CN209132156U - 基于数字微镜设备的光学相干层析成像装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及光电子技术领域，提供一种基于数字微镜设备的光学相干层析成像装置，包括宽带光源、光纤耦合器、参考臂、样品臂、微镜控制机、探测器以及计算机，光纤耦合器用以接收宽带光源发出的光并将其分成参考光和样品光，参考臂用以接收准直参考光并使得准直后的参考光变为沿原路返回至光纤耦合器的参考回光；样品臂用以接收、准直样品光并将准直后的样品光反射至样品表面进而使到达样品表面的样品光变为沿原路返回至光纤耦合器的样品回光；其中，样品臂包括数字微镜设备，该数字微镜设备可通过上百万个微小的反射镜扫描得到样品的三维信息；结构简单易实现，避免了利用光学扫描头产生扫描误差，精确度高。

Description

基于数字微镜设备的光学相干层析成像装置

技术领域

本实用新型涉及光电子技术领域，具体而言，是涉及一种基于数字微镜设备的光学相干层析成像装置。

背景技术

光学相干层析成像(OCT，Optical Coherence tomography)是近十几年来新兴的成像技术，因其具有高分辨率、无损伤、非接触式测量等优点，吸引越来越多的关注。该成像技术利用弱相干光干涉仪的基本原理，其核心部件是宽带光源和迈克尔逊干涉仪，在信号采集过程中，来自宽带光源的相干光在迈克尔逊干涉仪中被分成两部分，一部分是参考光被反射探测器，另一部分作为探测光进入样品，不同样品深度的反射光或者散射光与参考光形成干涉光谱，对探测到的干涉光谱进行分析以得到样品的深度信息，再通过参考光或者样品的二维移动扫描得到样品最终的三维信息。

在OCT扫描成像系统中，通常采用两面激光振镜反射的方式以实现二维扫描，激光振镜由X-Y光学扫描头、电子驱动放大器以及光学反射镜片组成，由电脑控制电脑控制器提供的信号通过驱动放大电路驱动光学扫描头,从而在X-Y平面控制激光束的偏转。该方式实为一种模拟信号，光学扫描头在扫描时存在增益误差、重复性误差等问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种基于数字微镜设备的光学相干层析成像装置，旨在解决现有技术中由于光学扫描头在描扫时存在增益误差、重复性误差导致扫描结果精确度差的技术问题。

为达此目的，本实用新型采用的技术方案是：

提供一种基于数字微镜设备的光学相干层析成像装置，包括：

宽带光源；

光纤耦合器，用以将所述宽带光源发出的光分成参考光和样品光并分别送出；

参考臂，用以接收、准直所述参考光并使得准直后的参考光变为沿原路返回至所述光纤耦合器的参考回光，包括用以接收并准直所述参考光的第一准直透镜和用以使准直后的参考光朝向所述第一准直透镜反射的反射镜，所述参考回光与所述参考光于所述第一准直透镜处耦合；

样品臂，用以接收、准直所述样品光并将准直后的样品光反射至所述样品表面进而使到达所述样品表面的样品光变为沿原路返回至所述光纤耦合器的样品回光，所述参考回光与所述样品回光于所述光纤耦合器中发生干涉；所述样品臂包括用以使准直后的样品光朝向所述样品反射的数字微镜设备；

微镜控制机，用以控制所述数字微镜设备开关；

探测器，其与所述光纤耦合器相连接；以及

计算机，其与所述探测器相连接。

进一步地，所述光学相干层析成像装置还包括参考臂控制机构，所述参考臂控制机构包括用于调节所述第一准直透镜与所述反射镜间距的第一调节组件和用于调节所述反射镜倾斜角度的第二调节组件。

进一步地，所述样品臂还包括用以接收、准直所述样品光的第二准直透镜和用以将所述数字微镜设备反射出的样品光聚焦至所述样品表面的成像透镜，所述数字微镜设备设置在所述第二准直透镜与所述成像透镜之间并位于所述成像透镜背离所述样品一侧。

