本發(fā)明涉及全場(chǎng)光學(xué)相干層析技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種基于補(bǔ)償干涉儀的串聯(lián)式全場(chǎng)光學(xué)層析成像裝置及方法。

背景技術(shù)：

光學(xué)相干層析術(shù)(OCT)是近20年來(lái)快速發(fā)展起來(lái)的一種光學(xué)斷層成像技術(shù)，通過(guò)參考光和樣品散射光的干涉來(lái)重構(gòu)樣品信息，實(shí)現(xiàn)光學(xué)切片的效果。由于OCT采用低相干光源，其分辨率較高，可達(dá)到微米級(jí)別。OCT技術(shù)相比傳統(tǒng)的生物醫(yī)學(xué)成像技術(shù)具有無(wú)損傷，靈敏度高，可實(shí)時(shí)成像等優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)和材料科學(xué)等領(lǐng)域。基于已有的OCT技術(shù)，發(fā)展了全場(chǎng)光學(xué)相干層析術(shù)(FF-OCT)，它使用低相干光源和高NA的顯微物鏡，Linnik干涉結(jié)構(gòu)，面陣CCD，不需要任何橫向掃描就可得到橫斷面的二維圖像，可以實(shí)現(xiàn)軸向掃描，重建樣品的三維圖像，其橫向和軸向分辨率都可達(dá)到亞微米級(jí)別。

隨著研究的深入，系統(tǒng)的小型化成為熱點(diǎn)趨勢(shì)。Linnik干涉結(jié)構(gòu)的雙臂式結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜不利于小型化，共光路結(jié)構(gòu)是理想的選擇。共光路的干涉結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單穩(wěn)定，但雙臂的距離較大，用于光源帶寬較大的系統(tǒng)時(shí)雙臂距離超過(guò)相干長(zhǎng)度，導(dǎo)致無(wú)法干涉，而使用帶寬較小的光源又會(huì)導(dǎo)致軸向分辨率較差。為了保證高軸向分辨率，在光源帶寬較大的前提下，提出了用第二個(gè)干涉儀來(lái)補(bǔ)償光程，即串聯(lián)式FF-OCT系統(tǒng)。

現(xiàn)有的串聯(lián)式FF-OCT系統(tǒng)的橫向和軸向分辨率都受到一定限制。已有研究中一般使用中心波長(zhǎng)約為830nm的SLD或者可見(jiàn)光段的氙弧燈作為系統(tǒng)光源。盡管中心波長(zhǎng)為830nm的SLD光源可以更好的對(duì)生物組織成像，但其帶寬(幾十個(gè)nm)相比于熱光源如鹵素?zé)?帶寬一般為幾百個(gè)nm)較小，限制了系統(tǒng)的軸向分辨率。氙弧燈相比熱光源能提供更好的照明和入射功率，但是其帶寬依然較小，軸向分辨率一般在十幾個(gè)到幾個(gè)μm。同時(shí)探測(cè)干涉儀物鏡的數(shù)值孔徑較小，橫向分辨率受到影響。結(jié)合氙弧燈和數(shù)值孔徑較大的光纖傳像束可以得到微米級(jí)別的橫向和軸向分辨率，但距離傳統(tǒng)FF-OCT系統(tǒng)1微米級(jí)別的分辨率還有較大差距。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種操作方便、分辨率高、成像速度快的基于補(bǔ)償干涉儀的串聯(lián)式全場(chǎng)光學(xué)層析成像裝置及方法，結(jié)構(gòu)緊湊、便于手持化或內(nèi)窺化。

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：一種基于補(bǔ)償干涉儀的串聯(lián)式全場(chǎng)光學(xué)層析成像裝置，包括寬帶鹵素光源、科勒照明系統(tǒng)、補(bǔ)償干涉儀、第二分光棱鏡、探測(cè)干涉儀、樣品、成像透鏡和面陣CCD；寬帶鹵素光源發(fā)出的光經(jīng)過(guò)科勒照明系統(tǒng)進(jìn)入補(bǔ)償干涉儀，經(jīng)補(bǔ)償干涉儀兩臂反射回來(lái)的光被第二分光棱鏡分成兩束光，其中一束進(jìn)入探測(cè)干涉儀，進(jìn)入探測(cè)干涉儀的光一部分被反射、另一部分穿過(guò)探測(cè)干涉儀對(duì)樣品照明；經(jīng)由探測(cè)干涉儀的反射光作為參考光，該參考光和樣品的后向散射光相遇發(fā)生干涉，該干涉信號(hào)穿過(guò)第二分光棱鏡后，經(jīng)過(guò)成像透鏡聚焦到面陣CCD上。

