CN114869221A - 一种色散平衡的扫频oct眼底高分辨成像系统 - Google Patents

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CN114869221A CN202210562334.2A CN202210562334A CN114869221A CN 114869221 A CN114869221 A CN 114869221A CN 202210562334 A CN202210562334 A CN 202210562334A CN 114869221 A CN114869221 A CN 114869221A
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Abstract

本发明公开了一种色散平衡的扫频OCT眼底高分辨成像系统，包括扫频激光器、迈克尔逊干涉仪、光电平衡探测器、振镜扫描电控装置、数据采集与图像处理系统；迈克尔逊干涉仪通过一段补偿光纤与光学介质补偿系统不平衡的二阶色散，提升轴向分辨率，通过偏振控制器使干涉仪的偏振态保持一致，降低偏振模色散的影响；光电平衡探测器对干涉信号进行强度探测，输入数据采集与图像处理系统重建出二维的视网膜断层图像。本发明能够在满足干涉仪样品臂与参考臂光程匹配的同时，通过色散补偿使系统固有的二阶色散平衡，进一步提升轴向分辨率，实现高分辨的视网膜成像效果，成本低且易于实现；合理的空间结构，易于集成化处理；系统可靠性高、易于集成与装调。

Description

一种色散平衡的扫频OCT眼底高分辨成像系统
技术领域
本发明属于光学相干层析成像和生物医学诊断设备技术领域，特别是涉及一种色散平衡的扫频OCT眼底高分辨成像系统。
背景技术
光学相干层析成像技术(optical coherence tomography,OCT)使用弱相干性的近红外光或可见光，基于迈克尔逊干涉原理，可以无损伤、非侵入地获取组织结构的高分辨断层图像。从上世纪90年代首次提出并发展至今，根据不同的硬件、算法实现方式已历经三代，分别是时域OCT(Time Domain OCT)、谱域OCT(Spectral Domain OCT)以及扫频OCT(Swept Source OCT，SS-OCT)。SS-OCT基于扫频激光器、迈克尔逊干涉仪，样品臂和参考臂的干涉光信号最终由光电探测器接收并转换为电压信号，再经数据采集卡储存在计算机中，通过信号重构处理重建样本结构，由于硬件、算法的迭代更新，作为第三代的SS-OCT在成像速度、灵敏度上已经超过前两代OCT，轴向分辨率的上限在未来会也随扫频激光器的发展而提高。
专利申请CN 204909391 U公开了一种带有反射式参考臂结构的谱域OCT系统，该结构采用直角棱镜在二维平面内折叠光路，在参考臂光路末端利用角锥棱镜使光线原路返回，经相位补偿和激光能量调整后，干涉信号由光谱仪接收，优化了系统的结构和稳定性，但谱域OCT对干涉信号的高频响应较差，灵敏度会随着深度的增加而下降，且直角棱镜无法精确地满足色散补偿要求；专利申请CN 210582452 U公开了一种参考臂固定的谱域OCT系统，匹配光程的移动结构放置于样品臂，参考臂长度固定，返回的光功率波动小，提升图像质量，但仅在结构设计上提高了紧凑性、降低装调难度，样品臂结构复杂，且引入过多的光器件，导致两臂色散难以平衡，降低轴向分辨率；专利申请CN 109602396 A公开了一种击穿式全光纤参考臂扫频OCT系统，产生干涉信号所需的与样品臂光程匹配的参考臂完全由光纤实现，提升了参考臂的稳定性，但只利用光纤难以实现色散补偿，因此扫频OCT系统的轴向分辨率下降；专利申请CN 108523852 A公开了一种扫频OCT干涉成像系统，在迈克尔逊干涉仪的第一耦合器与第二耦合器之间设置光纤熔接点，使光纤长度可调，实现光程匹配，且通过合理调节光程使参考臂输入端由于相干重现引起的寄生反射信号光程与样品臂光程差与光源腔长实现某种数值关系，从而抑制相干重现效应，消除图像中的伪影线，但对于空间光学系统部分，结构简单，色散不匹配的介质长度无法确定，因此色散失配，系统轴向分辨率下降。