进一步地，所述数字微镜设备反射光线与所述数字微镜设备入射光线的夹角为90度。

进一步地，所述宽带光源为超辐射发光二极管、飞秒激光器或发光二极管。

进一步地，所述探测器为光谱仪、电荷耦合元件或光电二极管。

进一步地，所述光纤耦合器为2×2单模光纤耦合器。

进一步地，所述光纤耦合器的分光比为50：50。

本实用新型提供的光学相干层析成像装置的有益效果在于：与现有技术对比，本实用新型提出的一种基于数字微镜设备的光学相干层析成像装置，包括宽带光源、光纤耦合器、参考臂、样品臂、微镜控制机、探测器以及计算机，其中样品臂包括用于反射样品光的数字微镜设备，该数字微镜设备即为数字微镜设备芯片，其上具有上百万个微小的反射镜，每一反射镜均扫描完成后即可得到样品的三维信息；该结构简单易实现，避免了利用光学扫描头产生的扫描误差，通过数字微镜设备的纯数字化信号控制，提高了样品扫描成像结果的稳定性和精确度。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，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实用新型的一些实施例，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他的附图。

图1是本实用新型实施例提供的基于数字微镜设备的光学相干层析成像装置的结构示意图。

其中，图中各附图标记：

1：宽带光源 2：探测器

3：光纤耦合器 4：参考臂

5：第一准直透镜 6：反射镜

7：第二准直透镜 8：数字微镜设备

9：成像透镜 10：样品

11：计算机 12：微镜控制机

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

如图1所示，为本实用新型提供的一较佳实施例。

本实施例提供的一种基于数字微镜设备8的光学相干层析成像装置，包括宽带光源1、光纤耦合器3、参考臂4、样品臂、微镜控制机12、探测器2以及计算机11，其中，光纤耦合器3用以接收宽带光源1发出的光并将其分成参考光和样品光，具体地，宽带光源1可选为能够发出的低相干光的超辐射发光二极管，当然也可为飞秒激光器或发光二极管等，此处不作唯一限定；该宽带光源1可通过光纤与光纤耦合器3的一输入端相连接，其中光纤耦合器3为但不局限于分光比为50：50的2×2单模光纤耦合器3；参考臂4首先用以接收并准直参考光，而后使得准直后的参考光变为沿原路返回至光纤耦合器3的参考回光，在本实施例中，参考光需要经过准直，否则返回至光纤耦合器3的参考回光光强太弱，不足以与样品回光产生足够强的干涉光；同时，样品臂接收并准直样品光后，将准直后的样品光反射至样品10表面，此时样品10表面将对样品光进行反射或散射，样品臂将接收样品10表面反射或散射的光进而将其变为沿原路返回至光纤耦合器3的样品回光，参考回光与样品回光于光纤耦合器3中发生干涉；需要说明的是，样品光同样需要经过准直，否则返回至光纤耦合器3的样品回光光强太弱，样品光的作用是通过数字微镜设备8反射到样品10上进行采样；具体地，样品臂包括用以使准直后的样品光朝向样品10反射的数字微镜设备8(Digital MicromirrorDevice，简称DMD)，此处的数字微镜设备8是光开关的一种，利用旋转反射镜6实现光开关的开合，其上具有上百万个微小的反射镜6，每一反射镜6均扫描完成后即可得到样品10的三维信息；微镜控制机12用以控制数字微镜设备8开关，具体地，样品光从光纤中出来，射向数字微镜设备8的反射镜6片，微镜控制机12控制数字微镜设备8打开的时候，光可经过对称光路进入到另一端光纤；当数字微镜设备8需要关闭的时候，微镜控制机12将控制数字微镜设备8的反射镜6产生小的旋转，光经过反射后，无法进入对称的另一端，也就达到了光开关关闭的效果；探测器2其输入端与光纤耦合器3相连接，探测器2可选为光谱仪，探测器2还可为电荷耦合元件或光电二极管等，此处不作唯一限定；计算机11连接于探测器2的输出端，计算机11为但不局限于上位机(请参阅图1，图1中箭头所示即为参考光、样品光、参考回光以及样品回光的光路情况)。

该光学相干层析成像装置结构简单易实现，避免了利用光学扫描头对样品10进行扫描，进而减小了扫描时模拟信号存在的增益误差或重复性误差，通过数字微镜设备8的纯数字化信号控制，提高了样品10扫描成像结果的稳定性和精确度。

在本实施例中，请参阅图1，参考臂4包括用以接收、准直参考光的第一准直透镜5和用以使准直后的参考光朝向第一准直透镜5反射的反射镜6，即光纤耦合器3的其中一个光纤(以下称为参考臂4光纤)出口处即为参考臂4的第一准直透镜5，第一准直透镜5把参考臂4光纤出射的参考光进行准直，准直之后的准直参考光经过反射镜6的反射后与第一准直透镜5重新耦合再次进入参考臂4光纤中，通过调节反射镜6的角度以及反射镜6与第一准直透镜5之间的距离，可以调节参考回光的光强与光程。

