CN114646613B - 一种全息点阵相干成像方法与系统 - Google Patents
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Abstract
一种全息点阵相干成像方法与系统，在OCT光源即入射光束光路上加空间光调制器和透镜，空间光调制器上显示具有分束效果的全息图，入射光束经过空间光调制器和透镜，形成一行光斑点阵；采用上述改进的OCT光源进行OCT光学相关断层扫描。所述空间光调制器为液晶空间光调制器LCOS、MEMS空间光调制器；LCOS生成的这一行光斑点阵被分束镜一分为二，一束打至参考臂光路，另一束打至待测样品成为样品臂光路；经过参考臂光路和样品反射的点阵光束分别再一次经过分束镜合束后在一透镜的后焦平面发生干涉形成成像面。
Description
技术领域
本发明涉及光学相干成像方法与系统，尤其是一种全息点阵相干成像方法与系统。
背景技术
光学相干成像OCT根据低相干干涉测量原理工作。从光源发出的光被分束器分成两条路径，即干涉仪的参考臂和样品臂。来自每个臂的光被反射回来并在检测器处合并，仅当参比臂和样品臂中的光传播时间几乎相等时，在检测器上才能看到干涉效果。因此，干涉的存在是光传播距离的相对量度。OCT是一种非侵入式截面3D成像方法，利用光波和材料之间的相互作用来确定样品的内部特性。它可以提供比超声成像系统更好的成像分辨率，并且可以提供比共聚焦显微镜更好的成像深度。OCT专业全称又叫光学相关断层扫描。是最近几年应用于眼科的新型技术。OCT是一种非接触、高分辨率层析和生物显微镜成像设备。它可用于眼后段结构（包括视网膜、视网膜神经纤维层、黄斑和视盘）的活体上查看、轴向断层以及测量，是特别用作帮助检测和管理眼疾（包括但不限于黄斑裂孔、黄斑囊样水肿、糖尿病性视网膜病变、老年性黄斑变性和青光眼）的诊断设备。OCT基于Michelson的干涉度量学, 以超发光二极管发光体作为光源。光束经光导纤维进入光纤耦联器,被分束镜分为两束,一束经过眼的屈光介质射向视网膜,另一束进人参照系统。两个光路中反射或反向散射的光线在光纤耦联器被重新整合为一束并为探测器所探测,对不同深度组织所产生的反向散射强度和延搁时间进行测量。OCT一般通过对伪彩色的灰阶值进行实时的显示来获得图像。
现有的FD-OCT利用低相干干涉原理和频谱干涉技术，通过对光谱仪采集的干涉光谱进行傅里叶逆变换获取样品微观结构信息。典型的FD-OCT系统结构如图1所示。光源提供一个具有一定频谱带宽的激光，该激光的相干长度为CL。分束镜将一部分光打至参考镜，另一部分光打至待测样品。经过参考镜和样品反射的光束分别再一次经过分束镜，并在系统中光栅臂（即探测臂）发生干涉。干涉的相增和相消由波长以及参考臂和样品臂之间的光程差∆d共同决定。由于入射光源具有一定的频谱带宽，因此对于一个给定光程差，光源频谱范围内的某些频率分量在光栅处干涉相增，某些频率分量则干涉相消。图1中的光栅、透镜L7和探测器阵列构成了一个频谱分析仪，可以分析哪些频率分量在探测臂干涉相增和相消。根据频谱分析结果可以推导出参考臂和样品臂之间的光程差。FD-OCT可以用于检测正常及不同屈光度儿童的视网膜神经纤维层。在图1所示的系统中的样品臂部分包含了一个由透镜L4，微镜和透镜L5组成的4f成像系统。通过转动微镜的角度，光斑在样品处聚焦的位置会发生变化，进而实现对样品的二维扫描断层分析。
图2分别给出了现有技术当样品臂与参考臂之间光程差∆d为1倍、2倍和3倍激光器相干长度CL时，频谱测试的结果（I-λ图像）。由图2可知，当∆d=CL时，频谱测试结果中存在一个峰值；当∆d=2CL时，频谱测试结果中存在两个峰值；当∆d=3CL时，频谱测试结果中存在三个峰值；由此可知，光程差∆d为n倍的相干长度CL时，频谱测试结果曲线的周期为n个。
当待测样品具有多层结构时，对频谱测试的结果是各层结果对应的频谱分量的叠加。因此，对探测器上的最终频谱测试结果进行傅里叶变化，进而对样品实现断层分析。
传统FD-OCT由于是单点扫描，需要另加微镜并控制旋转它以对整个样品平面进行扫描成像，这使得其制造工艺难、扫描速度慢、体积庞大，而且微镜等机械结构对环境中的震动很敏感，因而很难做成便携的手持式OCT。
