CN204909390U - 基于双空间载频技术拓展oct成像深度的系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于双空间载频技术拓展OCT成像深度的系统。在傅里叶域OCT系统中设置两个具有不同光程的参考臂，分别与不同深度位置的样品光信号发生干涉。在两个参考臂中各自设置一套扫描振镜系统，使两个参考臂中的光束在扫描振镜上的入射位置相对于扫描振镜的旋转轴具有不同的偏移量。通过同步控制电路使样品臂和两参考臂中的扫描振镜同步扫描。由于两参考臂中扫描振镜的空间相位调制作用，使对应于样品两个深度位置的干涉光谱信号分别被加载到不同的横向空间频谱频带。通过计算机对探测到的调制干涉光谱信号进行解调处理，获取两帧对应于样品不同深度位置的OCT图像，继而通过简单拼接即可实现OCT成像深度的成倍拓展。
Description
技术领域
本实用新型涉及光学相干层析成像技术，尤其涉及一种基于双空间载频技术拓展OCT成像深度的系统。
背景技术
光学相干层析成像(OpticalCoherenceTomography，简称OCT)是一种新兴的生物医学光学成像技术，能实现对生物组织的结构与生理功能进行非接触、无损伤、高分辨率成像，在疾病的早期检测和在体活检领域有着广阔的应用前景。OCT最初用于人类视网膜的成像，在临床眼科医学中具有广泛应用，尤其对有些疾病如糖料病性视网膜病变、青光眼等疾病的前期预防、诊断有突出的效果。在许多OCT医学应用中，一个大成像深度是非常可取的。比如在内窥镜应用中，探针和组织表面不能被精确的控制，一个大成像深度就变得非常有必要了。在整个眼科应用中，整个眼睛前房，甚至整个前和后段(视网膜)眼睛的成像都需要扩展成像范围。而目前它的应用范围已经延伸到各种各样的组织和非生物组织的成像。OCT可以非接触地提供静止或者运动状态下的样品结构图像，而且不需要通过刺激调节来间接观察被观察眼的相应变化，成为了测量和分析组织和结构的理想工具，与其他技术(超声波、磁性共振成像等)相比有着相当大的优点。OCT系统的成像深度基本上由光谱仪中各元件参数决定，主要被光源的中心波长以及光谱分辨率限制，但还有其他一些因素会影响成像深度，比如灵敏度降低、复共轭镜像混叠以及有限的景深等等。灵敏度会影响成像深度是由于线性像素阵列的像素几何尺寸和光谱仪的光斑大小，使得灵敏度下降在成像范围内。复共轭镜像混叠会影响成像深度是由于电子接收器不能区分正面和负面的频率，频域肆虐患有深度退化，通常限制了深度范围为相干长度的一半。有限的景深会影响成像深度是由于信号强度从浅层组织和深层组织不能同时保持足够的横向分辨率。谱域OCT系统在空气中对人眼的成像深度在8mm左右，因而不能够测量全景眼前节的深度(12～14mm)。
在常见的谱域OCT系统中，实现大深度成像的方法主要有三种：通过消除镜像增加一倍成像深度、通过切换参考臂成像拼接、利用两套光谱仪同时成像以及分段光谱扩展成像，但这些方法都有其弊端。消除镜像的方法主要有B-M-mode，使用此方法时会有因为横向灵敏度下降而造成成像质量的下降的问题，同时也容易带入环境干扰。通过切换参考臂成像拼接技术通常利用振镜切换实现，但是切换过程会带来时间差，导致后期拼接是不同时段、不同状态的样品的成像，不能达到同时成像的要求。利用两套光谱仪同时成像会增加实验仪器和费用，同时也会增加整套装置的复杂度。分段光谱扩展成像通过设置一个二色向镜，将光源分成两个部分并分别利用，虽然能够扩展成像深度并且是同步不需要切换期间，但是所得的图像分辨率会损失一半。
实用新型内容
本实用新型提供的基于双空间载频的谱域OCT成像系统，其能够通过获取无混叠的对应于两个深度位置处的样品OCT图像实现谱域OCT对眼前节的全景成像。
本实用新型的通过如下技术方案实现：本发明一种基于双空间载频的谱域OCT成像系统，包括宽带光源。光隔离器、宽带光纤耦合器、第一偏振控制器、第二偏振控制器、样品臂、参考臂、探测臂；所述的样品臂由第一偏振控制器、第一光纤准直镜、第一扫描振镜和第一聚焦物镜组成；所述的参考臂由第二偏振控制器、第二光纤准直镜、分光棱镜、第二扫描振镜、第二聚焦物镜、第一平面反射镜、第三扫描振镜、第三聚焦物镜和第二平面反射镜组成。