有鉴于此，有必要提供一种色散平衡的扫频OCT眼底高分辨成像系统，通过光纤与参考臂体光学部分的光程合理分配实现两臂的光程匹配，产生视网膜的干涉信号；设计样品臂与参考臂的体光学部分的结构，使其易于集成化处理；通过引入补偿光纤与色散补偿棱镜共同进行色散管理，平衡样品臂与参考臂的二阶色散(群速度色散)，实现高分辨的视网膜成像效果。
发明内容
本发明目的在于解决现有技术中样品光与参考光光程不匹配，且由于偏振态不一致导致系统的信噪比差，系统的物理色散不平衡导致系统轴向分辨率降低，视网膜成像质量差，以及参考臂空间结构不紧凑的问题。
为了实现本发明目的，本发明公开了一种色散平衡的扫频OCT眼底高分辨成像系统，包括扫频激光器、迈克尔逊干涉仪、光电平衡探测器、振镜扫描电控装置、数据采集与图像处理系统；扫频激光器用于输出波长按时间编码的窄脉冲光信号，其光信号输出端通过单模光纤与迈克尔逊干涉仪连接，迈克尔逊干涉仪通过外差探测的方式，用于探测人眼后节的背向散射信息，输出干涉光信号；迈克尔逊干涉仪通过振镜扫描电控装置和数据采集与图像处理系统连接，数据采集与图像处理系统中的PC机将生成的与数据采集进行帧同步处理后的驱动信号输入到振镜扫描电控装置中，驱动迈克尔逊干涉仪内部振镜进行扫描；光电平衡探测器对迈克尔逊干涉仪返回的扫频光的干涉信号进行强度探测，并实现信号的差分放大及带通滤波信号处理过程，消除大部分共模噪声，经过光电转换后，得到噪声较低的模拟电信号，输入数据采集与图像处理系统中，数据采集与图像处理系统利用高速数据采集卡完成干涉信号的采集后，经过A/D转换得到数字电信号，输入PC进行信号重构处理，重建出二维的视网膜断层图像；所述迈克尔逊干涉仪包括色散补偿模块，所述色散补偿模块包括补偿光纤、光学介质、偏振控制器；所述补偿光纤用于缩减参考臂的空间光程并且平衡光纤中的二阶色散；所述光学介质用于补偿系统剩余的不平衡色散，提升轴向分辨率；所述偏振控制器用于控制迈克尔逊干涉仪的偏振态保持一致，降低偏振模色散的影响。
进一步地，迈克尔逊干涉仪包括光纤部分和空间光学系统部分；空间光学系统部分用于探测眼底的背向散射信息，光纤部分用于传输窄脉冲低相干光并利用耦合器实现光的分束与合束，最终输出干涉信号；光纤部分与空间光学系统部分的样品臂、参考臂通过光纤分别将光纤光与空间光耦合，样品臂用于探测人眼眼后节的背向散射信息，参考臂用于产生匹配样品臂眼底光程的本振光，与样品臂探测的信号光结合实现外差探测；
光纤部分通过在参考臂的输出端插入单模补偿光纤以及偏振控制器，单模补偿光纤用于缩减参考臂的空间光程并且平衡光纤中的二阶色散；偏振控制器用于控制样品臂和参考臂中传输的光偏振态一致，平衡偏振模色散，提升信噪比；空间光学系统部分的参考臂插入了色散补偿棱镜用于平衡系统的二阶色散，提升轴向分辨率，实现高分辨的成像效果；为实现样品臂与参考臂的物理色散平衡，光纤部分与空间光学系统部分的样品臂和参考臂的色散需满足以下色散平衡条件：
Figure BDA0003657110120000031
其中，Df为光纤的色散参数；Lf为样品臂光纤部分的长度；L'f为参考臂光纤部分的长度；Ds为样品臂空间光部分各个光学元件的色散参数；Ls为样品臂空间光部分各个光学元件的中心厚度；Dr为参考臂空间光部分各个光学元件的色散参数；L'r为参考臂空间光部分各个光学元件的中心厚度；Δλ为扫频激光器的实际波长扫描范围；色散参数根据群折射率计算出：
Figure BDA0003657110120000032
Figure BDA0003657110120000033
其中，D为色散参数，与群速度色散有关(单位：ps/(km·nm))，色散参数D表示单位波长间隔的光在材料中传输1km后不同频谱分量的时延差。n为所述光学元件的折射率，ng为所述光学元件的群折射率，λ为通过所述光学元件的光信号波长，c为真空中的光速3×108m/s，