進(jìn)一步地，所述寬帶鹵素光源為T(mén)horlabs的OSL1高強(qiáng)度寬帶鹵素?zé)艄庠矗β蕿?50W，中心波長(zhǎng)為600nm，帶寬為300nm，相干長(zhǎng)度為1.2μm。

進(jìn)一步地，所述科勒照明系統(tǒng)包括順次設(shè)置的前置聚光鏡、孔徑光闌、視場(chǎng)光闌、后置聚光鏡，寬帶鹵素光源發(fā)出的光束經(jīng)前置聚光鏡后，第一次成像于孔徑光闌處，后置聚光鏡將該處光源像二次成像于探測(cè)干涉儀中顯微物鏡的后焦面，視場(chǎng)光闌對(duì)照明范圍進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)樣品的均勻照明。

進(jìn)一步地，所述補(bǔ)償干涉儀基于邁克爾遜式結(jié)構(gòu)，包括第一分光棱鏡、第一反射鏡、第二反射鏡、壓電促動(dòng)器、線性位移臺(tái)，補(bǔ)償干涉儀兩臂放置相同的反射鏡即第一反射鏡、第二反射鏡，第二反射鏡固定設(shè)置于線性位移臺(tái)，壓電促動(dòng)器固定設(shè)置于第二反射鏡的非反射面，線性位移臺(tái)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)光程和軸向掃描，壓電促動(dòng)器實(shí)現(xiàn)移相干涉測(cè)量。

進(jìn)一步地，所述探測(cè)干涉儀基于菲索干涉結(jié)構(gòu)，包括顯微物鏡、載玻片；載玻片作為分光平面，載玻片反射的光作為參考光，樣品的后向散射光作為樣品光。

一種如所述基于補(bǔ)償干涉儀的串聯(lián)式全場(chǎng)光學(xué)層析成像裝置的成像方法，包括以下步驟：

步驟1，寬帶鹵素光源發(fā)射出的低相干光，經(jīng)過(guò)科勒照明系統(tǒng)后進(jìn)入補(bǔ)償干涉儀，調(diào)節(jié)補(bǔ)償干涉儀使其兩臂的光產(chǎn)生干涉；

步驟2，經(jīng)過(guò)補(bǔ)償干涉儀的光進(jìn)入探測(cè)干涉儀，調(diào)節(jié)樣品至探測(cè)干涉儀中顯微物鏡焦面處，實(shí)現(xiàn)全場(chǎng)均勻照明；

步驟3，對(duì)樣品均勻照明后調(diào)節(jié)補(bǔ)償干涉儀，使探測(cè)干涉儀兩臂信號(hào)發(fā)生干涉；

步驟4，探測(cè)干涉儀中的干涉信號(hào)經(jīng)成像透鏡后進(jìn)入面陣CCD，從而得到樣品層析圖。

進(jìn)一步地，步驟1所述科勒照明系統(tǒng)包括順次設(shè)置的前置聚光鏡、孔徑光闌、視場(chǎng)光闌、后置聚光鏡，寬帶鹵素光源發(fā)出的光束經(jīng)前置聚光鏡后，第一次成像于孔徑光闌處，后置聚光鏡將該處光源像二次成像于探測(cè)干涉儀中顯微物鏡的后焦面，視場(chǎng)光闌對(duì)照明范圍進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)樣品的均勻照明。

進(jìn)一步地，步驟1所述補(bǔ)償干涉儀基于邁克爾遜式結(jié)構(gòu)，包括第一分光棱鏡、第一反射鏡、第二反射鏡、壓電促動(dòng)器、線性位移臺(tái)，補(bǔ)償干涉儀兩臂放置相同的反射鏡即第一反射鏡、第二反射鏡，第二反射鏡固定設(shè)置于線性位移臺(tái)，壓電促動(dòng)器固定設(shè)置于第二反射鏡的非反射面，線性位移臺(tái)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)光程和軸向掃描，壓電促動(dòng)器實(shí)現(xiàn)移相干涉測(cè)量。

