CN211905067U - 手持式双波段共路光学断层扫描成像系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种手持式双波段共路光学断层扫描成像系统，该系统包括：第一波段断层扫描模块，包括宽带光源、第一环形器和光谱仪；第二波段断层扫描模块，包括扫频光源、第二环形器、耦合器和探测器；样品扫描手柄，包括第一准直器、第二准直器、二向色镜、分波前镜、反射镜、离轴抛物面镜和二维MEMS振镜。本实用新型采用“双波段+共路+分波前”的OCT系统设计，使得系统兼顾了高分辨率和大成像深度两方面，波段范围更加丰富，有效避免了色散不匹配和偏振不匹配的问题，同时使得参考光和样品光的分光比连续可调，系统信噪比得到进一步优化，光源光的利用效率极大提高，有利于实现无损、原位、高分辨、大成像深度的物证检测。

Description

手持式双波段共路光学断层扫描成像系统

技术领域

本实用新型是关于一种手持式双波段共路光学断层扫描成像系统，涉及光学成像技术领域。

背景技术

光学相干层析技术(OCT)是一种三维高分辨断层扫描成像技术，最早应用于生物医学领域。近年来，OCT技术凭借其原位、无损、快速、高分辨、断层成像的特点，逐渐在法庭科学领域得到许多新应用，比如将其应用于汽车油漆检验、胶带检验、潜指纹显现等。由于OCT其不需对样品进行任何预处理便可获取物证内部深层次结构、光谱等特征信息，成为一种极具应用前景的法庭科学影像新技术。

传统OCT扫描系统往往采用单一波段，比如，单独使用850nm波段，实现高分辨成像，或单独使用1310nm波段，实现大成像深度，一般无法同时兼顾高分辨率和大成像深度这两个重要性能。将两个波段结合成像，有望同时实现高分辨率和大成像深度。虽然近年来有一些学者尝试分别基于时域OCT、全场OCT或频域OCT的结构，同时利用两个波段进行成像，但是仍然遇到一些技术问题。比如一般需要同时搭建两套干涉光路和两套探测装置(如光谱仪)以实现不同波段的干涉和探测，同时，在如此宽的波长范围条件下，还需要考虑解决色散不匹配、偏振不匹配等问题，从而导致系统光路中的光学元器件和装置较多，搭建复杂，体积较大，成像速度不高，且扫描方式不灵活，成本较高，无法应对犯罪现场复杂多变的成像需求。

实用新型内容

针对上述问题，本实用新型的目的是提供一种通过共路设计能够有效避免色散不匹配和偏振不匹配的手持式双波段共路光学断层扫描成像系统。

为了实现上述实用新型目的，本实用新型采用的技术方案为：

本实用新型提供的手持式双波段共路光学断层扫描成像系统，该系统包括：

第一波段断层扫描模块，包括宽带光源、第一环形器和光谱仪；

第二波段断层扫描模块，包括扫频光源、第二环形器、耦合器和探测器；

样品扫描手柄，包括第一准直器、第二准直器、二向色镜、分波前镜、反射镜、离轴抛物面镜和二维MEMS振镜；其中：

所述宽带光源发出的光经第一环形器发射到第一准直器，经第一准直器发射到二向色镜，经二向色镜透射的一部分光发射到分波前镜，经分波前镜反射到反射镜后按照原光路返回成为参考光，经二向色镜透射的另一部分光直接入射到离轴抛物面镜后反射聚焦，聚焦光束经过二维MEMS振镜入射到样品中，经样品反射和散射的光为样品光，样品光和参考光沿原光路汇聚后发生干涉，干涉光经过第一环形器进入光谱仪，由光谱仪探测干涉光的光谱信号经过处理实现对样品的层析成像；