进一步地，光学相干层析成像装置还包括参考臂控制机构(图未示)，参考臂控制机构包括用于调节第一准直透镜5与反射镜6间距的第一调节组件(图未示)和用于调节反射镜6倾斜角度的第二调节组件(图未示)；具体地，该第一调节组件可包括工作平台、两个滑动件以及与两个滑动件分别一一对应的两个驱动组件，两个滑动件设置在工作平台上并彼此独立，两个驱动组件分别控制两个滑动件在工作平台上相向或相背滑移；更具体地，两个滑动件分别为第一滑动件和第二滑动件，第一准直透镜5固定安装在第一滑动件上，反射镜6固定安装在第二滑动件上，两个驱动组件分别为用于控制第一滑动件滑动的第一驱动组件和用于控制第二滑动件滑动的第二驱动组件，这样即可通过第一驱动组件改变第一准直透镜5的位置，通过第二驱动组件改变反射镜6的位置；第一驱动组件和第二驱动组件可为电动式执行机构，具体结构组成此处不作唯一限定；当然，上述的两个滑动件、两个驱动组件也可替换为一个滑动件和用于控制该滑动件移动的一个驱动组件，即只需控制第一准直透镜5与反射镜6中的二者之一运动即可，具体移动第一准直透镜5或反射镜6此处不作唯一限定；通过调整反射镜6与准直透镜之间的距离可调节样品回光与参考回光的光程差，只有当此光程差在约数毫米以内才是可以测量的，而光强可以通过旋转反射镜6的角度实现调节，其根本作用在于调节干涉光谱的光强；该参考臂控制机构结构简单易实现，有助于提高干涉光谱、样品10深度信息以及样品10三维信息的精确度，样品10扫描效率高。

在本实施例中，请参阅图1，样品臂还包括用以接收、准直样品光的第二准直透镜7和用以将数字微镜设备8反射出的样品光聚焦至样品10表面的成像透镜9，数字微镜设备8设置在第二准直透镜7与成像透镜9之间并位于成像透镜9背离样品10一侧；具体地，光纤耦合器3的另一个光纤(以下称为样品臂光纤)出口处即为样品臂的第二准直透镜7，其作用是准直从样品臂光纤输出的样品光；位于第二准直透镜7背离样品臂光纤的一侧，放置有上述数字微镜设备8，被准直的样品光用于给数字微镜设备8照明，数字微镜设备8上的每一面微小的反射镜6都可以独立的进行翻转，微镜控制机12能够分别控制每一面反射镜6翻转从而实现扫描的功能，具体地，当针对样品10的某一点进行扫描时，把该扫描点对应的数字微镜设备8反射镜6控制在ON的位置，其余所有的数字微镜设备8微镜都处在OFF的状态(可选地，该反射镜6处于+12度角时为“ON”状态，该反射镜6处于-12度角时为“OFF”状态)；在数字微镜设备8之后设置有一成像透镜9，用于把数字微镜设备8反射出来的样品光聚焦于样品10的表面上，在系统工作中，成像透镜9实际是把数字微镜设备8成像于样品10的一个扫描区域上；另外，由第二准直透镜7、数字微镜设备8以及成像透镜9所组成的样品臂，实际上还起到了回收样品光的作用。

在本实施例中，请参阅图1，数字微镜设备8反射光线与数字微镜设备8入射光线的夹角为90度，该结构有利于数字微镜设备8、第二准直透镜7以及成像透镜9的放置和样品臂的搭建，从而有助于对样品10进行扫描。

本实用新型提出的一种基于数字微镜设备8的光学相干层析成像方法，采用上述的光学相干层析成像装置，包括以下几个步骤：

光纤耦合器3将宽带光源1发出的光分成参考光和样品光；

参考臂4将参考光变为返回至光纤耦合器3的参考回光；

样品臂通过数字微镜设备8将样品光反射至样品10表面并使到达样品10表面的样品光变为返回至光纤耦合器3的样品回光；

参考回光与样品回光于光纤耦合器3中发生干涉，形成干涉光；

通过探测器2探测光纤耦合器3中的干涉光，进而形成光谱解析干涉图样；

计算机11接收并处理光谱解析干涉图样，进而显示样品10图像。

由此可知，样品臂通过数字微镜设备8上的多个微小反射镜6对样品10进行光照扫描，每一反射镜6均扫描完成后即可得到样品10的三维信息；该成像方法通过数字微镜设备8的纯数字化信号控制最终获取样品10的高精度图像，控制简单易操作，样品10扫描效率高。

