CN109363638A - 长工作距离的共路型光学相干断层成像装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种长工作距离的共路型光学相干断层成像装置，光源所发出的光与光纤耦合器的入射端口连接，光纤耦合器的P1端口将来自光源的光经过光束扫描仪单元传导到样品，由光束扫描仪单元返回的共路光信号通过光纤耦合器的P1端口进入光纤耦合器、并通过光纤耦合器的P2端口传导到干涉仪单元中，经过干涉仪单元干涉的光进入光谱仪单元接收光信号。从上述组分可知，本发明的一种长工作距离的共路型光学相干断层成像装置，因为所用干涉仪单元中两臂之间的光程差只要和采样光路中光纤出射端面到样品的距离相匹配,就可以产生所需干涉信号,因此本装置的工作距离将远远大于传统的共路型OCT系统。

Description

长工作距离的共路型光学相干断层成像装置
技术领域
本发明涉及一种医用光学检测的技术领域，具体涉及一种长工作距离的共路型光学相干断层成像装置。
背景技术
光学相干断层成像（OCT）是一种基于光学相干原理的成像方法。由于其具有非接触、无损伤、高分辨率（微米量级）等突出优点，近年来被广泛应用于生物医学成像领域。
传统的OCT系统都以迈克尔逊干涉仪为基础，由超辐射发光二极管（SLD）或其他宽带光源出射的光经由光纤分束器后，被分成两个部分并分别到达参考臂与样品臂中，之后返回的参考光与样品光在光纤分束器上进行耦合，产生干涉信号。然而，由于通过参考臂与样品臂光纤的光具有不同的偏振状态，需额外使用偏振控制器调节光的偏振态，这不利于迈克尔逊干涉仪在手持式OCT成像探头中的应用，因为样品臂光纤的扰动会影响干涉信号强度。
共路型干涉仪是一种偏振态不敏感技术，在共路型OCT中，参考光和样品光通过同一条光纤进行传输，避免了样品光和参考光之间偏振态的不匹配，这使其广泛应用于OCT内窥成像领域。然而，在频率域OCT技术中，信号强度随着成像深度的增加而逐渐衰减。因此，在共路型OCT技术中，参考面和样品面之间的光程差不能太大，一般在2毫米以内，这限制了共路型OCT的工作距离。
为了增加共路型OCT的工作距离，人们将共路型OCT的参考光和样品光输入一个迈克尔逊干涉仪，重新进行干涉。因为迈克尔逊干涉仪的分束器只能将一半输入光传导到探测器上，这会造成超过50%的信号光损耗，大大降低了成像灵敏度。本发明介绍一种基于瑞利干涉仪的共路型OCT成像方法，它具有长的工作距离，并可以有效避免迈克尔逊干涉仪所引起的信号光损耗。这种成像技术可应用于手持式眼科成像设备以及医用内窥光学成像系统，对人体组织器官的微观结构进行检测。
发明内容
本发明的目的在于：克服现有技术的不足，提供一种长工作距离的共路型光学相干断层成像装置，因为所用干涉仪单元中两臂之间的光程差只要和采样光路中光纤出射端面到样品的距离相匹配,就可以产生所需干涉信号,因此本装置的工作距离将远远大于传统的共路型OCT系统；由于使用分波阵面干涉技术，避免了传统OCT系统中使用50/50分束器造成的干涉信号的损耗，可以提高系统的成像灵敏度；因为样品光和参考光在同一根光纤中传播，消除了采样光纤扰动对光干涉信号的影响，因此，本发明所描述的技术有利于手持式OCT成像装置和内窥OCT探头的制作
本发明所采取的技术方案是：
长工作距离的共路型光学相干断层成像装置，包括光源、光束扫描仪单元、光学干涉仪单元、光谱仪单元、数据采集控制单元和光纤耦合器，所述光源所发出的光与光纤耦合器的入射端口连接，光纤耦合器的P1端口将来自光源的光经过光束扫描仪单元传导到样品，由光束扫描仪单元返回的共路光信号通过光纤耦合器的P1端口进入光纤耦合器、并通过光纤耦合器的P2端口传导到干涉仪单元中，经过干涉仪单元干涉的光进入光谱仪单元接收光信号；另外，所述数据采集控制单元分别与光束扫描仪单元和光谱仪单元电连接。
