CN113432527B - 基于马赫曾德尔干涉仪的高速谱域光学相干层析成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于马赫曾德尔干涉仪的高速谱域光学相干层析成像系统。宽带光源发出的光经由1×2光纤耦合器分为两束光，分别进入样品臂和参考臂，以获取样品臂输出的被测样品产生的后向散射光和参考臂输出的反射光；后向散射光和反射光经由光束合并单元合并后形成合并光束；当合并光束进入1×N光开关时，信号处理和系统控制模块控制1×N光开关的光信号传输通道按照设定模式开通，同时控制雪崩光电二极管探测器阵列中的与1×N光开关中开通的光信号传输通道相对应的雪崩光电二极管处于雪崩模式；同时基于获取的雪崩光电二极管探测到的光信号重构被测样品的图像。本发明能够达到成像速度快、成像质量高和成像深度深的目的。

Description

基于马赫曾德尔干涉仪的高速谱域光学相干层析成像系统

技术领域

本发明涉及光学成像技术领域，特别是涉及一种基于马赫曾德尔干涉仪的高速谱域光学相干层析成像系统，可用于工业领域中材料形变、缺陷的快速检测和实时监测。

背景技术

光学相干层析成像技术是于上世纪九十年代提出的一种基于相干光学的无接触无损伤的光学成像技术。光学相干层析成像系统是建立在低相干测量技术的基础上的，其成像过程类似于超声波成像；相比于其他非相干光学成像方法，例如传统光学显微术、超声成像、近场扫描成像和计算层析成像等，光学相干层析成像技术有效弥补了其他技术在成像深度以及成像速度方面的不足。

然而，传统谱域光学相干层析成像系统基本上都是以迈克尔逊干涉仪为基础，而在迈克尔逊干涉仪中，有将近一半的光通量将返回到光源方向，降低了光通量的利用率。同时，传统谱域光学相干层析成像系统是先使用光栅进行分光，之后使用线阵CCD/CMOs相机来获取光学干涉信号，受限于线阵CCD/CMOs相机的探测性能和后端信号处理的能力，传统谱域光学相干层析成像系统的成像速度和成像深度受到了极大的限制。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于马赫曾德尔干涉仪的高速谱域光学相干层析成像系统，以达到成像速度快、成像质量高和成像深度深的目的。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于马赫曾德尔干涉仪的高速谱域光学相干层析成像系统，包括宽带光源、1×2光纤耦合器、参考臂、样品臂、光束合并单元以及轮换探测器阵列；

所述轮换探测器阵列包括信号处理和系统控制模块，以及与所述信号处理和系统控制模块均连接的1×N光开关和雪崩光电二极管探测器阵列；所述1×N光开关中的光信号传输通道的数量和所述雪崩光电二极管探测器阵列中的雪崩光电二极管的数量相同，且所述1×N光开关中的光信号传输通道与所述雪崩光电二极管探测器阵列中的雪崩光电二极管一一对应连接；

所述信号处理和系统控制模块用于：

控制所述1×N光开关中的光信号传输通道的开通与关闭，并当所述1×N光开关中的光信号传输通道的开通时，控制所述雪崩光电二极管探测器阵列中的与所述1×N光开关中开通的光信号传输通道相对应的雪崩光电二极管处于雪崩模式；

获取所述雪崩光电二极管探测到的光信号信息，并根据所述光信号信息重构被测样品的图像；所述图像至少包括三维图像；

在工作状态下，所述宽带光源发出的光经由所述1×2光纤耦合器分为两束光，分别进入所述样品臂和所述参考臂，以获取所述样品臂输出的被测样品产生的后向散射光和所述参考臂输出的反射光；所述后向散射光和所述反射光经由所述光束合并单元合并后，形成合并光束，接着所述合并光束进入所述轮换探测器阵列中的1×N光开关；

当所述合并光束进入所述1×N光开关时，所述信号处理和系统控制模块控制所述1×N光开关的光信号传输通道按照设定模式开通，同时控制所述雪崩光电二极管探测器阵列中的与所述1×N光开关中开通的光信号传输通道相对应的雪崩光电二极管处于雪崩模式；所述信号处理和系统控制模块获取所述雪崩光电二极管探测到的光信号信息，并根据所述光信号信息确定被测样品的图像；