Figure BDA0003657110120000041
表示微分运算关系。
进一步地，为实现样品臂与参考臂的光程匹配，光纤部分与样品臂和参考臂空间光部分的光程需满足以下条件：
Figure BDA0003657110120000042
其中，nf为光纤的纤芯群折射率；Lf为样品臂光纤部分的长度；L'f为参考臂光纤部分的长度；ns为样品臂空间光部分各个光学元件的折射率；Ls为样品臂空间光部分各个光学元件的中心厚度；Lair为样品臂中的空气厚度；nr为参考臂空间光部分各个光学元件的折射率；L'r为参考臂空间光部分各个光学元件的中心厚度；L'air为参考臂中的空气厚度。
进一步地，光纤部分采用双耦合器结构，包括第一耦合器、第二耦合器、可调光纤衰减器VOA、偏振控制器和补偿单模光纤；第一耦合器用于将光纤中的光从输入端按预设的耦合比分束成两部分光至不同的输出端；第二耦合器用于接收样品臂和参考臂返回的光并使其合束发生干涉，将干涉光平衡输出至探测器；可调光纤衰减器VOA用于衰减光功率；保证样品臂输出端进入人眼的光功率符合国家安全标准；偏振控制器用于控制两臂中传输的光偏振态一致，平衡偏振模色散，提升信噪比；补偿单模光纤用于缩减空间光程，匹配光纤中的光程及二阶色散；
第一耦合器和第二耦合器均为2×2光纤耦合器，各包含两个光纤输入和两个光纤输出端口；扫频激光器发出的波长按时间序列周期性输出的窄脉冲光信号经过可调光纤衰减器将功率衰减后，从第一耦合器的第一端口a输入，经过第一耦合器分束后分别进入空间光学系统部分，样品臂和参考臂探测返回的样品光与参考光在第二耦合器内部合束，发生干涉。
进一步地，样品臂包括准直镜、X-Y扫描振镜、管镜、扫描目镜；准直镜用于将光纤传输的发散光准直后变成平行光进入样品臂的空间光部分；X-Y扫描振镜用于实现横向扫描B-Scan、纵向扫描C-Scan以生成二维断层图像及三维图像；管镜与扫描目镜构成缩束系统使进入人眼的光斑尺寸与人眼数值孔径匹配，高斯光束能量更集中；扫描振镜连接振镜扫描电控装置，通过同步输入激光器的A-Scan触发信号(A-trigger)实现振镜扫描，用于实现B-Scan、C-Scan以生成二维断层图像及三维图像。
进一步地，经第一耦合器分束后，25％的光从第一耦合器的第二端口b进入样品臂，经过准直镜将光束准直出射后入射X-Y双轴扫描振镜；反射的扫描光依次经过管镜、扫描目镜后缩束聚焦进入人眼；经过人眼组织的多层反射得到携带人眼深度信息的背向散射光，即样品光，样品光原路返回再次经过第一耦合器分束，分束后75％的样品光从第一耦合器的第三端口c输出，进入第二耦合器的第一端口e，与参考光发生干涉。
进一步地，参考臂包括含有非球面透镜的第一准直器和第二准直器、色散补偿棱镜、角锥棱镜、光学爬高器、控制能量输出的光阑以及光程调节单元；第一准直器用于将光纤传输的发散光准直后变成平行光进入参考臂的空间光部分；第二准直器用于接收参考臂的空间光，将其耦合进入光纤；色散补偿棱镜用于补偿二阶色散的余量，使系统的物理色散达到平衡，提高轴向分辨率；角锥棱镜用于平衡系统的大部分二阶色散，同时使光路在xoy平面内180°折返，缩减参考臂的空间尺寸；光学爬高器用于使光路在yoz平面内实现空间折叠；光阑用于控制参考臂的输出光功率，提升干涉效率；光程调节单元用于控制角锥棱镜沿光轴方向的位移，匹配样品臂的光程，当光程差在激光器的相干长度内得到视网膜的层析图像。
进一步地，经第一耦合器分束后，75％的光从第一耦合器的第四端口d进入参考臂，经过一个含有非球面透镜的第一准直器出射后，经过一组色散补偿棱镜平衡两臂的群速度色散，提高系统的轴向分辨率，通过小孔光阑限制参考臂的能量输出，随后通过两个45°放置的平面镜组成的光学爬高器，使光路在yoz平面内实现空间折叠，再经过角锥棱镜将光路在xoy平面内180°折返，最后进入第二准直器；第一准直器和第二准直器的非球面透镜材质相同，且利用三轴精密光学调节架调节准直器的俯仰与偏转，以此将空间光与光纤部分耦合；这部分参考光沿光纤传输，经过一段补偿光纤以及偏振控制器用以保证两臂的光偏振态一致，平衡偏振模色散，从第二耦合器的第三端口g输入，与样品光在第二耦合器内部发生干涉，输出干涉光。
