CN201094621Y - 一种用于oct平衡探测的透射式快速光学扫描延迟线 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于OCT平衡探测的透射式快速光学扫描延迟线(透射式RSOD)。所述的透射式RSOD由色散器件、傅立叶透镜、快速扫描镜、反射式光束平移器和反射镜组成，其中反射式光束平移器可有两种结构，分别是直角棱镜和角锥棱镜。该发明具有极强的移植性，透射式RSOD可用于OCT平衡探测系统提高信噪比和动态范围，同时保留了RSOD色散补偿、改变光程、相位调制或无色散相移的功能。本实用新型公布的透射式RSOD光耦合效率高，结构简单紧凑、安装调试方便，成本节约，可有效防止经延迟线的光返回到光源，减少了反射光对光源稳定型的影响。

Description

一种用于OCT平衡探测的透射式快速光学扫描延迟线

技术领域

本实用新型涉及一种用于OCT平衡探测的透射式快速光学扫描延迟线。

背景技术

光学相干层析成像(Optical Coherence Tomography，简称OCT)是近年发展起来的层析成像技术，能对生物活体内部的组织结构与生理功能进行非接触、无损伤、高分辨率成像。因而在生物医学领域获得广泛应用。平衡探测OCT系统可有效抑制系统的共模噪声，提高系统信噪比和动态范围，对于提高OCT系统的成像质量有重要意义。

快速扫描光学延迟线(Rapid Scanning Optical Delay Line，简称RSOD)能实现群延迟和相延迟分离控制的目标，同时具有调节色散的功能。因而用在OCT系统可实现参考臂和样品臂的色散匹配；用于时域OCT系统同时可实现纵向扫描和相位调制，用在谱域OCT系统可实现无色散相移消除自相关噪声。目前的RSOD系统多是基于反射时设计的，用反射式的RSOD做OCT系统的参考臂，一方面RSOD返回的光反射到出射光源会影响光的稳定性，另一方面由于扫描振镜的温度热效应和运动洄滞引入的高频噪声，以及扫描过程光耦合效率不均匀造成的光强变化等原因引入的系统噪声也会影响OCT系统的成像质量，降低系统的信噪比，而平衡探测OCT系统可有效抑制系统的共模噪声，弥补反射式RSOD的缺陷。

但目前基于反射式设计的快速扫描光学延迟线用于平衡探测OCT系统需要额外的光环行器，如图1所示，其中光纤环行器143用来改变参考臂返回光的方向，参考臂由反射式双通RSOD14组成，双通RSOD14由入射准直镜15、衍射光栅16、傅立叶透镜17、扫描振镜19以及双通反射镜142组成。光环行器的使用一方面增加了成本；另一方面光电产业的原因造成某些波段(如适合视网膜成像的800nm附近的波段)光纤型光环行器的欠缺更是增加了系统设计的困难。透射式RSOD用于平衡探测OCT系统可解决这一困难。基于透射式RSOD的平衡探测OCT系统设计见于专利“Optical imaging device”，J.A.Izatt et al.Patent No.U.S.6,564,089，May 13，2003。该专利提到两种透射式RSOD的设计方案，一种用分光棱镜实现RSOD返回光束方向的偏转，如图2所示，图中143为透射式RSOD，145为入射准直镜，144为接收准直镜，分束镜146用来实现光束的偏转。该透射式RSOD，光束两次通过色散元件光栅，单通的扫描设计导致入射光束和出射光束在垂直光学平台方向存在纵向偏移，其偏移距离与入射光束打在透镜的位置有关，不利出射光束接收准直镜的安放和调节；另一方面，各色光的出射方向存在偏移，光强耦合效率低。另一种方案与反射式双通RSOD的设计类似，如图3所示，不同的是双通反射镜142的镜面方向不再与入射光的方向垂直，而是存在一个偏角，因而光束经过光栅16四次衍射后不再原路返回到入射准直镜145，接收反射镜220的位置和方向与双通反射镜142的方向以及透射式RSOD143的扫描范围有密切关系，给RSOD的设计和调试带来困难。

Carla C.Rosa等提出和制作过一种单通透射式RSOD(“Fast scanningtransmissive delay line for optical coherence tomography”，Carla C.Rosa，JohnRpgers，Adrian Gh.Podoleanu.Optics Letters，Vol.30，No.24，Page 3263～3265，Dec.15，2005)，采用平面反射镜100和反射镜101消除振镜扫描造成的光束出射位置的偏移，如图4所示。但这种单通透射式RSOD103的设计结构复杂，并且振镜的扫描范围受到限制。