所述的宽带光源经光纤隔离器与宽带光纤耦合器的第一输入端口连接，宽带光纤耦合器的第二输出端口经第一偏振控制器与第一光纤准直镜连接，在第一光纤准直镜之后对准放置第一扫描振镜，在第一扫描振镜之后对准放置第一聚焦物镜，在第一聚焦物镜的焦平面处对准放置被观测的样品；宽带光纤耦合器的第三输出端口经第二偏振控制器与第二光纤准直镜连接，在第二光纤准直镜之后对准放置分光棱镜，在分光棱镜的透射面之后放置第二扫描振镜，且入射光束中心线与第二扫描振镜的旋转轴设置偏移量d1，在第二扫描振镜之后对准放置第二聚焦物镜，在第二聚焦物镜之后的焦平面处对准放置第一平面反射镜；在分光棱镜的反射面之后放置第三扫描振镜，且入射光束中心线与第三扫描振镜的旋转轴设置偏移量d2，在第三扫描振镜之后对准放置第三聚焦物镜，在第三聚焦物镜之后的焦平面处对准放置第二平面反射镜。宽带光纤耦合器的第四输出端口与光谱仪连接，光谱仪连接计算机。
从宽带光源发出的宽带激光经光纤型隔离器和宽带光纤耦合器之后，分为两部分；其中一部分经过第一偏振控制器进入样品臂，另一部分经过第二偏振控制器进入参考臂；进入样品臂的这部分光依次通过第一偏振控制器、第一光纤准直镜、第一扫描振镜和第一聚焦物镜照射在被测样品上，从样品反射和散射返回的光沿原路返回宽带光纤耦合器；进入参考臂的这部分光依次通过第二偏振控制器、第二光纤准直镜到达分光棱镜，分光棱镜将这部分光分为透射光和反射光这两部分；其中透射光依次经过第二扫描振镜、第二聚焦物镜聚焦在第一平面反射镜上，从第一平面反射镜反射的光沿原路返回至宽带光纤耦合器；从分光棱镜反射出的光依次经过第三扫描振镜、第三聚焦物镜聚焦在第二平面反射镜上，从第二平面反射镜反射的光沿原路返回至宽带光纤耦合器；此时，在宽带光纤耦合器处这三部分返回光混合进行干涉，其中从第一平面反射镜反射返回的光与被测样品的第一深度段产生有效干涉信号，从第二平面反射镜反射返回的光与被测样品的第二深度段产生有效干涉信号；这两部分有效干涉信号经光谱仪探测产生对应于以上两个有效干涉信号的光谱信号，再传入计算机进行数据处理、图像显示。
由于参考臂中两面平面反射镜相对于宽带光纤耦合器的光程不同，则对应于样品臂就会产生两个零光程位置，且通过调整量平面反射镜的位置，便能对应得到在样品中需要探测的目标深度位置的信息。由于传统的谱域OCT装置中只存在一个参考臂，对应的就只能有一个零光程位置，而系统灵敏度随深度增加存在一个下降的趋势，即远离零光程位置，则能较好地应对传统系统中所存在的问题。同时，从样品臂和两个参考臂返回来的光经干涉后，两部分干涉信号同时被光谱仪探测。因而系统不存在因为切换等因素造成的成像速度受到限制，而更加有利于例如眼前节等运动样品的OCT探测成像或者动态捕捉，实现了基于双空间载频的谱域OCT成像系统的探测。
与背景技术相比，本实用新型具有如下技术效果：
1).本实用新型的系统结构相对简单，只需要在传统的谱域OCT系统上对于参考臂做稍微改动即可：在参考臂上加上分光棱镜以及扫描振镜器件，就能实现大深度的OCT成像探测。
2).本实用新型的系统结构可以实现分段的扩展深度成像，进入参考臂的光通过分光棱镜器件，分别打到扫描振镜上，然后反射光经过准直镜打到两面平面反射镜上。两面平面反射镜对应于样品中两个不同的零光程位置，从而实现分段成像的效果。这样既能对同个目标位置重复成像提高图像质量，又能对两个目标位置同时成像实现大深度探测。
3).本实用新型的参考臂使用了两个动态的扫描振镜，通过同步控制电路实现同步扫描，分别通过参考臂中的扫描振镜同步地加载两个不同的横向载频，在不引入额外复杂昂贵器件的同时，能够实现实时同步的、且镜像自动消除的大深度谱域OCT成像，不存在像光开关或者振镜切换等方法引入额外的时间差的问题。
