CN115078264B - 偏振敏感型光学相干层析成像系统、方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种成像系统。测量光源将信号光分为第一信号光和第二信号光并发射；参考臂将第一信号光调整为参考光后射向偏振探测模块；样品臂包括调整单元和扫描单元，调整单元将第二信号光调整为样品光后射向扫描单元，扫描单元设置有第一部分反射单元，第一部分反射单元将部分样品光反射向偏振探测模块，以与参考光相干形成第一干涉光，第一部分反射单元将剩余样品光透射向待测样品；待测样品将剩余样品光反射向偏振探测模块，以与参考光相干形成第二干涉光；控制模块根据第一干涉光对应的第一电信号、第二干涉光对应的第二电信号确定待测样品的偏振特性，以进行成像。该系统降低数据处理复杂度，排除因样品表面定位不准而导致的计算不准确。

Description

偏振敏感型光学相干层析成像系统、方法

技术领域

本申请涉及光学成像技术领域，尤其涉及一种偏振敏感型光学相干层析成像系统、方法。

背景技术

偏振是光信号的三大基本属性之一，相比强度和频率，目前大多数光学成像方法不能直接探测物体的偏振特性。在生物医学光学成像中很多样品都具有偏振特性，例如神经纤维、皮肤、牙齿、肌腱、血管等，而且很多疾病和外部损伤都会导致这种组织偏振特性的变化，包括烧伤、癌变、青光眼、龋齿、动脉粥样硬化以及各类神经退行性病变等。

偏振敏感型光学相干层析成像是一种可以对生物组织进行断层扫描的成像方法，在无损、高分辨率地得到组织结构信息的基础上还具备获得样品偏振特性的功能。偏振敏感型光学相干层析成像需要获取作用于样品表面的光场信息，也需要获取经样品内部作用后的光场信息。传统技术中对于作用于样品表面的光场信息需要通过数字图像处理计算来分割样品的边界，该方式存在着处理速度慢且精度不高的问题。

发明内容

本申请的目的旨在至少能解决上述的技术缺陷之一，特别是现有成像系统中处理速度慢，且精度不高的技术缺陷。

第一方面，本申请实施例提供了一种偏振敏感型光学相干层析成像系统，包括测量光源、样品臂、参考臂、偏振探测模块以及控制模块；测量光源用于将信号光分为第一信号光和第二信号光并发射，第一信号光入射参考臂，第二信号光入射样品臂；参考臂用于将第一信号光调整为参考光后射向偏振探测模块；样品臂包括调整单元和扫描单元，调整单元用于将第二信号光调整为样品光后射向扫描单元，扫描单元设置有第一部分反射单元，第一部分反射单元将部分样品光反射向偏振探测模块，以与参考光相干形成第一干涉光，第一部分反射单元将剩余样品光透射向待测样品；待测样品将剩余样品光反射向偏振探测模块，以与参考光相干形成第二干涉光；偏振探测模块用于对第一干涉光进行处理得到第一电信号，以及用于对第二干涉光进行处理得到第二电信号；控制模块与偏振探测模块连接，用于根据第一电信号确定待测样品的表面光场信息，根据第二电信号确定待测样品的内部光场信息，并根据表面光场信息、内部光场信息确定待测样品的偏振特性，以根据偏振特性对待测样品进行成像。

在其中一个实施例中，第一部分反射单元包括第一棱镜和第一反射镜；第一棱镜用于接收样品光，将部分样品光反射向第一反射镜，并将剩余样品光透射向待测样品；第一反射镜的位置可调，以改变与待测样品的相对光程差，第一反射镜用于将部分样品光反射向偏振探测模块。

在其中一个实施例中，扫描单元包括振镜系统和聚焦透镜；振镜系统和聚焦透镜设置在调整单元、第一部分反射单元之间的样品光的光路上；振镜系统用于调整样品光的方向，样品光经过方向调整后入射聚焦透镜；聚焦透镜对样品光进行聚焦，样品光经过聚焦后入射第一部分反射单元。

在其中一个实施例中，样品光包括两个偏振方向正交的光，调整单元包括偏振延迟单元、第一耦合器以及第一准直器；偏振延迟单元用于接收第二信号光，将第二信号光调整为两个偏振方向正交的光，以得到样品光，并将样品光射向第一耦合器；样品光依次经第一耦合器耦合、第一准直器准直后射向扫描单元。

在其中一个实施例中，调整单元还包括第一偏振控制器，第二信号光入射偏振延迟单元前经过第一偏振控制器，第一偏振控制器用于调整第二信号光的偏振态为预设偏振态。

在其中一个实施例中，参考臂包括第二偏振控制器、第二准直器、参考臂长调节单元、第三准直器；第二偏振控制器用于接收第一信号光，调整第一信号光的偏振态为预设偏振态，得到参考光，并将参考光射向第二准直器；参考光经第二准直器准直后入射参考臂长调节单元；参考臂长调节单元包括第二反射镜和第三反射镜，第二反射镜和第三反射镜之间的距离可调，以调整参考臂长；参考光在第二反射镜和第三反射镜之间反射后入射第三准直器，并经过第三准直器准直后入射偏振探测模块。

