CN205597893U - 高速光学相干层析成像系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种高速光学相干层析成像系统，通过在光学相干层析成像系统的样品臂增设第一光纤耦合器和光纤阵列来将对样品的探测光束分割为多束子探测光束，并在各子探测光路中加入光学延迟线，使各子探测光束产生不同的光程/相位延迟，从而对各子探测光束的成像信号进行区分，实现样品表面多点同时采样，信号同时检测，高速成像的目的。

Description

高速光学相干层析成像系统

技术领域

本发明创造涉及光学相干层析成像技术领域，特别涉及一种高速光学相干层析成像系统。

背景技术

光学相干层析成像(Optical Coherence Tomography，OCT)是一种新颖生物医学成像技术，具有高分辨率、高速实时、高灵敏度、非侵入无损检测等优点而广受关注并且得到迅速发展。

高速成像是OCT发展的趋势，但OCT的成像速率主要受到系统光源和光探测器件性能限制。就目前而言提高OCT成像扫描速度的方法主要分两种，第一种采用高性能的光学设备如高频扫频激光光源和高速探测器等，通过高频次扫描和探测提高系统速度性能。但扫描速率的提高，必然会使灵敏度明显下将，且扫频光源频率的提高会导致扫描波长范围下降，严重影响成像质量。除此之外，这种方法受到当前光源和探测器性能参数的严格限制，只能依靠关键器件的更新才能提高OCT的性能，扩展性差，且高端产品价格昂贵；第二种采用多个光源和多通道探测器实现并行扫描探测，这种方法大大增加了OCT系统复杂性，且相关的系统成本也将大大上升。

以上分析可见，无论是使用高性能器件，还是采用并行探测技术，都不是一种理想的提升OCT扫描速度的方法，因此必须另寻途径，在最佳性价比基础上设计一种具有高灵敏度的高速扫描OCT成像系统。

发明内容

本发明创造的目的在于避免上述现有技术中的不足之处而提供一中低成本，同时具有高灵敏度的高速扫描OCT成像系统。

发明思路：由于单点扫描速度的提高比较困难，而且会造成成像质量下降，因此本申请的发明人期望在不提高单点扫描速度的条件下来提高整个系统的扫描速度，该条件下只能通过一次性扫描多点来实现，但是，目前的一次扫描多点是依赖于并行探测技术，这种技术系统复杂，成本高。为此，发明人提成了将数据通信领域中的复用思维应用至OCT设备中，通过复用的手段来实现多点检测，避免了系统复杂的问题。

本发明创造的目的通过以下技术方案实现：

1.高速光学相干层析成像系统，包括

光束发生装置：生成探测光束和与探测光束相干的基准光束；

样品臂：使得探测光束扫描到待探测样品上，探测光束经样品反射产生样品光束；

光检测装置：令样品光束与样品光束相互干涉以生成干涉光，并对所述干涉光进行检测；

其特征在于：所述样品臂还将探测光束分为至少两束子探测光束，各束子探测光束经过时长/相位不一的延迟后对待测样品进行扫描。

其中，所述样品臂包括第一光纤耦合器、光纤阵列和探测光路，所述光纤阵列包括至少两个光纤单元，每个光纤单元经一条光学延迟线连接至光纤耦合器，所述第一光纤耦合器将探测光束分离为至少两束子探测光束，各束子探测光束经光学延迟线进行时长/相位不一的延迟后导向各个光纤单元，光纤单元与探测光路耦合以使子探测光束传输至探测光路，所述探测光路使得探测光束扫描到待探测样品上。

其中，所述光纤阵列的光纤单元沿一条直线排列，以构成1*N式光纤阵列，其中N≥2。

其中，所述光纤阵列的光纤单元等间距分布。

其中，所述光束发生装置包括光源和第二光纤耦合器，所述光源发出的光束经第二光纤耦合器分解为探测光束和参考光束，所述参考光束经参考臂反射形成基准光束。

其中，所述光束发生装置包括光源和功率放大器，所述功率放大器将所述光源发出的光束进行功率扩大后传送这第二光纤耦合器。

其中，所述光学相干层析成像系统是时域光学相干层析成像系统或者频域光学相干层析成像系统。

其中，将探测光束分为至少两束子探测光束，各束字探测光束经过时长/相位不一的延迟后对待测样品进行扫描，探测设备区分不同延迟量的干涉信号并分别检测。

其中，所有子探测光束沿Y方向成直线排列，探测时令所有子探测光束沿X方向逐点扫描。

其中，所述X方向与Y方向相互垂直。

本发明创造的有益效果：本申请提供了一种高速光学相干层析成像系统和成像方法，通过在样品臂增设第一光纤耦合器和光纤阵列来将探测光束分离为多束子探测光束，并利用光学延迟线对各束子探测光束进行时长/相位不一的延迟，从而对不同的子探测光束进行区分，达到一次扫描多个点的目的。

