本發(fā)明涉及光學(xué)相干層析成像(opticalcoherencetomography，簡(jiǎn)稱oct)，特別是一種增加焦深范圍的光學(xué)相干層析成像系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

光學(xué)相干層析成像(opticalcoherencetomography，以下簡(jiǎn)稱為oct)是一種基于低相干光干涉的生物醫(yī)學(xué)層析成像技術(shù)，具有非侵入、分辨率高、可在體檢測(cè)生物組織內(nèi)部微結(jié)構(gòu)信息等特點(diǎn)，在生物組織活體成像和醫(yī)療成像診斷等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，如眼科、皮膚科、心血管等。

oct可分為時(shí)域oct(timedomainoct，td-oct)和頻域oct(fourierdomainoct，fd-oct)，頻域oct又可分為基于光譜儀的頻域oct(spectraldomainoct，sd-oct)和基于掃頻光源的頻域oct(又稱掃頻光學(xué)相干層析成像，sweptsourceoct，ss-oct)。

在oct系統(tǒng)中，樣品臂的設(shè)計(jì)方式主要是平行光通過(guò)透鏡聚焦后照射樣品。當(dāng)中心波長(zhǎng)確定時(shí)，系統(tǒng)的橫向分辨率數(shù)值與透鏡的焦距成正比，與透鏡上入射光束的直徑成反比，數(shù)值越大，橫向分辨率越低；而焦深與橫向分辨率數(shù)值的平方成正比。因此，橫向分辨率和焦深相互制約。一般說(shuō)來(lái)，在焦深范圍內(nèi)橫向分辨率基本保持不變。大多數(shù)oct系統(tǒng)采用低數(shù)值孔徑的光學(xué)系統(tǒng)來(lái)獲得大的焦深，一般遠(yuǎn)大于光源的相干長(zhǎng)度，但大的焦深同時(shí)會(huì)降低系統(tǒng)的橫向分辨率。由于圖像質(zhì)量與橫向分辨率相關(guān)，橫向分辨率越高，圖像越清晰，質(zhì)量越高。因此，增加焦深可以提高圖像質(zhì)量。

為了保證高分辨率的同時(shí)增加系統(tǒng)的焦深，研究人員提出了各種各樣的方法。目前主要分為兩類，分別是基于軟件和硬件的方法。與基于軟件的方法相比，基于硬件的方法不僅不受系統(tǒng)相位和系統(tǒng)數(shù)據(jù)量的影響，而且數(shù)據(jù)量小，可以用于活體樣品三維成像的實(shí)時(shí)顯示。其中，以貝塞爾光束照明樣品的方式應(yīng)用最為廣泛?；谟布姆椒ㄖ饕韵聨追N方式：

1、非貝塞爾光束照明樣品的方式，主要包括自適應(yīng)光學(xué)的方法(參見在先技術(shù)[1]，b.hermann,e.j.fernandez,a.unterhuber,h.sattmann,a.f.fercher,w.drexler,p.m.prieto,andp.artal,“adaptive-opticsultrahigh-resolutionopticalcoherencetomography,”opt.lett.29,2142–2144，2004)、基于多通道照明樣品的方式(參見在先技術(shù)[2]，holmesj,stonen,bazanthegemarkf.multi-channelfourierdomainoctsystemwithsuperiorlateralresolutionforbiomedicalapplications[j].proceedingsofspie-theinternationalsocietyforopticalengineering,2008,6847:68470o-68470o-9)、基于光程編碼的方法(參見在先技術(shù)[3]，中國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)朿n201710086522.1)、動(dòng)態(tài)聚焦的方法(參見在先技術(shù)[4]，m.j.cobb,x.liu,andx.li,“continuousfocustrackingforreal-timeopticalcoherencetomography,”opt.lett.30,1680–1682，2005)和基于分形波帶片的方法(參見在先技術(shù)[5]，中國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)朿n200910071097.4)。這類技術(shù)或需要額外的器件增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，或限制了系統(tǒng)的成像速度不適合實(shí)時(shí)成像，或增加焦深的范圍有限，系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理復(fù)雜。