发明内容

为了克服现有技术中反射式双通RSOD用于OCT系统的不足和其应用于平衡探测OCT系统遇到的实际困难；以及现有透射式RSOD设计存在出射光束偏移、扫描范围受限、安装调试复杂等不足，本实用新型的目的在于提供一种用于OCT平衡探测的透射式快速光学扫描延迟线。

本实用新型采用的技术方案是：所述的透射式RSOD为准直镜准直后的入射光经反射型闪耀光栅分光，分光后的光谱分量通过傅立叶透镜聚焦在扫描振镜上，经扫描振镜反射后通过傅立叶透镜返回到闪耀光栅，并被闪耀光栅再次衍射后投射到反射式光束平移器上，经过反射式光束平移器的光在与光学平台所在平面xy垂直的方向错开后原方向返回到闪耀光栅，经过傅立叶透镜、扫描振镜，被扫描振镜反射后再次经过傅立叶透镜、闪耀光栅，最后经闪耀光栅四次衍射后重新汇合成出射光，出射光经接收反射镜的反射光再到接收光纤耦合镜。

所述的反射式光束平移器为直角棱镜或角锥棱镜。

所述的透射式RSOD，其闪耀光栅和傅立叶透镜相互平行，闪耀光栅与透镜的前焦面有个可调节的离焦量Δz，快速扫描镜位于傅立叶透镜的后焦面，且扫描振镜的转轴和傅立叶透镜的光轴存在可调节的偏移量x。

所述的透射式RSOD，其准直镜、反射式光束平移器、接收反射镜在与光学平台所在平面xy垂直的方向相互错开，即反射式光束平移器位于准直镜下方，接收反射镜位于准直镜上方。

本实用新型与背景技术相比具有的有益效果是：

1.本实用新型采用直角棱镜或角锥棱镜实现RSOD的双通透射设计，确保光栅衍射光能原方向返回到光栅，即从棱镜返回到光栅的光束方向与入射光方向一致，确保光束多次通过衍射元件的衍射条件仍然一致，各色光的衍射效率高，同时双通情况下衍射条件仍然一致给透射式RSOD的设计和调试提供了很大方便。

2.本实用新型所公开的透射式RSOD，其出射反射镜的方向与反射式光束平移器的方向无直接关系，仅与需要得到的出射光方向有关。其安装调试简单方便。

3.本实用新型所公开的透射式RSOD，取得同样错移距离所需要的衍射光栅、傅立叶透镜、振镜的几何尺寸相对以往的双通透射式RSOD小；双通式光束传播机制，空间结构紧凑，光程、群扫描延迟和相位延迟相对同样条件下的单通RSOD提高一倍；双通式光束传播机制，各色光不存在出射位置偏移，提高了系统的光束耦合效率。

4.本实用新型用透射式的RSOD代替光学环行器节约了系统设计成本。参考臂采用透射式的光束传播机制，能够有效防止参考臂返回的光对光源稳定性的影响。

本实用新型的透射式RSOD光耦合效率高，结构简单紧凑、安装调试方便，成本节约，可有效防止经延迟线的光返回到光源，减少了反射光对光源稳定型的影响。

附图说明

图1是美国发明专利申请“6,564,089”在实施例4中提出的一种基于反射式RSOD的平衡探测OCT系统结构示意图。

图中：14、反射式RSOD，15、入射准直镜，16、衍射光栅，17、傅立叶透镜，19、扫描振镜，136、光环行器，142、双通反射镜。

图2是美国发明专利申请“6,564,089”在实施例4中提出的一种基于透射式RSOD的平衡探测OCT系统结构示意图，该透射式RSOD采用宽带分束镜实现光束方向的偏转。