在其中一个实施例中，系统还包括时钟生成模块，测量光源包括光发射单元、第一分光单元和第二分光单元；光发射单元用于向第一分光单元发射原始信号光；第一分光单元用于将原始信号光分为时钟信号光和信号光，时钟信号光入射时钟生成模块，信号光入射第二分光单元；时钟生成模块与控制模块连接，用于根据时钟信号光生成与信号光对应的时钟信号并输出至控制模块；第二分光单元用于将信号光分为第一信号光和第二信号光。

在其中一个实施例中，时钟生成模块包括干涉仪和第一光电转换单元；时钟信号光入射干涉仪并产生对应的相干光，第一光电转换单元用于将时钟信号光对应的相干光转换为时钟信号并输出至控制模块。

在其中一个实施例中，偏振探测模块包括第二耦合器、第一偏振耦合器、第二偏振耦合器、第二光电转换单元和第三光电转换单元；第一部分反射单元反射的部分样品光和参考光在第二耦合器相干形成第一干涉光，待测样品反射的剩余样品光与参考光在第二耦合器相干形成第二干涉光；第二耦合器用于对第一干涉光进行分束，得到第一子干涉光和第二子干涉光，以及用于对第二干涉光进行分束，得到第三子干涉光和第四子干涉光；第一子干涉光和第三子干涉光入射第一偏振耦合器，第二子干涉光和第四子干涉光入射第二偏振耦合器；第一偏振耦合器用于分别将第一子干涉光、第三子干涉光进行偏振分束，得到第一子干涉光的垂直分量和水平分量、第三子干涉光的垂直分量和水平分量；第一子干涉光的垂直分量和第三子干涉光的垂直分量分别入射第二光电转换单元，第一子干涉光的水平分量和第三子干涉光的水平分量分别入射第三光电转换单元；第二偏振耦合器用于分别将第二子干涉光、第四子干涉光进行偏振分束，得到第二子干涉光的垂直分量和水平分量、第四子干涉光的垂直分量和水平分量；第二子干涉光的垂直分量和第四子干涉光的垂直分量分别入射第二光电转换单元，第二子干涉光的水平分量和第四子干涉光的水平分量分别入射第三光电转换单元；第二光电转换单元用于对第一子干涉光的垂直分量和第二子干涉光的垂直分量进行光电转换，得到第一电信号的垂直分量，以及用于对第三子干涉光的垂直分量和第四子干涉光的垂直分量进行光电转换，得到第二电信号的垂直分量；第三光电转换单元用于对第一子干涉光的水平分量和第二子干涉光的水平分量进行光电转换，得到第一电信号的水平分量，以及用于对第三子干涉光的水平分量和第四子干涉光的水平分量进行光电转换，得到第二电信号的水平分量。

第二方面，本申请实施例提供了一种偏振敏感型光学相干层析成像方法，包括：测量光源发出第一信号光和第二信号光；第一信号光入射参考臂，第二信号光入射样品臂；第一信号光入射参考臂后被调整为参考光，参考光射向偏振探测模块；第二信号光入射样品臂后被调整为样品光，部分样品光被第一部分反射单元反射向偏振探测模块，以与参考光相干形成第一干涉光，剩余样品光透过第一部分反射单元射向待测样品；待测样品将剩余样品光反射向偏振探测模块，以与参考光相干形成第二干涉光；第一干涉光经过偏振探测模块的处理产生第一电信号，第二干涉光经过偏振探测模块的处理产生第二电信号；控制模块根据第一电信号确定待测样品的表面光场信息，根据第二电信号确定待测样品的内部光场信息，并根据表面光场信息、内部光场信息确定待测样品的偏振特性，以根据偏振特性对待测样品进行成像。

从以上技术方案可以看出，本申请实施例具有以下优点：

在一般偏振敏感型光学相干层析成像系统的基础上，通过在样品臂内部设置第一部分反射单元，将部分样品光在进入待测样品之前被反射回系统，以获取样品光进入样品前的光场信息，从而可以更加准确快速地确定待测样品的偏振特性，最后形成较为准确的图像。该系统基于硬件获取到样品光进入样品前的光场信息，降低数据处理的复杂度，排除了因样品表面位置定位不准确而导致的偏振特性计算不准确的问题，有助于PSOCT成像系统的仪器化和在临床上的应用推广。同时目前的测量光源存在相位不稳定的问题，会影响数据处理的准确性，利用表面光场信息可以标定光源相位，获得稳定的相位有助于获得高质量的图像。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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申请的一些实施例，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它的附图。

图1为本申请一个实施例提供的偏振敏感型光学相干层析成像系统的结构示意图；

图2为本申请一个实施例中扫描单元的结构示意图；

图3为本申请另一个实施例中扫描单元的结构示意图；

图4为本申请一个实施例中调整单元的结构示意图；

图5为本申请一个实施例中参考臂的结构示意图；

图6为本申请一个实施例中偏振探测模块的结构示意图；

图7为本申请另一个实施例提供的偏振敏感型光学相干层析成像系统的结构示意图；

图8为本申请又一个实施例提供的偏振敏感型光学相干层析成像系统的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