与现有技术相比，本发明的显著进步在于：1)能够在满足样品光和参考光光程匹配同时，通过引入补偿光纤与色散补偿棱镜共同进行色散管理，平衡样品臂与参考臂的二阶色散(群速度色散)，实现高分辨的视网膜成像效果，并且这样的调整方式不会增加额外系统的制备成本且易于实现；2)通过将各光学元件进行合理的布局和连接，设计扫频OCT的参考臂的空间光部分的空间折叠结构，易于集成化处理；3)本发明系统结构紧凑、可靠性高、易于集成与装调。
为更清楚说明本发明的功能特性以及结构参数，下面结合附图及具体实施方式进一步说明。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明SS-OCT系统原理图；
图2为色散未完全补偿的视网膜断层图；
图3为加入色散补偿棱镜将剩余色散量补偿后的视网膜断层图；
图中附图标记为：扫频激光器1，迈克尔逊干涉仪2，光电平衡探测器3，振镜扫描电控装置4，数据采集与图像处理系统5，光纤部分21，第一耦合器211，第二耦合器212，可调光纤衰减器VOA213，偏振控制器214，补偿单模光纤215，样品臂22，准直镜221，X-Y扫描振镜222，管镜223，扫描目镜224，参考臂23，第一准直器231，第二准直器232，色散补偿棱镜233，角锥棱镜234，光学爬高器235，光阑236。
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。
如图1所示，一种色散平衡的扫频OCT眼底高分辨成像系统，包括扫频激光器1、迈克尔逊干涉仪2、光电平衡探测器3、振镜扫描电控装置4、数据采集与图像处理系统5；扫频激光器1光信号输出端通过单模光纤与迈克尔逊干涉仪2连接，迈克尔逊干涉仪2通过振镜扫描电控装置4和数据采集与图像处理系统5连接，数据采集与图像处理系统5中的PC机将生成的与数据采集进行帧同步处理后的驱动信号输入到振镜扫描电控装置4中，驱动迈克尔逊干涉仪2内部振镜进行扫描；光电平衡探测器3对迈克尔逊干涉仪2返回的扫频光的干涉信号进行强度探测，并实现信号的差分放大及带通滤波信号处理过程，消除大部分共模噪声，经过光电转换后，得到噪声较低的模拟电信号，输入数据采集与图像处理系统5中，数据采集与图像处理系统5利用高速数据采集卡完成干涉信号的采集后，经过A/D转换得到数字电信号，输入PC进行信号重构处理，重建出二维的视网膜断层图像。
具体地，在本实施例中，迈克尔逊干涉仪2包括光纤部分21和空间光学系统部分；空间光学系统部分用于探测眼底的背向散射信息，光纤部分21用于传输窄脉冲低相干光并利用耦合器实现光的分束与合束，最终输出干涉信号；光纤部分21与空间光学系统部分的样品臂22、参考臂23通过光纤分别将光纤光与空间光耦合，样品臂22用于探测人眼眼后节的背向散射信息，参考臂23用于产生匹配样品臂眼底光程的本振光，与样品臂22探测的信号光结合实现外差探测。
具体地，在本实施例中，光纤部分21采用双耦合器结构，包括第一耦合器211、第二耦合器212、可调光纤衰减器VOA213、偏振控制器214和补偿单模光纤215；第一耦合器211用于将光纤中的光从输入端按预设的耦合比分束成两部分光至不同的输出端；第二耦合器212用于接收样品臂22和参考臂23返回的光并使其合束发生干涉，将干涉光平衡输出至探测器；可调光纤衰减器VOA213用于衰减光功率；偏振控制器214用于控制两臂中传输的光偏振态一致，平衡偏振模色散，提升信噪比；补偿单模光纤215用于缩减空间光程，匹配光纤中的光程及二阶色散；第一耦合器211和第二耦合器212均为2×2光纤耦合器，各包含两个光纤输入和两个光纤输出端口；扫频激光器1发出的波长按时间序列周期性输出的窄脉冲光信号经过可调光纤衰减器213将功率衰减后，从第一耦合器211的第一端口a输入，经过第一耦合器211分束后分别进入空间光学系统部分，样品臂22和参考臂23探测返回的样品光与参考光在第二耦合器212内部合束，发生干涉。
