一種頻域光學(xué)相干層析裝置與方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明屬于太赫茲相干層析成像技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，設(shè)及一種頻域光學(xué)相干層 析裝置與方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 光學(xué)相干層析成像技術(shù)(Optical Coherence Tomogra地y，0CT)作為一種全新的 光學(xué)斷層成像技術(shù)，其使用的光源波長較長，W其無福射、非侵入、高分辨及高探測(cè)靈敏度 等特點(diǎn)，在臨床醫(yī)學(xué)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。
[0003] 傳統(tǒng)的OCT技術(shù)為時(shí)域0CT，其特點(diǎn)是需要參考臂的深度掃描，對(duì)應(yīng)樣品的不同深 度。深度掃描限制了時(shí)域OCT的采集速度，影響了其更廣泛的應(yīng)用。
[0004] 而最近興起的頻域OCT技術(shù)使用面陣CCD進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過采集干設(shè)光譜并傅立 葉變換得到樣品內(nèi)部一個(gè)深度方向的全部信息，不過目前市場上響應(yīng)頻段在太赫茲波段的 面陣CCD數(shù)量少，價(jià)格高，制約了該系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中成像速度慢、成本高的缺陷，本發(fā)明的目的旨在解決W上技術(shù)問 題。
[0006] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種頻域光學(xué)相干層析裝置，所述裝置包括產(chǎn)生 T化的高穩(wěn)定性中壓隸燈、分束器、用于橫向掃描的電控二維平移臺(tái)、用于放置樣品的載物 臺(tái)、參考反射鏡、衍射光柵、電控一維平移臺(tái)、探測(cè)器；
[0007] 所述隸燈的出射光經(jīng)分束器分別通過樣品臂和參考臂，經(jīng)過干設(shè)再通過所述衍射 光柵后被所述探測(cè)器所接收；
[0008] 所述樣品臂包括用于所述橫向掃描的電控二維平移臺(tái)和所述用于放置樣品的載 物臺(tái)，用于將光入射到所述樣品內(nèi)部并反射回來；
[0009] 所述參考臂包括所述參考反射鏡，用于將光進(jìn)行反射并與通過所述樣品臂的光進(jìn) 行干設(shè)；
[0010] 所述探測(cè)器位于所述電控一維平臺(tái)上。
[0011] 優(yōu)選地，所述裝置還包括對(duì)所述探測(cè)器輸出的探測(cè)信號(hào)進(jìn)行放大處理的鎖相放大 器;記錄所述鎖相放大器輸出信號(hào)的電腦；W及控制所述電控二維平移臺(tái)W及所述電控一 維平移臺(tái)的控制器。
[0012] 優(yōu)選地，所述裝置還包括孔徑光闊，所述孔徑光闊在光路上位于所述分束器之前， 用于控制光斑尺寸大小并且增加干設(shè)對(duì)比度；
[0013] 優(yōu)選地，分束器是由在Mylar薄膜上制作的金屬光柵構(gòu)成的，其透射反射比為4:1;
[0014] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種頻域光學(xué)相干層析方法，其特征在于，所述方 法包括W下步驟：
[0015] (1)初始化電控二維平移臺(tái)到橫向掃描初始點(diǎn)，初始化電控一維平移臺(tái)使其沿衍 射光斑進(jìn)行橫向掃描；
[0016] (2)所述隸燈輸出的THz波入射到分束器上，分為參考光和樣品光，所述參考光經(jīng) 所述參考反射器反射回來，所述樣品光經(jīng)入射到所述樣品內(nèi)部反射回來，并匯聚到分束器 上的同一點(diǎn)；
[0017] (3)所述參考光和所述樣品光干設(shè)后，經(jīng)過所述衍射光柵被探測(cè)器接收。
[0018] 優(yōu)選地，所述方法還包括步驟(4)所述探測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再由鎖相放 大器放大處理并被電腦收集；
[0019] 優(yōu)選地，所述方法還包括步驟(5)對(duì)所述電腦采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)處理完成 S維重構(gòu)。
[0020] 總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的W上技術(shù)方案，與現(xiàn)有技術(shù)相比，能夠取得W下有 益效果：
[0021] (1)本結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的時(shí)域光學(xué)相干層析技術(shù)相比，由于不需要參考鏡的縱向掃描， 大大加快了成像速度。用點(diǎn)陣CCD掃描的方式取代面陣CCD，降低了系統(tǒng)裝置的成本。而且本 結(jié)構(gòu)采用寬譜隸燈作為光源，縱向成像分辨率可W達(dá)到100WI1。
【附圖說明】
[0022] 圖1是頻域光學(xué)相干層析系統(tǒng)示意圖；