图中：143、透射式RSOD，144、接受准直镜，145、入射准直镜，146、分束镜。

图3是美国发明专利申请“6,564,089”提出的另外一种透射式RSOD的结构示意图。图中：220、接受反射镜。

图4是现有技术中基于单通透射式RSOD的平衡探测OCT系统结构示意图。

图中：100、101为用于实现光束偏转的反射镜，102代表单通透射式RSOD。

图5是本发明中双通透射式RSOD的立体结构示意图。坐标系xyz，并且xy确定光学平台所在平面。

图6是图3中透射式RSOD振镜扫描时光束在傅立叶透镜17上的轨迹。

图7是图5的双通透射式RSOD当振镜扫描时光束在傅立叶透镜40上的轨迹。

图8是本实用新型中基于双通透射式RSOD的平衡探测OCT系统结构示意图，框图48代表透射式RSOD的俯视图。

图5、图6、图7、图8中：31、宽带低相干光源，32、α：(1-α)光纤耦合器，33、准直透镜，34、扫描振镜，35、物镜，36、样品，37、偏振控制器，38、准直镜，39、反射式闪耀光栅，40、傅立叶透镜，41、扫描振镜，42、反射式光束平移器，43、接收反射镜，44、接收光纤耦合镜，45、光强衰减器，46、50/50宽带光纤耦合器，47、平衡探测器，48、透射式RSOD，49、扫描探头，50、单模光纤，51、单模光纤，52、入射光，53、光束，54、出射光，55、反射光，56、光斑，57、光斑，58、光斑，59、光斑，60、光斑，61、光斑，62、光斑，63、光斑。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的说明。

本实用新型所述的透射式RSOD 48由准直镜38、闪耀光栅39、傅立叶透镜40、快速扫描镜41、反射式光束平移器42、接收反射镜43和光纤耦合镜44组成。准直镜38准直后的入射光52经反射型闪耀光栅39分光，分光后的光谱分量通过傅立叶透镜40聚焦在扫描振镜41上，经扫描振镜41反射后通过傅立叶透镜40返回到闪耀光栅39，并被闪耀光栅39再次衍射后投射到反射式光束平移器42上，经过反射式光束平移器42的光在与光学平台所在平面xy垂直的方向错开后原方向返回到闪耀光栅39，经过傅立叶透镜40、扫描振镜41，被扫描振镜41反射后再次经过傅立叶透镜40、闪耀光栅39，最后经闪耀光栅39四次衍射后重新汇合成出射光54，出射光54经接收反射镜43的反射光55再到接收光纤耦合镜44。

所述的透射式RSOD，其闪耀光栅和傅立叶透镜相互平行，闪耀光栅与透镜的前焦面有个可调节的离焦量Δz，快速扫描镜位于傅立叶透镜的后焦面，且扫描振镜的转轴和傅立叶透镜的光轴存在可调节的偏移量x。

所述的反射式光束平移器42为直角棱镜或角锥棱镜。确保光束原方向返回的同时存在出射位置偏移。从光栅39出射的光束53垂直入射到反射式光束平移器42的斜面。

如图5所示，从光纤耦合器32的一端输出的光经准直镜38准直后的入射光52经反射型闪耀光栅39分光，分光后的光谱分量通过傅立叶透镜40聚焦在扫描振镜41上，经扫描振镜反射后通过傅立叶透镜40返回到闪耀光栅39，并被闪耀光栅39再次衍射后透射到反射式光束平移器42上。经过反射式光束平移器42的光沿衍射光栅39刻线方向错开一段距离后原方向返回到闪耀光栅39，经过傅立叶透镜40、扫描振镜41，被扫描振镜41反射后再次经过傅立叶透镜40、闪耀光栅39，最后经闪耀光栅39四次衍射后重新汇合成出射光54，出射光54经接收反射镜53反射到接收光纤耦合镜44。出射光54的出射位置偏离入射光52入射到光栅9的位置，方向与入射光52方向相同。准直镜38、双通反光棱镜42、接收反射镜43可在垂直于光学平台的方向相互错开，即双通反光棱镜42位于准直镜38下方，接收反射镜43位于准直镜38上方。光束55为经过透射式RSOD48的最终出射光方向，其方向可根据光路调节的方便性任意调整反射镜43的方向改变。光束55再经过光纤耦合透镜1 4耦合到单模光纤21。

图5中波长为λ的色光经透射式RSOD相位改变量为：

其中，θ_i，θ_λ，L，f，γ分别表示入射角、波长为λ色光的衍射角、衍射光栅39到傅立叶透镜40的距离、傅立叶透镜40的焦距和扫描振镜41的倾角；k为波矢，d为光栅栅距，m为光栅衍射级次，一般取1；x为扫描振镜11转轴相对光轴的偏离量，Δz＝L-f。

双通透射式RSOD引入的相延迟为：

l_p＝4xγ(t)＝4xγ(t)    (2)