所述扫频光源发出的光经第二环形器发射到第二准直器，经第二准直器发射到二向色镜，经二向色镜反射的一部分光入射到分波前镜，经分波前镜反射到反射镜后返回成为参考光，经二向色镜反射的另一部分光直接入射到离轴抛物面镜后反射聚焦，聚焦光束经过二维MEMS振镜入射到样品，经样品反射和散射的光为样品光，样品光和参考光沿原路返回汇聚后发生干涉，干涉光经过第二环形器后发送到耦合器，耦合器根据设定的分光比将干涉光分成两束后进入探测器得到干涉光的光谱信号经过处理实现对样品的层析成像。

本实用新型的一些实施例中，宽带光源的中心波长为850nm。

本实用新型的一些实施例中，扫频光源的中心波长为1310nm。

本实用新型的一些实施例中，分波前镜采用镀银反射镜，通过调节分波前镜分割波前的位置，能够连续改变参考光和样品光的分光比。

本实用新型的一些实施例中，宽带光源、第一环形器、光谱仪和第一准直器之间采用光纤进行光信号传输；扫频光源、第二环形器、耦合器、探测器和第二准直器之间采用光纤进行光信号传输。

本实用新型的一些实施例中，光纤采用单模光纤。

本实用新型的一些实施例中，光谱仪采用波数线性光谱仪，波数线性光谱仪包括棱镜和CCD，干涉光通过棱镜分光后聚焦在CCD上，实现线性波数光谱的采集。

本实用新型的一些实施例中，所述探测器采用双平衡探测器。

本实用新型的一些实施例中，所述样品扫描手柄还包括一壳体，所述壳体用于设置各光学器件。

本实用新型由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

1、本实用新型基于二向色镜的反射式双波段融合共路扫描光路设计，将850nm和1310nm两个中心波长的工作波段融合使用，兼顾了高分辨率和大成像深度，可以实现无损、原位、高分辨、大成像深度的物证检测，由于其采用了双波段光融合的方法，波段范围更加丰富，还可以利用光谱OCT技术通过物证内部结构特征以及不同波段光谱的散射特性来区分不同的物质结构，实现样品光谱特性的提取，从而获得物证样品内部高分辨率、大检测深度的结构和光谱信息，并可以通过三维重建获取物证三维立体形貌图像及其特征，得到内部横切面图像，实现物证“光学切片”功能；

2、本实用新型采用参考臂和样品臂光纤共路设计，有效避免了色散不匹配和偏振不匹配的问题，同时精简了系统结构，有利于搭建小型化、便携化系统，实现移动式灵活成像；在传统的OCT系统结构中，参考臂和样品臂需分别搭建，采用不同的光路，因此，参考光和样品光之间就存在色散不匹配和偏振不匹配的问题，往往需要通过加入色散补偿元器件或偏振控制器进行校正和调节，本实用新型在光纤部分采用了参考臂和样品臂共用光纤光路的设计，即参考光和样品光经过同一个光纤光路，只是在二向色镜之后才被分波前镜分成参考光和样品光，由于分开后的光路都是空间光路，并不影响色散和偏振，因此本实用新型共路设计可以有效避免色散不匹配和偏振不匹配的问题；进一步，采用共路设计的光路，相比传统的OCT系统结构，省去了搭建参考臂所需要的耦合器、色散补偿器、偏振控制器等器件，系统所需的零部件更少，因此系统可以变得更紧凑、更灵活；

3、本实用新型采用了分波前干涉仪的设计，以达到最优信噪比，在样品扫描手柄中加入了分波前镜，可以通过调节分波前镜分割波前的位置，连续改变参考光和样品光的分光比，使得参考臂不需要任何衰减，极大提高了光源光的利用效率，同时，可调的分光比例将获得更优化的系统信噪比，得到更高质量的图像；

4、本实用新型的样品扫描手柄模块采用了基于二向色镜的反射式双波段融合共路扫描光路设计和二维MEMS微振镜，实现轻便可手持式的扫描手柄同时获取双波段数据，整体系统呈现小型化、便携化、紧凑化、模块化的特点；