具体地，在本实施例中，样品臂22包括准直镜221、X-Y扫描振镜222、管镜223、扫描目镜224；准直镜221用于将光纤传输的发散光准直后变成平行光进入样品臂22的空间光部分；X-Y扫描振镜222用于实现横向扫描B-Scan、纵向扫描C-Scan以生成二维断层图像及三维图像；管镜223与扫描目镜224构成缩束系统使进入人眼的光斑尺寸与人眼数值孔径匹配，高斯光束能量更集中；扫描振镜222连接振镜扫描电控装置4，通过同步输入激光器的A-Scan触发信号实现振镜扫描，用于实现B-Scan、C-Scan以生成二维断层图像及三维图像。
具体地，在本实施例中，经第一耦合器211分束后，25％的光从第一耦合器211的第二端口b进入样品臂22，经过准直镜221将光束准直出射后入射X-Y双轴扫描振镜222；反射的扫描光依次经过管镜223、扫描目镜224后缩束聚焦进入人眼；经过人眼组织的多层反射得到携带人眼深度信息的背向散射光，即样品光，样品光原路返回再次经过第一耦合器211分束，分束后75％的样品光从第一耦合器211的第三端口c输出，进入第二耦合器212的第一端口e，与参考光发生干涉。
具体地，在本实施例中，参考臂23包括含有非球面透镜的第一准直器231和第二准直器232、色散补偿棱镜233、角锥棱镜234、光学爬高器235、控制能量输出的光阑236以及光程调节单元；第一准直器231用于将光纤传输的发散光准直后变成平行光进入参考臂23的空间光部分；第二准直器232用于接收参考臂23的空间光，将其耦合进入光纤；色散补偿棱镜233用于补偿二阶色散的余量，使系统的物理色散达到平衡，提高轴向分辨率；角锥棱镜234用于平衡系统的大部分二阶色散，同时使光路在xoy平面内180°折返，缩减参考臂的空间尺寸；光学爬高器235用于使光路在yoz平面内实现空间折叠；光阑236用于控制参考臂23的输出光功率，提升干涉效率；光程调节单元用于控制角锥棱镜234沿光轴方向的位移，匹配样品臂22的光程，当光程差在激光器的相干长度内得到视网膜的层析图像。
具体地，在本实施例中，经第一耦合器211分束后，75％的光从第一耦合器211的第四端口d进入参考臂23，经过一个含有非球面透镜的第一准直器231出射后，经过一组色散补偿棱镜233平衡两臂的群速度色散，提高系统的轴向分辨率，通过小孔光阑236限制参考臂的能量输出，随后通过两个45°放置的平面镜组成的光学爬高器235，使光路在yoz平面内实现空间折叠，再经过角锥棱镜234将光路在xoy平面内180°折返，最后进入第二准直器232；第一准直器231和第二准直器232的非球面透镜材质相同，且利用三轴精密光学调节架调节准直器的俯仰与偏转，以此将空间光与光纤部分耦合；这部分参考光沿光纤传输，经过一段补偿光纤215以及偏振控制器214用以保证两臂的光偏振态一致，平衡偏振模色散，从第二耦合器212的第三端口g输入，与样品光在第二耦合器212内部发生干涉，输出干涉光。
实施例
在所述实施例中，第二耦合器的输出端f、h到平衡光电探测器的光纤长度相等。一种光程匹配的具体实施例如表1所示。每个2×2光纤耦合器根据光纤端口分为四段，每段长度计算为光纤输入端面到耦合熔接点的长度0.910m，HI 1060光纤纤芯折射率nf＝1.46@1060nm，两臂空间光部分的光程以求和后的结果(∑i niLi)显示，包含光在空气段传输的距离。
表1 参考臂与样品臂的各段光程
Figure BDA0003657110120000091
样品臂总光程(包括前向传输与后向传输的样品光)：
nsLs(b→i→p→i→b→c→e)＝1.46×(910×2+1820)+303.2×2＝5920.8mm
透射式参考臂总光程：
nrLr(d→j→k→m→g)＝1.46×(910×2+1940)+431.2＝5920.8mm
样品臂与参考臂总光程匹配，视网膜干涉信号出现。