群延迟即RSOD引入的光程改变量为：

如图6所示，图3中所示的透射式RSOD当振镜扫描时光束在傅立叶透镜17上共有4个光斑，光斑56为经衍射光栅16第一次衍射后在傅立叶透镜17上的投影；光斑58为经运动的扫描振镜19反射后的光在傅立叶透镜17上的投影；光斑58为光束经衍射光栅16第二次衍射、双通反射镜142反射及衍射光栅16第三次衍射后在傅立叶透镜17上的投影；光斑59为光束经过扫描振镜19第二次反射后入射到傅立叶透镜17上的投影。光斑58和光斑59在傅立叶透镜17上的位置与双通反射镜142的方向密切相关，并且中心波长的光经过双通反射镜142反射和衍射光栅16后第三次衍射不再沿光轴方向出射，各色光的衍射方向在第三次衍射时发生改变，衍射效率降低，这给透射式RSOD的调试带来极大麻烦。

如图7所示，图6中所示的透射式RSOD当振镜扫描时光束在傅立叶透镜40上共有4个光斑，光斑60为经衍射光栅39第一次衍射后在傅立叶透镜上的投影；光斑61为经扫描振镜41反射后的光在傅立叶透镜40上的投影；光斑62为光束经衍射光栅39第二次衍射、双通反射棱镜42反射及衍射光栅39第三次衍射后在傅立叶透镜40上的投影；光斑63为光束经过扫描振镜第二次反射后入射到傅立叶透镜上的投影。可以看出要获得与图7一样的纵向偏移距离，图6所示的透射式RSOD需要的透镜40尺寸远小于图3透镜17的尺寸，这在实际机械光学设计上有很大优势。同时由于经过双通反光棱镜后的出射光53的方向与入射光52的相同，接收反射镜43的方向仅与需要获得出射光55的方向有关，这对透射式RSOD的设计和调节带来极大便利。

结合图8所示，以透射式RSOD用于时域OCT平衡探测系统作具体实施例对本实用新型作进一步说明。

基于透射式RSOD的平衡探测OCT系统包括宽带低相干光源31、α：(1-α)光纤耦合器32、偏振控制器37、光强衰减器35、50/50宽带光纤耦合器46、平衡探测器47、透射式RSOD 48和横向扫描探头49。宽带光源31发出的光经α：(1-α)光纤耦合器32分光，一路出射光经偏振控制器47进入参考臂的透射式RSOD48，另一路出射端进入样品臂的横向扫描探头49；横向扫描探头49返回的光经α：(1-α)光纤耦合器32、单模光纤50进入50/50宽带光纤耦合器46，透射式RSOD48出射光经单模光纤51、光强衰减器45同时进入50/50宽带光纤耦合器46，50/50宽带光纤耦合器46的两个输出端与平衡探测器47相连，透射式RSOD出射的光和光纤20出射的光经50/50分光的宽带光纤耦合器干涉并将干涉信号送入差分平衡探测器探测，有用的干涉信号近似提高两倍，而系统共模噪声，如光源的过量光强噪声、RSOD由于温度效应和磁滞引入的噪声等等得到抑制，因而OCT系统的信噪比大大提高。平衡探测器47探测的干涉信号经数据采集处理系统重建出需要的OCT层析图像。

横向扫描探头49为经α：(1-α)光纤耦合器32分光后，经准直透镜33、扫描振镜34和物镜35后聚焦入射到样品36的扫描机构。

如图8所示，宽带低相干光源31发出的光经α：(1-α)光纤耦合器32分光后进入横向扫描探头49组成的样品臂和偏振控制器37、透射式RSOD48组成的参考臂。样品臂返回的光经光纤耦合器32进入50/50宽带光纤耦合器46的一个输入端，参考臂经过透射式RSOD48、单模光纤51、光强衰减器45进入50/50宽带光纤耦合器46的另一个输入端，当参考臂与样品臂的光程差在光源相干长度内时，两束光在光纤耦合器46处发生干涉，干涉信号由平衡探测器47探测并送入数据采集处理系统处理，重建出样品36的纵向层析图像。

设样品臂返回的信号光电场为E_s，参考臂透射的参考光其电场为E_r，则经耦合器46后得到的干涉信号电场分别为：

则平衡探测器47接收到的光电流信号为：

$=\frac{1}{2}<({\left|E_s\right|}^2+{\left|E_r\right|}^2+E_s{{E_r}^{*}e}^{\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}i}+{E_s}^{*}{E}_r{e}^{-\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}i})>---\left(5\right)$