综上，本实用新型采用“双波段+共路+分波前”的OCT系统设计，使得系统兼顾了高分辨率和大成像深度两方面，波段范围更加丰富，有效避免了色散不匹配和偏振不匹配的问题，同时使得参考光和样品光的分光比连续可调，系统信噪比得到进一步优化，光源光的利用效率极大提高，有利于实现无损、原位、高分辨、大成像深度的物证检测。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本实用新型的限制。在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。在附图中：

图1为本实用新型的手持式双波段光学断层扫描成像系统原理图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本实用新型的示例性实施方式。虽然附图中显示了本实用新型的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本实用新型而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本实用新型，并且能够将本实用新型的范围完整的传达给本领域的技术人员。

应理解的是，文中使用的术语仅出于描述特定示例实施方式的目的，而无意于进行限制。除非上下文另外明确地指出，否则如文中使用的单数形式“一”、“一个”以及“所述”也可以表示包括复数形式。术语“包括”、“包含”、“含有”以及“具有”是包含性的，并且因此指明所陈述的特征、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除存在或者添加一个或多个其它特征、步骤、操作、元件、部件、和/或它们的组合。文中描述的方法步骤、过程、以及操作不解释为必须要求它们以所描述或说明的特定顺序执行，除非明确指出执行顺序。还应当理解，可以使用另外或者替代的步骤。

尽管可以在文中使用术语第一、第二、第三等来描述多个元件、部件、区域、层和/或部段，但是，这些元件、部件、区域、层和/或部段不应被这些术语所限制。这些术语可以仅用来将一个元件、部件、区域、层或部段与另一区域、层或部段区分开。除非上下文明确地指出，否则诸如“第一”、“第二”之类的术语以及其它数字术语在文中使用时并不暗示顺序或者次序。因此，以下讨论的第一元件、部件、区域、层或部段在不脱离示例实施方式的教导的情况下可以被称作第二元件、部件、区域、层或部段。

为了便于描述，可以在文中使用空间相对关系术语来描述如图中示出的一个元件或者特征相对于另一元件或者特征的关系，这些相对关系术语例如为“内部”、“外部”、“内侧”、“外侧”、“下面”、“上面”等。这种空间相对关系术语意于包括除图中描绘的方位之外的在使用或者操作中装置的不同方位。

本实施例提供的手持式双波段共路光学断层扫描成像系统，可实现针对各类现场物证的原位、无损、断层成像检验与分析。

如图1所示，本实施例提供的手持式双波段共路光学断层扫描成像系统，包括第一波段断层扫描模块1、第二波段断层扫描模块2和样品扫描手柄模块3。

第一波段断层扫描模块1包括宽带光源11、第一环形器12和光谱仪13，优选地，宽带光源11的中心波长可以选择为850nm。

第二波段断层扫描模块2包括扫频光源21、第二环形器22、耦合器23和双平衡探测器24中，其中，扫频光源21是一个输出光的波长随时间高速扫描的光源，优选地扫频光源21的中心波长可以选择为1310nm。

样品扫描手柄3包括第一准直器31、第二准直器32、二向色镜33、分波前镜34、反射镜35、离轴抛物面镜36和二维MEMS振镜37。

850nm宽带光源11发出的光经过第一环形器12后进入样品扫描手柄3，经第一准直器31发射到二向色镜32，经二向色镜32透射的一部分光发射到分波前镜33，经分波前镜33反射到反射镜34后按照原光路返回成为参考光，经二向色镜32透射的另一部分光未经过分波前镜33直接入射到离轴抛物面镜36后反射聚焦，聚焦光束经过二维MEMS振镜37入射到样品中，经样品反射和散射的光为样品光。样品光和参考光沿原光路汇聚后发生干涉，干涉光经过第一环形器12后进入光谱仪13，由光谱仪13探测得到干涉光的光谱信号并经过数据处理即可得到850nm波段的OCT信号，实现对样品的层析成像，可以得到850nm波段的样品深度方向一线A-Scan信号，随着二维MEMS振镜37的横向扫描，得到样品内部结构的二维和三维图像，850nm波段OCT图像分辨率高，适合用于对样品内部的细微结构进行探测成像和测量。

