全深度譜域光學(xué)相干層析成像裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及譜域光學(xué)相干層析成像技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種全深度譜域光學(xué)相干層 析成像裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 光學(xué)相干層析術(shù)（OCT)是由Huang等人于1991年提出的一種高分辨無損傷的光 學(xué)成像技術(shù)，其成像過程類似于超聲成像，通過樣品不同位置的背向散射或背向反射光與 參考光的干涉，獲得樣品的結(jié)構(gòu)信息，然后通過光束的橫向掃描獲得樣品的橫截面圖像。由 于OCT系統(tǒng)采用的是寬帶光源，所以其相干長度較短，為了對(duì)樣品深度方向成像，需要在參 考臂引入掃描裝置進(jìn)行深度掃描從而獲得不同深度處的信號(hào)。所以早期的OCT稱之為時(shí)域 OCT。OCT技術(shù)提出之后首先被應(yīng)用于眼科，1991年Huang等人首先獲得了人眼視網(wǎng)膜的在 體層析圖像，1993年Fercher等人獲得了視乳頭盤的OCT圖像，同年Swanson等人獲得了人 眼黃斑的0CT圖像。1995年Tearney等人獲得了人體皮膚的0CT圖像并且測(cè)量了真皮層表 皮層以及角質(zhì)層的折射率，0CT技術(shù)逐漸被廣泛應(yīng)用于臨床醫(yī)學(xué)。
[0003] 1995年，F(xiàn)ercher等人提出了頻域光學(xué)相干層析技術(shù)（FD0CT)。FD0CT在探測(cè)臂利 用光譜儀代替了TD0CT中的光電探測(cè)器，通過探測(cè)干涉光譜信號(hào)實(shí)現(xiàn)在深度方向上一次成 像。FD0CT相比于TD0CT的顯著特點(diǎn)是參考臂不需要運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行軸向掃描，樣品的深度信 息由探測(cè)到的干涉光譜信息通過傅里葉變換得到。所以FD0CT具有更快的速度更高的信噪 比。頻域光學(xué)相干層析成像技術(shù)根據(jù)其光源與探測(cè)機(jī)制的不同又分為譜域OCT(SDOCT)系 統(tǒng)和掃頻OCT(SS0CT)系統(tǒng)。SD0CT采用的是寬帶光源和快速多通道光譜儀，而SS0CT采用 的是快速可調(diào)諧激光器和單點(diǎn)光電探測(cè)器。由于SD0CT相比有TD0CT具有更高的信噪比， SD0CT被廣泛應(yīng)用于眼科，皮膚科，心血管，血流等各領(lǐng)域。1995年Fercher等人實(shí)現(xiàn)了眼模 型內(nèi)部的一維測(cè)距及人眼角膜厚度的測(cè)量。1998年G.Hausler等人實(shí)現(xiàn)了人體皮膚結(jié)構(gòu)的 載體測(cè)量，同時(shí)定量驗(yàn)證了有黑色素瘤的皮膚具有更強(qiáng)的后向散射。2002年M.Wojtkowski 首次實(shí)現(xiàn)了人體視網(wǎng)膜成像。通過與多普勒效應(yīng)相結(jié)合，Z.Chen等人實(shí)現(xiàn)了對(duì)血流速度的 定量測(cè)量，從而發(fā)展了譜域多普勒OCT(SD-D0CT)。R。Wang等人利用超快速的SD0CT實(shí)現(xiàn)了 對(duì)視網(wǎng)膜血管的三維可視化，并發(fā)展成為光學(xué)相干血管造影術(shù)（OCA)。J.Welzel等人利用 SD0CT對(duì)非黑瘤皮膚癌，黑色素瘤，皮膚炎癥，寄生蟲疾病，指甲以及監(jiān)視治療效果等方面進(jìn) 行了研宄。