2、貝塞爾光束照明樣品的方式，主要包括錐透鏡(參見在先技術(shù)[6]、[7]和[8])、相位切趾法(參見在先技術(shù)[9]和[10])和振幅切趾法(參見在先技術(shù)[11])。利用錐透鏡產(chǎn)生貝塞爾光束并照明樣品的方式，最早是ding等人將錐透鏡應(yīng)用到系統(tǒng)的樣品臂并直接收集樣品散射光(參見在先技術(shù)[6],z.ding,h.ren,y.zhao,j.s.nelson,andz.chen,“high-resolutionopticalcoherencetomographyoveralargedepthrangewithanaxiconlens,”opt.lett.27,243–245，2002)；r.a.leitgeb等人重新設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的樣品臂，利用錐透鏡、一個(gè)4f透鏡系統(tǒng)和分束器對(duì)樣品臂進(jìn)行設(shè)計(jì)(參見在先技術(shù)[7]，leitgeb,r.a.,etal.(2006)."extendedfocusdepthforfourierdomainopticalcoherencemicroscopy."optlett31(16):2450.)和將錐透鏡與掃描振鏡相結(jié)合，提高了系統(tǒng)的成像速度(參見在先技術(shù)[8]，blatter,c.,etal.(2012)."insitustructuralandmicroangiographicassessmentofhumanskinlesionswithhigh-speedoct."biomedoptexpress3(10):2636-2646.)。然而，這類方法中都存在錐透鏡尖端對(duì)貝塞爾光束質(zhì)量的影響，同時(shí)前兩種技術(shù)還降低了樣品散射光的收集效率和系統(tǒng)的靈敏度。為了獲得貝塞爾光束，d.lorenser等人采用相位切趾法，如slm(參見在先技術(shù)[9]，d.lorenser,c.christiansinge,a.curatolo,andd.d.sampson,“energy-efficientlow-fresnel-numberbesselbeamsandtheirapplicationinopticalcoherencetomography,”opt.lett.39,548–551，2014)和七區(qū)域相位濾波器(參見在先技術(shù)[10]，bousi,evgenia,s.timotheou,andc.pitris."designofpupilfilterforextendeddepthoffocusandlateralsuperresolutioninopticalcoherencetomography."spiebiosinternationalsocietyforopticsandphotonics,2014:2978-2982)，增加了系統(tǒng)的焦深，但該兩種方式同樣降低了樣品散射光的收集效率，影響系統(tǒng)的靈敏度。liulinbo等人采用振幅切趾法，如環(huán)形照明(參見在先技術(shù)[11]，yux,liux,guj,etal.depthextensionandsidelobesuppressioninopticalcoherencetomographyusingpupilfilters.[j].opticsexpress，vol.22,no.22，26956-26966，2014)，重新設(shè)計(jì)系統(tǒng)的樣品臂，也獲得了貝塞爾光束，增加了系統(tǒng)的焦深，但也降低了系統(tǒng)的靈敏度。

3、研究人員提出了一種新的低菲涅爾數(shù)的漸變折射率光纖的相位掩模結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法(參見在先技術(shù)[12]，d.lorenser,x.yang,andd.d.sampson,“ultrathinfiberprobeswithextendeddepthoffocusforopticalcoherencetomography,”opt.lett.37,1616–1618，2012)，該方法可以直接將光纖做成內(nèi)窺探頭，但是系統(tǒng)的焦深僅僅增加一倍。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了克服上述在先技術(shù)的不足，提供一種增加焦深范圍的光學(xué)相干層析成像系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括寬帶光源、干涉儀、探測(cè)器、數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)，通過(guò)設(shè)計(jì)所述的光學(xué)相干層析成像系統(tǒng)中干涉儀的樣品臂，利用圓環(huán)達(dá)曼光柵產(chǎn)生的貝塞爾光束照明樣品替代傳統(tǒng)高斯光束照明的方式增加了系統(tǒng)的焦深。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下：

