CN110575142A - 一种单光谱仪多光束光学相干层析成像仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种单光谱仪多光束光学相干层析成像仪，包括N个宽带光源、N个与宽带光源一一对应的三端口循环器、第一光纤阵列、干涉分光器、参考臂、样品臂、光谱仪、第二光纤阵列以及图像采集设备。本发明通过增加照射样品的光束数量N来实现扫描速度的提升。每个光束来自一个独立的光源，并且光源的光谱范围之间没有重合。本发明只需要一个光谱仪就能完成所有光束的信号收集，节约了成本。
Description
技术领域
本发明属于光学成像技术，具体为一种单光谱仪多光束光学相干层析成像仪。
背景技术
光学相干层析成像(OCT)是一种新兴的光学成像技术。它以非侵入性的方式、极高的速度形成高分辨率的生物组织剖面图。该技术自1991年问世以来，为临床诊断及医疗研究带来了显著的影响。在过去的10年中，每年都有超过2000万名患者成为OCT成像技术的受益者。然而现有OCT存在两个问题，第一、由于活体待测组织的运动，要求OCT在非常短的时间内扫描较大的组织范围，现有OCT设备的扫描速度严重阻碍了这种有效诊断技术的普及；第二、现有OCT设备的轴向分辨率有限(5-12微米)，导致1微米级别的细胞信息缺失，在一定程度上影响其更为广泛的应用。
如图1所示，典型的SD-OCT设备包括：宽带光源110；循环器120；干涉分束器130；参考臂140；样品臂150；光谱仪160；图像采集设备170。输出的宽带光源通过循环器的1口和2口传播到干涉分束器。干涉分束器是干涉仪的核心，通常有4个接口，分别连接光源、参考臂、光谱仪、样品臂四个部分。宽带光源的输出被干涉分束器分成两个部分，一部分到达样品臂，另一部分到达参考臂。到达样品臂的光经样品散射后原路返回干涉分束器；同样，到达参考臂的光经过参考反射镜反射后按原路返回干涉分束器。回到干涉分束器的两束光在干涉分束器处发生干涉，部分干涉光经循环器的2口和3口到达光谱仪，光谱仪接受到干涉光后将其转换为电信号。计算机从光谱仪读取包含光谱干涉信号的光谱仪输出数据，通过光谱域线性校正和反傅立叶变化后得到样品的断面图像。
然而典型的SD-OCT的图像采集速度受到光谱仪当中线阵探测器速度的限制。OCT的图像采集速度通过轴向线扫描速度(A-line rate)衡量。线阵探测器的一行对应一个轴向线扫描，因此线阵探测器的行频就是SD-OCT的图像采集速度。现有线阵探测器的最大行频是250K Hz，小于实际需求(1M Hz或更高)。
发明内容
本发明的目的在于提出了一种单光谱仪多光束光学相干层析成像仪。
实现本发明的技术解决方案为：一种单光谱仪多光束光学相干层析成像仪，包括N个宽带光源、N个与宽带光源一一对应的三端口循环器、第一光纤阵列、干涉分光器、参考臂、样品臂、光谱仪、第二光纤阵列以及图像采集设备，所述N个宽带光源、N个与宽带光源一一对应的三端口循环器、第一光纤阵列、干涉分光器、参考臂、样品臂、光谱仪、第二光纤阵列被设置为：
N个宽带光源发出的N道光束分别进入与其对应的三端口循环器，从三端口循环器的输出端口输出的光束通过第一光纤阵列输出至干涉分光器，分成样品光和参考光，分别对应进入样品臂和参考臂，到达样品臂的光经样品散射后原路返回干涉分光器；同样，到达参考臂的光经过参考反射镜反射后按原路返回干涉分光器，从样品臂和参考臂返回的光信号在干涉分光器发生干涉后分别经第一光纤阵列、三端口循环器的另一输出端口、第二光纤阵列进入光谱仪，光谱仪将干涉光信号转换为电信号；
所述图像采集设备用于采集光谱仪中的电信号；
其中，所述N个宽带光源发出的光束的光谱范围连续但不重合，N为大于1的自然数。