$=\frac{1}{2}<({\left|E_s\right|}^2+{\left|E_r\right|}^2+E_s{{E_r}^{*}e}^{-\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}i}+{{E_s}^{*}E}_r{e}^{\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}i})>---\left(6\right)$

平衡探测器输出的干涉信号为：

$I=I_{+}-I_{-}=\frac{1}{2}<E_s{E_r}^{*}(e^{\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}i}-e^{-\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}i})-{E_s}^{*}{E}_r(e^{\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}i}-e^{-\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}i})>$

$=i<(E_s{E_r}^{*}-{{E_s}^{*}E}_r)>---\left(7\right)$

从公式(4)可以看出，参考臂、样品臂的共模噪声得到有效抑制，而有用的干涉信号近似提高一倍，因而系统的信噪比大大提高。

偏振控制器37调节参考臂入射光的偏振态，使得样品臂和参考臂的偏振态匹配得到最佳干涉信号；光衰减器51调节参考光强度，使得平衡探测器的探测效率达到最大。

透射式RSOD调节系统参考臂、样品臂色散匹配，调节Δz可以RSOD引入的二阶色散。

透射式RSOD实现系统纵向扫描，纵向扫描范围即RSOD引入的群延迟l_g。

双通透射式RSOD48同时作系统相位调制器，则干涉信号中心频率和带宽为：

$f_0=\frac{{\&PartialD;l}_p}{\&PartialD;t}=\frac{4x}{{\mathrm{\&lambda;}}_0}\frac{\&PartialD;\mathrm{\&gamma;}\left(t\right)}{\&PartialD;t}---\left(8\right)$

$\mathrm{\&Delta;f}=\frac{\mathrm{\&Delta;\&lambda;}}{{{\mathrm{\&lambda;}}_0}^2}{V}_g=\frac{4\mathrm{\&Delta;\&lambda;}}{{{\mathrm{\&lambda;}}_0}^2}(x-\frac{\mathrm{mf}{\mathrm{\&lambda;}}_0}{d})\frac{\&PartialD;\mathrm{\&gamma;}\left(t\right)}{\&PartialD;t}---\left(9\right)$

其中V_g为双通透射式RSOD扫描的群速度。

Claims (4)

1. 一种用于OCT平衡探测的透射式快速光学延迟线，其特征在于：所述的透射式快速光学延迟线，即透射式RSOD，由准直镜(38)、闪耀光栅(39)、傅立叶透镜(40)、快速扫描镜(41)、反射式光束平移器(42)、接收反射镜(43)和光纤耦合镜(44)组成，准直镜(38)准直后的入射光(52)经反射型闪耀光栅(39)分光，分光后的光谱分量通过傅立叶透镜(40)聚焦在扫描振镜(41)上，经扫描振镜(41)反射后通过傅立叶透镜(40)返回到闪耀光栅(39)，并被闪耀光栅(39)再次衍射后投射到反射式光束平移器(42)上，经过反射式光束平移器(42)的光在与光学平台所在平面xy垂直的方向错开后原方向返回到闪耀光栅(39)，经过傅立叶透镜(40)、扫描振镜(41)，被扫描振镜(41)反射后再次经过傅立叶透镜(40)、闪耀光栅(39)，最后经闪耀光栅(39)四次衍射后重新汇合成出射光(54)，出射光(54)经接收反射镜(43)的反射光(55)再到接收光纤耦合镜(44)。

2. 根据权利要求1所述的一种用于OCT平衡探测的透射式快速光学延迟线，其特征在于：所述的反射式光束平移器(42)为直角棱镜或角锥棱镜。

3. 根据权利要求1所述的一种用于OCT平衡探测的透射式快速光学延迟线，其特征在于：所述的闪耀光栅(39)和傅立叶透镜(40)相互平行，闪耀光栅(39)与透镜(40)的前焦面有个可调节的离焦量Δz，快速扫描镜(41)位于傅立叶透镜(40)的后焦面，且扫描振镜(41)的转轴和傅立叶透镜(40)的光轴存在可调节的偏移量x。

4.根据权利要求1所述的一种用于OCT平衡探测的透射式快速光学延迟线，其特征在于：所述的准直镜(38)、反射式光束平移器(42)、接收反射镜(43)可在与光学平台所在平面xy垂直的方向相互错开，即反射式光束平移器(42)位于准直镜(38)下方，接收反射镜(43)位于准直镜(38)上方。

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