專利名稱：一種基于菲涅爾光譜儀的頻域光學(xué)相干層析成像系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種頻域光學(xué)相干層析成像系統(tǒng)，特別是關(guān)于一種基于菲涅爾光譜儀的頻域光學(xué)相干層析成像系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
近十幾年來(lái)光學(xué)相干CT (Optical Coherence Tomography，簡(jiǎn)稱OCT)技術(shù)發(fā)展迅速，該技術(shù)可以對(duì)生物組織或人體組織進(jìn)行斷層成像，分辨率遠(yuǎn)高于X射線成像和超聲波成像。特別是頻域光學(xué)相干CT(FD-OCT)技術(shù)，它不僅具有高分辨斷層成像能力，而且它具有頻域并行讀取能力，能夠一次讀取沿樣品某一深度方向的一線光信號(hào)，F(xiàn)D-OCT技術(shù)還具有高靈敏度的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)高速成像潛力巨大。在光纖化FD-OCT系統(tǒng)中，寬帶光由單模光纖傳導(dǎo)，經(jīng)環(huán)形器和耦合器后分成兩束，其中一束經(jīng)成像物鏡聚焦在樣品上，另一束經(jīng)可調(diào)衰減片照射在反射平面鏡上。樣品中不同深度的樣品光與參考光相干疊加，現(xiàn)有技術(shù)是將此相干光經(jīng)準(zhǔn)直器準(zhǔn)直平行后，再通過(guò)光柵將相干光的頻譜展開(kāi)，然后經(jīng)消色差透鏡聚焦在線陣CCD上。線陣CCD每曝光一次可以得到沿樣品深度方向一線的頻域信息，在計(jì)算機(jī)上作快速傅立葉變換后得到深度方向的一線數(shù)據(jù)，即樣品不同深度的返回光信號(hào)強(qiáng)度。但是，此時(shí)線陣CCD上記錄的頻譜是按近似等間隔的波長(zhǎng)而展開(kāi)的，而傅里葉變換要求頻譜按波數(shù)均勻展開(kāi)，否則會(huì)導(dǎo)致傅里葉變換后的空間域信號(hào)縱向分辨率變差?，F(xiàn)有的頻域光學(xué)相干層析成像系統(tǒng)還需要做波長(zhǎng)-波數(shù)轉(zhuǎn)換和重采樣的數(shù)據(jù)后處理過(guò)程，極大地影響了成像系統(tǒng)的成像速度。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明的目的是提供一種能夠極大地提高成像系統(tