CN112229319A

CN112229319A - 一种基于并行探测的光学图像层析显微镜及其成像方法

Info

Publication number: CN112229319A
Application number: CN202011015203.XA
Authority: CN
Inventors: 王笑梅; 朱媛媛
Original assignee: Shanghai Normal University
Current assignee: Shanghai Normal University
Priority date: 2020-09-24
Filing date: 2020-09-24
Publication date: 2021-01-15
Anticipated expiration: 2040-09-24
Also published as: CN112229319B

Abstract

本发明涉及一种基于并行探测的光学图像层析显微镜及其成像方法，光学图像层析显微镜包括光源、光学分束器、成像臂、参考臂、探测端、干涉信号获取单元和相位调制单元；光源发出的光经过光学分束器分为第一光束和第二光束，第一光束依次经过成像臂聚焦到被测物品上，并形成第一反射光原路返回探测端，第二光束经过参考臂反射，然后经过光学分束器到达探测端，相位调制单元设置在所述第一光束或所述第二光束的光束线路中，第一反射光和第二光束在探测端中发生干涉，并照射在干涉信号获取单元上，干涉信号获取单元用于从干涉光的每个像素中探测调幅干涉信号。与现有技术相比，本发明可以大幅度的提高信噪比。

Description

一种基于并行探测的光学图像层析显微镜及其成像方法

技术领域

本发明涉及光学图像层析领域，尤其是涉及一种基于并行探测的光学图像层析成像方法。

背景技术

光学图像层析(OCT)已经广泛的应用与各类的疾病检测。OCT可以获取组织的结构图像类似于生理切片。OCT的轴向分辨率取决于光源的光谱宽度，而横向分辨率取决于聚焦以后光斑的大小。为了在所有的成像深度能够获取足够的信噪比和较为一致的横向分辨率，OCT的横向分辨率一般要大于5μm。然而在许多应用中，可能同时需要高的横向和轴向分辨率，例如成像细胞层次组织结构。这时候，需要将光斑聚焦到一个可能2-3μm的光斑。当光斑太小的时候，由于光的散射，只能在特定的深度获取高质量的图像，而不是在所有深度。这种只在特定深度获取高横向和轴向分辨率图像的装置，叫做光学图像层析显微镜(Optical Coherence Microscopy，OCM)。

OCM有两种实现方式，一种在时域(TOCM)，一种在频域(FOCM)。TOCM需要在参考臂提供一个相位调制。一般有两种方法提供相位调制，A-scan调制和B-scan调制。A-scan调制一般利用超短距离位移，例如通过参考臂的压电陶瓷，在获取每个A-scan时产生相位变化，而B-scan则是在获取B-scan的同时产生相位调制。FOCM是从频域OCT(FOCT)演变而来，两者的图像处理方法是一样的。唯一不同的是FOCM用一个高数值孔径的透镜去聚焦成一个极小的光斑，再从三维重建以后的图像中只提取焦点位置的图像。相对来说TOCM的图像处理方法简单但是硬件复杂，而FOCM是一种并行探测的方法，信噪比高但是数据处理相对复杂。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种结合TOCM和FOCM两种方法的优点，用简单的算法达到高信噪比的基于并行探测的光学图像层析显微镜及其成像方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于并行探测的光学图像层析显微镜，包括光源、光学分束器、成像臂、参考臂、探测端和干涉信号获取单元，所述光学图像层析显微镜还包括相位调制单元，该相位调制单元用于在光束中引入一个偏移相位，从而与其它光束发生干涉；

所述光源发出的光经过光学分束器分为第一光束和第二光束，所述第一光束经过成像臂聚焦到被测物品上，并形成第一反射光依次经过成像臂和光学分束器到达探测端，所述第二光束经过参考臂反射，然后经过光学分束器到达探测端，所述相位调制单元设置在所述第一光束或所述第二光束的光束线路中，用于对所述第一光束或所述第二光束进行相位调制，所述第一反射光和第二光束在探测端中发生干涉，并照射在所述干涉信号获取单元上，所述干涉信号获取单元用于从干涉光的每个像素中探测调幅干涉信号。

进一步地，所述相位调制单元为扫描镜，该扫描镜转动连接有转轴，所述第一光束经过所述成像臂照射在所述扫描镜上，进而聚焦到被测物品上，所述第一光束在所述扫描镜上的照射点与所述转轴间的距离为第一距离，该第一距离大于零。