其中，所述设定模式为每隔一个时间间隔，将部分或者所有开通的光信号传输通道关闭，将部分或者所有关闭的光信号传输通道开通的模式。

可选的，所述参考臂包括全反射棱镜、反射镜组和第一光纤准直器；

进入所述参考臂的光束，首先被所述反射镜组中的第一反射镜反射后进入所述全发射棱镜，之后经过所述全反射棱镜的两次偏转后，再次经过所述反射镜组，并被所述反射镜组中的第二反射镜反射后，通过所述第一光纤准直器耦合进入所述光束合并单元中的2×1光纤耦合器。

可选的，所述样品臂包括三端口光纤环形器、偏振控制器、第一准直透镜、扫描振镜和第一聚焦透镜；

进入所述样品臂的光束，由所述三端口光纤环形器的a端口输入，由所述三端口光纤环形器的b端口输出后，经由所述第一准直透镜准直为平行光；所述平行光经过所述扫描振镜偏转后，由所述第一聚焦透镜聚焦至所述被测样品；所述被测样品产生的后向散射光沿原路返回，并再次进入所述三端口光纤耦合器的b端口，并由所述三端口光纤耦合器的c端口输出后，耦合进入所述光束合并单元中的2×1光纤耦合器。

可选的，还包括四维调整支架；

所述扫描振镜安装在所述四维调整支架上；

在工作期间，通过使用所述四维调整支架调整所述扫描振镜的高度，从而保证所述被测样品的后向散射光能够最大程度返回。

可选的，还包括用于盛放所述被测样品的样品平台；

所述信号处理和系统控制模块用于控制所述扫描振镜连续偏转的同时，控制所述样品平台使得所述被测样品发生位移，进而获得被测样品三维图像。

可选的，所述光束合并单元包括2×1光纤耦合器、第二准直透镜、透射式体相位全息光栅和第二聚焦透镜；

所述反射光和所述后向散射光在所述2×1光纤耦合器中发生合束后，经由所述第二准直透镜扩束准直，形成平行光束；然后所述平行光束由所述透射式体相位全息光栅进行分光后，接着被所述第二聚焦透镜聚焦至正对的所述轮换探测器阵列中的第二光纤准直器的表面，最后耦合进入所述1×N光开关中。

可选的，所述轮换探测器阵列还包括第二光纤准直器、偏压控制模块以及信号读出电路；

所述合并光束进入所述第二光纤准直器后，耦合进入所述1×N光开关中；

所述偏压控制模块，用于控制所述雪崩光电二极管探测器阵列中的与所述1×N光开关中开通的光信号传输通道相对应的雪崩光电二极管处于雪崩模式；所述信号读出电路用于获取所述雪崩光电二极管探测到的光信号，并将所述光信号转换成电信号，然后将所述电信号发送至所述信号处理与系统控制模块。

可选的，所述信号处理与系统控制模块，进一步用于：

所述合并光束耦合进入所述1×N光开关时，控制所述1×N光开关的光信号传输通道按照设定模式开通，同时控制所述偏压控制模块工作以使所述雪崩光电二极管探测器阵列中的与所述1×N光开关中开通的光信号传输通道相对应的雪崩光电二极管处于雪崩模式；

获取所述信号读出电路传输的电信号，并根据所述电信号确定所述被测样品的图像。

可选的，所述宽带光源为超辐射发光二极管、放大自发辐射光源或科尔透镜锁模钛宝石激光器中的任意一种。

可选的，所述雪崩光电二极管材料为硅(Si)、锗(Ge)、铟镓砷(InGaAs)、铟镓砷或者磷化铟(InGaAs/InP)的任意一种。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供的高速谱域光学相干层析成像系统采用了马赫曾德尔干涉仪，大大提高了光通量的利用率；同时通过使用信号处理和系统控制模块控制1×N光开关的光信号传输通道和雪崩光电二极管探测阵列中每个雪崩光电二极管的探测状态，从而轮换探测不同波长的光信号，大大提高了图像的采集速度。与现有技术相比，本发明提供的高速谱域光学相干层析成像系统，在保证高成像质量的前提下，大大加快了系统的成像速度，同时在保证系统灵敏度的前提下，有效提升了系统的成像深度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明基于马赫曾德尔干涉仪的高速谱域光学相干层析成像系统的结构示意图；

