CN110160958A - 一种光学相干层析成像装置、成像系统以及成像方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光学相干层析成像装置、成像系统以及成像方法，成像装置包括红外激光光源、光学环形器、分光镜、第一凸透镜、第一反射镜、二维振镜组、第二凸透镜、光栅、第三凸透镜以及CCD相机，红外激光光源输出激光光束，分光镜将激光光束分为样品臂光束以及参考臂光束，参考臂光束经过第一凸透镜到达第一反射镜，样品臂光束经过二维振镜组以及第二凸透镜照射在样品上，样品臂光束以及参考臂光束在分光镜处产生干涉形成待测光束，待测光束经过光栅以及第三凸透镜进入到CCD相机中。成像装置通过在红外激光光源在分光镜之间所设置的光学环形器，能够有效地防止从分光镜反射回来的激光光束对红外激光光源造成损坏，提高红外激光光源的使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及光学检测技术领域，更具体地说涉及一种光学相干层析成像装置、成像系统以及成像方法。
背景技术
光学相干层析成像技术(OCT)是一种全新的成像模式，主要是基于低相干干涉以及外差探测技术而工作。通过测量背向散射或者背向反射光，可以对生物组织内部微观结构进行高分辨率、截面层析成像。
现有的光学相干层析成像装置普遍是基于迈克尔逊干涉仪制作的，但是常规的迈克尔逊干涉仪并没有为光源配置任何的保护措施，导致在进行实验的过程中容易因为反射回来的激光造成对光源的损坏，从而降低光源的使用寿命。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种为光源配置有保护措施的光学相干层析成像装置、成像系统以及成像方法。
本发明解决其技术问题的解决方案是：
一种光学相干层析成像装置，包括红外激光光源、光学环形器、分光镜、第一凸透镜、第一反射镜、二维振镜组、第二凸透镜、光栅、第三凸透镜以及CCD相机，所述红外激光光源输出的激光光束通过光学环形器到达分光镜，所述分光镜将部分激光光束反射形成样品臂光束，所述半透镜将部分激光光束折射形成参考臂光束，所述参考臂光束经过第一凸透镜到达第一反射镜，所述样品臂光束依次经过二维振镜组以及第二凸透镜照射在样品上，所述样品臂光束以及参考臂光束分别经过原来的传播光路返回到分光镜处产生干涉形成待测光束，所述待测光束依次经过光栅以及第三凸透镜进入到CCD相机中。
作为上述技术方案的进一步改进，所述成像装置还包括第二反射镜，所述第二反射镜设置在分光镜与二维振镜组之间，所述样品臂光束依次经过第二反射镜、二维振镜组以及第二凸透镜照射在样品上。
作为上述技术方案的进一步改进，所述成像装置还包括偏振调节器，所述偏振调节器设置在分光镜与二维振镜组之间；所述样品臂光束依次经过偏振调节器、第二反射镜、二维振镜组以及第二凸透镜照射在样品上；或者所述样品臂光束依次经过第二反射镜、偏振调节器、二维振镜组以及第二凸透镜照射在样品上。
作为上述技术方案的进一步改进，所述红外激光光源输出的激光光束的中心波长范围为1290nm至1330nm。
作为上述技术方案的进一步改进，所述分光镜的反射率范围为80％至90％。
本发明创造同时还公开了一种光学相干层析成像系统，包括处理器以及以上任意一种所述的成像装置，所述CCD相机与处理器通信连接。
本发明创造同时还公开了一种光学相干层析成像方法，包括以下步骤：
步骤100，配制负载吲哚菁绿的介孔硅纳米探针溶液；
步骤200，识别样品的目标区域与非目标区域；
步骤300，将介孔硅纳米探针溶液涂覆在样品的非目标区域上；
步骤400，启动以上任意一种所述成像装置；
步骤500，令红外激光光源输出的激光光束经过光学环形器到达分光镜；
步骤600，分光镜将所述激光光束分为参考臂光束以及样品臂光束；
步骤700，令参考臂光束通过第一凸透镜到达第一发射镜，令样品臂光束通过二维振镜组以及第二凸透镜照射在样品上，同时令样品的目标区域在样品臂光束的照射范围内；
步骤800，令样品臂光束以及参考臂光束分别经过原来的传播光路返回到分光镜处产生干涉形成待测光束；
步骤900，令待测光束先后通过光栅以及第三凸透镜进入到CCD相机中。
作为上述技术方案的进一步改进，步骤100包括以下步骤：
步骤110，将带氨基的介孔硅纳米粒子与吲哚菁绿分散在去离子水中，得到混合液体；
步骤120，对所述混合液体进行搅拌，在搅拌过程中滴入含有壳聚糖和EDC的水溶液；
步骤130，混合液体在室温条件下静置一段时间；