[0023] 圖2是隸燈輸出光譜圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，W下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì) 本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用W解釋本發(fā)明，并 不用于限定本發(fā)明。
[0025] 為了解決現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明提供頻域光學(xué)相干層析系統(tǒng)與方法，利用 寬頻太赫茲的弱相干原理，可W實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)樣品的高精度=維圖像重構(gòu)。與此同時(shí)，由于頻 域OCT系統(tǒng)無需移動(dòng)參考鏡進(jìn)行軸向掃描，可W-次得到所有深度數(shù)據(jù)，所W加快了成像速 度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，太赫茲相干層析成像技術(shù)的縱向分辨率小于100WI1。該技術(shù)在高精度太 赫茲無損探測(cè)領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景，為太赫茲無損探測(cè)領(lǐng)域提供了一種全新的實(shí)驗(yàn)方 法。
[0026] 本發(fā)明的頻域光學(xué)相干層析系統(tǒng)與方法，包括產(chǎn)生THz的高穩(wěn)定性中壓隸燈1，具 有聚焦、準(zhǔn)直作用的第一鍛金離軸拋物面鏡2和第二鍛金離軸拋物面鏡3,控制進(jìn)入干設(shè)儀 的光斑尺寸大小并且增加干設(shè)對(duì)比度的孔徑光闊4,對(duì)高穩(wěn)定性中壓隸燈發(fā)出的THz波進(jìn)行 周期調(diào)制W供探測(cè)器探測(cè)的斬波器5,分束器6是由在Mylar薄膜上制作的金屬光柵構(gòu)成的， 其透射反射比為4:1，位于參考臂7上對(duì)參考光起聚焦作用的第=鍛金離軸拋物面鏡8,位于 參考臂上的鍛金高反鏡9,位于樣品臂10上對(duì)樣品光起聚焦和準(zhǔn)直作用的第四鍛金離軸拋 物面鏡11，位于樣品臂上的用于橫向掃描的電控二維平移臺(tái)12,由一片鍛侶的高反射鏡構(gòu) 成的用于放置樣品13的載物臺(tái)14,位于接收端15的對(duì)來自樣品臂10和參考臂7的光干設(shè)后 的信號(hào)進(jìn)行衍射的衍射光柵16,經(jīng)過聚焦透鏡17將衍射光匯聚，由放置在電控一維平移臺(tái) 19上的Golay點(diǎn)陣探測(cè)器18接收，對(duì)Golay點(diǎn)陣探測(cè)器18輸出的探測(cè)信號(hào)進(jìn)行放大處理的鎖 相放大器20,記錄鎖相放大器輸出信號(hào)的電腦21，W及控制位于樣品臂的電控二維平移臺(tái) 12W及位于接收端的電控一維平移臺(tái)19的控制器22。
[0027] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步詳細(xì)地說明。
[0028] 步驟1:初始化電控二維平移臺(tái)到橫向掃描初始點(diǎn)，初始化電控一維平移臺(tái)使其沿 衍射光斑進(jìn)行橫向掃描。與此同時(shí)高穩(wěn)定性隸燈1輸出覆蓋IT化-20T化頻率范圍THz波，經(jīng) 過鍛金離軸拋物面鏡2,3、孔徑光闊4及斬波器5后入射到分束器6上，分為參考光和樣品光。 參考光經(jīng)鍛金離軸拋物面鏡8入射到鍛金高反鏡9上被反射回來，經(jīng)過鍛金離軸拋物面鏡再 次入射到分束器上。同時(shí)樣品光經(jīng)鍛金離軸拋物面鏡11入射到樣品內(nèi)部并被反射回來，經(jīng) 過鍛金離軸拋物面鏡再次入射到分束器上，要保證光源發(fā)出的入射光，參考臂反射回的參 考光，樣品臂反射回的樣品光聚焦在分束器的同一點(diǎn)上。
[0029] 步驟2:根據(jù)邁克爾遜干設(shè)儀原理，重新經(jīng)過分束器的樣品光和參考光滿足相干條 件，產(chǎn)生包含樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息的干設(shè)信號(hào)，經(jīng)過衍射光柵16將復(fù)合光分成單色光，經(jīng)聚焦 透鏡17聚焦后的光譜被Golay點(diǎn)陣探測(cè)器18沿光軸垂直方向掃描探測(cè)，將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榘?含樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息的電信號(hào)。
[0030] 步驟3:通過鎖相放大器20對(duì)該電信號(hào)進(jìn)行鎖相放大處理并被電腦所收集。運(yùn)樣便 完成了一次深度成像，然后利用電控二維平移臺(tái)對(duì)樣品表面進(jìn)行二維掃描，最終完成對(duì)樣 品的S維成像。
[0031] 步驟4:對(duì)電腦采集到的=維數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)處理，結(jié)合相關(guān)軟件進(jìn)行=維重 構(gòu)。
[0032] 由弱相干光的干設(shè)理論可知，福射源的相干長度
其中Ao為福射源的中 屯、波長，A A為福射源的光譜寬度。僅當(dāng)參考臂和樣品臂之間的光程差小于相干長度，兩束 光才會(huì)出現(xiàn)干設(shè)現(xiàn)象。為了實(shí)現(xiàn)高精度的縱向成像，要求所使用光源具有較短的相干長度， 即具有較寬的福射光譜。實(shí)驗(yàn)所選擇的太赫茲福射源為高穩(wěn)定性隸燈，其輸出光譜如圖2所 示，輸出頻率主要集中在ITHz-lOTHz及11THZ-20THZ。