优选地，所述第一光纤阵列、第二光纤阵列均分别包括不少于N条平行等间距排列的光纤。
优选地，所述第一光纤阵列的N条光纤的排列方向与光束扫描装置的快轴方向平行或垂直。
优选地，所述样品臂包括光束扫描装置、光束扫描装置、放置在光束扫描装置后面的第一物镜，样品放置在第一物镜焦点处。
优选地，所述参考臂包括第二物镜以及设置在第二物镜焦点处的平面镜。
优选地，所述光谱仪包括准直镜、光栅、相机镜头和线阵相机，所述准直镜置于第二光纤阵列的傅立叶面上，所述光栅被设置为由准直镜发出的准直光线沿光栅的标称入射角入射，所述相机镜头正对光栅设置，所述线阵相机置于相机镜头的后焦面上。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：本发明采用多光束照射技术提高了扫描速度和轴向分辨率；本发明只需要一个光谱仪就能完成所有光束的信号收集，节约了成本。
下面结合附图对本发明做进一步详细的描述。
附图说明
图1是现有SD-OCT设备的结构示意图。
图2是本发明的结构示意图。
具体实施方式
一种单光谱仪多光束光学相干层析成像仪，包括N个宽带光源、N个与宽带光源一一对应的三端口循环器、第一光纤阵列、干涉分光器、参考臂、样品臂、光谱仪、第二光纤阵列以及图像采集设备，所述N个宽带光源、N个与宽带光源一一对应的三端口循环器、第一光纤阵列、干涉分光器、参考臂、样品臂、光谱仪、第二光纤阵列被设置为：
N个宽带光源发出的N道光束分别进入与其对应的三端口循环器，从三端口循环器的输出端口输出的光束通过第一光纤阵列输出至干涉分光器，分成样品光和参考光，分别对应进入样品臂和参考臂，到达样品臂的光经样品散射后原路返回干涉分光器；同样，到达参考臂的光经过参考反射镜反射后按原路返回干涉分光器，从样品臂和参考臂返回的光信号在干涉分光器发生干涉后分别经第一光纤阵列、三端口循环器的另一输出端口、第二光纤阵列进入光谱仪，光谱仪将干涉光信号转换为电信号；
所述图像采集设备用于采集光谱仪中的电信号；
其中，所述N个宽带光源发出的光束的光谱范围连续但不重合，N为大于1的自然数。
进一步的实施例中，所述第一光纤阵列、第二光纤阵列均分别包括不少于N条平行等间距排列的光纤。
进一步的实施例中，所述第一光纤阵列的N条光纤的排列方向与光束扫描装置的快轴方向平行或垂直。光纤的排列方向其实就是一个二维平面沿横轴排列光纤和沿竖轴排列光纤的区分。当光纤排列方向与光束扫描装置的快轴方向平行的时候，所有光纤的扫描路径平行而且有大部分重合，虽然在同一时间点不同光束扫描不同的样品点，但是所有光束都会经过扫描路径上所有的样品点，所以对于每个样品点，所有波长的光束都有回光信号。
当光纤排列方向与光束扫描装置的快轴方向垂直的时候，所有光纤的扫描路径平行，但不重合。扫描过程当中光纤不移动，光束扫描装置扫描所有光束。
进一步的实施例中，所述样品臂包括光束扫描装置、光束扫描装置、放置在光束扫描装置后面的第一物镜，样品放置在第一物镜焦点处。
进一步的实施例中，所述参考臂包括第二物镜以及设置在第二物镜焦点处的平面镜。
进一步的实施例中，所述光谱仪包括准直镜、光栅、相机镜头和线阵相机，所述准直镜置于第二光纤阵列的傅立叶面上，所述光栅被设置为由准直镜发出的准直光线沿光栅的标称入射角入射，所述相机镜头正对光栅设置，所述线阵相机置于相机镜头的后焦面上。
本发明通过增加照射样品的光束数量N来实现扫描速度的提升。每个光束来自一个独立的光源，并且光源的光谱范围之间没有重合。本发明只需要一个光谱仪就能完成所有光束的信号收集，节约了系统成本。
