶变换可获得样品轴向截面成像。因为系统采用新型线阵干涉仪结构获得相位差为90°的两二维干涉信号，无需移相器，所以获得的干涉信号的相位差不受移相器性能与外界环境影响。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (5)

1.一种可消除OCT共轭镜像的定相差双路线阵谱域OCT装置，其特征在于：包括超辐射发光二极管、准直器、第一分束镜、第二分束镜、第三分束镜、第四分束镜、第一柱透镜、第二柱透镜、第三柱透镜、第一聚焦物镜、第二聚焦物镜、反射镜、第一二维光谱仪、第二二维光谱仪、以及上位机；

所述第一分束镜的四个方向分别设置有第一柱透镜、第二柱透镜、第二分束镜、第三分束镜；所述第二分束镜在一个出光方向上设置有第一聚焦物镜，另一个出光方向与第四分束镜的一个出光方向相对；所述第三分束镜的一个出光方向上依次设置有第二聚焦物镜以及反射镜，另一个出光方向与第四分束镜的另一个出光方向相对；所述第四分束镜不与第二分束镜、第三分束镜相对的一个出光方向上设置有第三柱透镜；

所述超辐射发光二极管发出的光经所述准直器准直成一束平行光；所述平行光依次经过水平放置的第一柱透镜、第一分束镜分成功率相等的两束光，一束为样品光，一束为参考光；所述样品光从第一分束镜出射后，依次经过第二分束镜与第一聚焦物镜照射向样品；所述参考光从第一分束镜出射后，依次经第三分束镜、第二聚焦物镜照射向反射镜；样品的背向散射光射回第二分束镜分成功率相等的A口样品光和B口样品光，当A口样品光和参考光的光程差在光源相干范围之内并在第一分束镜处重合时产生干涉，该干涉光束被水平放置的第二柱透镜重新准直后照射向第一二维光谱仪；当B口样品光和参考光的光程差在光源相干范围之内并在第四分束镜处重合时产生干涉，该干涉光束被水平放置的第三柱透镜重新准直后照射向第二二维光谱仪；

第一光谱仪与第二光谱仪均与所述上位机电性相连，通过上位机控制两个光谱仪同步采集样品的两相位差为90°的干涉信号；

所述第三分束镜与第四分束镜组成的分束镜组的位置使得光开关A口与光开关B口采集的干涉光束的相位差为90°。

2.根据权利要求1所述的一种可消除OCT共轭镜像的定相差双路线阵谱域OCT装置，其特征在于：每个光谱仪均包括三个柱透镜、一个狭缝、一个反射镜、一个反射式刻线衍射光栅、以及一面阵相机；干涉信号在光谱仪中的光路上依次设置有柱透镜、狭缝、柱透镜、反射镜、反射式刻线衍射光栅、柱透镜、面阵相机。

3.根据权利要求1所述的一种可消除OCT共轭镜像的定相差双路线阵谱域OCT装置，其特征在于：所述第一分束镜、第二分束镜、第三分束镜以及第四分束镜组成干涉仪，该干涉仪结合了迈克耳孙干涉仪和马赫-泽德干涉仪的特点。

4.一种基于权利要求1所述的可消除OCT共轭镜像的定相差双路线阵谱域OCT装置的方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤S1：所述准直器将所述超辐射发光二极管所发射出的光准直成平行光；

步骤S2：该平行光经过水平放置的第一柱透镜，然后经过第一分束镜被分成功率相等的两束光，一束为样品光，一束为参考光；样品光依次经过第二分束镜、第一聚焦物镜聚焦成线照射向样品，参考光依次经过第三分束镜、第二聚焦物镜聚焦成线照射向反射镜；样品的背向散射光经过第二分束镜分成功率相等的A口样品光和B口样品光，反射镜反射回来的光经过第三分束镜分成功率相等的A口参考光和B口参考光；当A口样品光和参考光的光程差在光源相干范围之内并在第一分束镜处重合时产生A口干涉光束，该A口干涉光束被水平放置的第二柱透镜重新准直后照射向第一二维光谱仪；当B口样品光和参考光的光程差在光源相干范围之内并在第四分束镜处重合时产生B口干涉光束，该B口干涉光束被水平放置的第三柱透镜重新准直后照射向第二二维光谱仪；

步骤S3：调节第一分束镜与第四分束镜组成的分束镜组，使得A口干涉信号与B口干涉信号的相位差为90°；

步骤S4：A口产生的干涉信号被第一二维光谱仪中的反射式刻线衍射光栅按波长展开并被面阵相机所捕获；B口产生的干涉信号被第二二维光谱仪中的反射式刻线衍射光栅按波长展开并被面阵相机所捕获；其中，面阵相机能并行的获得多行干涉信号，所捕获的干涉信号的公式表达如式(1)所示：

式中，DC为直流信号，AC为样品臂各层的自相干信号，A_nr是光源的光强分布函数，A_nm表示样品一次背向散射光光强分布函数，I_nn表示样品臂直流信号，I_rr表示参考臂直流，z_n和z_m是样品臂的光程，z_r是参考臂的光程，k为波数；

步骤S5：对两二维光谱仪中的面阵相机所捕获的不同相位的干涉信号进行信号重构，得到复数域的干涉信号；

步骤S6：对复数域的干涉信号进行快速傅里叶变换，去除共轭镜像，获得样品一个轴向界面的成像。

5.根据权利要求4所述的一种基于可消除OCT共轭镜像的定相差双路线阵谱域OCT装置的方法，其特征在于：步骤S4具体包括以下步骤：

步骤S41：将公式(1)简化为公式(4)：

式中，I₀(k)表示直流信号与自相干信号之和，为各反射层干涉信号的合相位，φ为A口与B口干涉信号的相位差；

步骤S42：A口的面阵相机捕获的干涉信号其公式表达如式(5)所示，B口的面阵相机捕获的干涉信号其公式如式(6)所示：

步骤S43：采集参考臂和样品臂的直流，扣去公式(5)(6)中的直流信号与自相干信号后，将公式(5)、(6)表达为：

通过式(7)，计算出各个波长处的干涉信号的强度与相位：

步骤S44：重构后的干涉信号表示为：