附图说明

利用附图对本发明创造作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明创造的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。

图1为本发明创造高速光学相干层析成像系统的结构示意图。

在图1中包括有：

1——光源、2——第二光纤耦合器、3——参考臂、31——第一准直透镜、32——反光镜、4——样品臂、41——第一光纤耦合器、42——光纤延迟线、43——光纤阵列、44——第二准直透镜、45——扫描振镜、46——聚焦透镜、5——探测器。

具体实施方式

结合以下实施例对本发明创造作进一步描述。

实施例 1

本发明创造高速光学相干层析成像系统的具体实施方式之一，该实施例是应用于扫频OCT，如图1所示，包括：

光源1、2×2的第二光纤耦合器2、参考臂3、样品臂4和探测器5，参考臂3包括第一准直透镜31和反光镜32，样品臂4包括1×N的第一光纤耦合器41、光纤延迟线42、光纤阵列43、第二准直透镜44、扫描振镜45和聚焦透镜46。光源1输出的光束在2×2光纤耦合器中被分成两路，一路为参考光束，在参考臂3中经反光镜32经反射镜调制反射回来形成基准光束；另一路为探测光束，信号光束经样品臂4后聚焦在样品表面，含有样品内部结构信息的样品光束被反射回原样品臂4中，并在2×2光纤耦合器中与反射回来的基准光束相遇，当两束光的光程差在相干长度内时将发生干涉，最后经光电探测器5检测输入计算机中进行信号处理和图像重构。

本实施例中，光源1可以是SLD宽带光源、飞秒脉冲激光和扫频激光等可用于OCT的光源。由于在样品臂4光路中进行分光设计，会造成每个光路单元中的光功率严重衰减。而且系统的快速成像扫描意味着信噪比降低，要实现一定的动态范围，可以采用功率较高的光源1，确保经过分束后的每束子探测光束在对样品扫描时具有较高信噪比。多路分光后单束子探测光束的光功率和探测器的分辨率是决定光路单元数目的因素之一，具体的本领域技术人员可以根据实际使用设备的性能参数调整分光光路数目，本实施例中，由于参考臂3中光衰减较小，而样品臂4中衰减厉害，第二光纤耦合器2可根据实际情况采用5:95或10:90的分光比，提高样品臂4的光功率。

本实施例应用于扫频OCT中，参考臂3需进行相位调制。参考光臂包括第一准直透镜31和反光镜32， 参考光束经准直透镜照射到反光镜上，被反光镜调制后反射回来形成基准光束。

本实施例中，样品臂4包括1×4的第一光纤耦合器41，第一光纤耦合器41将样品光等分为4束子探测光束，各束子探测光束相互独立，并分别经过不同的光学延迟线42进行时长不一的延迟后传输到光纤阵列43，从光纤阵列43射出后依次经第二准直透镜44、扫描振镜45和聚焦透镜46作用，同时对样品的4个采样点的内部结构信息进行并行采集。

本实施例中光纤阵列的光纤单元采用沿Y方向等间距分布，因此投射到样品表面的扫描点也为等间距点，有利于结构图像的还原。同时，扫描时采用令所有子探测光束沿X方向逐点扫描，X方向与Y方向相互垂直，以便于图像的还原。本实施例中的探测器5，对于扫频OCT可使用光电探测器5。光电探测器5接收干涉光强信号，扫频OCT在光源功率和探测器分辨率足够高的条件下可以容易实现多光路单元同步扫描。

本实施例在合理利用扫频激光光源的输出功率和探测器的分辨率性能前提下，在系统样品臂4中采用1×4的第一光纤耦合器41将样品光束等分为4路子探测光束，这些子探测光束经过光纤延迟线42后接入光纤阵列43形成阵列输出，准直透镜44把各子探测光束投射到扫描振镜45上，经过聚焦透镜46实现4路子探测光束聚焦在样品表面4个相邻点的同步独立扫描，同时对这4个扫描点的内部结构信息进行并行采集，可以将OCT系统的扫描成像速度提高为原来的4倍。由于引入光纤延迟线42，因此每个光路单元信号具有不同时间延迟，可以据此对信号进行区别和处理。此方法在原系统基础上进行多路探测光束的改进，与并行OCT结构不同，不需多个光源1和多个探测器5，不需增加太多系统成本，具有很高性价比。需要说明的是，本实施例采用1×4的第一光纤耦合器41是基于本实施例的系统光源的输出功率和探测器的分辨率性能前提下，如上所述的，本领域技术人员可以根据实际使用设备的性能参数来选用不同的第一光纤耦合器41，从而调整分光光路数目。