光纤的排列方向与光束扫描装置的快轴方向垂直，从而在一次B模式扫描当中可以获得N个断层图像，相邻两个断层图像之间的距离为d/M，其中d为两光纤针孔间的距离，M为样品臂从物面到光纤断面的光学放大率。其中，B模式指断层成像模式，即纵切面二维扫描。本发明也可以通过增加照射样品的光束数量N来实现光谱宽度的扩增，从而成倍提高轴向分辨率。每个光束来自一个独立的光源，光源的光谱范围之间连续但不重合，这样在光谱仪上每次曝光就可以得到一个谱宽扩增N倍的宽谱信号。
由于OCT轴向分辨率正比于光谱宽度，所以可以将轴向分辨率提高N倍。此时，光纤的排列方向与光束扫描装置的快轴方向平行，对于物面上的任意一点，都可以接受所有光束(或光谱)的照射。
实施例1
如图2所示，一种单光谱仪多光束光学相干层析成像仪，包括2个宽带光源201和202、两个三端口循环器211和212、第一光纤阵列220、干涉分光器230、参考臂240、样品臂250、第二光纤阵列264、光谱仪260和图像采集设备270。
光源201和202所输出的光束光谱范围相互没有重叠。当光源的数量增至N(N>2)个，本发明同样适用。
三端口循环器211和212分别将光源201和202的输出接到第一光纤阵列220的输入端。
第一光纤阵列220当中所有光纤平行排列，光纤针孔排成一条直线，并且相邻两个光纤针孔之间的距离相等(d)。光纤阵列也可以用多芯光纤来实现。每根光纤和一个三端口循环器出口连接。
干涉分光器230将每个光纤针孔输出的光束分成样品光和参考光，分别进入样品臂250和参考臂240；
所述样品臂250包括光束扫描装置254、正对放置在光束扫描装置254后面的第一物镜251，样品252放置在第一物镜251后方焦点处，样品光经光束扫描装置254、第一物镜251照射在样品252上，样品252反射的光经第一物镜251光束扫描装置254照射在干涉分光器230处。
将z轴方向定义为光束传播方向，x轴方向定义为扫描的快轴方向，y轴方向定义为扫描的慢轴方向。扫描的快慢轴方向根据具体使用需求确定。所述光束扫描装置254扫描方向分别为x轴方向和y轴方向。
当用于增加扫描范围时，光纤针孔等间隔沿y轴排列，从而一次B模式扫描就可以得到N幅断层图像，采集速度是单光束系统的N倍。或者说在一定时间内，多光束系统的扫描范围比单光束系统大N倍。
当用于提高轴向分辨率时，光纤针孔所连成的直线沿着x轴方向，光束排列方向与x轴方向平行。从而对于物面上的任意一点，在一次B模式扫描过程当中，所有光束会逐次经过该点。在成像的整个过程当中所有光束都同时在扫描样品；每个光束在同一时间扫描样品的不同位置；而对于样品上的某一点而言，不同光束是按时间顺序扫描该点。该点的干涉信号包含所有光源的频谱范围，即将在不同时间点采集到的不用光束反射或者散射信号拼接成为该点的完整干涉信号。拼接后的完整干涉信号的频谱范围是单光束系统的N倍，所以根据轴向分辨率的计算公式，轴向分辨率也提高了N倍。
由于所有光束都沿着快轴(x)方向扫描，扫描路径平行且大部分重合，所以对于样品上任意一点，所有光束都会经过，只是时间有先后。
本发明使用了多个光纤循环器，每个循环器可以传输一个较窄的带宽；由于各个光源的光谱范围连续但不重叠，所有循环器所传输带宽的总和是一个较高的带宽，解决了单光束系统由于光学器件(例如，循环器)的带宽限制。
所述参考臂240包括第二物镜241以及设置在第二物镜241焦点处的平面镜242。参考光经第二物镜241照射在平面镜242上，平面镜242反射的参考光再经第二物镜241照射在干涉分光器230处。
从样品臂250和参考臂240返回的光信号在干涉分光器230处发生干涉，并且分别回到光纤针孔221和222。干涉信号经过循环器211和212的2端口和3端口到达第二光纤阵列264。
第二光纤阵列264当中所有光纤平行排列，光纤针孔排成一条直线，并且相邻两个光纤针孔之间的距离相等。该光纤阵列也可以用多芯光纤来实现。