第一方面，本申请实施例提供了一种偏振敏感型光学相干层析成像系统，也可简称为PSOCT（Polarization-Sensitive Optical Coherence Tomography）成像系统。PSOCT成像系统可细分为单入射态PSOCT和多入射态PSOCT两种。前者通过精确控制照射到样品上光的偏振态，并探测反射光的偏振态变化来确定组织偏振特性，但由于光在光纤等光学器件里传播时偏振态会发生未知的变化，因此单入射态PSOCT只适用于自由空间结构，集成化能力和抗干扰能力较差，不利于仪器化。多入射态PSOCT使用两束偏振状态正交的偏振光照射样品，并分别获得两束反射光的偏振态，消除光纤对偏振态的影响，最终得到样品的偏振特性。这种方法不需要严格控制入射光的偏振态，因此可以采取光纤结构的设计方案，只需极少的对准，操作和维护更容易且稳定性好，更适用于临床应用。而本申请中的PSOCT成像系统也主要针对多入射态PSOCT。而入射待测物体的光线一方面会在待测样品表面被反射，另一方面会深入待测样品内部后被反射。在利用琼斯矩阵等分析方法求取待测样品的偏振信息时，这两部分的光场信息都需要确定。因此需要提取样品表面位置坐标，以此为基础再通过矩阵计算获得样品不同深度的偏振信息。目前主流方法是通过数字图像处理计算来分割组织边界，这种软件方法首先会减慢数据处理速度，其次对于不光滑的组织边界往往很难区分不同组织间界面位置，从而导致计算结果不准确，获得的偏振特性失真。

为了解决该问题，请参阅图1，图1中较粗且带有箭头的线条代表光线，其中虚线是代表在对应位置发生反射且最终被传输至偏振探测模块140的光线，而较细且不带有箭头的代表电连接。另外，图1中的箭头只代表光线在器件之间的关系，而并非光线在空间中的实际传播方向，光线在不同器件之间可以是基于光纤进行传播的，而非在自由空间中传播。本实施例中的成像系统包括测量光源110、样品臂120、参考臂130、偏振探测模块140以及控制模块150。测量光源110用于将信号光分为第一信号光和第二信号光并发射，第一信号光入射参考臂130，第二信号光入射样品臂120。即在测量光源110内部，可以将信号光按照第一比例进行分光，分别得到进入样品臂120的第一信号光和进入参考臂130的第二信号光。第一比例可以为10%的第一信号光与90%的第二信号光。参考臂130用于将第一信号光调整为参考光后射向偏振探测模块140。参考光将于样品臂120对应的光在偏振探测模块140处汇合并发生干涉。在参考臂130内部一般设置有一对反射镜，通过改变反射镜之间的距离，可以改变参考臂130的长度，从而调整参考臂130与样品臂120之间的光程差，以调整干涉效果。

样品臂120包括调整单元121和扫描单元122。调整单元121用于将第二信号光调整为样品光后射向扫描单元122。对于多入射态PSOCT而言，调整单元121所做的调整一般包括调整第二信号光的偏振态、将第二信号光调整为偏振方向正交的光信号，还可将这两束光信号通过时间复用、频率复用或深度复用区分开。

为了解决对待测样品10的表面标定困难且速度较慢的问题，考虑到扫描单元122射出的光线到待测样品10之间没有具有偏振特性的介质，可以在扫描单元122将光线发射至待测样品10前增加一个反射面，这一额外反射面返回的光场矩阵可以代替样品表面的光场矩阵，并以此计算样品的偏振特性。同时这一反射面还可以标定干涉光信号的相位，提高成像质量。

具体而言，扫描单元122设置有第一部分反射单元122A。第一部分反射单元122A为具有一定反射率的镜片结构，即部分样品光将被第一部分反射单元122A反射，没被反射的剩余样品光将通过第一部分反射单元122A射向待测样品10。例如，1%的样品光反射，剩余99%的光将透射至待测样品10。第一部分反射单元122A将部分样品光反射后，被反射的部分样品光应被传输至偏振探测模块140，与参考光在偏振探测模块140汇合并干涉，形成第一干涉光。而样品光中没被第一部分反射单元122A反射的剩余样品光将射入待测样品10，并在待测样品10内部发生反射，该被反射的剩余样品光应被传输至偏振探测模块140，与参考光在偏振探测模块140汇合并干涉，形成第二干涉光。图1中并未示出上述两个反射光与偏振探测模块140之间的关系，本申请中所说的反射向偏振探测模块140并非是光路直接指向偏振探测模块140，而可以是经过其他光学元件的传输，最终达到偏振探测模块140。例如，考虑部分样品光在第一部分反射单元122A处被反射会沿着样品光的入射方向传播，而剩余样品光在待测样品10处被反射后也会向着第一部分反射单元122A的方向原路返回，因此，可以在第一部分反射单元122A前设置光收集子单元，分别将这两个反射光收集，再通过光纤或者自由空间的形式传递至偏振探测模块140处。

偏振探测模块140用于对第一干涉光进行处理得到第一电信号，以及用于对第二干涉光进行处理得到第二电信号。为了便于进行数据处理，在偏振探测模块140至少可以进行光电转换处理，而如果采用琼斯矩阵的分析方式，还可在光电转换前将第一干涉光或第二干涉光进行垂直分量和水平分量的分解等处理。控制模块150与偏振探测模块140连接，用于根据第一电信号确定待测样品10的表面光场信息，根据第二电信号确定待测样品10的内部光场信息，并根据表面光场信息、内部光场信息确定待测样品10的偏振特性，以根据偏振特性对待测样品10进行成像。