图2为本发明基于1×N光开关和雪崩光电二极管探测器阵列组成的轮换探测器阵列的结构示意图；

图3为本发明基于马赫曾德尔干涉仪的高速谱域光学相干层析成像系统的具体结构示意图；

符号说明：宽带光源1、1×2光纤耦合器2、三端口光纤环形器3、偏振控制器4、第一准直透镜51、第二准直透镜52、扫描振镜6、四维调整支架7、第一聚焦透镜81、第二聚焦透镜82、被测样品9、精密滑移样品平台10、反射镜组11、全反射棱镜12、第一光纤准直器13、2×1光纤耦合器14、透射式体相全息衍射光栅15、第二光纤准直器16、1×N光开关17、雪崩光电二极管探测器阵列18、偏压控制模块19、信号读出电路20、信号处理和系统控制模块21。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的在于提供一种具有成像速度快、成像质量高和成像深度深的基于马赫曾德尔干涉仪的高速谱域光学相干层析成像系统。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

1991年，光学相干层析成像技术在Science期刊中被第一次提出，这种光学相干层析成像技术是基于时域的低相干测量技术，其通过机械移动参考臂的反射镜来改变光程差，从而达到对样品深度的扫描，其扫描深度取决于参考臂中反射镜的移动距离，同时利用样品臂的扫描装置对被测样品进行扫描，最终得到二维图像或者三维图像。

然而由于时域光学相干层析成像技术依靠移动反射镜进行层析扫描，大大限制了其成像速率，同时引入了误差与噪声。经过数年的发展，谱域光学相干层析成像技术在1995年被Fercher等人提出，与时域光学相干层析技术相比，其显著特点是参考臂不需要移动，而是通过对光谱仪采集的干涉光谱及逆行傅里叶变换获得被测样品的深度信息，这种方式大大的提高了谱域光学相干层析成像技术的采集速度和灵敏度，进而提高了光学相干层析成像技术的成像速度和信噪比。

在实际应用中，谱域光学相干层析成像系统已被广泛应用，尤其是在生物医学领域，具体为眼科学、内窥检查和皮肤学等领域，其不仅可以作为辅助医疗诊断设备以用于生物组织的活体检测，而且在癌症的早期研究和诊断中也发挥了不可替代的作用。

马赫曾德尔干涉仪在光通量的可利用率上，差不多要比迈克尔逊干涉仪高出一倍，这是因为在迈克尔逊干涉仪中，有将近一半的光通量将返回到光源方向，而马赫曾德尔干涉仪则不需要将这部分光返回至光源。

鉴于此，本发明提供了一种基于马赫曾德尔干涉仪的高速谱域光学相干层析成像系统，可用于工业领域中材料缺陷的快速检测和实时监测，可广泛用于光学生物医疗、文物检验、工业测量、物证检测等领域。

实施例一

请参见图1，本实施例提供的基于马赫曾德尔干涉仪的高速谱域光学相干层析成像系统包括包括宽带光源1、1×2光纤耦合器2、参考臂、样品臂、光束合并单元以及轮换探测器阵列。

请参见图2，所述轮换探测器阵列包括信号处理和系统控制模块21，以及与所述信号处理和系统控制模块21均连接的1×N光开关17和雪崩光电二极管探测器阵列18；所述1×N光开关17中的光信号传输通道的数量和所述雪崩光电二极管探测器阵列18中的雪崩光电二极管的数量相同，且所述1×N光开关17中的光信号传输通道与所述雪崩光电二极管探测器阵列18中的雪崩光电二极管一一对应连接。

所述信号处理和系统控制模块21用于：

控制所述1×N光开关17中的光信号传输通道的开通与关闭，并当所述1×N光开关17中的光信号传输通道的开通时，控制所述雪崩光电二极管探测器阵列18中的与所述1×N光开关17中开通的光信号传输通道相对应的雪崩光电二极管处于雪崩模式。