一種增加焦深范圍的光學(xué)相干層析成像系統(tǒng)，包括掃頻光源、干涉儀、平衡探測(cè)器、數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)，所述的掃頻光源的輸出端與所述的干涉儀的第一耦合器的第一端口相連，第一耦合器將輸入光分為樣品光路和參考光路，其特點(diǎn)在于所述的樣品光路依次是第一光束準(zhǔn)直器、圓環(huán)達(dá)曼光柵、第一聚焦透鏡、空間濾波器、反射鏡、第二聚焦透鏡和待測(cè)樣品，經(jīng)待測(cè)樣品的部分散射光經(jīng)第二聚焦透鏡變成平行光，再經(jīng)反射鏡反射后經(jīng)平行光收集器件、第一光纖輸入第二耦合器的第一端口；參考光路依次包括第二光束準(zhǔn)直器、色散補(bǔ)償快和第三光束準(zhǔn)直器、第二光纖、第二耦合器的第二端口；第二耦合器的輸出端口連接至所述的平衡探測(cè)器，再通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡與計(jì)算機(jī)相連；其中所述的反射鏡除了具有反射待測(cè)樣品散射光的作用，還具有濾除空間濾波器后出射的雜散光的作用。

所述的待測(cè)樣品置于精密機(jī)械位移臺(tái)上，該精密機(jī)械位移臺(tái)沿光軸的垂直方向移動(dòng)。

所述的第一聚焦透鏡和第二聚焦透鏡是共焦透鏡，所述的樣品光路和參考光路等光程。

所述的空間濾波器是一種用于濾除雜散光的器件，放置在第一聚焦透鏡和第二聚焦透鏡之間，用于優(yōu)化獲得的貝塞爾光束的質(zhì)量。

本發(fā)明的工作原理如下：

寬帶光源發(fā)出的光進(jìn)入干涉儀后到達(dá)干涉儀的參考臂和樣品臂，參考臂的光與樣品臂的返回光發(fā)生干涉后被探測(cè)器探測(cè)后，再經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡采集后輸入到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行處理。進(jìn)入樣品臂的光依次經(jīng)過(guò)第一光束準(zhǔn)直器、圓環(huán)達(dá)曼光柵、第一聚焦透鏡、空間濾波器和第二聚焦透鏡，然后照射待測(cè)樣品；待測(cè)樣品的散射光經(jīng)第二聚焦透鏡后變成平行光，部分平行光經(jīng)反射鏡反射后被平行光收集器件收集。其中，空間濾波器和反射鏡均用于濾除雜散光，而且反射鏡還具有反射待測(cè)樣品散射光的作用。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有益的效果是：

1.與在先技術(shù)[1]、[2]和[3]相比，本發(fā)明不需要額外復(fù)雜的器件，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性。

2.與在先技術(shù)[4]相比，本發(fā)明可以不受系統(tǒng)的成像速度限制，適合實(shí)時(shí)成像。

3.與在先技術(shù)[5]相比，本發(fā)明數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)單，焦深更大。

4.與在先技術(shù)[6]、[7]和[8]相比，本發(fā)明不受錐透鏡尖端的影響而降低貝塞爾光束的質(zhì)量，成像效果更好。

5.與在先技術(shù)[9]、[10]和[11]相比，本發(fā)明不受相位/振幅切趾器件的影響，具有更高的樣品散射光收集效率，提高了系統(tǒng)的靈敏度。

6.與在先技術(shù)[12]相比，本發(fā)明利用圓環(huán)達(dá)曼光柵產(chǎn)生的貝塞爾光束照明樣品替代傳統(tǒng)高斯光束照明的方式增加了系統(tǒng)的焦深。所述的空間濾波器是一種用于濾除雜散光的器件，放置在第一聚焦透鏡和第二聚焦透鏡之間，用于優(yōu)化獲得的貝塞爾光束的質(zhì)量。系統(tǒng)焦深更長(zhǎng)，圖像質(zhì)量更好。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明增加焦深范圍的光學(xué)相干層析成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。