可以理解，在光学中，偏振光可以用琼斯矩阵表示，当光穿过光学元件时，通过取出光学元件的琼斯矩阵和入射光的琼斯矢量的乘积来找到出现的光的极化。将待测样品10本身也视为一个可用琼斯矩阵表示的光学元件，而第一干涉光和第二干涉光之间的差别即在于，第二干涉光经过待测样品10的作用而第一干涉光没有，比较这两个干涉光对应的光场信息之间的差异即可确定待测样品10的琼斯矩阵的相关信息，从而根据该相关信息确定待测样品10的偏振特性。基于准确的偏振特性对待测样品10形成的成像将更有利于对待测样品10的状态进行判断。第一部分反射单元122A的位置，反射率和形状可以根据需求自由调节成适合成像的参数。另外，测量光源110的相位稳定性会影响数据处理的准确性，利用表面光场信息可以标定光源相位，获得稳定的相位有助于获得高质量的图像。

基于本实施例中的偏振敏感型光学相干层析成像系统，在一般偏振敏感型光学相干层析成像系统的基础上，通过在样品臂120内部设置第一部分反射单元122A，将部分样品光在进入待测样品10之前被反射回系统，以获取样品光进入样品前的光场信息，从而可以更加准确快速地确定待测样品10的偏振特性，最后形成较为准确的图像。本实施例基于硬件获取到样品光进入样品前的光场信息，降低数据处理的复杂度，排除了因样品表面位置定位不准确而导致的偏振特性计算不准确的问题，有助于PSOCT成像系统的仪器化和在临床上的应用推广。同时目前的测量光源存在相位不稳定的问题，会影响数据处理的准确性，利用表面光场信息可以标定光源相位，获得稳定的相位有助于获得高质量的图像。

在其中一个实施例中，请参阅图2，扫描单元122包括振镜系统122C和聚焦透镜122B。振镜系统122C和聚焦透镜122B设置在调整单元121、第一部分反射单元122A之间的样品光的光路上。振镜系统122C用于调整样品光的方向，样品光经过方向调整后入射聚焦透镜122B。聚焦透镜122B对样品光进行聚焦，样品光经过聚焦后入射第一部分反射单元122A。可以理解，在成像时需要对待测样品10的多个位置进行扫描，通过控制振镜系统122C，可改变样品光打在待测样品10上的位置，从而实现对待测样品10不同位置的扫描。对于图2所示的结构，在第一部分反射单元122A反射的部分样品光和在待测样品10处反射的剩余样品光均沿着图中较粗的黑线原路返回，可通过设置在振镜系统122C前的光收集子单元收集这两个反射光，再传输至偏振探测模块140，以分别实现将将部分样品光反射向偏振探测模块140和将剩余样品光反射向偏振探测模块140。

在其中一个实施例中，请参阅图3，为了灵活的应对不同应用场景，第一部分反射单元122A可以至少由第一棱镜122A1和第一反射镜122A2组成。第一棱镜122A1用于接收样品光，将部分样品光反射向第一反射镜122A2，并将剩余样品光透射向待测样品10。第一反射镜122A2的位置可调，以改变与待测样品10的相对光程差，第一反射镜122A2用于将部分样品光反射向偏振探测模块140。这种设计可以通过调节第一反射镜122A2远离或接近第一棱镜122A1以控制反射面和样品之间相对的光程差。对于图3所示的结构，在第一棱镜122A1将部分样品光反射至第一反射镜122A2，第一反射镜122A2再将该部分样品光沿图3中较粗黑线原路反射回去，而在待测样品10处反射的剩余样品光均沿着图中较粗的黑线原路返回，可通过设置在振镜系统122C前的光收集子单元收集这两个反射光，再传输至偏振探测模块140，以分别实现将将部分样品光反射向偏振探测模块140和将剩余样品光反射向偏振探测模块140。

本申请中大部分结构可采用光纤搭建，但为了方便调整光程，可以将样品臂120、参考臂130和照射待测样品10处设置为自由空间型。即测量光源110可通过光纤将第一信号光传递至参考臂130，还通过光纤将第二信号光传递至样品臂120。而样品臂120和参考臂130也分别通过光纤将光传递至偏振探测模块140。下面先对参考臂130进行说明。具体而言，在其中一个实施例中，对于多入射态PSOCT成像系统而言，应由两个具有正交偏振态的光信号照射样品，即样品光包括两个偏振方向正交的光。请参阅图4（图4中实线代表第二信号光或样品光，虚线代表被第一部分反射单元122A反射或被待测样品10反射的光），调整单元121包括第一偏振控制器121D，偏振延迟单元121A、第一耦合器121B以及第一准直器121C。第二信号光入射偏振延迟单元121A前经过第一偏振控制器121D，第一偏振控制器121D用于调整第二信号光的偏振态为预设偏振态。在偏振延迟单元121A前利用第一偏振控制器121D的调节使生成的两个偏振方向正交的光信号强度相近，以保证成像质量。偏振延迟单元121A用于接收第二信号光，将第二信号光调整为两个偏振方向正交的光，以得到样品光，并将样品光射向第一耦合器121B。偏振延时单元即为光学领域常用的、将一个光分为两束偏振方向垂直的线偏振光的器件。而为分别获得其干涉谱的方法有多种，包括时分复用，频分复用和深度复用等等。由于样品光是两束光，而耦合器可以用于保证多组光信号的互相联通。而准直器是用于增大对光的输出或接收效率的一种输入输出元件，其可以保证扫描单元122和调整单元121之间传输的光有较大的效率。因此，样品光依次经第一耦合器121B耦合、第一准直器准直后可高效、准确射向扫描单元122。