进一步地，所述参考臂设有镜子，用于反射所述第二光束，所述相位调制单元为压电陶瓷，该压电陶瓷置于所述镜子的背面。

进一步地，所述干涉信号获取单元包括透镜和并行探测器，所述透镜用于将光聚焦成面，并打在所述并行探测器的不同像素上。

进一步地，所述干涉信号获取单元为柱面镜和并行探测器，所述柱面镜用于将光聚焦在一条直线上，并打在所述并行探测器的不同像素上。

进一步地，所述光源为宽带光源。

本发明还提供一种采用如上所述的一种基于并行探测的光学图像层析显微镜的成像方法，包括以下步骤：

信号获取步骤：获取并放置好被测物品，启动如上所述的一种基于并行探测的光学图像层析显微镜，通过所述第一光束对被测物品进行扫描，探测出干涉光中每个像素的调幅干涉信号；

调幅信号处理步骤，将所述每个像素的调幅干涉信号相加，得到待解调信号；

包络信号获取步骤：对所述待解调信号进行解调，获取包络信号；

图像重建步骤：根据所述包络信号，重建所述被测物品在特定深度的显微图像。

进一步地，所述干涉信号获取单元获取为第一调幅干涉信号，所述光源与所述光学分束器的连接线路中还设有光纤环形器，该光纤环形器还依次连接有第二探测端和第二干涉信号获取单元，用于形成第二调幅干涉信号；所述第二调幅干涉信号与第一调幅干涉信号有180度的相移；

所述信号获取步骤还包括，将所述第一调幅干涉信号与所述第一调幅干涉信号相减，获取用于载入所述调幅信号获取步骤的调幅干涉信号。

进一步地，所述包络信号获取步骤中，采用锁相环对调幅信号进行解调。

进一步地，所述包络信号获取步骤中，采用Hilbert变换对调幅信号进行解调。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明通过引入相位调制单元，在成像臂的光束中引入一个偏移相位，从而使得经过成像臂和被测物品的反射光束与经过参考臂的反射光束发生干涉，产生调幅干涉信号，通过解调获得的调幅干涉信号可以重建在样品特定深度的图像，该方案能够大幅度的提高系统的信噪比。

(2)本发明采用并行探测器可以同时探测到多路调制信号，通过相加并行探测器的多路信号从而降低系统的散弹噪音和热噪音，进一步提升了信噪比。

(3)与以前发展的OCM相比，这种平行探测OCM可以大幅度的提高信噪比，如果每个线性CCD有N个像素，理论上信噪比可以提高

(4)由于省去了FOCM中的光栅，避免了光栅衍射效率带入的信号衰减和Fourier变换带入的直流噪音背景。

(5)平行探测OCM的探测端系统简单，因而适合用于高分辨系统。

附图说明

图1为本发明基于并行探测的光学图像层析成像方法的示意图；

图2为本发明平衡探测法的示意图；

图中，1、光源，2、光纤耦合器，3、成像臂，4、参考臂，5、探测端，6a、透镜，6b、柱面镜，7、线性CCD，8、扫描镜，9、转轴，10、被测物品，11、A到B的调幅信号，12、A到B的解调信号，13、光纤环形器，14、镜子，A、被测物品的一点，B、被测物品的另一点。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种基于并行探测的光学图像层析显微镜，包括光源1、光学分束器、成像臂3、参考臂4、探测端5和干涉信号获取单元，其特征在于，光学图像层析显微镜还包括相位调制单元，该相位调制单元用于在光束中引入一个偏移相位，从而与其它光束发生干涉；

光源1发出的光经过光学分束器分为第一光束和第二光束，第一光束经过成像臂3聚焦到被测物品10上，并形成第一反射光依次经过成像臂3和光学分束器到达探测端5，第二光束经过参考臂4反射，然后经过光学分束器到达探测端5，相位调制单元设置在第一光束或第二光束的光束线路中，用于对第一光束或第二光束进行相位调制，第一反射光和第二光束在探测端5中发生干涉，并照射在干涉信号获取单元上，干涉信号获取单元用于从干涉光的每个像素中探测调幅干涉信号。