综上所述，本实用新型针对光谱分析OCT的二维扫描实现方式，提出一种使用数字微镜设备8来进行OCT扫描的方法，进而可得到样品10的三维信息。

为实现上述的目的，采用如下技术方案：宽带光源1给系统提供弱相干光，光纤耦合器3用于把相干光分成参考光和样品光并接收干涉光，此处的参考臂4用于调节样品光与参考光的光程差，参考臂4包括第一准直透镜5和反射镜6，样品臂中的第而准直透镜用于将样品光进行准直，数字微镜设备8用于反射准直过后的样品光并起到扫描的作用，成像透镜9把来自数字微镜设备8的样品光聚焦到样品10。第二准直透镜7、数字微镜设备8以及成像透镜9作为回光系统也同时用于接收样品回光。

进一步地，从宽带光源1出来的低相干光经过一个2x2光纤耦合器3被分两束，其中一束是参考光，参考光的作用是与样品光进行干涉产生干涉光谱，参考光进入参考臂4，参考臂4光纤出口处设置有第一准直透镜5，第一准直透镜5把参考臂4光纤出射的参考光进行准直，准直之后的准直参考光经过反射镜6的反射和第一准直透镜5重新耦合进参考臂4光纤；另一束是样品光，样品光经过样品臂，样品光同样需要经过第二准直透镜7进行准直，数字微镜设备8上每一面的微小反射镜6可将准直样品光反射到样品10上进行采样，采样的样品回光和参考回光的相干光谱经过光纤耦合器3，由光谱仪进行采集，进而由上位机进行处理得到一条样品10的深度信息，整面数字微镜设备8所有小反射镜6扫描完之后，最终可得到该样品10的三维信息。

显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为了清楚说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.基于数字微镜设备的光学相干层析成像装置，用于样品的成像，其特征在于，包括：

宽带光源；

光纤耦合器，用以将所述宽带光源发出的光分成参考光和样品光并分别送出；

参考臂，用以接收、准直所述参考光并使得准直后的参考光变为沿原路返回至所述光纤耦合器的参考回光，包括用以接收并准直所述参考光的第一准直透镜和用以使准直后的参考光朝向所述第一准直透镜反射的反射镜，所述参考回光与所述参考光于所述第一准直透镜处耦合；

样品臂，用以接收、准直所述样品光并将准直后的样品光反射至所述样品表面进而使到达所述样品表面的样品光变为沿原路返回至所述光纤耦合器的样品回光，所述参考回光与所述样品回光于所述光纤耦合器中发生干涉；所述样品臂包括用以使准直后的样品光朝向所述样品反射的数字微镜设备；

微镜控制机，用以控制所述数字微镜设备开关；

探测器，其与所述光纤耦合器相连接；以及

计算机，其与所述探测器相连接。

2.根据权利要求1所述的光学相干层析成像装置，其特征在于，所述光学相干层析成像装置还包括参考臂控制机构，所述参考臂控制机构包括用于调节所述第一准直透镜与所述反射镜间距的第一调节组件和用于调节所述反射镜倾斜角度的第二调节组件。

3.根据权利要求1或2所述的光学相干层析成像装置，其特征在于，所述样品臂还包括用以接收、准直所述样品光的第二准直透镜和用以将所述数字微镜设备反射出的样品光聚焦至所述样品表面的成像透镜，所述数字微镜设备设置在所述第二准直透镜与所述成像透镜之间并位于所述成像透镜背离所述样品一侧。

4.根据权利要求3所述的光学相干层析成像装置，其特征在于，所述数字微镜设备反射光线与所述数字微镜设备入射光线的夹角为90度。

5.根据权利要求3所述的光学相干层析成像装置，其特征在于，所述宽带光源为超辐射发光二极管、飞秒激光器或发光二极管。

6.根据权利要求3所述的光学相干层析成像装置，其特征在于，所述探测器为光谱仪、电荷耦合元件或光电二极管。

7.根据权利要求3所述的光学相干层析成像装置，其特征在于，所述光纤耦合器为2×2单模光纤耦合器。

8.根据权利要求7所述的光学相干层析成像装置，其特征在于，所述光纤耦合器的分光比为50：50。