中国专利申请CN109893099、2021-4-23日公开了一种MLA-OCT成像导管、MLA-OCT成像导管校准方法、MLA-OCT成像系统及其成像方法。MLA-OCT成像导管包括内管、外管和多芯导管连接头，内管包括光纤束和微透镜阵列。MLA-OCT成像系统中，光源通过干涉仪分为样品光和参考光，样品光进入信号臂到达人体组织，参考光进入参考臂到达光延迟线，两处返回的光分别为第一和第二光信号，参考臂设光延迟线装置。MLA-OCT成像方法包括：数据处理装置根据干涉信号的信噪比，调整光延迟线位置，直到信噪比最高，此时每根光纤的光延迟线的延迟时间值为其光延迟线校准值，并存入MLA-OCT系统；MLA-OCT系统基于光延迟线校准值自动设置参考臂臂长，以检测干涉信号；回撤控制器致动MLA-OCT成像导管轴向移动进行轴向扫描，以建立人体组织的三维空间图像。
中国专利申请CN104055483A、2014-9-24日公开一种用于光学相干层析(OCT)图像复原的设备，所述设备包括：OCT光谱信号提取模块，从OCT系统获得的原始光谱信号提取OCT图像的光谱信号；噪声图像和点扩散函数构建模块，根据OCT光谱信号提取模块提取的OCT图像的光谱信号构建噪声图像，并且从OCT系统的参考臂反射的参考光光谱信号构建OCT系统的光源光谱的点扩散函数；图像复原模块，利用点扩散函数和全变差对构建的噪声图像同时进行去卷积和去噪，从而复原OCT图像。
发明内容
本发明所要解决的技术问题，是提供一种全息点阵相干成像方法与系统，包括供OCT使用的基于全息光场调控原理的可调点阵光源，新型OCT光源（光学相关断层扫描）的设置方法提升扫描成像的速度。传统FD-OCT由于是单点扫描，需要另加微镜并控制旋转它以对整个样品平面进行扫描成像，这使得其制造工艺难、扫描速度慢、体积庞大，而且微镜等机械结构对环境中的震动很敏感，因而很难做成便携的手持式OCT。本发明可以克服传统FD-OCT的这些缺点。
本发明的技术方案，一种基于OCT光源的全息点阵相干成像的方法，在OCT光源即入射光束光路上加空间光调制器和透镜，空间光调制器上显示具有分束效果的全息图，入射光束经过空间光调制器和透镜L1，形成一行光斑点阵；采用上述改进的OCT光源进行OCT光学相关断层扫描；所述空间光调制器为液晶空间光调制器LCOS、 MEMS空间光调制器；LCOS生成的这一行光斑点阵被分束镜一分为二，一束打至参考臂光路，另一束打至待测样品成为样品臂光路；经过参考臂光路和样品反射的点阵光束分别再一次经过分束镜合束后在一透镜的后焦平面发生干涉形成成像面。从而进行OCT光学相关断层扫描。
空间光调制器为LCOS器件时，LCOS生成的这一行光斑点阵被分束镜一分为二，一束打至参考臂光路，另一束打至待测样品成为样品臂光路。在OCT光源即入射光束光路上加LCOS器件和第一透镜L1，LCOS器件上显示具有分束效果的全息图，入射光束经过LCOS器件和第一透镜L1，形成一行光斑点阵；改变LCOS器件上全息相位图，可以改变该光斑点阵空间分布；采用上述改进的OCT光源进行OCT光学相关断层扫描。基于以上方法得到全息点阵相干成像的新型OCT光源。空间光调制器包括硅基液晶器件(Liquid crystal on silicon –LCOS)，是一种空间光调制器，用于调制光束的空间相位或者振幅分布。空间光调制器还可以是MEMS空间光调制器、液晶空间光调制器等。
所述的实现本发明成像方法的系统，包括光源，样品臂光路，参考臂光路；光源为入射光束光路上加空间光调制器和透镜，经空间光调制器上显示具有分束效果的全息图，入射光束经过空间光调制器和第一透镜L1，形成一行光斑点阵；空间光调制器生成的这一行光斑点阵被分束镜一分为二，一束打至参考臂光路，另一束打至待测样品成为样品臂光路；参考臂部分包含一个由第二透镜L2，分束镜和第三透镜L3组成的4f成像系统；其作用是将上述生成的光斑点阵投影至参考光路的反射镜面；样品臂光路包含了一个由第二透镜L2，分束镜和第四透镜L4组成的4f成像系统；经过参考臂光路和样品反射的点阵光束分别再一次经过分束镜以及第五透镜L5，在第五透镜L5的后焦平面（Ps平面）附近处发生干涉形成成像面；成像面设有CCD等光强信息接收阵列。光源可以是激光、超辐射发光二极管（Superluminescent Diodes - SLD）或者发光二极管（LED）。