获取所述雪崩光电二极管探测到的光信号信息，并根据所述光信号信息重构被测样品的图像；所述图像至少包括三维图像。

在工作状态下，所述宽带光源1发出的光经由所述1×2光纤耦合器2分为两束光，分别进入所述样品臂和所述参考臂，以获取所述样品臂输出的被测样品产生的后向散射光和所述参考臂输出的反射光；所述后向散射光和所述反射光经由所述光束合并单元合并后，形成合并光束，接着所述合并光束进入所述轮换探测器阵列中的1×N光开关17。

当所述合并光束进入所述1×N光开关17时，所述信号处理和系统控制模块21控制所述1×N光开关17的光信号传输通道按照设定模式开通，同时控制所述雪崩光电二极管探测器阵列18中的与所述1×N光开关17中开通的光信号传输通道相对应的雪崩光电二极管处于雪崩模式；所述信号处理和系统控制模块21获取所述雪崩光电二极管探测到的光信号信息，并根据所述光信号信息确定被测样品9的图像。

其中，所述设定模式为每隔一个时间间隔，将部分或者所有开通的光信号传输通道关闭，将部分或者所有关闭的光信号传输通道开通的模式。

优选地，宽带光源1的光谱带宽、中心波长和输出光功率在很大程度上决定了光学相干层析成像系统的分辨率和探测深度。宽带光源1可以是超辐射发光二极管(SLD)、放大自发辐射光源(ASE)或科尔透镜锁模钛宝石激光器中的任意一种。

作为一种优选地实施方式，本实施例所述的参考臂由全反射棱镜12、反射镜组11和第一光纤准直器13组成。进入参考臂的光束，首先被反射镜组11中的第一反射镜反射后进入全发射棱镜12，之后经过全反射棱镜12的两次偏转后再次经过反射镜组11，被反射镜组11中的第二反射镜反射后，通过第一光纤准直器13耦合进入光束合并单元中的2×1光纤耦合器14。

作为一种优选地实施方式，本实施例所述的样品臂是由三端口光纤环形器3、偏振控制器4、第一准直透镜51、扫描振镜6和第一聚焦透镜81组成。进入样品臂的光束由三端口光纤环形器3的a端口进入，b端口输出后经由第一准直透镜51准直为平行光，平行光经过扫描振镜6偏转后由第一聚焦透镜81聚焦至被测样品9，被测样品9产生的后向散射光沿原路返回，并再次进入三端口光纤耦合器3的b端口，并由三端口光纤耦合器3的c端口输出，然后耦合进入2×1光纤耦合器14。

所述偏振控制器4的作用是用来调整样品臂中后向散射光的偏振态，从而使得样品臂中的后向散射光和参考臂中的反射光的偏振态匹配，进而使得干涉信号的对比度达到最大。

所述扫描振镜6的主要目的是对光束进行偏转。

进一步地，本实施例所述的高速谱域光学相干层析成像系统还包括用于盛放被测样品9的精密滑移样品平台10；信号处理和系统控制模块21用于控制扫描振镜6连续偏转以实现光束的一维扫描或者二维扫描的同时，控制精密滑移样品平台10使得被测样品9发生位移，进而获得被测样品9的二维图像或者三维图像。

进一步地，本实施例提供的高速谱域光学相干层析成像系统，还包括四维调整支架7；扫描振镜6安装在四维调整支架7上；在工作期间，通过使用四维调整支架7调整扫描振镜6的高度，从而保证被测样品9的后向散射光能够最大程度返回。

作为一种优选地实施方式，本实施例所述的光束合并单元包括2×1光纤耦合器14、第二准直透镜52、透射式体相位全息光栅15和第二聚焦透镜82；从参考臂的反射光和样品臂中返回的后向散射光在2×1光纤耦合器14中发生合束后，经由第二准直透镜52扩束准直，然后由透射式体相位全息光栅15进行分光，接着被第二聚焦透镜82聚焦至正对的轮换探测器阵列中的第二光纤准直器16的表面，耦合进入单模光纤(1×N光开关17)中；其中，第二光纤准直器16的纤尾与1×N光开关17相连接。

透射式体相全息衍射光栅15的主要目的是将不同波长光分开，借此区分复色光的光谱成分，其不仅对入射光的偏振态具有不敏感的特性，同时对s偏振光和p偏振光都具有较高的衍射效率。