4).本实用新型把光路中参考光做了较特别的利用，这种概念特别适合多个参考光的光路装置。通过本实用新型装置，较简单的把一个参考光分成两个部分并分别加以利用，实现基于双参考臂的大深度谱域OCT系统。这个概念在其他的系统设计中也能用到。
附图说明
图1是本实用新型的结构示意图；
图2是双参考臂的示意图；
图中：1、宽带光源，2、光隔离器，3、宽带光纤耦合器，4、第一偏振控制器，5、第一光纤准直器，6、第一扫描振镜，7、第一聚焦物镜，8、样品，9、第二偏振控制器，10、第二光纤准直器，11、分光棱镜，12、第三扫描振镜，13、第三聚焦物镜，14、第二平面反射镜，15、第二扫描振镜，16、第二聚焦物镜，17、第一平面发射镜，18，样品臂，19、参考臂，20、探测臂，21、光谱仪，22、计算机。
具体实施方式
下面结合附图和实施示例对本实用新型进一步的说明：
如图1、图2所示，本实用新型一种基于双空间载频技术拓展OCT成像深度的系统，包括宽带光源1、光隔离器2、宽带光纤耦合器3、样品臂18、参考臂19、光谱仪21、计算机22；所述的样品臂18包括第一偏振控制器4、第一光纤准直镜5、第一扫描振镜6和第一聚焦物镜7；所述的参考臂19包括第二偏振控制器9、第二光纤准直镜10、分光棱镜11、第二扫描振镜15、第二聚焦物镜16、第一平面反射镜17、第三扫描振镜12、第三聚焦物镜13和第二平面反射镜14。
所述的宽带光源1经过光隔离器2连接宽带光纤耦合器3的一个端口，而宽带光纤耦合器3的两端口分别经过第一偏振控制器4和第二偏振控制器9连接到样品臂18和参考臂19；其中第一偏振控制器4连接样品臂18中的第一准直物镜5，接着经过扫描振镜6后通过第一聚焦物镜7，对准样品8：而第二偏振控制器9连接第二准直物镜10，第二准直物镜10对准分光棱镜11，并在分光棱镜11的两个出射边放置第三扫描振镜12和第二扫描振镜15，第三扫描振镜12反射出的光到达第三聚焦物镜13，对准第二平面反射镜14，第二扫描振镜15反射出的光到达第二聚焦物镜16，对准第一平面反射镜17.宽带光纤耦合器3的第四个端口连接探测臂20，连接计算机，以进行数据处理。
宽带光源1发出探测光束经宽带光纤耦合器3后，一部分光通过第一偏振控制器4进入样品臂18，另一部分光通过第二偏振控制器9进入参考臂19；进入样品臂部分的光依次通过第一光纤准直器5、扫描振镜6和第一聚焦物镜7后进入样品上，样品的后向散射光经原路返回至宽带光纤耦合器；进入参考臂19部分的光依次经过第二偏振控制器9、第二光纤准直镜10到达分光棱镜11，按照不同的折射率，入射光被分成第一参考光和第二参考光，之后，两部分光分别被打到第二扫描振镜15和第三扫描振镜12上，经过第二扫描振镜15反射的光经过第二聚焦物镜16后打到第一平面反射镜14，经过第三扫描振镜12反射的光经过第三聚焦物镜136后打到第二平面反射镜14，经过两个平面反射镜的光按照原路返回到宽带光纤耦合器3，进而与样品臂18返回的光进行干涉；从宽带光纤耦合器3进入到探测臂20干涉信号同时包括了第一平面反射镜17对应的第一参考光路同样品内部信息干涉产生的信号，以及第二平面反射镜14对应的第二参考光路同样品内部信息干涉产生的信号，两部分信号分别对应不同深度段的样品结构信息。在探测臂20中，两部分干涉信号同时进入光谱仪中，探测得到干涉光谱信号，且探测器CCD会并行记录两部分对应于样品中两个深度位置处的干涉光谱信号，再传入计算机通过快速傅里叶变换得到样品深度信息。
由于参考臂中两面平面反射镜相对于宽带光纤耦合器的光程不同，则对应于样品臂就会产生两个零光程位置，且通过调整量平面反射镜的位置，便能对应得到在样品中需要探测的目标深度位置的信息。由于传统的谱域OCT装置中只存在一个参考臂，对应的就只能有一个零光程位置，而系统灵敏度随深度增加存在一个下降的趋势，即远离零光程位置，则能较好地应对传统系统中所存在的问题。同时，从样品臂和两个参考臂返回来的光经干涉后，两部分干涉信号同时被光谱仪探测。因而系统不存在因为切换等因素造成的成像速度受到限制，而更加有利于例如眼前节等运动样品的OCT探测成像或者动态捕捉，实现了基于双空间载频的谱域OCT扩展深度成像系统的探测。