步骤140，对混合液体进行离心分离操作，得到沉淀物利用去离子水对沉淀物进行洗涤，重复此步骤若干次；
步骤150，对混合液体进行真空冷冻干燥操作，得到介孔硅纳米探针溶液。
作为上述技术方案的进一步改进，步骤700中，令样品臂光束通过偏振调节器、二维振镜组以及第二凸透镜照射在样品上。
本发明的有益效果是：本发明所述的成像装置通过在红外激光光源在分光镜之间所设置的光学环形器，能够有效地防止从分光镜反射回来的激光光束对红外激光光源造成损坏，提高红外激光光源的使用寿命。
本发明所述的成像方法首先利用负载吲哚菁绿的介孔硅纳米探针溶液对样品的非目标区域进行涂覆操作，在成像过程中，涂覆有介孔硅纳米探针溶液的非目标区域对红外激光光束的吸收率较高，能够更好地突出成像后样品图像的目标区域，增强目标区域的对比度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单说明。显然，所描述的附图只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他设计方案和附图。
图1是本发明成像装置结构示意图。
具体实施方式
以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本申请的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本申请的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本申请保护的范围。另外，文中所提到的所有连接关系，并非单指构件直接相接，而是指可根据具体实施情况，通过添加或减少连接辅件，来组成更优的连接结构。本发明创造中的各个技术特征，在不互相矛盾冲突的前提下可以交互组合。最后需要说明的是，如文中术语“中心、上、下、左、右、竖直、水平、内、外”等指示的方位或位置关系则为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术方案和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
参照图1，本申请提供了一种光源相干层析成像装置，其第一实施例，包括红外激光光源110、光学环形器120、分光镜130、第一凸透镜210、第一反射镜220、二维振镜组330、第二凸透镜340、光栅410、第三凸透镜420以及CCD相机500，所述红外激光光源110输出的激光光束通过光学环形器120到达分光镜130，所述分光镜130将部分激光光束反射形成样品臂光束，所述分光镜130将部分激光光束折射形成参考臂光束，所述参考臂光束经过第一凸透镜210到达第一反射镜220，所述样品臂光束依次经过二维振镜组330以及第二凸透镜340照射在样品600上，所述样品臂光束以及参考臂光束分别经过原来的传播光路返回到分光镜130处产生干涉形成待测光束，所述待测光束依次经过光栅410以及第三凸透镜420进入到CCD相机500中。其中所述光学环形器120是一种能够实现光路单向传输功能的器件，所述激光光束从光学环形器120的一个端口A输入，只能固定地从另一个端口B输出，因此从分光镜反射回来的激光光束无法从端口B传输到端口A；所述二维振镜组330用于控制样品臂光束对样品600进行扫描；所述光栅410用于将待测光束分为不同波长的光，待测光束中不同波长的光携带有样品600不同深度的信息，由此即可实现样品600的层析成像功能；所述CCD相机500用于采集携带有样品600信息的激光信号。本实施例通过在红外激光光源110在分光镜130之间所设置的光学环形器120，能够有效地防止从分光镜130反射回来的激光光束对红外激光光源110造成损坏，提高红外激光光源110的使用寿命。
进一步作为优选的实施方式，本实施例还包括第二反射镜320，所述第二反射镜320设置在分光镜130与二维振镜组330之间，所述样品臂光束依次经过第二反射镜320、二维振镜组330以及第二凸透镜340照射在样品600上。具体地，考虑到实际的应用场合，本实施例中各个器件之间的摆放距离需要满足参考臂光束以及样品臂光束能够产生干涉现象的这一条件，针对样品臂光束，若所述样品臂光束以直线传播的方式从分光镜130传播至二维振镜组330，容易受实际场所的影响导致分光镜130以及二维振镜组330难以按照要求进行摆放，因此本实施例配置有第二反射镜320，利用第二反射镜320改变样品臂光束的传播路径，使分光镜130以及二维振镜组330的摆放更为便利。