进一步地，本实施例所述的轮换探测器阵列还包括第二光纤准直器16、偏压控制模块19以及信号读出电路20。

所述合并光束进入所述第二光纤准直器16后，耦合进入所述1×N光开关17中。

所述偏压控制模块19，用于控制所述雪崩光电二极管探测器阵列18中的与所述1×N光开关17中开通的光信号传输通道相对应的雪崩光电二极管处于雪崩模式；所述信号读出电路20用于获取所述雪崩光电二极管探测到的光信号，并将所述光信号转换成电信号，然后将所述电信号发送至信号处理与系统控制模块21。

由于设置轮换探测器阵列，可以对光信号进行更快速度的采集，同时利用雪崩光电二极管的高灵敏度，可以实现更深的成像深度。

当有光束进入1×N光开关17时，每隔一个时间间隔，信号处理与系统控制模块21在控制1×N光开关17的光信号传输通道切换的同时，也会通过控制偏压控制模块19来控制雪崩光电二极管探测器阵列18中与1×N光开关中开通的光通道相对应的雪崩光电二极管处于雪崩模式，从而实现单光子探测。

第二光纤准直器16的主要目的是将第二聚焦透镜82中聚焦的光束高效耦合进入光纤中后传输至1×N光开关17中，第二光纤准直器16的使用可以大大降低光信号的损失。

雪崩光电二极管探测阵列18中的所有雪崩光电二极管的工作模式由偏压控制模块19的输出电压决定，偏压控制模块19的输出电压的大小由信号处理和系统控制模块21控制。信号处理和系统控制模块21可以对1×N光开关17中的光传输信号通道进行依次切换。

雪崩光电二极管探测器阵列18中的雪崩光电二极管的探测状态受偏压控制模块19的输出电压控制，工作在不同的模式和不同内部增益下；雪崩光电二极管在接受到光信号后，将光信号转换为电信号，并由信号读出电路20读出，然后送至信号处理和系统控制模块21进行处理。

雪崩光电二极管探测器阵列18中的雪崩光电二极管可以是基于硅(Si)、锗(Ge)、铟镓砷(InGaAs)或者铟镓砷/磷化铟(InGaAs/InP)等雪崩光电二极管中的任何一种。

偏压控制模块19可以将适合于雪崩光电二极管探测器阵列18所需的直流电压由单通道直流电压分为多通道直流电压，同时可以对各个通道的输出电压进行控制。信号处理和系统控制模块21可以通过控制偏压控制模块19来控制雪崩光电二极管探测器阵列18中每个雪崩光电二极管的探测状态。偏压控制模块19的直流电压输出通道数量与雪崩光电二极管探测器阵列18中的雪崩光电二极管数量相同。

信号读出电路20将雪崩光电二极管探测器阵列18中的N个雪崩光电二极管的光信号转换为电信号后，传输至信号处理和系统控制模块21处理。与此同时，信号处理和系统控制模块21通过控制精密滑移样品平台10产生位移，从而达到可以高速探测被测样品9的三维图像。

信号处理和系统控制模块21主要有三个作用：1.用来控制1×N光开关17中每个光信号传输通道和雪崩光电二极管探测器阵列18中与光信号传输通道相对应的雪崩光电二极管的快速切换；2.用来高速处理由信号读出电路20读出的电信号并重建成像；3.用来控制扫描振镜6的扫描速度和精密滑移样品平台10的位移速度，从而高速获得被测样品9的三维图像。

在光学相干层析成像系统中，宽带光源1的中心波长和带宽决定了图像的轴向分辨率Δz。通常来讲，带宽越大，中心波长越短(当光学相干层析成像系统用于人体时，必须要匹配对人体无害的光波长)，轴向分辨率越大。其理论的轴向分辨率Δz由公式(1)确定。

式中，λ为宽带光源1的中心波长，Δλ为宽带光源1波长域的半高全宽。

下面介绍下基于马赫曾德尔干涉仪的高速谱域光学相干层析成像系统的工作过程。

宽带光源1发出的低相干光经由1×2光纤耦合器2分为两束，分别进入样品臂和参考臂。进入样品臂的光束依次通过三端口光纤环形器3、偏振控制器4、第一准直透镜51后，经由扫描振镜6偏转后由第一聚焦透镜81聚焦至被测样品9；被测样品9产生的后向散射光后，原路返回，后向散射光再次经过三端口光纤环形器3，并从三端口光纤环形器3的b端口输入，从三端口光纤环形器3的c端口输出，然后耦合至2×1光纤耦合器14中；进入参考臂的光束经由全反射棱镜11和反射镜组12反射后，进入第一光纤准直器13，并被第一光纤准直器13耦合进入2×1光纤耦合器14中。