如果两臂的群速度色散不平衡，系统干涉信号的轴向点扩散函数发生展宽，会导致系统的轴向分辨率有所下降。为提高SS-OCT系统的轴向分辨率，需要对该系统的物理色散进行分析并补偿。色散引起的轴向分辨率下降表示为：
Figure BDA0003657110120000101
不同频率的光脉冲通过一段光学介质后通常因为色散效应导致脉冲发生展宽，色散导致的脉冲展宽程度(单位：ps)表示为：
Figure BDA0003657110120000102
式中vg为群速度，与群折射率ng的关系为：
Figure BDA0003657110120000103
Figure BDA0003657110120000104
D为色散参数，与群速度色散有关(单位ps/(km·nm))，色散参数D表示单位波长间隔的光在材料中传输1km后不同频谱分量的时延差。
Figure BDA0003657110120000105
式中β2为群速度色散。色散平衡条件为：
Figure BDA0003657110120000106
其中，Df为所述光纤的色散参数；Lf为所述样品臂光纤部分的长度；L'f为所述参考臂光纤部分的长度；Ds为所述样品臂空间光部分各个光学元件的色散参数；Ls为所述样品臂空间光部分各个光学元件的中心厚度；Dr为所述参考臂空间光部分各个光学元件的色散参数；L'r为所述参考臂空间光部分各个光学元件的中心厚度；Δλ为所述扫频激光器的实际波长扫描范围。
在所述实施例中，HI 1060单模光纤色散参数Df＝-38ps/nm/km@1060nm，一种含有光纤及光学元件色散参数的例子如表2。
表2 参考臂与样品臂的色散参数、长度及脉冲展宽
Figure BDA0003657110120000111
样品臂总脉冲展宽(包括前向传输与后向传输的样品光)：
ΔTs(b→i→p→i→b→c→e)＝-11.06-2×(0.08+0.08+0.11)＝-11.60ps
透射式参考臂总脉冲展宽：
ΔTr(d→j→k→m→g)＝-11.43-0.03-0.13-0.01＝-11.60ps
未添加色散补偿棱镜时，参考臂对应色散匹配介质为角锥棱镜，样品臂与参考臂的群速度色散不平衡，差值为0.01ps，得到的视网膜断层图像如图2；分析材料的群速度色散后添加厚度为4.67mm的色散补偿棱镜，得到的视网膜断层图像如图3，对比发现，色散影响分辨率可以通过比较强散射介质与透明介质之间的边界是否锐利从而判定。色散不平衡时，视网膜断层图像视细胞层与色素上皮层之间的透明介质层结构已经模糊不可分辨；色散平衡后的视网膜断层图像视细胞层与色素上皮层分层清晰，边界锐利。因此，添加色散补偿棱镜，样品臂与参考臂的物理色散平衡，轴向分辨率提高。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种色散平衡的扫频OCT眼底高分辨成像系统，其特征在于，包括扫频激光器(1)、迈克尔逊干涉仪(2)、光电平衡探测器(3)、振镜扫描电控装置(4)、数据采集与图像处理系统(5)；扫频激光器(1)用于输出波长按时间编码的窄脉冲光信号，其光信号输出端通过单模光纤与迈克尔逊干涉仪(2)连接，迈克尔逊干涉仪(2)通过外差探测的方式，用于探测人眼后节的背向散射信息，输出干涉光信号；迈克尔逊干涉仪(2)通过振镜扫描电控装置(4)和数据采集与图像处理系统(5)连接，数据采集与图像处理系统(5)中的PC机将生成的与数据采集进行帧同步处理后的驱动信号输入到振镜扫描电控装置(4)中，驱动迈克尔逊干涉仪(2)内部振镜进行扫描；光电平衡探测器(3)对迈克尔逊干涉仪(2)返回的扫频光的干涉信号进行强度探测，并实现信号的差分放大及带通滤波信号处理过程，消除大部分共模噪声，经过光电转换后，得到噪声较低的模拟电信号，输入数据采集与图像处理系统(5)中，数据采集与图像处理系统(5)利用高速数据采集卡完成干涉信号的采集后，经过A/D转换得到数字电信号，输入PC进行信号重构处理，重建出二维的视网膜断层图像；所述迈克尔逊干涉仪(2)包括色散补偿模块，所述色散补偿模块包括补偿光纤、光学介质、偏振控制器；所述补偿光纤用于缩减参考臂的空间光程并且平衡光纤中的二阶色散；所述光学介质用于补偿系统剩余的不平衡色散，提升轴向分辨率；所述偏振控制器用于控制迈克尔逊干涉仪(2)的偏振态保持一致，降低偏振模色散的影响。