相位调制单元可以为任何产生相位偏移的器件。光源1为宽带光源。参考臂4设有镜子14，用于反射第二光束。光学分束器可采用光纤耦合器2。

作为一种优选的实施方式，相位调制单元为扫描镜8，该扫描镜8转动连接有转轴9，第一光束经过成像臂3照射在扫描镜8上，进而聚焦到被测物品10上，第一光束在扫描镜8上的照射点与转轴9间的距离为第一距离，该第一距离大于零。

作为另一种优选的实施方式，参考臂4设有镜子14，用于反射第二光束，相位调制单元为压电陶瓷，该压电陶瓷置于镜子14的背面。光源1为宽带光源。光学分束器可采用光纤耦合器2。

作为一种优选的实施方式，干涉信号获取单元包括球面的透镜6a和并行探测器，球面的透镜6a用于将光衍射，并打在并行探测器的不同像素上；此处的并行探测器为阵列CCD。并行探测器的每一个探测单元可以独立的检测到调幅干涉信号，所有独立的调幅干涉信号可以相加从而得到一个待解调信号。

作为另一种优选的实施方式，干涉信号获取单元还可以为柱面镜6b和并行探测器，柱面镜6b用于将光聚焦在一条直线上，并打在并行探测器的不同像素上；此处的并行探测器可以为线性CCD。

本实施例还提供一种采用如上的一种基于并行探测的光学图像层析显微镜的成像方法，包括以下步骤：

信号获取步骤：获取并放置好被测物品10，启动如上的光学图像层析显微镜，通过第一光束对被测物品10进行扫描，探测出干涉光中每个像素的调幅干涉信号；

调幅信号处理步骤，将每个像素的调幅干涉信号相加，得到待解调信号；

包络信号获取步骤：对待解调信号进行解调，获取包络信号；

图像重建步骤：根据包络信号，重建被测物品10在特定深度的显微图像。

包络信号获取步骤中，对调幅信号进行解调的方法为：采用锁相环或采用数字信号处理的方法，数字信号处理的方法可以为Hilbert变换。

信号获取步骤中，可利用成像臂3连接的扫描镜8引入B-scan幅度调制信号。

本实施例还提供对光学图像层析成像方法的进一步改进措施：干涉信号获取单元获取为第一调幅干涉信号，光源1与光学分束器的连接线路中还设有光纤环形器13，该光纤环形器13还依次连接有第二探测端5和第二干涉信号获取单元，用于形成第二调幅干涉信号；第二调幅干涉信号与第一调幅干涉信号有180度的相移；