[0004] 雖然譜域光學(xué)相干層析成像技術(shù)已得到廣泛應(yīng)用，但是它還存在著一些的問題， 影響著成像質(zhì)量。例如由于對(duì)信號(hào)的處理是通過傅里葉變換得到的，傅里葉變換對(duì)實(shí)數(shù)信 號(hào)存在著共軛像的問題，并且傅里葉變換要求信號(hào)的均勻采樣。復(fù)共軛像的存在會(huì)使得重 建的樣品結(jié)構(gòu)產(chǎn)生混疊。另外實(shí)際中得到的干涉光譜信號(hào)在波長域是均勻采樣的，在波數(shù) 域確是非均勻采樣的。而譜域光學(xué)相干層析成像技術(shù)的圖像重建是將干涉光譜從波數(shù)域傅 里葉變換到空間域。所以由于干涉光譜在波數(shù)域的非均勻采樣，直接對(duì)干涉光譜進(jìn)行傅里 葉變換會(huì)引起縱向分辨率隨深度的增加而變差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種能夠?qū)ι锝M織三維全深度成像的譜域光學(xué)相干層 析成像裝置及方法，并且能夠保持縱向分辨率不隨深度的改變而改變。
[0006] 實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：一種全深度譜域光學(xué)相干層析成像裝置，包 括沿光路方向依次設(shè)置的光源、光纖耦合器、第一準(zhǔn)直透鏡、第一聚焦透鏡、平面鏡、第二準(zhǔn) 直透鏡、X掃描振鏡、Y掃描振鏡、第二聚焦透鏡、載物臺(tái)、第三準(zhǔn)直透鏡、衍射光柵、第三聚 焦透鏡、線陣CCD14、電腦和線性位移臺(tái)，其中平面鏡固定于線性位移臺(tái)上且平面鏡位于第 一聚焦透鏡的焦平面，線陣CCD設(shè)于第三聚焦透鏡的焦平面，線陣CCD的輸出端接入電腦， 所有光學(xué)元件相對(duì)于基底同軸等高，即相對(duì)于光學(xué)平臺(tái)或儀器底座同軸等高；
[0007] 所述光源發(fā)出的光通過光纖耦合器分成兩路：其中一路光置于第一準(zhǔn)直透鏡的焦 點(diǎn)上產(chǎn)生準(zhǔn)直光，該準(zhǔn)直光通過第一聚焦透鏡聚焦到平面鏡后，平面鏡的反射光沿原光路 返回經(jīng)第一準(zhǔn)直透鏡重新耦合進(jìn)光纖耦合器；另一路光置于第二準(zhǔn)直透鏡的焦點(diǎn)處，經(jīng)第 二準(zhǔn)直透鏡后形成準(zhǔn)直光，該準(zhǔn)直光依次經(jīng)過X掃描振鏡、Y掃描振鏡后經(jīng)第二聚焦透鏡 聚焦到載物臺(tái)上的樣品上，經(jīng)樣品后向散射或后向反射的光沿原光路返回經(jīng)第二準(zhǔn)直透鏡 重新耦合進(jìn)光纖耦合器；重新耦合進(jìn)光纖耦合器的兩路光發(fā)生干涉，產(chǎn)生的干涉光經(jīng)光纖 耦合器的輸出端置于第三準(zhǔn)直透鏡的焦點(diǎn)處，經(jīng)第三準(zhǔn)直透鏡產(chǎn)生的準(zhǔn)直光入射至衍射光 柵，經(jīng)衍射光柵分光后入射至第三聚焦透鏡，第三聚焦透鏡將光聚焦到線陣CCD的感光元 件上，線陣CCD將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸入電腦中處理得到OCT圖像。
[0008]-種基于權(quán)利要求1所述的全深度譜域光學(xué)相干層析成像裝置的成像方法，包括 以下步驟：
[0009] 步驟1，將光纖耦合器參考臂的輸出端置于第一準(zhǔn)直透鏡的前焦點(diǎn)處，將平面鏡置 于第一聚焦透鏡后焦面上；
[0010] 步驟2,將光纖耦合器的樣品臂的輸出端置于第二準(zhǔn)直透鏡的前焦點(diǎn)處，調(diào)節(jié)X掃 描振鏡、Y掃描振鏡相對(duì)的位置方向使得光路轉(zhuǎn)折90度，并且使得準(zhǔn)直后的光斑偏離Y掃 描振鏡的轉(zhuǎn)軸但在X掃描振鏡的轉(zhuǎn)軸上，調(diào)節(jié)第二聚焦透鏡使得準(zhǔn)直光聚焦到載物臺(tái)的平 面鏡上并沿原路返回；
[0011] 步驟3,將光纖耦合器的探測(cè)臂輸出端置于第三準(zhǔn)直透鏡的前焦點(diǎn)處產(chǎn)生準(zhǔn)直光， 調(diào)節(jié)衍射光柵的位置及方向使得該準(zhǔn)直光以度角入射至衍射光柵，調(diào)節(jié)第三聚焦透鏡的位 置使得第三聚焦透鏡的光軸與衍射光的方向同軸并且使得衍射光斑處于第三聚焦透鏡中 心，調(diào)節(jié)線陣CCD的位置，使得CCD的探測(cè)面處于第三聚焦透鏡的后焦面上；