2.根据权利要求1所述的一种色散平衡的扫频OCT眼底高分辨成像系统，其特征在于，所述迈克尔逊干涉仪(2)包括光纤部分(21)和空间光学系统部分；空间光学系统部分用于探测眼底的背向散射信息，光纤部分(21)用于传输窄脉冲低相干光并利用耦合器实现光的分束与合束，最终输出干涉信号；光纤部分(21)与空间光学系统部分的样品臂(22)、参考臂(23)通过光纤分别将光纤光与空间光耦合，样品臂(22)用于探测人眼眼后节的背向散射信息，参考臂(23)用于产生匹配样品臂眼底光程的本振光，与样品臂(22)探测的信号光结合实现外差探测；
所述光纤部分(21)通过在参考臂(23)的输出端插入单模补偿光纤(215)以及偏振控制器(214)，单模补偿光纤(215)用于缩减参考臂的空间光程并且平衡光纤中的二阶色散；偏振控制器(214)用于控制样品臂(22)和参考臂(23)中传输的光偏振态一致，平衡偏振模色散，提升信噪比；空间光学系统部分的参考臂(23)插入了色散补偿棱镜(233)用于平衡系统的二阶色散，提升轴向分辨率，实现高分辨的成像效果；为实现样品臂(22)与参考臂(23)的物理色散平衡，光纤部分(21)与空间光学系统部分的样品臂(22)和参考臂(23)的色散需满足以下色散平衡条件：
Figure FDA0003657110110000021
其中，Df为所述光纤的色散参数；Lf为所述样品臂光纤部分的长度；L'f为所述参考臂光纤部分的长度；Ds为所述样品臂空间光部分各个光学元件的色散参数；Ls为所述样品臂空间光部分各个光学元件的中心厚度；Dr为所述参考臂空间光部分各个光学元件的色散参数；L'r为所述参考臂空间光部分各个光学元件的中心厚度；Δλ为所述扫频激光器的实际波长扫描范围；色散参数根据群折射率计算出：
Figure FDA0003657110110000022
Figure FDA0003657110110000023
其中，D为色散参数，表示单位波长间隔的光在材料中传输1km后不同频谱分量的时延差；n为所述光学元件的折射率，ng为所述光学元件的群折射率，λ为通过所述光学元件的光信号波长，c为真空中的光速3×108m/s，
Figure FDA0003657110110000024
表示微分运算关系。
3.根据权利要求2所述的一种色散平衡的扫频OCT眼底高分辨成像系统，其特征在于，为实现样品臂(22)与参考臂(23)的光程匹配，光纤部分(21)与样品臂(22)和参考臂(23)空间光部分的光程需满足以下条件：
Figure FDA0003657110110000025
其中，nf为所述光纤的纤芯群折射率；Lf为所述样品臂光纤部分的长度；L'f为所述参考臂光纤部分的长度；ns为所述样品臂空间光部分各个光学元件的折射率；Ls为所述样品臂空间光部分各个光学元件的中心厚度；Lair为所述样品臂中的空气厚度；nr为所述参考臂空间光部分各个光学元件的折射率；L'r为所述参考臂空间光部分各个光学元件的中心厚度；L'air为所述参考臂中的空气厚度。
4.根据权利要求2所述的一种色散平衡的扫频OCT眼底高分辨成像系统，其特征在于，所述光纤部分(21)采用双耦合器结构，包括第一耦合器(211)、第二耦合器(212)、可调光纤衰减器VOA(213)、偏振控制器(214)和补偿单模光纤(215)；第一耦合器(211)用于将光纤中的光从输入端按预设的耦合比分束成两部分光至不同的输出端；第二耦合器(212)用于接收样品臂(22)和参考臂(23)返回的光并使其合束发生干涉，将干涉光平衡输出至探测器；可调光纤衰减器VOA(213)用于衰减光功率；偏振控制器(214)用于控制两臂中传输的光偏振态一致，平衡偏振模色散，提升信噪比；补偿单模光纤(215)用于缩减空间光程，匹配光纤中的光程及二阶色散；