[0033] 頻域OCT由于其特性擁有著最大探測(cè)深度。如果參考鏡的虛像位置位于樣品表面， 那么深度di處所對(duì)應(yīng)的余弦函數(shù)的周期為Ji/nidi，AkFWHM中所包含干設(shè)條紋總數(shù)Mi為：
，可W得到
從而可W看出樣品軸向深度所有散射點(diǎn)具有 不同的干設(shè)條紋總數(shù)，軸向最深處對(duì)應(yīng)的頻率最高。在本系統(tǒng)中，通過設(shè)置點(diǎn)陣探測(cè)器采樣 間隔來得到采樣點(diǎn)數(shù)量為N，由于干設(shè)譜的對(duì)稱性，能檢測(cè)到的最大干設(shè)條紋總數(shù)為N/2,從 而得到了頻域OCT系統(tǒng)的最大成像深度d為：其中n為樣品的平均折射率，A 入為光譜寬度。
[0034] 本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，W上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用W 限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含 在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種頻域光學(xué)相干層析裝置，所述裝置包括產(chǎn)生THz的汞燈、分束器、用于橫向掃描 的電控二維平移臺(tái)、用于放置樣品的載物臺(tái)、參考反射鏡、衍射光柵、電控一維平移臺(tái)、探測(cè) 器； 所述汞燈的出射光經(jīng)分束器分別通過樣品臂和參考臂，經(jīng)過干涉再通過所述衍射光柵 后被所述探測(cè)器所接收； 所述樣品臂包括用于所述橫向掃描的電控二維平移臺(tái)和所述用于放置樣品的載物臺(tái)， 用于將光入射到所述樣品內(nèi)部并反射回來； 所述參考臂包括所述參考反射鏡，用于將光進(jìn)行反射并與通過所述樣品臂的光進(jìn)行干 涉； 所述探測(cè)器位于所述電控一維平臺(tái)上。2. 如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述裝置還包括對(duì)所述探測(cè)器輸出的探測(cè)信 號(hào)進(jìn)行放大處理的鎖相放大器;記錄所述鎖相放大器輸出信號(hào)的電腦；以及控制所述電控 二維平移臺(tái)以及所述電控一維平移臺(tái)的控制器。3. 如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述裝置還包括孔徑光闌，所述孔徑光闌在 光路上位于所述分束器之前，用于控制光斑尺寸大小并且增加干涉對(duì)比度。4. 如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，分束器是由在Mylar薄膜上制作的金屬光柵 構(gòu)成的，其透射反射比為4:1。5. -種采用如權(quán)利要求1-4中之一的所述裝置的頻域光學(xué)相干層析方法，其特征在于， 所述方法包括以下步驟： (1) 初始化電控二維平移臺(tái)到橫向掃描初始點(diǎn)，初始化電控一維平移臺(tái)使其沿衍射光 斑進(jìn)行橫向掃描； (2) 所述汞燈輸出的THz波入射到分束器上，分為參考光和樣品光，所述參考光經(jīng)所述 參考反射器反射回來，所述樣品光經(jīng)入射到所述樣品內(nèi)部反射回來，并匯聚到分束器上的 同一點(diǎn)； (3) 所述參考光和所述樣品光干涉后，經(jīng)過所述衍射光柵被探測(cè)器接收。6. 如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法還包括步驟(4)所述探測(cè)器將光信 號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再由鎖相放大器放大處理并被電腦收集。7. 如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法還包括步驟(5)對(duì)所述電腦采集的 數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)處理完成三維重構(gòu)。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種頻域光學(xué)相干層析裝置及方法，屬于太赫茲相干層析成像技術(shù)領(lǐng)域，現(xiàn)有的光學(xué)相干層析裝置速度慢，成本高；本發(fā)明的頻域光學(xué)相干層析裝置包括產(chǎn)生THz的汞燈、分束器、用于橫向掃描的電控二維平移臺(tái)、用于放置樣品的載物臺(tái)、參考反射鏡、衍射光柵、電控一維平移臺(tái)、探測(cè)器，由于不需要參考鏡的縱向掃描，大大加快了成像速度。用點(diǎn)陣CCD掃描的方式取代面陣CCD，降低了系統(tǒng)裝置的成本。而且本結(jié)構(gòu)采用寬譜汞燈作為光源，縱向成像分辨率可以達(dá)到100μm。
【IPC分類】G01N21/45, A61B5/00
【公開號(hào)】CN105534481
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201610039929
【發(fā)明人】高鵬, 凌福日
【申請(qǐng)人】華中科技大學(xué)
【公開日】2016年5月4日
【申請(qǐng)日】2016年1月21日