[0012] 步驟4,在樣品臂中的載物臺(tái)上設(shè)置平面鏡，調(diào)節(jié)使光聚焦在該平面鏡上，使樣品 臂和參考臂重新耦合進(jìn)光纖耦合器的光束發(fā)生干涉，啟動(dòng)線性位移臺(tái)獲得不同光程差下的 干涉光譜，探測(cè)臂中的線陣CCD將干涉光譜信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸入電腦存儲(chǔ)于電腦中；
[0013] 步驟5,保持樣品臂不變，將樣品臂中載物臺(tái)上的平面鏡換為待測(cè)樣品，調(diào)節(jié)載物 臺(tái)使樣品臂和參考臂重新耦合進(jìn)光纖耦合器的光束發(fā)生干涉，驅(qū)動(dòng)X掃描振鏡、Y掃描振鏡 進(jìn)行橫向掃描獲得三維干涉光譜信號(hào)；
[0014] 步驟6,探測(cè)臂中的線陣CCD將干涉光譜信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸入電腦，通過步驟4 中存儲(chǔ)的干涉光譜重構(gòu)二維圖像，并將一系列的二維圖像合成待測(cè)樣品的三維結(jié)構(gòu)圖。
[0015] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)在于：（1)能夠?qū)悠愤M(jìn)行三維結(jié)構(gòu)探測(cè)，實(shí) 現(xiàn)微米量級(jí)層析成像探測(cè)；（2)該系統(tǒng)為光纖型譜域光學(xué)相干層析成像系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn) 定；（3)實(shí)現(xiàn)全深度成像，無需聲光，電光調(diào)制，也不需要移相干涉，實(shí)現(xiàn)全深度范圍內(nèi)縱向 分辨率基本保持不變。
【附圖說明】
[0016] 圖1為本發(fā)明譜域光學(xué)相干層析成像裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017] 結(jié)合圖1，本發(fā)明全深度譜域光學(xué)相干層析成像裝置，包括沿光路方向依次設(shè)置的 光源1、光纖親合器2、第一準(zhǔn)直透鏡3、第一聚焦透鏡4、平面鏡5、第二準(zhǔn)直透鏡6、X掃描振 鏡7、Y掃描振鏡8、第二聚焦透鏡9、載物臺(tái)10、第三準(zhǔn)直透鏡11、衍射光柵12、第三聚焦透 鏡13、線陣(XD14、電腦15和線性位移臺(tái)16,其中平面鏡5固定于線性位移臺(tái)16上且平面 鏡5位于第一聚焦透鏡4的焦平面，線陣CCD14設(shè)于第三聚焦透鏡13的焦平面，線陣CCD14 的輸出端接入電腦15,所有光學(xué)元件相對(duì)于基底同軸等高，即相對(duì)于光學(xué)平臺(tái)或儀器底座 同軸等尚；
[0018] 所述光源1發(fā)出的光通過光纖耦合器2分成兩路：其中一路光置于第一準(zhǔn)直透鏡 3的焦點(diǎn)上產(chǎn)生準(zhǔn)直光，該準(zhǔn)直光通過第一聚焦透鏡4聚焦到平面鏡5后，平面鏡5的反射 光沿原光路返回經(jīng)第一準(zhǔn)直透鏡3重新耦合進(jìn)光纖耦合器2 ;另一路光置于第二準(zhǔn)直透鏡 6的焦點(diǎn)處，經(jīng)第二準(zhǔn)直透鏡6后形成準(zhǔn)直光，該準(zhǔn)直光依次經(jīng)過X掃描振鏡7、Y掃描振鏡 8后經(jīng)第二聚焦透鏡9聚焦到載物臺(tái)10上的樣品上，經(jīng)樣品后向散射或后向反射的光沿原 光路返回經(jīng)第二準(zhǔn)直透鏡6重新耦合進(jìn)光纖耦合器2 ;重新耦合進(jìn)光纖耦合器2的兩路光 發(fā)生干涉，產(chǎn)生的干涉光經(jīng)光纖耦合器2的輸出端置于第三準(zhǔn)直透鏡11的焦點(diǎn)處，經(jīng)第三 準(zhǔn)直透鏡11產(chǎn)生的準(zhǔn)直光入射至衍射光柵12,經(jīng)衍射光柵12分光后入射至第三聚焦透鏡 1