样品臂中的后向散射光和参考臂中的反射光在2×1光纤耦合器14中合束，形成平行光束，之后经由第二准直透镜52准直并入射至透射式体相全息衍射光栅15中；平行光束经过透射式体相全息衍射光栅15分光后由第二聚焦透镜82聚焦至与其正对的第二光纤准直器16中，之后第二光纤准直器16将光束耦合进入1×N光开关17；1×N光开关17拥有的光信号传输通道数目与雪崩光电二极管探测器阵列18中的雪崩光电二极管数目相同且一一对应，偏压控制模块19控制雪崩光电二极管探测器阵列18中的每个雪崩光电二极管的探测状态。

当光束入1×N光开关17时，信号处理和系统控制模块21会控制1×N光开关17的光信号传输通道依次打开，同时通过控制偏压控制模块19控制雪崩光电二极管探测器阵列18中的与1×N光开关17中开通的光信号传输通道相对应的雪崩光电二极管处于雪崩模式，从而实现单光子探测。与此同时，信号读出电路20会将雪崩光电二极管探测器阵列18中各个雪崩光电二极管探测到的光信号转换为电信号，然后传输至信号处理和系统控制模块21进行处理。

同时为了得到三维图像，信号处理和系统控制模块21通过控制扫描振镜6扫描的同时控制精密滑移样品平台10产生位移，从而高速获得被测样品9的三维图像。

实施例二

图3给出了基于马赫曾德尔干涉仪的高速谱域光学相干层析成像系统的具体实施例。

该高速谱域光学相干层析成像系统包括宽带光源1、1×2光纤耦合器2、三端口光纤环形器3、偏振控制器4、第一准直透镜51、第二准直透镜52、扫描振镜6、四维调整支架7、第一聚焦透镜81、第二聚焦透镜82、被测样品9、精密滑移样品平台10、反射镜组11、全反射棱镜12、第一光纤准直器13、2×1光纤耦合器14、透射式体相全息衍射光栅15、第二光纤准直器16、1×N光开关17、雪崩光电二极管探测器阵列18、偏压控制模块19、信号读出电路20、信号处理和系统控制模块21。

其中，本实施例所述的高速谱域光学相干层析成像系统的工作过程和实施例所述的高速谱域光学相干层析成像系统的工作过程相同，再次不过多赘述。

宽带光源的中心波长和带宽决定了图像的轴向分辨率。通常来讲，带宽越大，中心波长越短(当光学相干层析成像系统用于人体时，必须要匹配对人体无害的光波长)，轴向分辨率越大。

宽带光源1发出的光束被分光比为70：30的1×2光纤耦合器2分成两束光，分别进入样品臂和参考臂。

参考臂由全反射棱镜12、反射镜组11和第一光纤准直器13组成。进入参考臂的光束首先被反射镜组11中的第一反射镜反射后进入全发射棱镜12，之后经过全反射棱镜12的两次偏转后再次经过反射镜组11，被反射镜组11中的第二反射镜反射后，通过第一光纤准直器耦合进入2×1光纤耦合器14。

样品臂是由三端口光纤环形器3、偏振控制器4、第一准直透镜51、扫描振镜6和第一聚焦透镜81组成。进入样品臂的光束由三端口光纤环形器3的a端口进入，b端口输出后经由第一准直透镜51准直为平行光，平行光经过扫描振镜6偏转后由第一聚焦透镜81聚焦至被测样品，被测样品产生的后向散射光沿原路返回，并再次进入三端口光纤耦合器3的b端口，并由三端口光纤耦合器3的c端口输出，然后耦合进入2×1光纤耦合器14。