本发明进一步改进方案是，所述光源所发出的光通过光学隔离器与光纤耦合器的入射端口连接。
本发明更进一步改进方案是，所述光源为宽带光源。
本发明更进一步改进方案是，所述光源为超辐射发光二极管。
本发明更进一步改进方案是，所述光束扫描仪单元包括与光纤耦合器的P1端口连接的准直透镜A、与准直透镜A连接的二维扫描振镜、以及与二维扫描振镜连接的透镜；从光纤耦合器输出的光经过准直透镜A入射到二维扫描振镜上，由二维扫描振镜反射的光束经过透镜汇聚于样品的表面，光纤耦合器的出光端口P1的光纤出射端面和光纤轴的切线方向有一个夹角α,从光纤端面反射的光Er为OCT参考光,从样品返回的光为Es, Er和Es的共路光信号由光纤传导回光纤耦合器。
本发明更进一步改进方案是，所述数据采集控制单元包括计算机，以及与计算机电连接的图像采集卡和数据采集卡，所述图像采集卡与光谱仪单元中的信号接收装置电连接，所述数据采集卡与光束扫描仪单元中的二维扫描振镜的角度偏转装置电连接；图像采集卡采集光谱仪单元中的信号接收装置接收的干涉光谱信号后传输至计算机处理，并发出驱动控制信号传输给数据采集卡，数据采集卡控制二维扫描振镜的角度偏转。
本发明更进一步改进方案是，所述干涉仪单元包括与光纤耦合器的端口P 2连接的分波阵面反射镜A，分波阵面反射镜A的下端为楔形，插入进入干涉仪单元的光路中、对光的波阵面进行分割，将一个圆形入射光分成上下两个半圆形；所述干涉仪单元还包括反射镜A、反射镜B和分波阵面反射镜B，进入干涉仪单元的光束通过分波阵面反射镜A下端的楔形结构分割后的一部分半圆形光从分波阵面反射镜A的下部通过、由反射镜A和反射镜B反射后、传输至分波阵面反射镜B，经分波阵面反射镜A反射的另外一部分半圆形光则直接传输到分波阵面反射镜B，和来自反射镜B的光进行会合，重新形成一个圆形光后进入光谱仪单元。
本发明更进一步改进方案是，所述分波阵面反射镜A与反射镜A之间设有玻璃平板，从分波阵面反射镜A下部通过的半圆形光经过玻璃平板后传输至反射镜A。
本发明更进一步改进方案是，所述反射镜A和反射镜B安装在一维移动台上,所述一维移动平台沿着面向或背向分波阵面反射镜A的方向前后移动。
本发明更进一步改进方案是，所述光纤耦合器的端口P 2与干涉仪单元之间设有准直透镜B，光纤耦合器的端口P 2的光经过准直透镜B后入射到干涉仪单元的分波阵面反射镜A。
本发明更进一步改进方案是，所述光谱仪单元包括反射镜D、光栅、聚焦透镜和线阵CCD，经过干涉仪单元干涉的光进入光谱仪单元后经过反射镜D反射后、依次经过光栅的衍射和聚焦透镜和汇聚后传输至线阵CCD的表面，线阵CCD接收的干涉光谱信号传输至数据采集控制单元。
本发明更进一步改进方案是，所述干涉仪单元与光谱仪单元之间设有反射镜C，干涉仪单元射出的光经过反射镜C后入射至反射镜D上。
工作原理如下：
由宽带光源出射的光经由光学隔离器进入光纤耦合器，并从光纤耦合器的P1端口出射，出射光由准直透镜A准直后，入射于二维扫描振镜的表面，反射光经过透镜后会聚在样品上；由样品散射的光从原路返回，从P1端口进入光纤耦合器；从P1端口的光纤端面反射的光Er和来自样品的样品光Es返回光纤耦合器，其中Er为OCT的参考光；来自光束扫描仪单元的样品光和参考光从光纤耦合器的P2端口出射，由准直透镜B准直以后，入射到干涉仪单元中。
从准直透镜B出射的光入射到分波阵面反射镜A。分波阵面反射镜A由上而下插入光路中，将入射光的上半部E1反射到分波阵面反射镜B上；此时，入射光的波阵面被分波阵面反射镜A分割成上下两部分。从分波阵面反射镜A下面通过的另一半光E2通过玻璃平板，由反射镜A和反射镜B反射，在分波阵面反射镜B的下部穿过，和由分波阵面反射镜B反射的另一部分光E1会和，重新形成一个圆形光斑；在干涉仪单元中，E1和E2两路光具有不同的光程，其光程差为d；干涉仪单元是一个分波阵面类型的干涉仪，它采用四个全反镜构成的结构来控制干涉仪两臂的光程差。在干涉仪单元中，入射光的波阵面先分割，再会和，这样可以避免传统迈克尔逊干涉仪中由分束器所引起的信号光损耗，使得OCT系统具有更高的成像灵敏度。