進(jìn)一步地，步驟2所述探測(cè)干涉儀基于菲索干涉結(jié)構(gòu)，包括顯微物鏡、載玻片；載玻片作為分光平面，載玻片反射的光作為參考光，樣品的后向散射光作為樣品光。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)為：(1)采用了雙干涉儀串聯(lián)式結(jié)構(gòu)，菲索結(jié)構(gòu)的探測(cè)干涉儀結(jié)構(gòu)緊湊，對(duì)環(huán)境影響不敏感，穩(wěn)定可靠；邁克爾遜結(jié)構(gòu)的補(bǔ)償干涉儀操作簡(jiǎn)單，調(diào)節(jié)方便，通過(guò)系統(tǒng)中的線性位移臺(tái)可以對(duì)樣品進(jìn)行軸向掃描，重建出樣品的三維圖像，系統(tǒng)的軸向分辨率和橫向分辨率都可達(dá)到亞微米級(jí)別；(2)采用了高NA的顯微物鏡加載玻片的探測(cè)干涉儀設(shè)計(jì)：采用高NA的顯微物鏡可得到較高的橫向分辨率，同時(shí)載玻片作為分光平面而不使用特殊的分光鏡可使結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單小巧，樣品只需放在載玻片上就可以實(shí)現(xiàn)測(cè)量，體積小至為3cm×3cm×10cm；(3)便于實(shí)現(xiàn)手持化：通過(guò)光纖連接探測(cè)干涉儀和系統(tǒng)其他部分，探測(cè)干涉儀可以手持對(duì)樣品進(jìn)行測(cè)量；探測(cè)干涉儀的菲索結(jié)構(gòu)對(duì)外界震動(dòng)不敏感，同時(shí)探測(cè)干涉儀體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有進(jìn)一步小型化的潛力。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明基于補(bǔ)償干涉儀的串聯(lián)式全場(chǎng)光學(xué)層析成像裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明基于補(bǔ)償干涉儀的串聯(lián)式全場(chǎng)光學(xué)層析成像裝置的光程補(bǔ)償示意圖。

圖3為本發(fā)明實(shí)施例中所得不同深度的層析圖，其中(a)是洋蔥細(xì)胞表面的普通顯微圖像，(b)～(e)依次為同一位置洋蔥表面以下10μm、20μm、30μm、40μm處的層析圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明提出一種基于補(bǔ)償干涉儀的可用于手持式或內(nèi)窺式探頭的串聯(lián)式全場(chǎng)光學(xué)層析成像裝置及方法。本成像系統(tǒng)基于全場(chǎng)光學(xué)層析術(shù)：寬帶光源發(fā)出的光經(jīng)過(guò)科勒照明系統(tǒng)后進(jìn)入補(bǔ)償干涉儀，從補(bǔ)償干涉儀出來(lái)的光經(jīng)分光棱鏡進(jìn)入探測(cè)干涉儀并對(duì)樣品均勻照明，探測(cè)干涉儀中參考臂產(chǎn)生的參考光和樣品的后向散射光在經(jīng)過(guò)之前補(bǔ)償干涉儀的光程補(bǔ)償后發(fā)生干涉，干涉信號(hào)通過(guò)分光棱鏡進(jìn)入CCD探測(cè)器，無(wú)需橫向掃描就可以獲得二維圖像。

如圖1所示，本發(fā)明基于補(bǔ)償干涉儀的串聯(lián)式全場(chǎng)光學(xué)層析成像裝置，包括寬帶鹵素光源1、科勒照明系統(tǒng)、補(bǔ)償干涉儀、第二分光棱鏡11、探測(cè)干涉儀、樣品14、成像透鏡15和面陣CCD16；寬帶鹵素光源1發(fā)出的光經(jīng)過(guò)科勒照明系統(tǒng)進(jìn)入補(bǔ)償干涉儀，經(jīng)補(bǔ)償干涉儀兩臂反射回來(lái)的光被第二分光棱鏡11分成兩束光，其中一束進(jìn)入探測(cè)干涉儀，進(jìn)入探測(cè)干涉儀的光一部分被反射、另一部分穿過(guò)探測(cè)干涉儀對(duì)樣品14照明；經(jīng)由探測(cè)干涉儀的反射光作為參考光，該參考光和樣品14的后向散射光相遇發(fā)生干涉，該干涉信號(hào)穿過(guò)第二分光棱鏡11后，經(jīng)過(guò)成像透鏡15聚焦到面陣CCD16上。

優(yōu)選地，所述寬帶鹵素光源1為T(mén)horlabs的OSL1高強(qiáng)度寬帶鹵素?zé)艄庠?，功率?50W，中心波長(zhǎng)為600nm，帶寬為300nm，相干長(zhǎng)度為1.2μm。