信号获取步骤还包括，将第一调幅干涉信号与第一调幅干涉信号相减，获取用于载入调幅信号获取步骤的调幅干涉信号。

具体实施：

如图1所示，本实施例中光学图像层析显微镜的各部分的具体设置如下：

11)光源1是宽带光源，例如超连续光谱LED(SLED)从800nm到900nm或者在其他波长段；

12)光纤耦合器2把光源1的光分成两束，一束到成像臂3，一束到参考臂4。光纤耦合器2可以用任何种类的分光器，例如玻璃的分光器；

13)到参考臂4的光被一面镜子反射回光纤耦合器2；

14)到成像臂3的光直接照射到扫描镜8上，但是光束的中心会偏离扫描镜8的转轴9一个距离δ；

15)成像臂3的光会通过一个透镜聚焦到被测物品10上，例如生物组织；

16)当扫描镜8转动时，聚焦在被测物品10上的光斑会从A扫到B；

17)部分光会被被测物品10反射回光纤耦合器2；

18)从参考臂4和成像臂3反射回去的光如果有一样的光程可以在探测端5发生干涉；

19)干涉信号获取单元可以有两种平行探测的方法：

1.面探测法：一种是用一个球面的透镜6a聚焦光到一个CCD阵列上。

2.线探测法：另一种是用一个柱面镜6b把探测的光聚焦成为一条直线，然后达到线性CCD的不同像素上。

本实施例通过图像重建算法，从光学图像层析显微镜的探测结果中获取特定深度的显微图像，图像重建算法的具体介绍如下：

21)对于两种平行探测的方法，算法是一样的；

22)由于在成像臂3上引入了偏置距离，当从A到B扫描时，会对干涉信号引入一个相位调制。

23)把各个像素探测的信号相加，可以得到如图1所示的A到B的调幅信号；

24)这个调幅信号只有当参考臂4和成像臂3反射回去的光有一样的光程时才能探测到，也就是说，只有从样品特定深度反射回来的光才会发生干涉；

25)解调这个调幅信号，就可以得到如图1所示的A到B的解调信号，即包络信号；

26)包络信号实际代表从A到B，在被测物品10特定深度折射率的变化；

27)如果沿有轴连续获取多条像A到B的扫描线，就可以重建在被测物品10特定深度二维类似显微镜的图像；

28)解调有多种方法，例如用锁相环或者Hilbert变换；

本实施例还提供其他调制和探测方法，具体描述如下：

1、除了利用成像臂3的光束偏置，也可以在参考臂4引入相位调制，例如加入一个与扫描同步的压电陶瓷去产生位移或者改变光纤的长度；

2、平衡探测法：

如图2所示，通过加入一个光纤环形器13，可以引入另外线性CCD2，CCD1和CCD2探测到的信号的载波有180°的相移。两个信号相减，可以把信号幅度增加一倍，同时取消强度噪音。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims

1.一种基于并行探测的光学图像层析显微镜，包括光源(1)、光学分束器、成像臂(3)、参考臂(4)、探测端(5)和干涉信号获取单元，其特征在于，所述光学图像层析显微镜还包括相位调制单元，该相位调制单元用于在光束中引入一个偏移相位，从而与其它光束发生干涉；

所述光源(1)发出的光经过光学分束器分为第一光束和第二光束，所述第一光束经过成像臂(3)聚焦到被测物品(10)上，并形成第一反射光依次经过成像臂(3)和光学分束器到达探测端(5)，所述第二光束经过参考臂(4)反射，然后经过光学分束器到达探测端(5)，所述相位调制单元设置在所述第一光束或所述第二光束的光束线路中，用于对所述第一光束或所述第二光束进行相位调制，所述第一反射光和第二光束在探测端(5)中发生干涉，并照射在所述干涉信号获取单元上，所述干涉信号获取单元用于从干涉光的每个像素中探测调幅干涉信号。

2.根据权利要求1所述的一种基于并行探测的光学图像层析显微镜，其特征在于，所述相位调制单元为扫描镜(8)，该扫描镜(8)转动连接有转轴(9)，所述第一光束经过所述成像臂(3)照射在所述扫描镜(8)上，进而聚焦到被测物品(10)上，所述第一光束在所述扫描镜(8)上的照射点与所述转轴(9)间的距离为第一距离，该第一距离大于零。

3.根据权利要求1所述的一种基于并行探测的光学图像层析显微镜，其特征在于，所述参考臂(4)设有镜子(14)，用于反射所述第二光束，所述相位调制单元为压电陶瓷，该压电陶瓷置于所述镜子(14)的背面。

4.根据权利要求1所述的一种基于并行探测的光学图像层析显微镜，其特征在于，所述干涉信号获取单元包括透镜(6a)和并行探测器，所述透镜(6a)用于将光聚焦成面，并打在所述并行探测器的不同像素上。

5.根据权利要求1所述的一种基于并行探测的光学图像层析显微镜，其特征在于，所述干涉信号获取单元为柱面镜(6b)和并行探测器，所述柱面镜(6b)用于将光聚焦在一条直线上，并打在所述并行探测器的不同像素上。

6.根据权利要求1所述的一种基于并行探测的光学图像层析显微镜，其特征在于，所述光源(1)为宽带光源。

7.一种采用如权利要求1所述的一种基于并行探测的光学图像层析显微镜的成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

信号获取步骤：获取并放置好被测物品(10)，启动如权利要求1所述的一种基于并行探测的光学图像层析显微镜，通过所述第一光束对被测物品(10)进行扫描，探测出干涉光中每个像素的调幅干涉信号；

图像重建步骤：根据所述包络信号，重建所述被测物品(10)在特定深度的显微图像。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述干涉信号获取单元获取为第一调幅干涉信号，所述光源(1)与所述光学分束器的连接线路中还设有光纤环形器(13)，该光纤环形器(13)还依次连接有第二探测端(5)和第二干涉信号获取单元，用于形成第二调幅干涉信号；所述第二调幅干涉信号与第一调幅干涉信号有180度的相移；

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述包络信号获取步骤中，采用锁相环对调幅信号进行解调。

10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述包络信号获取步骤中，采用Hilbert变换对调幅信号进行解调。