样品光经扫描单元122的作用，部分样品光被第一部分反射单元122A反射，依次经过扫描单元122中第一部分反射单元122A之前的器件、第一准直器121C、第一耦合器121B后被传输至偏振探测模块140，偏振探测模块140处也可设置一耦合器来接收光，被反射的部分样品光和参考光在该耦合器处相干，产生第一干涉光。剩余样品光透过第一部分反射单元122A入射待测样品10，经待测样品10反射的剩余样品光依次经过扫描单元122、第一准直器121C、第一耦合器121B后被传输至偏振探测模块140，被反射的剩余样品光和参考光在偏振探测模块140处的耦合器相干，产生第二干涉光。

在其中一个实施例中，请参阅图5，参考臂130包括第二偏振控制器131、第二准直器132、参考臂长调节单元133、第三准直器134。第二偏振控制器131用于接收第一信号光，调整第一信号光的偏振态为预设偏振态，得到参考光，并将参考光射向第二准直器132。参考光经第二准直器132准直后入射参考臂长调节单元133。参考臂长调节单元133包括第二反射镜和第三反射镜，第二反射镜和第三反射镜之间的距离可调，以调整参考臂长。参考光在第二反射镜和第三反射镜之间反射后入射第三准直器134，并经过第三准直器134准直后入射偏振探测模块140。具体而言，在参考臂130内光信号先由偏振控制器调节偏振态，再通过第二准直器132准直后，由一对反射镜反射，经过反射后光信号再由第三准直器134收集回光纤，然后达到偏振探测模块140，通过调节第二反射镜和第三反射镜之间的距离可以控制参考臂130的长度。

在其中一个实施例中，请参阅图6，偏振探测模块140包括第二耦合器141、第一偏振耦合器142、第二偏振耦合器143、第二光电转换单元144和第三光电转换单元145。第一部分反射单元122A反射的部分样品光和参考光在第二耦合器141相干形成第一干涉光，待测样品10反射的剩余样品光与参考光在第二耦合器141相干形成第二干涉光。第一干涉光和第二干涉光在第二耦合器141处形成后，第二耦合器141按照50：50的比例将其分束。在使用琼斯矩阵的方式进行分析时，一个干涉光包括两个正交的偏振态，将每个偏振态分为水平分量和垂直分量即可用一个2x2的矩阵表示干涉光，如下式所示：

其中，E表示一个干涉光的光场信息，该干涉光包括E ₁和E ₂两个正交的偏振态。E _H1为偏振态E ₁的垂直分量，E _V1为偏振态E ₁的水平分量。E _H2 为偏振态E ₂的垂直分量，E _V2 为偏振态E ₂的水平分量。通过分别获取上面2x2矩阵中的所有元素，即可得到干涉光的光场信息。

先以第一干涉光的处理过程进行说明，第一干涉光被分为第一子干涉光和第二子干涉光。偏振耦合器可以将光分为垂直和竖直的两个分量光。第一子干涉光进入第一偏振耦合器142，得到第一子干涉光的垂直分量和水平分量。第二子干涉光进入第二偏振耦合器143，得到第二子干涉光的垂直分量和水平分量。第二光电转换单元144与垂直分量对应，第一子干涉光和第二干涉光的垂直分量均入射第二光电转换单元144，第二光电转换单元144对第一子干涉光的垂直分量和第二子干涉光的垂直分量进行光电转换，得到第一电信号的垂直分量，即相当于得到第一干涉光对应的E _H1和E _H2 。第三光电转换单元145与水平分量对应，第一子干涉光和第二干涉光的水平分量均入射第三光电转换单元145，第三光电转换单元145对第一子干涉光的水平分量和第二子干涉光的水平分量进行光电转换，得到第一电信号的水平分量，即相当于得到第一干涉光对应的E _V1和E _V2 。控制模块150根据第一电信号的垂直分量和水平分量，即可确定第一干涉光的光场信息，而第一干涉光又是基于被第一部分反射单元122A反射的部分样品光生成的，控制模块150相当于确定了待测样品10的表面光场信息。

值得一提的是，这里并非是指电信号可以分为两个方向的分量，而是第一干涉光分别包括两个偏振态的垂直分量和竖直分量，第一电信号是由两个电信号组成的，其中一个与第一干涉光的两个偏振态的垂直分量对应，则称为第一电信号的垂直分量，另一个与第一干涉光的两个偏振态的水平分量对应，则称为第一电信号的水平分量。对于第二电信号也同样如此，后文不再赘述。