1310nm扫频光源21发出的光经过第二环形器22进入样品扫描手柄3，经过第二准直器32发射到二向色镜33，经二向色镜33反射的一部分光入射到分波前镜34，经分波前镜34反射到反射镜35后返回成为参考光，经二向色镜33反射的另一部分光未经分波前镜34直接入射到离轴抛物面镜36后反射聚焦，聚焦光束经过二维MEMS振镜37入射到样品，经样品反射和散射的光为样品光。样品光和参考光沿原路返回汇聚后发生干涉，干涉光经过第二环形器22后发送到耦合器23，耦合器23根据设定的比例将干涉光分成两束后进入双平衡探测器24得到干涉光的光谱信号并进行探测和处理，实现对样品的层析成像，可以得到1310nm波段的样品深度方向一线A-Scan信号，随着二维MEMS振镜37的横向扫描，得到样品内部结构的二维和三维图像，1310nm波段OCT图像穿透深度较大，适合用于对样品内部较深区域的结构进行探测成像。

优选地，分波前镜34可以采用镀银反射镜，在可见和近红外波段均有较高的反射率，分波前镜34的作用是将入射光的波阵面分成两束，一部分光经反射镜34反射后成为参考光，另一部分光经过离轴抛物面镜36聚焦且通过二维MEMS振镜37偏转扫描入射到样品得到样品光，参考光和样品光沿着原光路返回，在分波前镜34处重新组合，产生波前干涉。因此，本实施例通过分波前干涉仪的设计，以达到最优信噪比，通过调节分波前镜34分割波前的位置，连续改变参考光和样品光的分光比，使得参考臂不需要任何衰减，极大提高了光源光的利用效率，同时可调的分光比例将获得更优化的系统信噪比，得到更高质量的图像。

优选地，本实施例的宽带光源11、第一环形器12、光谱仪13和第一准直器31之间采用光纤进行光信号传输，另外，扫频光源21、第二环形器22、耦合器23、双平衡探测器24和第二准直器32之间采用光纤进行光信号传输；优选地，光纤采用单模光纤，其工作波长应符合传输光的波段范围要求，保证在此波段范围内是低损耗的。

优选地，二维MEMS振镜37用于对光束的偏转和位置进行控制，实现对样品横向扫描，可对光斑位置实现精确定位和快速扫描，优点是体积小，控制灵活，二维MEMS振镜37可以采用Mirrorcle公司的二维高速扫描MEMS振镜。

优选地，光谱仪13可以采用波数线性光谱仪，波数线性光谱仪13包括棱镜和CCD棱镜可选用Thorlabs公司生产的PS852等边色散棱镜，干涉光通过棱镜分光后聚焦在CCD上，实现线性波数光谱的采集，从而省去后期进行波长-波数插值转换的处理，提高成像速度。

优选地，离轴抛物面镜36可选用Thorlabs公司生产的MPD01M9-P01离轴抛物面反射镜。

优选地，第一环形器12和第二环形器22可以选用相应波段范围的宽带光纤环形器，保证其工作波段可覆盖所需传输的波段即可。

优选地，第一准直器31和第二准直器32可以采用Thorlabs公司生产的抛物面反射式准直器RC02APC-P01。

优选地，双平衡探测器24可以有效的减少输入光的共模噪声，提高系统的信噪比，双平衡探测器24可以采用Thorlabs公司生产的双平衡探测器PDB440C。

优选地，样品扫描手柄3还包括一壳体，壳体用于设置各光学器件，具体不做赘述，可以根据实际需要进行壳体的设置，方便携带使用即可。

综上所述，本实用新型可以实现双波段实时联用，使得OCT图像双波段实时对比融合成像，满足了分辨率和穿透深度的双重需求；通过双波段光谱数据分析，还可获得物质在不同波段下的OCT信号响应特性，实现不同物质的区分和识别；两种不同工作波段融合的手持式OCT成像系统，丰富了犯罪现场物证检验技术手段和方法，突破传统显微成像的局限，实现物证内部特征信息的挖掘提取，同时获得高分辨和高穿透深度图像，解决分辨率和穿透深度相互制约的问题。本实用新型有利于大大提升现场物证发现和确认的效率，从而为案件侦查诉讼提供更多元、更科学的线索和依据。