从干涉仪单元输出的光，经反射镜C反射，进入光谱仪单元；来自干涉仪单元的入射光的上半部E1和下半部分E2沿着同一方向入射到光栅，由光栅衍射的光经聚焦透镜会聚在线阵CCD的表面；当E1和E2的光程差d与P1端口的光纤端面到样品的光程匹配时，入射到线阵CCD的光场的上半部E1和下半部E2之间将产生干涉。
线阵CCD接收到的光谱干涉信号由图像采集卡进行采集，并传输到计算机中，然后利用传统OCT中的方法对采集到的光干涉信号进行后续数据处理，就可以得到所测样品内部的组织结构图像。
本发明的有益效果在于：
第一、本发明的长工作距离的共路型光学相干断层成像装置，因为所用干涉仪单元中两臂之间的光程差只要和采样光路中光纤出射端面到样品的距离相匹配,就可以产生所需干涉信号,因此本装置的工作距离将远远大于传统的共路型OCT系统。
第二、本发明的长工作距离的共路型光学相干断层成像装置，由于使用分波阵面干涉技术，避免了传统OCT系统中使用50/50分束器造成的干涉信号的损耗，可以提高系统的成像灵敏度。
第三、本发明的长工作距离的共路型光学相干断层成像装置，因为样品光和参考光在同一根光纤中传播，消除了采样光纤扰动对光干涉信号的影响，因此，本发明所描述的技术有利于手持式OCT成像装置和内窥OCT探头的制作。
附图说明：
图1为长工作距离共路型光学相干断层成像装置示意图。
图2为光纤耦合器的P1端口的光纤端面结构示意图。
图3为分波阵面反射镜A下端楔形结构示意图。
图4为干涉仪单元的光路传输示意图。
图5为光谱仪单元中经过反射镜D反射后的光路传输示意图。
图6为手指皮肤的结构图像。
具体实施方式：
结合图1~图5可知，长工作距离的共路型光学相干断层成像装置，包括光源1、光束扫描仪单元2、光学干涉仪单元3、光谱仪单元4、数据采集控制单元5和光纤耦合器7，所述光源1所发出的光与光纤耦合器7的入射端口连接，光纤耦合器7的P1端口将来自光源1的光经过光束扫描仪单元2传导到样品，由光束扫描仪单元2返回的共路光信号通过光纤耦合器7的P1端口进入光纤耦合器7、并通过光纤耦合器7的P2端口传导到干涉仪单元3中，经过干涉仪单元3干涉的光进入光谱仪单元4接收光信号；另外，所述数据采集控制单元5分别与光束扫描仪单元2和光谱仪单元4电连接。
所述光源1所发出的光通过光学隔离器6与光纤耦合器7的入射端口连接。
所述光源1为宽带光源。
所述光源1为超辐射发光二极管。
所述光束扫描仪单元2包括与光纤耦合器7的P1端口连接的准直透镜A8、与准直透镜A8连接的二维扫描振镜9、以及与二维扫描振镜9连接的透镜10；从光纤耦合器7输出的光经过准直透镜A8入射到二维扫描振镜9上，由二维扫描振镜9反射的光束经过透镜10汇聚于样品11的表面，光纤耦合器7的出光端口P1的光纤出射端面和光纤轴的切线方向有一个夹角α,从光纤端面反射的光Er为OCT参考光,从样品11返回的光为Es, Er和Es的共路光信号由光纤传导回光纤耦合器7。
所述数据采集控制单元5包括计算机25，以及与计算机25电连接的图像采集卡24和数据采集卡26，所述图像采集卡24与光谱仪单元4中的信号接收装置电连接，所述数据采集卡26与光束扫描仪单元2中的二维扫描振镜9的角度偏转装置电连接；图像采集卡24采集光谱仪单元4中的信号接收装置接收的干涉光谱信号后传输至计算机25处理，计算机25发出驱动控制信号传输给数据采集卡26，数据采集卡26控制二维扫描振镜9的角度偏转。