所述第一耦合器(211)和第二耦合器(212)均为2×2光纤耦合器，各包含两个光纤输入和两个光纤输出端口；扫频激光器(1)发出的波长按时间序列周期性输出的窄脉冲光信号经过可调光纤衰减器(213)将功率衰减后，从第一耦合器(211)的第一端口a输入，经过第一耦合器(211)分束后分别进入空间光学系统部分，样品臂(22)和参考臂(23)探测返回的样品光与参考光在第二耦合器(212)内部合束，发生干涉。
5.根据权利要求2所述的一种色散平衡的扫频OCT眼底高分辨成像系统，其特征在于，所述样品臂(22)包括准直镜(221)、X-Y扫描振镜(222)、管镜(223)、扫描目镜(224)；准直镜(221)用于将光纤传输的发散光准直后变成平行光进入所述样品臂(22)的空间光部分；X-Y扫描振镜(222)用于实现横向扫描B-Scan、纵向扫描C-Scan以生成二维断层图像及三维图像；管镜(223)与扫描目镜(224)构成缩束系统使进入人眼的光斑尺寸与人眼数值孔径匹配，高斯光束能量更集中；扫描振镜(222)连接振镜扫描电控装置(4)，通过同步输入激光器的A-Scan触发信号实现振镜扫描，用于实现B-Scan、C-Scan以生成二维断层图像及三维图像。
6.根据权利要求5所述的一种色散平衡的扫频OCT眼底高分辨成像系统，其特征在于，经第一耦合器(211)分束后，25％的光从第一耦合器(211)的第二端口b进入样品臂(22)，经过准直镜(221)将光束准直出射后入射X-Y双轴扫描振镜(222)；反射的扫描光依次经过管镜(223)、扫描目镜(224)后缩束聚焦进入人眼；经过人眼组织的多层反射得到携带人眼深度信息的背向散射光，即样品光，样品光原路返回再次经过第一耦合器(211)分束，分束后75％的样品光从第一耦合器(211)的第三端口c输出，进入第二耦合器(212)的第一端口e，与参考光发生干涉。
7.根据权利要求2所述的一种色散平衡的扫频OCT眼底高分辨成像系统，其特征在于，所述参考臂(23)包括含有非球面透镜的第一准直器(231)和第二准直器(232)、色散补偿棱镜(233)、角锥棱镜(234)、光学爬高器(235)、控制能量输出的光阑(236)以及光程调节单元；第一准直器(231)用于将光纤传输的发散光准直后变成平行光进入参考臂(23)的空间光部分；第二准直器(232)用于接收参考臂(23)的空间光，将其耦合进入光纤；色散补偿棱镜(233)用于补偿二阶色散的余量，使系统的物理色散达到平衡，提高轴向分辨率；角锥棱镜(234)用于平衡系统的大部分二阶色散，同时使光路在xoy平面内180°折返，缩减参考臂的空间尺寸；光学爬高器(235)用于使光路在yoz平面内实现空间折叠；光阑(236)用于控制参考臂(23)的输出光功率，提升干涉效率；光程调节单元用于控制角锥棱镜(234)沿光轴方向的位移，匹配样品臂(22)的光程，当光程差在激光器的相干长度内得到视网膜的层析图像。
8.根据权利要求7所述的一种色散平衡的扫频OCT眼底高分辨成像系统，其特征在于，经第一耦合器(211)分束后，75％的光从第一耦合器(211)的第四端口d进入参考臂(23)，经过一个含有非球面透镜的第一准直器(231)出射后，经过一组色散补偿棱镜(233)平衡两臂的二阶色散，提高系统的轴向分辨率，通过小孔光阑(236)限制参考臂的能量输出，随后通过两个45°放置的平面镜组成的光学爬高器(235)，使光路在yoz平面内实现空间折叠，再经过角锥棱镜(234)将光路在xoy平面内180°折返，最后进入第二准直器(232)；第一准直器(231)和第二准直器(232)的非球面透镜材质相同，且利用三轴精密光学调节架调节准直器的俯仰与偏转，以此将空间光与光纤部分耦合；这部分参考光沿光纤传输，经过一段补偿光纤(215)以及偏振控制器(214)用以保证两臂的光偏振态一致，平衡偏振模色散，从第二耦合器(212)的第三端口g输入，与样品光在第二耦合器(212)内部发生干涉，输出干涉光。
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