請(qǐng)參閱圖1，圖1為本發(fā)明增加焦深范圍的光學(xué)相干層析成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。由圖可見，本發(fā)明增加焦深范圍的光學(xué)相干層析成像系統(tǒng)包括掃頻光源1，掃頻光源1的輸出端口與干涉儀2的第一耦合器21的第一端口211相連，第二端口212未使用，第一耦合器21將光分為樣品光路22和參考光路23。樣品光路22中，第一耦合器21的第三端口213連接至第一光束準(zhǔn)直器221，準(zhǔn)直后的光出射方向順序放置圓環(huán)達(dá)曼光柵222、第一聚焦透鏡223、空間濾波器224、反射鏡225、第二聚焦透鏡226和待測(cè)樣品227，待測(cè)樣品227的部分散射光經(jīng)第二聚焦透鏡226變成平行光，再經(jīng)反射鏡225反射后由平行光收集器件228耦合進(jìn)光纖229，并連接到第二耦合器24的第一端口241；參考光路23中，第一耦合器21的另一個(gè)出射端口214，輸出光的出射方向順序放置第二光束準(zhǔn)直器231、色散補(bǔ)償快232和第三光束準(zhǔn)直器233，第三光束準(zhǔn)直器233的輸出端口連接光纖234的一端，光纖234的另一端至第二耦合器24的第二端口242；。第二耦合器24的兩個(gè)輸出端口243和244連接至平衡探測(cè)器3，再通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡4與計(jì)算機(jī)5相連。

掃頻光源1的輸出掃頻激光進(jìn)入第一耦合器21中并分成兩路213和214，一路213進(jìn)入樣品臂光路22，并經(jīng)過(guò)第一光束準(zhǔn)直器221、圓環(huán)達(dá)曼光柵222、第一聚焦透鏡223、空間濾波器224、反射鏡225和第二聚焦透鏡226后照射到待測(cè)樣品227，待測(cè)樣品227的內(nèi)部不同深度處背向散射回來(lái)的光經(jīng)第二聚焦透鏡226變成平行光，再經(jīng)反射鏡225反射后被平行光收集器件228收集至進(jìn)光纖229；另一路214進(jìn)入?yún)⒖急酃饴?3，經(jīng)過(guò)第二準(zhǔn)直透鏡231、色散補(bǔ)償塊232和第三準(zhǔn)直透鏡233后輸出并耦合進(jìn)光纖234。光纖229的輸出光與光纖234輸出的耦合光，分別輸入到第二耦合器24的第一端口241和第二端口242，在第二耦合器24產(chǎn)生干涉信號(hào)，該干涉信號(hào)經(jīng)平衡探測(cè)器3將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡4采集后送入計(jì)算機(jī)5中。該干涉信號(hào)在計(jì)算機(jī)5中進(jìn)行逆傅里葉變換的數(shù)據(jù)處理和圖像重建算法，即可獲得待測(cè)樣品227沿深度方向的層析結(jié)構(gòu)圖像。

通過(guò)待測(cè)樣品227放置的精密機(jī)械位移臺(tái)沿光軸垂直方向掃描獲得待測(cè)樣品227的二維或三維層析圖。

實(shí)驗(yàn)表明，本發(fā)明利用圓環(huán)達(dá)曼光柵產(chǎn)生的貝塞爾光束照明樣品替代傳統(tǒng)高斯光束照明的方式增加了系統(tǒng)的焦深。所述的空間濾波器是一種用于濾除雜散光的器件，放置在第一聚焦透鏡和第二聚焦透鏡之間，用于優(yōu)化獲得的貝塞爾光束的質(zhì)量。所述的反射鏡除了具有反射待測(cè)樣品散射光的作用，還具有濾除空間濾波器后出射的雜散光的作用。系統(tǒng)焦深更長(zhǎng)，圖像質(zhì)量更好。