并行光谱分析仪的设计，设有第六透镜L6、第七透镜L7两个透镜构成一个4f成像系统。Ps平面位于柱面透镜即第六透镜L6的前焦平面上，CCD/CMOS探测器在第七透镜L7的后焦平面上，第六透镜L6和第七透镜L7的间距为这两个透镜焦距之和，光栅置于第六透镜L6后焦平面，即第七透镜L7前焦平面处。在此设计下，Ps平面上沿z方向上的光斑点阵被这两个4f系统投影至CCD上，保证光斑点阵之间不会相互重合。在x-y平面，光栅置于该4f系统光路中央处。该平面上的光学构架为一个典型的4f光谱分析仪设计。入射光斑的不同频率分量被分配至CCD/CMOS探测器不同区域，实现频谱分析功能。在该设计中，光斑在光栅平面尺寸较大，有利于提升频谱分析精度。光栅引入色散，让不同波长的光具有不同的出射角度，再经过4f系统中的第二个透镜，聚焦到探测平面上，形成频谱分析。在该设计中，点阵中各个光斑在CCD/CMOS传感器上的频谱分布可以在空间上被区分开来，不会产生相互干扰，实现了并行测试。
本发明用于可见光，也能用于红外系统，即OCT光源为可见光或红外。成像面设有CCD等光强信息接收阵列。所述透镜一般指光学常用的聚焦镜。
有益效果，本发明提供的一种全息点阵相干成像方法与系统，包括供OCT使用的基于全息光场调控原理的可调点阵光源，能提升扫描成像的速度。1)采用点阵扫描，提升成像速度；2)省去微镜结构，可以不用机械的系统，简化了制造过程，降低了环境要求，也减小了体积，在使用上方便可靠。
附图说明
图1为现有技术给出和典型FD-OCT的系统结构图；
图2为OCT的基本原理，输入光源频谱为高斯型时不同光程差（△d）下I-λ图像；
图3为本发明基于LCOS的OCT系统设计图；
图4为21个光斑点阵的全息图以及对应的光斑点阵实施实例，其中图4（a）为图3系统中LCOS器件上显示的全息相位图形貌，图4（b）为光束经过L1后的光斑点阵空间分布。
图5为并行光谱探测器的原理图。
具体实施方式
图1中现有技术符号的标记已经在背景技术中说明，以下不再阐述。
如本发明的相关说明图所示，图3是本发明的系统设计图。在FD-OCT的基础上，本系统在宽谱光源1处加入LCOS器件，LCOS器件上显示具有分束效果的全息图，入射光束经过LCOS器件和第一透镜L1，形成一行光斑点阵2。改变LCOS器件上全息相位图，可以改变该光斑点阵空间分布。在图4的21个光斑点阵的全息图以及对应的光斑点阵实施实例中，图4（a）为图3系统中LCOS器件上显示的全息相位图形貌，图4（b）为光束经过L1后的光斑点阵空间分布。
更具体的， LCOS生成的这一行光斑点阵被分束镜一分为二，一束打至参考臂光路，另一束打至待测样品成为样品臂光路；参考臂部分包含一个由第二透镜L2，分束镜和第三透镜L3组成的4f成像系统；其作用是将上述生成的光斑点阵投影至参考光路的反射镜面；样品臂光路包含了一个由第二透镜L2，分束镜和第四透镜L4组成的4f成像系统（系统对多个输入之和的响应输出等于各单独输入时的响应输出之和）；经过参考臂光路和样品反射的点阵光束分别再一次经过分束镜以及第五透镜L5，在第五透镜L5的后焦平面（Ps平面）附近处发生干涉形成成像面。
与FD-OCT类似，LCOS生成的这一行光斑点阵2被分束镜3一分为二，一部分打至参考镜4，另一部分打至待测样品5。参考臂部分包含了一个由第二透镜L2，分束镜3和第三透镜L3组成的4f成像系统；其作用是将上述生成的光斑点阵投影至参考镜4面；样品臂部分包含了一个由第二透镜L2，分束镜和透镜L4组成的4f成像系统；其作用是将上述生成的光斑点阵投影至样品面。经过参考镜和样品反射的点阵光束分别再一次经过分束镜以及第五透镜L5，在第五透镜L5的后焦平面（Ps平面）附近处发生干涉。
光源为激光、超辐射发光二极管（Superluminescent Diodes - SLD）或者发光二极管（LED）。
与Ps平面对接的是一个并行光谱分析仪，该光谱分析仪可以分析该平面上各光斑的频谱信息。每一个光斑的干涉频谱都类似于FD-OCT每次单点扫描得到的结果，也就是多个频谱分量的叠加，这就需要对图像传感器上的最终频谱测试结果进行傅里叶变化以对样品实现断层分析。结合本发明的光学设计，该并行光谱分析仪可以得出样品上多个位置的断层分析，提升测量速度。而且，通过控制LCOS可以调制光斑点阵的出射空间频域位置，进一步对样品进行列扫描，从而对整个样品表面扫描成像。