第二干涉光的处理过程类似，第二干涉光被分为第三子干涉光和第四子干涉光。第三子干涉光进入第一偏振耦合器142，得到第三子干涉光的垂直分量和水平分量。第四子干涉光进入第二偏振耦合器143，得到第四子干涉光的垂直分量和水平分量。第二光电转换单元144与垂直分量对应，第三子干涉光和第四干涉光的垂直分量均入射第二光电转换单元144，第二光电转换单元144对第三子干涉光的垂直分量和第四子干涉光的垂直分量进行光电转换，得到第二电信号的垂直分量，即相当于得到第二干涉光对应的E _H1和E _H2 。第三光电转换单元145与水平分量对应，第三子干涉光和第四干涉光的水平分量均入射第三光电转换单元145，第三光电转换单元145对第三子干涉光的水平分量和第四子干涉光的水平分量进行光电转换，得到第二电信号的水平分量，即相当于得到第二干涉光对应的E _V1和E _V2 。控制模块150根据第二电信号的垂直分量和水平分量，即可确定第二干涉光的光场信息，而第二干涉光又是基于被待测样品10反射的剩余样品光生成的，控制模块150相当于确定了待测样品10的内部光场信息。

在其中一个实施例中，在第一偏振耦合器142前可以设置第三偏振控制器，在第二偏振耦合器143前可以设置第四偏振控制器。这两个偏振控制器均可用于保证生成的两个偏振态的光信号强度相近，以保证成像质量。

在其中一个实施例中，请参阅图7，系统还包括时钟生成模块160，测量光源110包括光发射单元111、第一分光单元112和第二分光单元113。光发射单元111用于向第一分光单元112发射原始信号光。光发射单元111为最初的光源，其可以为扫频光源。第一分光单元112用于将原始信号光分为时钟信号光和信号光，其中，信号光的比例应远大于时钟信号光，如99：1。时钟信号光入射时钟生成模块160，信号光入射第二分光单元113。时钟信号光与信号光同源，因此可用于提取与信号光相关的时钟信号，以控制光发射单元111。具体而言，时钟生成模块160与控制模块150连接，用于根据时钟信号光生成与信号光对应的时钟信号并输出至控制模块150。第二分光单元113用于将信号光分为第一信号光和第二信号光。

在其中一个实施例中，时钟生成模块160包括干涉仪和第一光电转换单元。时钟信号光入射干涉仪并产生对应的相干光，第一光电转换单元用于将时钟信号光对应的相干光转换为时钟信号并输出至控制模块150。利用干涉仪产生时钟信号的技术较为成熟，在此不再赘述。在有些实施例中，干涉仪可以选择马赫曾德干涉仪。

以图8示出的详细的成像系统对本申请中的光路再次进行说明。原始信号光由光发射单元111发出经过第一分光单元112将1%的光导入马赫曾德干涉仪161，相干光被光电探测器162采集用于产生时钟信号，并传导至控制模块150。光发射单元111出射的99%的光第二分光单元113分光，10%作为第一信号光进入参考臂130。90%作为第二信号光进入样品臂120。在参考臂130内光信号先由第二偏振控制器131调节偏振态，再通过第二准直器132准直后，由包含一对反射镜的参考臂长调节单元133反射，经过反射后光信号再由第三准直器134收集回光纤，然后达到第二耦合器141，通过调节第三反射镜、第四反射镜之间的距离可以控制参考臂的长度。

在样品臂光信号首先进入第一偏振控制器121D调整偏振态，再进入偏振延迟单元121A，利用偏振延迟单元121A可以将产生两个偏振方向正交的光信号，并将两者通过时间复用，频率复用或者深度复用区分开。这两个偏振方向正交的光信号再经过第一耦合器121B，经过第一准直器121C进入扫描单元122，两个偏振方向正交的光在样品处反射。从扫描单元122返回的反射光光再由第一准直器121C收集，经耦合器121B，最后达到第二耦合器141，在第二耦合器141处和参考光分别发生相干，相干光在耦合器第二耦合器141后以50:50比例分束，然后再分别利用第一偏振耦合器142和第二偏振耦合器143将干涉光信号再分为两束偏振方向正交的分量，两个偏振耦合器的垂直分量端口接入第二光电转换单元144，水平分量输出端口接入第三光电转换单元145，通过调节第三偏振控制器146、第四偏振控制器147确保第一偏振耦合器142、第二偏振耦合器143输出信号的水平和垂直分量方向分别一致。两个光电转换单元将光信号转换为电信号，再由控制模块150采集并处理，并由控制模块150同步控制样品臂130的扫描。

而根据表面光场信息、内部光场信息确定待测样品的偏振特性具体可以为：首先定义偏振延迟单元121A的出口到扫描单元122中的第一部分反射单元处的琼斯矩阵为J _in，第一部分反射单元到第二光电转化单元144或第三光电转换单元145的琼斯矩阵为J _out，第一部分反射单元到待测样品内部某处再反射回第一部分反射单元的琼斯矩阵为J _sample。由此，第一干涉光的光场可以表达为：