进一步作为优选的实施方式，本实施例还包括偏振调节器310，所述偏振调节器310设置在分光镜130与二维振镜组330之间；所述样品臂光束依次经过偏振调节器310、第二反射镜320、二维振镜组330以及第二凸透镜340照射在样品600上；或者所述样品臂光束依次经过第二反射镜320、偏振调节器310、二维振镜组330以及第二凸透镜340照射在样品600上。具体地，在实际操作过程中，样品臂光束的传播方向和振动方向有可能不一致，导致CCD相机500所采集的图像有可能不是在样品臂光束光强最强时成像得到的，因此有可能降低成像效果。为解决以上问题，本实施例在分光镜130与二维振镜组330之间配置了偏振调节器310，以调节样品臂光束的振动方向以及传播方向的夹角，从而提高成像效果。
进一步作为优选的实施方式，本实施例中所述红外激光光源110输出的激光光束的中心波长范围为1290nm至1330nm。
进一步作为优选的实施方式，本实施例中所述分光镜130的反射率范围为80％至90％。
本申请同时还公开了一种光学相干层析成像系统，其第一实施例包括处理器以及以上所述的成像装置，成像装置中的CCD相机500与处理器通信连接，所述CCD相机500将采集到的图像数据传输至处理器中以进行相关程序的处理操作。
本申请同时还公开了一种光学相干层析成像方法，其第一实施例包括以下步骤：
步骤100，配制负载吲哚菁绿的介孔硅纳米探针溶液；
步骤200，识别样品的目标区域与非目标区域；
步骤300，将介孔硅纳米探针溶液涂覆在样品的非目标区域上；
步骤400，启动以上任意一种所述的成像装置；
步骤500，令红外激光光源输出的激光光束经过光学环形器到达分光镜；
步骤600，分光镜将所述激光光束分为参考臂光束以及样品臂光束；
步骤700，令参考臂光束通过第一凸透镜到达第一发射镜，令样品臂光束通过二维振镜组以及第二凸透镜照射在样品上，同时令样品的目标区域在样品臂光束的照射范围内；
步骤800，令样品臂光束以及参考臂光束分别经过原来的传播光路返回到分光镜处产生干涉形成待测光束；
步骤900，令待测光束先后通过光栅以及第三凸透镜进入到CCD相机中。
现有技术中，为了提高OCT成像的对比度，普遍采用软件算法实现该功能，算法主要是传统的线对比度拉伸法、灰度变化法和直方图调整法。其中灰度变换法包括线性变换、对数变换和指数变换；而直方图调整法主要是用到直方图均衡化。算法类方法都是通过对OCT系统采集到的图像数据利用算法进行后期图像处理来实现增强对比度。首先，用算法把图像的目标区域与非目标区域进行分割，然后，用以上提到的算法对分割好的区域进行处理，提高目标区信号，抑制非目标区域的信号，以此来提高成像对比度。其中对比度拉升线性的调整了图像的动态范围，而直方图均衡化是利用累计直方图分布概率重新映射图像的数据。但是经过算法处理后图像的灰度级减少，会出现一些图像细节消失的情况，对比度也会不自然的过分增强；除此之外，它们对处理的数据不加选择，可能会增加背景噪声的对比度并且降低有用信号的对比度，甚至会导致图片失真。
为了解决以上技术问题，本实施例首先利用负载吲哚菁绿的介孔硅纳米探针溶液对样品的非目标区域进行涂覆操作，在成像过程中，涂覆有介孔硅纳米探针溶液的非目标区域对红外激光光束的吸收率较高，能够更好地突出成像后样品图像的目标区域，增强目标区域的对比度，另外本实施例中所述的负载吲哚菁绿的介孔硅纳米探针溶液改善了吲哚菁绿的稳定性，保证在成像过程中吲哚菁绿能够长时间有效。
进一步作为优选的实施方式，本实施例中步骤100包括以下步骤：
步骤110，将带氨基的介孔硅纳米粒子与吲哚菁绿分散在去离子水中，得到混合液体；
步骤120，对所述混合液体进行搅拌，在搅拌过程中滴入含有壳聚糖和EDC(1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐)的水溶液；
步骤130，混合液体在室温条件下静置一段时间；
步骤140，对混合液体进行离心分离操作，得到沉淀物利用去离子水对沉淀物进行洗涤，重复此步骤若干次；
步骤150，对混合液体进行真空冷冻干燥操作，得到介孔硅纳米探针溶液。
具体地，本实施例步骤110中，是将30mg带氨基的介孔硅纳米粒子与20mg吲哚菁绿分散在10mL去离子水中；步骤120中是对所述混合液体进行24小时搅拌，在搅拌过程中滴入5mL含有15mg壳聚糖和7.5mgEDC的水溶液；步骤130中是将混合液体在室温条件下静置24小时；