進(jìn)一步地，所述科勒照明系統(tǒng)包括順次設(shè)置的前置聚光鏡2、孔徑光闌3、視場(chǎng)光闌4、后置聚光鏡5，寬帶鹵素光源1發(fā)出的光束經(jīng)前置聚光鏡2后，第一次成像于孔徑光闌3處，后置聚光鏡5將該處光源像二次成像于探測(cè)干涉儀中顯微物鏡的后焦面，這樣照射到樣品上的是均勻照明光，可避免生物組織被灼傷。視場(chǎng)光闌4對(duì)照明范圍進(jìn)行控制，調(diào)整光斑大小，實(shí)現(xiàn)樣品的均勻照明。

進(jìn)一步地，所述補(bǔ)償干涉儀基于邁克爾遜式結(jié)構(gòu)，包括第一分光棱鏡6、第一反射鏡7、第二反射鏡8、壓電促動(dòng)器9、線性位移臺(tái)10，補(bǔ)償干涉儀兩臂放置相同的反射鏡即第一反射鏡7、第二反射鏡8，第二反射鏡8固定設(shè)置于線性位移臺(tái)10，壓電促動(dòng)器9固定設(shè)置于第二反射鏡8的非反射面，線性位移臺(tái)10實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)光程和軸向掃描，壓電促動(dòng)器9實(shí)現(xiàn)移相干涉測(cè)量。通過(guò)調(diào)節(jié)線性位移臺(tái)10，補(bǔ)償干涉儀兩臂的光發(fā)生干涉，作為基準(zhǔn)信號(hào)。帶有基準(zhǔn)信號(hào)的光被第二分光棱鏡11分成50：50的兩束光，一束進(jìn)入探測(cè)干涉儀，另外一束射入自由空間損失掉。

進(jìn)一步地，所述探測(cè)干涉儀基于菲索干涉結(jié)構(gòu)，包括顯微物鏡12、載玻片13；載玻片13作為分光平面，載玻片13反射的光作為參考光，樣品14的后向散射光作為樣品光。顯微物鏡12的放大倍數(shù)為20X，數(shù)值孔徑為0.4。使用載玻片13作為分光平板，部分光經(jīng)載玻片13反射，部分光穿過(guò)載玻片13實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品14的均勻照明。將經(jīng)由載玻片13的反射光作為參考光，樣品14的后向散射光作為樣品光。兩者經(jīng)成像透鏡15聚焦到面陣CCD16上，最后由計(jì)算機(jī)處理面陣CCD16接收到的信號(hào)。

結(jié)合圖2，D為探測(cè)干涉儀兩臂的距離差，D₁為第一分光棱鏡6到第一反射鏡7間的距離，D₂為第一分光棱鏡6到第二反射鏡8間的距離，探測(cè)干涉儀兩臂距離差D固定且大于光源相干長(zhǎng)度，需要通過(guò)補(bǔ)償干涉儀對(duì)光程進(jìn)行補(bǔ)償才能發(fā)生干涉。調(diào)節(jié)線性位移臺(tái)10補(bǔ)償參考光和樣品光的光程，滿足關(guān)系D＝|D₁-D₂|時(shí)光程得到補(bǔ)償，探測(cè)干涉儀兩臂信號(hào)發(fā)生干涉，產(chǎn)生最終的待探測(cè)信號(hào)。

本發(fā)明還提供了所述基于補(bǔ)償干涉儀的串聯(lián)式全場(chǎng)光學(xué)層析成像裝置的成像方法，包括以下步驟：

步驟1，寬帶鹵素光源1發(fā)射出的低相干光，經(jīng)過(guò)科勒照明系統(tǒng)后進(jìn)入補(bǔ)償干涉儀，調(diào)節(jié)補(bǔ)償干涉儀使其兩臂的光產(chǎn)生干涉；

步驟2，經(jīng)過(guò)補(bǔ)償干涉儀的光進(jìn)入探測(cè)干涉儀，調(diào)節(jié)樣品14至探測(cè)干涉儀中顯微物鏡焦面處，實(shí)現(xiàn)全場(chǎng)均勻照明；

步驟3，對(duì)樣品14均勻照明后調(diào)節(jié)補(bǔ)償干涉儀，使探測(cè)干涉儀兩臂信號(hào)發(fā)生干涉；

步驟4，探測(cè)干涉儀中的干涉信號(hào)經(jīng)成像透鏡15后進(jìn)入面陣CCD16，從而得到樣品層析圖。

進(jìn)一步地，步驟1所述科勒照明系統(tǒng)包括順次設(shè)置的前置聚光鏡2、孔徑光闌3、視場(chǎng)光闌4、后置聚光鏡5，寬帶鹵素光源1發(fā)出的光束經(jīng)前置聚光鏡2后，第一次成像于孔徑光闌3處，后置聚光鏡5將該處光源像二次成像于探測(cè)干涉儀中顯微物鏡的后焦面，視場(chǎng)光闌4對(duì)照明范圍進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)樣品的均勻照明。

進(jìn)一步地，步驟2所述探測(cè)干涉儀基于菲索干涉結(jié)構(gòu)，包括顯微物鏡12、載玻片13；載玻片13作為分光平面，載玻片13反射的光作為參考光，樣品14的后向散射光作為樣品光。

進(jìn)一步地，步驟1所述補(bǔ)償干涉儀基于邁克爾遜式結(jié)構(gòu)，包括第一分光棱鏡6、第一反射鏡7、第二反射鏡8、壓電促動(dòng)器9、線性位移臺(tái)10，補(bǔ)償干涉儀兩臂放置相同的反射鏡即第一反射鏡7、第二反射鏡8，第二反射鏡8固定設(shè)置于線性位移臺(tái)10，壓電促動(dòng)器9固定設(shè)置于第二反射鏡8的非反射面，線性位移臺(tái)10實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)光程和軸向掃描，壓電促動(dòng)器9實(shí)現(xiàn)移相干涉測(cè)量。步驟1、3的調(diào)節(jié)中一共可以得到3組干涉條紋，以補(bǔ)償干涉儀的干涉條紋作為基準(zhǔn)位置，通過(guò)線性位移臺(tái)10向兩個(gè)方向調(diào)節(jié)可得到其他2組補(bǔ)償后的干涉條紋，從而對(duì)樣品14進(jìn)行軸向掃描，重建出樣品14的三維圖像，系統(tǒng)的軸向分辨率和橫向分辨率都可達(dá)到亞微米級(jí)別。

實(shí)施例1

本實(shí)施例中，采用基于補(bǔ)償干涉儀的串聯(lián)式全場(chǎng)光學(xué)層析成像裝置進(jìn)行成像，具體調(diào)節(jié)步驟包括：

步驟1，寬帶鹵素光源1發(fā)出的光經(jīng)過(guò)科勒照明系統(tǒng)進(jìn)入補(bǔ)償干涉儀，調(diào)節(jié)補(bǔ)償干涉儀中線性位移臺(tái)10，使補(bǔ)償干涉儀中兩臂信號(hào)發(fā)生干涉，得到第一組干涉條紋，即基準(zhǔn)位置；

步驟2，經(jīng)過(guò)補(bǔ)償干涉儀的光被第一分光棱鏡6分為兩束，其中一束進(jìn)入探測(cè)干涉儀，將樣品14置于探測(cè)干涉儀中顯微物鏡12的焦面上，實(shí)現(xiàn)樣品14的均勻照明；

步驟3，以步驟1中的基準(zhǔn)位置為起點(diǎn)，調(diào)節(jié)補(bǔ)償干涉儀中線性位移臺(tái)10，對(duì)探測(cè)干涉儀中兩臂的光程差進(jìn)行補(bǔ)償，在基準(zhǔn)位置正負(fù)兩個(gè)方向上各能得到一組樣品的干涉儀條紋，補(bǔ)償原理如圖2；

步驟4，重復(fù)步驟3，以基準(zhǔn)位置的干涉條紋為起點(diǎn)，找到另外2組經(jīng)過(guò)補(bǔ)償?shù)臉悠犯缮鏃l紋并選擇其中一組干涉條紋的位置為測(cè)量位置；

步驟5，向補(bǔ)償干涉儀中的壓電促動(dòng)器9施加調(diào)制信號(hào)，對(duì)系統(tǒng)中光束的相位進(jìn)行調(diào)制，得到一系列干涉條紋圖像，最后由解調(diào)制算法還原出樣品的層析圖像。

通過(guò)該系統(tǒng)得到的洋蔥表面以下不同深度的層析圖如圖3所示：圖3(a)是洋蔥細(xì)胞表面的普通顯微圖像；圖3(b)～(e)是同一位置不同深度處的層析圖，分別在洋蔥表面以下10μm、20μm、30μm、40μm處。