其中，E _in为偏振延迟单元121A处出射光的的光场信号，

为第一相位因子。

第二干涉光的光场可以表达为：

其中，

为第二相位因子。这里的第一干涉光和第二干涉光的光场可根据第二光电转化单元144和第三光电转换单元155的输出确定。将上面两式相除可得到：

是第一相位因子对应相位和第二相位因子对应相位之间的相位差。J _sample相似于一个对角矩阵，因此可以表示为：

其中J _C是对角矩阵，J _A是酉矩阵。由此，可得：

其中，

，所以J _U也是酉矩阵，考虑到待测样品是具有双折射特性的材料而且J _C是对角矩阵，因此上式可以转化为：

其中，η是相位延迟。基于酉矩阵的特性，对

这一矩阵求特征值，即可分别得到

和

，由此可以求得待测样品的相位延迟和二向色性，即计算出待测样品的偏振特性。

第二方面，本申请实施例提供了一种偏振敏感型光学相干层析成像方法，包括：测量光源110发出第一信号光和第二信号光；第一信号光入射参考臂130，第二信号光入射样品臂120；第一信号光入射参考臂130后被调整为参考光，参考光射向偏振探测模块140；第二信号光入射样品臂120后被调整为样品光，部分样品光被第一部分反射单元122A反射向偏振探测模块140，以与参考光相干形成第一干涉光，剩余样品光透过第一部分反射单元122A射向待测样品10；待测样品10将剩余样品光反射向偏振探测模块140，以与参考光相干形成第二干涉光；第一干涉光经过偏振探测模块140的处理产生第一电信号，第二干涉光经过偏振探测模块140的处理产生第二电信号；控制模块150根据第一电信号确定待测样品10的表面光场信息，根据第二电信号确定待测样品10的内部光场信息，并根据表面光场信息、内部光场信息确定待测样品10的偏振特性，以根据偏振特性对待测样品10进行成像。关于该方法的说明可参照上文。

最后，还需要说明的是，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。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

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，各个实施例之间可以根据需要进行组合，且相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种偏振敏感型光学相干层析成像系统，其特征在于，包括测量光源、样品臂、参考臂、偏振探测模块以及控制模块；

所述测量光源用于将信号光分为第一信号光和第二信号光并发射，所述第一信号光入射所述参考臂，所述第二信号光入射所述样品臂；

所述参考臂用于将所述第一信号光调整为参考光后射向所述偏振探测模块；

所述样品臂包括调整单元和扫描单元，所述调整单元用于将所述第二信号光调整为样品光后射向所述扫描单元，其中，所述样品光包括两个偏振方向正交的光，所述扫描单元设置有第一部分反射单元，所述第一部分反射单元将部分样品光反射向所述偏振探测模块，以与所述参考光相干形成第一干涉光，所述第一部分反射单元将剩余样品光透射向待测样品；所述待测样品将所述剩余样品光反射向所述偏振探测模块，以与所述参考光相干形成第二干涉光；所述部分样品光和所述剩余样品光均包括两个偏振方向正交的光，所述第一干涉光被分为第一子干涉光和第二子干涉光，所述第二干涉光被分为第三子干涉光和第四子干涉光；

所述偏振探测模块用于对所述第一干涉光进行处理得到第一电信号，以及用于对所述第二干涉光进行处理得到第二电信号；所述第一电信号由分别与所述第一子干涉光、第二子干涉光的垂直分量对应的电信号以及分别与所述第一子干涉光、第二子干涉光的水平分量对应的电信号组成，所述第二电信号由分别与所述第三子干涉光、第四子干涉光的垂直分量对应的电信号以及分别与所述第三子干涉光、第四子干涉光的水平分量对应的电信号组成；

所述控制模块与所述偏振探测模块连接，用于根据所述第一电信号确定所述待测样品的表面光场信息，根据所述第二电信号确定所述待测样品的内部光场信息，并根据所述表面光场信息、所述内部光场信息确定所述待测样品的偏振特性，以根据所述偏振特性对所述待测样品进行成像。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一部分反射单元包括第一棱镜和第一反射镜；

所述第一棱镜用于接收所述样品光，将所述部分样品光反射向所述第一反射镜，并将所述剩余样品光透射向所述待测样品；

所述第一反射镜的位置可调，以改变与所述待测样品的相对光程差，所述第一反射镜用于将所述部分样品光反射向所述偏振探测模块。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述扫描单元包括振镜系统和聚焦透镜；所述振镜系统和所述聚焦透镜设置在所述调整单元、所述第一部分反射单元之间的所述样品光的光路上；

所述振镜系统用于调整所述样品光的方向，所述样品光经过方向调整后入射所述聚焦透镜；

所述聚焦透镜对所述样品光进行聚焦，所述样品光经过聚焦后入射所述第一部分反射单元。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述调整单元包括偏振延迟单元、第一耦合器以及第一准直器；

所述偏振延迟单元用于接收所述第二信号光，将所述第二信号光调整为两个偏振方向正交的光，以得到所述样品光，并将所述样品光射向所述第一耦合器；所述样品光依次经所述第一耦合器耦合、所述第一准直器准直后射向所述扫描单元。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述调整单元还包括第一偏振控制器，所述第二信号光入射所述偏振延迟单元前经过所述第一偏振控制器，所述第一偏振控制器用于调整所述第二信号光的偏振态为预设偏振态。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述参考臂包括第二偏振控制器、第二准直器、参考臂长调节单元、第三准直器；

所述第二偏振控制器用于接收所述第一信号光，调整所述第一信号光的偏振态为预设偏振态，得到参考光，并将所述参考光射向所述第二准直器；所述参考光经所述第二准直器准直后入射所述参考臂长调节单元；