所述干涉仪单元3包括与光纤耦合器7的端口P 2连接的分波阵面反射镜A13，分波阵面反射镜A13的下端为楔形，插入进入干涉仪单元3的光路中、对光的波阵面进行分割，将一个圆形入射光分成上下两个半圆形；所述干涉仪单元3还包括反射镜A15、反射镜B17和分波阵面反射镜B18，进入干涉仪单元3的光束通过分波阵面反射镜A13下端的楔形结构分割后的一部分半圆形光从分波阵面反射镜A13的下部通过、由反射镜A15和反射镜B17反射后、传输至分波阵面反射镜B18，经分波阵面反射镜A13反射的另外一部分半圆形光则直接传输到分波阵面反射镜B18，和来自反射镜B17的光进行会合，重新形成一个圆形光后进入光谱仪单元4。
所述分波阵面反射镜A13与反射镜A15之间设有玻璃平板14，从分波阵面反射镜A13下部通过的半圆形光经过玻璃平板14后传输至反射镜A15。
所述反射镜A15和反射镜B17安装在一维移动台16上,所述一维移动平台16沿着面向或背向分波阵面反射镜A13的方向前后移动。
所述光纤耦合器7的端口P 2与干涉仪单元3之间设有准直透镜B12，光纤耦合器7的端口P 2的光经过准直透镜B12后入射到干涉仪单元3的分波阵面反射镜A13。
所述光谱仪单元4包括反射镜D20、光栅21、聚焦透镜22和线阵CCD23，经过干涉仪单元3干涉的光进入光谱仪单元4，经过反射镜D20反射后，依次经过光栅21的衍射和聚焦透镜22的汇聚，然后传输至线阵CCD23的表面，线阵CCD23接收的干涉光谱信号传输至数据采集控制单元5。
所述干涉仪单元3与光谱仪单元4之间设有反射镜C19，干涉仪单元3射出的光经过反射镜C19后入射至反射镜D20上。
实施例1
我们建立了一台如图1所示的长工作距离共路型光学相干断层成像装置，所使用的器件参数如下：光源1为一个中心波长为850nm，带宽33nm的功率可调SLD。光纤耦合器7的分光比为25：75,其中输出比例为25%的端口连接到光束扫描仪单元2，光纤耦合器7的P1端口的角度α约为3.5度。光束扫描仪单元中，透镜10的焦距为30mm，光纤耦合器7的P1端口的光纤端面到样品的距离大概为110mm。在干涉仪单元3中，所用的分波阵面反射镜A13、反射镜A15、反射镜B17和分波阵面反射镜B18均为镀银反射镜，干涉仪单元3中的两路光的分光比为50：50。
光谱仪单元4中，光栅21的参数为1200线/毫米，聚焦透镜22的焦距为150mm，线阵CCD23为E2V公司生产的线阵CCD相机，反射镜C19和反射镜D20均为镀银反射镜。实验所使用的图像采集卡为迈创（Matrox）公司的产品，型号为Solios eCL/XCL-B；实验所使用数据采集卡为美国国家标准仪器公司产品，型号为PCI6713。
测量得到OCT系统的纵向分辨率为7.5微米，我们利用本系统进行了成像实验，对象是人手指尖的皮肤，实验中，入射到手指指尖上的采样功率为600微瓦。实验得到的手指皮肤组织结构如图6所示，图像大小为3.8 毫米* 0.57毫米。由图6可以看出，本专利中所提出的方法完全可以用于生物组织的微观结构成像。

Claims (10)

1.长工作距离的共路型光学相干断层成像装置，其特征在于：包括光源（1）、光束扫描仪单元（2）、光学干涉仪单元（3）、光谱仪单元（4）、数据采集控制单元（5）和光纤耦合器（7），所述光源（1）所发出的光与光纤耦合器（7）的入射端口连接，光纤耦合器（7）的P1端口将来自光源（1）的光经过光束扫描仪单元（2）传导到样品，由光束扫描仪单元（2）返回的共路光信号通过光纤耦合器（7）的P1端口进入光纤耦合器（7）、并通过光纤耦合器（7）的P2端口传导到干涉仪单元（3）中，经过干涉仪单元（3）干涉的光进入光谱仪单元（4）接收光信号；另外，所述数据采集控制单元（5）分别与光束扫描仪单元（2）和光谱仪单元（4）电连接。
2.如权利要求1所述的长工作距离的共路型光学相干断层成像装置，其特征在于：所述光源（1）所发出的光通过光学隔离器（6）与光纤耦合器（7）的入射端口连接。