实施例 2

本实施例是将本发明创造应用于时域系统中的实施例，其主要技术方案和实施例1相同，在本实施例中未解释的特征，采用实施例1中的解释，在此不再进行赘述。本实施例与实施例1的区别在于：该实施例应用于时域OCT，相应的，光源采用飞秒激光器，时域OCT的参考臂3需进行相应的光程扫描，光学延迟线的引入是为了区分各路子探测光路信号。同时由于OCT的探测深度有限，且光源光功率有限，本实施例中采用飞秒脉冲激光对半透明物质（非生物组织样品）内部结构进行检测，探测深度可达数厘米，故采用此分路技术提高扫描速度非常有效。实施例1采用价格昂贵的高速扫频激光光源1和高速探测器5，同时采用分路技术固然可以有效提高扫描速度，但目前的主流光学相干层析成像设备主要还是采用时域和频域技术，本实施例针对性的将分路技术应用至时域OCT，只需在现有设备的基础上进行简单升级就可以大幅提高设备的性能。

实施例 3

频域OCT的实施例的主要技术方案与实施例1相同，在本实施例中未解释的特征，采用实施例1中的解释，在此不再进行赘述。本实施例与实施例1的区别在于：该实施例应用于频域OCT，参考臂需进行相应的噪声和虚像消除，光学延迟线的引入是为了区分各路子探测光路信号。对于频域OCT来说，分路技术的多点扫描使光路成像扫描速度加快，但对光谱仪最小分辨率、量程和动态范围等要求较高，且由于受OCT探测深度限制，因此限制分光光路数目的提高。但和实施例2相同，采用飞秒脉冲激光对半透明物质（非生物组织样品）的内部进行多点扫描时，采用本分路技术则可提高扫描速度，利用带有样品内部结构信息的各子探测光路的光信号经傅立叶变换后重构样品结构模型。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明创造的技术方案，而非对本发明创造保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明创造作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明创造的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明创造技术方案的实质和范围。

Claims (7)

1.高速光学相干层析成像系统，包括

光束发生装置：生成探测光束和与探测光束相干的基准光束；

样品臂：使得探测光束扫描到待探测样品上，探测光束经样品反射产生样品光束；

光检测装置：令样品光束与样品光束相互干涉以生成干涉光，并对所述干涉光进行检测；

其特征在于：所述样品臂还将探测光束分为至少两束子探测光束，各束子探测光束经过时长/相位不一的延迟后对待探测样品进行扫描。

2.如权利要求1所述的高速光学相干层析成像系统，其特征在于：所述样品臂包括第一光纤耦合器、光纤阵列和探测光路，所述光纤阵列包括至少两个光纤单元，每个光纤单元经一条光学延迟线连接至光纤耦合器，所述第一光纤耦合器将探测光束分离为至少两束子探测光束，各束子探测光束经光学延迟线进行时长/相位不一的延迟后导向各个光纤单元，光纤单元与探测光路耦合以使子探测光束传输至探测光路，所述探测光路使得探测光束扫描到待探测样品上。

3.如权利要求2所述的高速光学相干层析成像系统，其特征在于：所述光纤阵列的光纤单元沿一条直线排列，以构成1*N式光纤阵列，其中N≥2。

4.如权利要求2所述的高速光学相干层析成像系统，其特征在于：所述光纤阵列的光纤单元等间距分布。

5.如权利要求1所述的高速光学相干层析成像系统，其特征在于：所述光束发生装置包括光源和第二光纤耦合器，所述光源发出的光束经第二光纤耦合器分解为探测光束和参考光束，所述参考光束经参考臂反射形成基准光束。

6.如权利要求4所述的高速光学相干层析成像系统，其特征在于：所述光束发生装置包括光源和功率放大器，所述功率放大器将所述光源发出的光束进行功率扩大后传送至第二光纤耦合器。

7.如权利要求1所述的高速光学相干层析成像系统，其特征在于：所述光学相干层析成像系统是时域光学相干层析成像系统或者频域光学相干层析成像系统。