图5中给出了并行（两个，可以更多的分析仪）光谱分析仪的设计。第六透镜L6和第七透镜L7两个透镜构成一个4f成像系统。Ps平面位于柱面透镜即第六透镜L6的前焦平面上，CCD/CMOS探测器在第七透镜L7的后焦平面上，第六透镜L6和第七透镜L7的间距为两个透镜焦距之和，光栅置于第六透镜L6后焦平面，即第七透镜L7前焦平面处。在此设计下，Ps平面上沿z方向上的光斑点阵被这两个4f系统投影至CCD上，保证光斑点阵之间不会相互重合。在x-y平面，光栅置于该4f系统光路中央处。该平面上的光学构架为一个典型的4f光谱分析仪设计。入射光斑的不同频率分量被分配至CCD/CMOS探测器不同区域，实现频谱分析功能。在该设计中，光斑在光栅平面尺寸较大，有利于提升频谱分析精度。在该设计中，点阵中各个光斑在CCD/CMOS传感器上的频谱分布可以在空间上被区分开来，不会产生相互干扰，实现了并行测试。
本发明不但用于可见光，也能用于红外系统。
实施例的参考设计参数：
光源：中央波长850 nm， 半峰全宽20 nm，相干长度~15um，
LCOS器件表面光斑高斯半径：450um，
透镜L1焦距：~100 mm，
光斑点阵中单个光斑高斯半径：~60um；
L2，L3，L4，L5焦距~100mm；
L6，L7焦距~100mm；
光栅线数：1200线/mm；
只要是空间光调制器都可以使用，透射反射均可以。LCOS器件相对最为适用。
Claims (5)
1.一种全息点阵相干成像方法，其特征是，在OCT光源即入射光束光路上加空间光调制器和透镜，空间光调制器上显示具有分束效果的全息图，入射光束经过空间光调制器和第一透镜（L1），形成一行光斑点阵；采用上述OCT光源进行OCT光学相关断层扫描；所述空间光调制器为液晶空间光调制器LCOS、 MEMS空间光调制器；LCOS生成的这一行光斑点阵被分束镜一分为二，一束打至参考臂光路，另一束打至待测样品成为样品臂光路；
参考臂部分包含一个由第二透镜（L2），分束镜和第三透镜（L3）组成的第一4f成像系统，参考臂作用是将上述生成的光斑点阵投影至参考光路的反射镜面；样品臂光路包含了一个由第二透镜，分束镜和第四透镜组成的第二4f成像系统；经过参考臂光路和样品反射的点阵光束分别再一次经过分束镜以及第五透镜，在第五透镜的后焦平面附近处发生干涉形成成像面，成像面设有光强信息接收阵列。
2.根据权利要求1所述的全息点阵相干成像方法，其特征是，改变空间光调制器上全息相位图，用于改变该光斑点阵空间分布。
3.根据权利要求1-2任一所述的全息点阵相干成像方法得到的系统，其特征是，包括光源，样品臂光路，参考臂光路；光源为入射光束光路上加空间光调制器和透镜，经空间光调制器上显示具有分束效果的全息图，入射光束经过空间光调制器和第一透镜（L1），形成一行光斑点阵；空间光调制器生成的这一行光斑点阵被分束镜一分为二，一束打至参考臂光路，另一束打至待测样品成为样品臂光路；参考臂部分包含一个由第二透镜（L2），分束镜和第三透镜（L3）组成的第一4f成像系统，参考臂作用是将上述生成的光斑点阵投影至参考光路的反射镜面；样品臂光路包含了一个由第二透镜，分束镜和第四透镜（L4）组成的第二4f成像系统；经过参考臂光路和样品反射的点阵光束分别再一次经过分束镜以及第五透镜，在第五透镜的后焦平面附近处发生干涉形成成像面；成像面设有光强信息接收阵列。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征是，采用并行光谱分析仪的光路设计，光路上设有第六透镜（L6）和第七透镜（L7）构成第三4f成像系统；Ps平面位于第六透镜（L6）即柱面透镜的前焦平面上，CCD/CMOS探测器在第七透镜（L7）的后焦平面上，第六透镜与第七两个透镜的间距为第六第七两个透镜焦距之和，光栅置于第六透镜后焦平面，即第七透镜前焦平面处；在此设计下，Ps平面上沿z方向上的光斑点阵被这第一、第二两个4f成像系统投影至CCD/CMOS传感器上，保证光斑点阵之间不会相互重合；在x-y平面，光栅置于第三4f系统光路中央处；入射光斑的不同频率分量被分配至CCD/CMOS探测器不同区域，实现频谱分析功能。
5.根据权利要求3所述的系统，其特征是，OCT光源为可见光或红外光。
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