3.如权利要求1所述的长工作距离的共路型光学相干断层成像装置，其特征在于：所述光束扫描仪单元（2）包括与光纤耦合器（7）的P1端口连接的准直透镜A（8）、与准直透镜A（8）连接的二维扫描振镜（9）、以及与二维扫描振镜（9）连接的透镜（10）；从光纤耦合器（7）输出的光经过准直透镜A（8）入射到二维扫描振镜（9）上，由二维扫描振镜（9）反射的光束经过透镜（10）汇聚于样品（11）的表面，光纤耦合器（7）的出光端口P1的光纤出射端面和光纤轴的切线方向有一个夹角α,从光纤端面反射的光Er为OCT参考光,从样品（11）返回的光为Es,Er和Es的共路光信号由光纤传导回光纤耦合器（7）。
4.如权利要求3所述的长工作距离的共路型光学相干断层成像装置，其特征在于：所述数据采集控制单元（5）包括计算机（25），以及与计算机（25）电连接的图像采集卡（24）和数据采集卡（26），所述图像采集卡（24）与光谱仪单元（4）中的信号接收装置电连接，所述数据采集卡（26）与光束扫描仪单元（2）中的二维扫描振镜（9）的角度偏转装置电连接；图像采集卡（24）采集光谱仪单元（4）中的信号接收装置接收的干涉光谱信号后传输至计算机（25）处理，并且计算机（25）发出驱动控制信号传输给数据采集卡（26），数据采集卡（26）控制二维扫描振镜（9）的角度偏转。
5. 如权利要求1所述的长工作距离的共路型光学相干断层成像装置，其特征在于：所述干涉仪单元（3）包括与光纤耦合器（7）的端口P 2连接的分波阵面反射镜A（13），分波阵面反射镜A（13）的下端为楔形，插入干涉仪单元（3）的光路中、对光的波阵面进行分割，将一个圆形入射光分成上下两个半圆形；所述干涉仪单元（3）还包括反射镜A（15）、反射镜B（17）和分波阵面反射镜B（18），进入干涉仪单元（3）的光束通过分波阵面反射镜A（13）下端的楔形结构分割后的一部分半圆形光从分波阵面反射镜A（13）的下部通过、由反射镜A（15）和反射镜B（17）反射后、传输至分波阵面反射镜B（18），经分波阵面反射镜A（13）反射的另外一部分半圆形光则直接传输到分波阵面反射镜B（18），和来自反射镜B（17）的光进行会合，重新形成一个圆形光后进入光谱仪单元（4）。
6.如权利要求5所述的长工作距离的共路型光学相干断层成像装置，其特征在于：所述分波阵面反射镜A（13）与反射镜A（15）之间设有玻璃平板（14），从分波阵面反射镜A（13）下部通过的半圆形光经过玻璃平板（14）后传输至反射镜A（15）。
7.如权利要求5所述的长工作距离的共路型光学相干断层成像装置，其特征在于：所述反射镜A（15）和反射镜B（17）安装在一维移动台（16）上,所述一维移动平台（16）沿着面向或背向分波阵面反射镜A（13）的方向前后移动。
8. 如权利要求5所述的长工作距离的共路型光学相干断层成像装置，其特征在于：所述光纤耦合器（7）的端口P 2与干涉仪单元（3）之间设有准直透镜B（12），光纤耦合器（7）的端口P 2的光经过准直透镜B（12）后入射到干涉仪单元（3）的分波阵面反射镜A（13）。
9.如权利要求1所述的长工作距离的共路型光学相干断层成像装置，其特征在于：所述光谱仪单元（4）包括反射镜D（20）、光栅（21）、聚焦透镜（22）和线阵CCD（23），经过干涉仪单元（3）干涉的光进入光谱仪单元（4）后经过反射镜D（20）反射后、依次经过光栅（21）的衍射和聚焦透镜（22）和汇聚后传输至线阵CCD（23）的表面，线阵CCD（23）接收的干涉光谱信号传输至数据采集控制单元（5）。
10.如权利要求9所述的长工作距离的共路型光学相干断层成像装置，其特征在于：所述干涉仪单元（3）与光谱仪单元（4）之间设有反射镜C（19），干涉仪单元（3）射出的光经过反射镜C（19）后入射至反射镜D（20）上。
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