以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.基于双空间载频技术拓展OCT成像深度的系统，包括宽带光源(1、)、光隔离器(2)、宽带光纤耦合器(3)、样品臂(18)、参考臂(19)、光谱仪(21)、计算机(22)；所述的样品臂(18)包括第一偏振控制器(4)、第一光纤准直镜(5)、第一扫描振镜(6)和第一聚焦物镜(7)；所述的参考臂(19)包括第二偏振控制器(9)、第二光纤准直镜(10)、分光棱镜(11)、第二扫描振镜(15)、第二聚焦物镜(16)、第一平面反射镜(17)、第三扫描振镜(12)、第三聚焦物镜(13)和第二平面反射镜(14)。
2.根据权利要求1所述的基于双空间载频技术拓展OCT成像深度的系统，其特征在于：宽带光源(1)经光隔离器(2)与宽带光纤耦合器(3)的第一输入端口连接，宽带光纤耦合器(3)的第二输出端口经第一偏振控制器(4)与第一光纤准直镜(5)连接，在第一光纤准直镜(5)之后对准放置第一扫描振镜(6)，在第一扫描振镜(6)之后对准放置第一聚焦物镜(7)，在第一聚焦物镜(7)的焦平面处对准放置被观测的样品。
3.根据权利要求1所述的基于双空间载频技术拓展OCT成像深度的系统，其特征在于：宽带光纤耦合器(3)的第三输出端口经第二偏振控制器(9)与第二光纤准直镜(10)连接，在第二光纤准直镜(10)之后对准放置分光棱镜(11)，在分光棱镜(11)的分光面之后放置第二扫描振镜(15)，且入射光束中心线与第二扫描振镜(15)的旋转轴设置偏移量d1，在第二扫描振镜(15)之后对准放置第二聚焦物镜(16)，在第二聚焦物镜(16)之后的焦平面处对准放置第一平面反射镜(17)；在分光棱镜(11)的反射面之后放置第三扫描振镜(12)，且入射光束中心线与第三扫描振镜(12)的旋转轴设置偏移量d2，在第三扫描振镜(12)之后对准放置第三聚焦物镜(13)，在第三聚焦物镜(13)之后的焦平面处对准放置第二平面反射镜(14)；宽带光纤耦合器(3)的第四输出端口与光谱仪连接，光谱仪连接计算机。
4.根据权利要求1所述的基于双空间载频技术拓展OCT成像深度的系统，其特征在于：从宽带光源(1)发出的宽带激光经光隔离器(2)和宽带光纤耦合器(3)之后，分为两部分；其中一部分经过第一偏振控制器(4)进入样品臂(18)，另一部分经过第二偏振控制器(9)进入参考臂(19)；进入样品臂(18)的这部分光依次通过第一偏振控制器(4)、第一光纤准直镜(5)、第一扫描振镜(6)和第一聚焦物镜(7)照射在被测样品上，从样品反射和散射返回的光沿原路返回宽带光纤耦合器(3)；进入参考臂(19)的这部分光依次通过第二偏振控制器(9)、第二光纤准直镜(10)到达分光棱镜(11)，分光棱镜(11)将这部分光分为透射光和反射光这两部分；其中透射光依次经过第二扫描振镜(15)、第二聚焦物镜(16)聚焦在第一平面反射镜(17)上，从第一平面反射镜(17)反射返回的光沿原路返回至宽带光纤耦合器(3)；从分光棱镜(11)反射出的光依次经过第三扫描振镜(12)、第三聚焦物镜(13)聚焦在第二平面反射镜(14)上，从第二平面反射镜(14)反射返回的光沿原路返回至宽带光纤耦合器(3)；此时，在宽带光纤耦合器(3)处这三部分返回光混合进行干涉，其中从第一平面反射镜(17)反射返回的光与被测样品的第一深度段产生有效干涉信号，从第二平面反射镜(14)反射返回的光与被测样品的第二深度段产生有效干涉信号；这两部分有效干涉信号经光谱仪探测产生对应于以上两个有效干涉信号的光谱信号，再传入计算机进行数据处理、图像显示。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| AV01 | Patent right actively abandoned |
Granted publication date: 20151230 Effective date of abandoning: 20170616 |