进一步作为优选的实施方式，本实施例的步骤700中，令样品臂光束通过偏振调节器310、二维振镜组以及第二凸透镜照射在样品上。具体地，在实际操作过程中，样品臂光束的传播方向和振动方向有可能不一致，导致CCD相机所采集的图像有可能不是在样品臂光束光强最强时成像得到的，因此有可能降低成像效果。为解决以上问题，本实施例在分光镜与二维振镜组之间配置了偏振调节器310，以调节样品臂光束的振动方向以及传播方向的夹角。
以上对本申请的较佳实施方式进行了具体说明，但本申请并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (9)
1.一种光学相干层析成像装置，其特征在于：包括红外激光光源(110)、光学环形器(120)、分光镜(130)、第一凸透镜(210)、第一反射镜(220)、二维振镜组(330)、第二凸透镜(340)、光栅(410)、第三凸透镜(420)以及CCD相机(500)，所述红外激光光源(110)输出的激光光束通过光学环形器(120)到达分光镜(130)，所述分光镜(130)将部分激光光束反射形成样品臂光束，所述分光镜(130)将部分激光光束折射形成参考臂光束，所述参考臂光束经过第一凸透镜(210)到达第一反射镜(220)，所述样品臂光束依次经过二维振镜组(330)以及第二凸透镜(340)照射在样品上，所述样品臂光束以及参考臂光束分别经过原来的传播光路返回到分光镜(130)处产生干涉形成待测光束，所述待测光束依次经过光栅(410)以及第三凸透镜(420)进入到CCD相机(500)中。
2.根据权利要求1所述的一种光学相干层析成像装置，其特征在于：还包括第二反射镜(320)，所述第二反射镜(320)设置在分光镜(130)与二维振镜组(330)之间，所述样品臂光束依次经过第二反射镜(320)、二维振镜组(330)以及第二凸透镜(340)照射在样品上。
3.根据权利要求2所述的一种光学相干层析成像装置，其特征在于：还包括偏振调节器(310)，所述偏振调节器(310)设置在分光镜(130)与二维振镜组(330)之间；所述样品臂光束依次经过偏振调节器(310)、第二反射镜(320)、二维振镜组(330)以及第二凸透镜(340)照射在样品上；或者所述样品臂光束依次经过第二反射镜(320)、偏振调节器(310)、二维振镜组(330)以及第二凸透镜(340)照射在样品上。
4.根据权利要求1所述的一种光学相干层析成像装置，其特征在于：所述红外激光光源(110)输出的激光光束的中心波长范围为1290nm至1330nm。
5.根据权利要求1所述的一种光学相干层析成像装置，其特征在于：所述分光镜(130)的反射率范围为80％至90％。
6.一种光学相干层析成像系统，其特征在于：包括处理器以及权利要求1至权利要求5任一项所述的成像装置，所述CCD相机(500)与处理器通信连接。
7.一种光学相干层析成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤100，配制负载吲哚菁绿的介孔硅纳米探针溶液；
步骤200，识别样品的目标区域与非目标区域；
步骤300，将介孔硅纳米探针溶液涂覆在样品的非目标区域上；
步骤400，启动权利要求1至权利要求5任一项所述的成像装置；
步骤500，令红外激光光源输出的激光光束经过光学环形器到达分光镜；
步骤600，分光镜将所述激光光束分为参考臂光束以及样品臂光束；
步骤700，令参考臂光束通过第一凸透镜到达第一发射镜，令样品臂光束通过二维振镜组以及第二凸透镜照射在样品上，同时令样品的目标区域在样品臂光束的照射范围内；
步骤800，令样品臂光束以及参考臂光束分别经过原来的传播光路返回到分光镜处产生干涉形成待测光束；
步骤900，令待测光束先后通过光栅以及第三凸透镜进入到CCD相机中。
8.根据权利要求7所述的一种光学相干层析成像方法，其特征在于，步骤100包括以下步骤：
步骤110，将带氨基的介孔硅纳米粒子与吲哚菁绿分散在去离子水中，得到混合液体；
步骤120，对所述混合液体进行搅拌，在搅拌过程中滴入含有壳聚糖和EDC的水溶液；
步骤130，混合液体在室温条件下静置一段时间；
步骤140，对混合液体进行离心分离操作，得到沉淀物，利用去离子水对沉淀物进行洗涤，重复此步骤若干次；
步骤150，对混合液体进行真空冷冻干燥操作，得到介孔硅纳米探针溶液。
9.根据权利要求7所述的一种光学相干层析成像方法，其特征在于，步骤700中，令样品臂光束通过偏振调节器、二维振镜组以及第二凸透镜照射在样品上。
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