由光源201输出的照射光经过样品反射或者散射后，与参考光形成的干涉信号经由光纤阵列264当中针孔261进入光谱仪260；由光源202输出的照射光经过样品反射或者散射后，与参考光形成的干涉信号经由光纤阵列264当中针孔262进入光谱仪260；
所述光谱仪260包括准直透镜265、光栅266、相机镜头267和线阵相机268。所述准直镜265置于针孔262的傅立叶面上，也就是说，针孔262置于准直镜265的后焦面上；由准直透镜265发出的准直光线沿光栅266的标称入射角入射光栅266；准直镜265与光栅266之间的轴向距离不做限制；线阵相机268置于相机镜头的后焦面上，光栅266和相机镜头267之间的轴向距离不做限制。
由于针孔261和针孔262输入的两束光光谱范围没有重合，因此，线阵相机268可以同时探测两个独立的光谱信号，这两个光谱信号分别源自光源201和202。线阵相机268用于将光信号转换为电信号。图像采集设备270用于将电信号按照图像格式传输到计算机，计算机根据电信号进行成像。
当本发明被用来实现扫描速度的提升，来自每个光源的光谱信号经过标准的OCT图像处理程序后成为一幅独立的断层图像。当本发明被用来提高轴向分辨率，来自所有光源的光将会按照线性波数的横坐标拼接在一起，形成一个范围扩展N倍的光谱，该光谱经过标准的OCT图像处理程序后成为一幅合成的断层图像，并且图像的轴向分辨率提高了N倍。
Claims (6)
1.一种单光谱仪多光束光学相干层析成像仪，其特征在于，包括N个宽带光源、N个与宽带光源一一对应的三端口循环器、第一光纤阵列、干涉分光器、参考臂、样品臂、光谱仪、第二光纤阵列以及图像采集设备，所述N个宽带光源、N个与宽带光源一一对应的三端口循环器、第一光纤阵列、干涉分光器、参考臂、样品臂、光谱仪、第二光纤阵列被设置为：
N个宽带光源发出的N道光束分别进入与其对应的三端口循环器，从三端口循环器的输出端口输出的光束通过第一光纤阵列输出至干涉分光器，分成样品光和参考光，分别对应进入样品臂和参考臂，到达样品臂的光经样品散射后原路返回干涉分光器；同样，到达参考臂的光经过参考反射镜反射后按原路返回干涉分光器，从样品臂和参考臂返回的光信号在干涉分光器发生干涉后分别经第一光纤阵列、三端口循环器的另一输出端口、第二光纤阵列进入光谱仪，光谱仪将干涉光信号转换为电信号；
所述图像采集设备用于采集光谱仪中的电信号；
其中，所述N个宽带光源发出的光束的光谱范围连续但不重合，N为大于1的自然数。
2.根据权利要求1所述的单光谱仪多光束光学相干层析成像仪，其特征在于，所述第一光纤阵列、第二光纤阵列均分别包括不少于N条平行等间距排列的光纤。
3.根据权利要求2所述的单光谱仪多光束光学相干层析成像仪，其特征在于，所述第一光纤阵列的N条光纤的排列方向与光束扫描装置的快轴方向平行或垂直。
4.根据权利要求1所述的单光谱仪多光束光学相干层析成像仪，其特征在于，所述样品臂包括光束扫描装置、光束扫描装置、放置在光束扫描装置后面的第一物镜，样品放置在第一物镜焦点处。
5.根据权利要求1所述的单光谱仪多光束光学相干层析成像仪，其特征在于，所述参考臂包括第二物镜以及设置在第二物镜焦点处的平面镜。
6.根据权利要求1所述的单光谱仪多光束光学相干层析成像仪，其特征在于，所述光谱仪包括准直镜、光栅、相机镜头和线阵相机，所述准直镜置于第二光纤阵列的傅立叶面上，所述光栅被设置为由准直镜发出的准直光线沿光栅的标称入射角入射，所述相机镜头正对光栅设置，所述线阵相机置于相机镜头的后焦面上。
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