所述参考臂长调节单元包括第二反射镜和第三反射镜，所述第二反射镜和所述第三反射镜之间的距离可调，以调整参考臂长；所述参考光在所述第二反射镜和所述第三反射镜之间反射后入射所述第三准直器，并经过所述第三准直器准直后入射所述偏振探测模块。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括时钟生成模块，所述测量光源包括光发射单元、第一分光单元和第二分光单元；

所述光发射单元用于向所述第一分光单元发射原始信号光；

所述第一分光单元用于将原始信号光分为时钟信号光和所述信号光，所述时钟信号光入射所述时钟生成模块，所述信号光入射所述第二分光单元；

所述时钟生成模块与所述控制模块连接，用于根据所述时钟信号光生成与所述信号光对应的时钟信号并输出至所述控制模块；

所述第二分光单元用于将所述信号光分为所述第一信号光和第二信号光。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述时钟生成模块包括干涉仪和第一光电转换单元；所述时钟信号光入射所述干涉仪并产生对应的相干光，所述第一光电转换单元用于将所述时钟信号光对应的相干光转换为所述时钟信号并输出至所述控制模块。

9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述偏振探测模块包括第二耦合器、第一偏振耦合器、第二偏振耦合器、第二光电转换单元和第三光电转换单元；所述第一部分反射单元反射的所述部分样品光和所述参考光在所述第二耦合器相干形成所述第一干涉光，所述待测样品反射的所述剩余样品光与所述参考光在所述第二耦合器相干形成所述第二干涉光；

所述第二耦合器用于对所述第一干涉光进行分束，得到所述第一子干涉光和所述第二子干涉光，以及用于对所述第二干涉光进行分束，得到所述第三子干涉光和所述第四子干涉光；所述第一子干涉光和所述第三子干涉光入射所述第一偏振耦合器，所述第二子干涉光和所述第四子干涉光入射所述第二偏振耦合器；

所述第一偏振耦合器用于分别将所述第一子干涉光、所述第三子干涉光进行偏振分束，得到所述第一子干涉光的垂直分量和水平分量、所述第三子干涉光的垂直分量和水平分量；所述第一子干涉光的垂直分量和所述第三子干涉光的垂直分量分别入射所述第二光电转换单元，所述第一子干涉光的水平分量和所述第三子干涉光的水平分量分别入射所述第三光电转换单元；

所述第二偏振耦合器用于分别将所述第二子干涉光、所述第四子干涉光进行偏振分束，得到所述第二子干涉光的垂直分量和水平分量、所述第四子干涉光的垂直分量和水平分量；所述第二子干涉光的垂直分量和所述第四子干涉光的垂直分量分别入射所述第二光电转换单元，所述第二子干涉光的水平分量和所述第四子干涉光的水平分量分别入射所述第三光电转换单元；

所述第二光电转换单元用于对所述第一子干涉光的垂直分量和所述第二子干涉光的垂直分量进行光电转换，得到所述第一电信号的垂直分量，以及用于对所述第三子干涉光的垂直分量和所述第四子干涉光的垂直分量进行光电转换，得到所述第二电信号的垂直分量；

所述第三光电转换单元用于对所述第一子干涉光的水平分量和所述第二子干涉光的水平分量进行光电转换，得到所述第一电信号的水平分量，以及用于对所述第三子干涉光的水平分量和所述第四子干涉光的水平分量进行光电转换，得到所述第二电信号的水平分量。

10.一种偏振敏感型光学相干层析成像方法，其特征在于，包括：

测量光源发出第一信号光和第二信号光；所述第一信号光入射参考臂，第二信号光入射样品臂；

所述第一信号光入射参考臂后被调整为参考光，所述参考光射向偏振探测模块；

所述第二信号光入射样品臂后被调整为样品光，其中，所述样品光包括两个偏振方向正交的光，部分样品光被第一部分反射单元反射向所述偏振探测模块，以与所述参考光相干形成第一干涉光，剩余样品光透过所述第一部分反射单元射向待测样品；所述待测样品将所述剩余样品光反射向所述偏振探测模块，以与所述参考光相干形成第二干涉光；所述部分样品光和所述剩余样品光均包括两个偏振方向正交的光，所述第一干涉光被分为第一子干涉光和第二子干涉光，所述第二干涉光被分为第三子干涉光和第四子干涉光；

所述第一干涉光经过所述偏振探测模块的处理产生第一电信号，所述第二干涉光经过所述偏振探测模块的处理产生第二电信号；所述第一电信号由分别与所述第一子干涉光、第二子干涉光的垂直分量对应的电信号以及分别与所述第一子干涉光、第二子干涉光的水平分量对应的电信号组成，所述第二电信号由分别与所述第三子干涉光、第四子干涉光的垂直分量对应的电信号以及分别与所述第三子干涉光、第四子干涉光的水平分量对应的电信号组成；

控制模块根据所述第一电信号确定所述待测样品的表面光场信息，根据所述第二电信号确定所述待测样品的内部光场信息，并根据所述表面光场信息、所述内部光场信息确定所述待测样品的偏振特性，以根据所述偏振特性对所述待测样品进行成像。

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