上述各实施例仅用于说明本实用新型，其中光路中各光学器件可以采用相应结构进行支撑固定，对此本实施例不做赘述，只要满足本实施例的光路传播条件即可，本实例的各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本实用新型技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本实用新型的保护范围之外。

Claims (9)

1.一种手持式双波段共路光学断层扫描成像系统，其特征在于该系统包括：

第一波段断层扫描模块，包括宽带光源、第一环形器和光谱仪；

第二波段断层扫描模块，包括扫频光源、第二环形器、耦合器和探测器；

样品扫描手柄，包括第一准直器、第二准直器、二向色镜、分波前镜、反射镜、离轴抛物面镜和二维MEMS振镜；其中：

所述宽带光源发出的光经第一环形器发射到第一准直器，经第一准直器发射到二向色镜，经二向色镜透射的一部分光发射到分波前镜，经分波前镜反射到反射镜后按照原光路返回成为参考光，经二向色镜透射的另一部分光直接入射到离轴抛物面镜后反射聚焦，聚焦光束经过二维MEMS振镜入射到样品中，经样品反射和散射的光为样品光，样品光和参考光沿原光路汇聚后发生干涉，干涉光经过第一环形器进入光谱仪，由光谱仪探测干涉光的光谱信号经过处理实现对样品的层析成像；

所述扫频光源发出的光经第二环形器发射到第二准直器，经第二准直器发射到二向色镜，经二向色镜反射的一部分光入射到分波前镜，经分波前镜反射到反射镜后返回成为参考光，经二向色镜反射的另一部分光直接入射到离轴抛物面镜后反射聚焦，聚焦光束经过二维MEMS振镜入射到样品，经样品反射和散射的光为样品光，样品光和参考光沿原路返回汇聚后发生干涉，干涉光经过第二环形器后发送到耦合器，耦合器根据设定的分光比将干涉光分成两束后进入探测器得到干涉光的光谱信号经过处理实现对样品的层析成像。

2.根据权利要求1所述的手持式双波段共路光学断层扫描成像系统，其特征在于，宽带光源的中心波长为850nm。

3.根据权利要求1所述的手持式双波段共路光学断层扫描成像系统，其特征在于，扫频光源的中心波长为1310nm。

4.根据权利要求1所述的手持式双波段共路光学断层扫描成像系统，其特征在于，分波前镜采用镀银反射镜，通过调节分波前镜分割波前的位置，能够连续改变参考光和样品光的分光比。

5.根据权利要求1所述的手持式双波段共路光学断层扫描成像系统，其特征在于，宽带光源、第一环形器、光谱仪和第一准直器之间采用光纤进行光信号传输；扫频光源、第二环形器、耦合器、探测器和第二准直器之间采用光纤进行光信号传输。

6.根据权利要求5所述的手持式双波段共路光学断层扫描成像系统，其特征在于，光纤采用单模光纤。

7.根据权利要求1～6任一项所述的手持式双波段共路光学断层扫描成像系统，其特征在于，光谱仪采用波数线性光谱仪，波数线性光谱仪包括棱镜和CCD，干涉光通过棱镜分光后聚焦在CCD上，实现线性波数光谱的采集。

8.根据权利要求1～6任一项所述的手持式双波段共路光学断层扫描成像系统，其特征在于，所述探测器采用双平衡探测器。

9.根据权利要求1～6任一项所述的手持式双波段共路光学断层扫描成像系统，其特征在于，所述样品扫描手柄还包括一壳体，所述壳体用于设置各光学器件。

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