期间，通过使用四维调整支架7调整扫描振镜6的高度，从而保证被测样品的后向散射光能够最大程度返回。

样品臂中的偏振控制器4的主要作用是调整被测样品的后向散射光的偏振态，使得被测样品的后向散射光与参考臂中的反射光的偏振态达到最佳匹配状态，从而使干涉条纹的对比度最大。同时，为了使得样品臂和参考臂中的光束发生干涉，通过对参考臂中的全反射棱镜12进行移动使得参考臂和样品臂的光程差达到最优。

从参考臂的反射光和样品臂中返回的后向散射光在2×1光纤耦合器14中发生合束后，经由第二准直透镜52扩束准直，然后由透射式体相位全息光栅15进行分光，接着被第二聚焦透镜82聚焦至正对着第二光纤准直器16的表面，耦合进入单模光纤(1×N光开关17)中，第二光纤准直器16的纤尾与1×N光开关17相连接。

优选地，本实施例所述的1×N光开关17为1x6光开关。1x6光开关中的6个光信号传输通道与雪崩光电二极管探测器阵列18中的6个雪崩光电二极管一一对应连接，信号处理和系统控制模块21通过控制偏压控制模块19输出的6通道直流可控电压来控制雪崩光电二极管探测阵列18中的6个雪崩光电二极管的工作模式。

当有光信号进入1x6光开关时，每隔10ms，信号处理与系统控制模块21在控制1x6光开关的光信号传输通道切换的同时，会通过控制偏压控制模块19来控制雪崩光电二极管探测器阵列18中与1x6光开关中开通的光信号传输通道相对应的雪崩光电二极管处于雪崩模式，从而实现单光子探测。

信号读出电路20将雪崩光电二极管探测器阵列18中的6个雪崩光电二极管的光信号转换为电信号后，传输至信号处理和系统控制模块20处理。与此同时，信号处理和系统控制模块20通过控制精密滑移样品平台10产生位移，从而达到可以高速探测被测样品的三维图像的目的。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种基于马赫曾德尔干涉仪的高速谱域光学相干层析成像系统，其特征在于，包括宽带光源、1×2光纤耦合器、参考臂、样品臂、光束合并单元以及轮换探测器阵列；

所述轮换探测器阵列包括信号处理和系统控制模块，以及与所述信号处理和系统控制模块均连接的1×N光开关和雪崩光电二极管探测器阵列；所述1×N光开关中的光信号传输通道的数量和所述雪崩光电二极管探测器阵列中的雪崩光电二极管的数量相同，且所述1×N光开关中的光信号传输通道与所述雪崩光电二极管探测器阵列中的雪崩光电二极管一一对应连接；

所述信号处理和系统控制模块用于：

控制所述1×N光开关中的光信号传输通道的开通与关闭，并当所述1×N光开关中的光信号传输通道的开通时，控制所述雪崩光电二极管探测器阵列中的与所述1×N光开关中开通的光信号传输通道相对应的雪崩光电二极管处于雪崩模式；

获取所述雪崩光电二极管探测到的光信号信息，并根据所述光信号信息重构被测样品的图像；所述图像至少包括三维图像；

在工作状态下，所述宽带光源发出的光经由所述1×2光纤耦合器分为两束光，分别进入所述样品臂和所述参考臂，以获取所述样品臂输出的被测样品产生的后向散射光和所述参考臂输出的反射光；所述后向散射光和所述反射光经由所述光束合并单元合并后，形成合并光束，接着所述合并光束进入所述轮换探测器阵列中的1×N光开关；

当所述合并光束进入所述1×N光开关时，所述信号处理和系统控制模块控制所述1×N光开关的光信号传输通道按照设定模式开通，同时控制所述雪崩光电二极管探测器阵列中的与所述1×N光开关中开通的光信号传输通道相对应的雪崩光电二极管处于雪崩模式；所述信号处理和系统控制模块获取所述雪崩光电二极管探测到的光信号信息，并根据所述光信号信息重构被测样品的图像；

其中，所述设定模式为每隔一个时间间隔，将部分或者所有开通的光信号传输通道关闭，将部分或者所有关闭的光信号传输通道开通的模式。

2.根据权利要求1所述的一种基于马赫曾德尔干涉仪的高速谱域光学相干层析成像系统，其特征在于，所述参考臂包括全反射棱镜、反射镜组和第一光纤准直器；

进入所述参考臂的光束，首先被所述反射镜组中的第一反射镜反射后进入所述全反射棱镜，之后经过所述全反射棱镜的两次偏转后，再次经过所述反射镜组，并被所述反射镜组中的第二反射镜反射后，通过所述第一光纤准直器耦合进入所述光束合并单元中的2×1光纤耦合器。

3.根据权利要求1所述的一种基于马赫曾德尔干涉仪的高速谱域光学相干层析成像系统，其特征在于，所述样品臂包括三端口光纤环形器、偏振控制器、第一准直透镜、扫描振镜和第一聚焦透镜；

进入所述样品臂的光束，由所述三端口光纤环形器的a端口输入，由所述三端口光纤环形器的b端口输出后，经由所述第一准直透镜准直为平行光；所述平行光经过所述扫描振镜偏转后，由所述第一聚焦透镜聚焦至所述被测样品；所述被测样品产生的后向散射光沿原路返回，并再次进入所述三端口光纤耦合器的b端口，并由所述三端口光纤耦合器的c端口输出后，耦合进入所述光束合并单元中的2×1光纤耦合器。

4.根据权利要求3所述的一种基于马赫曾德尔干涉仪的高速谱域光学相干层析成像系统，其特征在于，还包括四维调整支架；

所述扫描振镜安装在所述四维调整支架上；

在工作期间，通过使用所述四维调整支架调整所述扫描振镜的高度，从而保证所述被测样品的后向散射光能够最大程度返回。

5.根据权利要求3所述的一种基于马赫曾德尔干涉仪的高速谱域光学相干层析成像系统，其特征在于，还包括用于盛放所述被测样品的样品平台；

所述信号处理和系统控制模块用于控制所述扫描振镜连续偏转的同时，控制所述样品平台使得所述被测样品发生位移，进而获得所述被测样品的二维图像或者三维图像。

6.根据权利要求1所述的一种基于马赫曾德尔干涉仪的高速谱域光学相干层析成像系统，其特征在于，所述光束合并单元包括2×1光纤耦合器、第二准直透镜、透射式体相位全息光栅和第二聚焦透镜；

所述反射光和所述后向散射光在所述2×1光纤耦合器中发生合束后，经由所述第二准直透镜扩束准直，形成平行光束；然后所述平行光束由所述透射式体相位全息光栅进行分光后，接着被所述第二聚焦透镜聚焦至正对的所述轮换探测器阵列中的第二光纤准直器的表面，最后耦合进入所述1×N光开关中。

7.根据权利要求1所述的一种基于马赫曾德尔干涉仪的高速谱域光学相干层析成像系统，其特征在于，所述轮换探测器阵列还包括第二光纤准直器、偏压控制模块以及信号读出电路；

所述合并光束进入所述第二光纤准直器后，耦合进入所述1×N光开关中；

所述偏压控制模块，用于控制所述雪崩光电二极管探测器阵列中的与所述1×N光开关中开通的光信号传输通道相对应的雪崩光电二极管处于雪崩模式；所述信号读出电路用于获取所述雪崩光电二极管探测到的光信号，并将所述光信号转换成电信号，然后将所述电信号发送至所述信号处理与系统控制模块。

8.根据权利要求7所述的一种基于马赫曾德尔干涉仪的高速谱域光学相干层析成像系统，其特征在于，

所述信号处理与系统控制模块，进一步用于：

所述合并光束耦合进入所述1×N光开关时，控制所述1×N光开关的光信号传输通道按照设定模式开通，同时控制所述偏压控制模块工作以使所述雪崩光电二极管探测器阵列中的与所述1×N光开关中开通的光信号传输通道相对应的雪崩光电二极管处于雪崩模式；

获取所述信号读出电路传输的电信号，并根据所述电信号确定所述被测样品的图像。

9.根据权利要求1所述的一种基于马赫曾德尔干涉仪的高速谱域光学相干层析成像系统，其特征在于，所述宽带光源为超辐射发光二极管、放大自发辐射光源或科尔透镜锁模钛宝石激光器中的任意一种。

10.根据权利要求1所述的一种基于马赫曾德尔干涉仪的高速谱域光学相干层析成像系统，其特征在于，所述雪崩光电二极管材料为硅、锗、铟镓砷、铟镓砷或者磷化铟的任意一种。

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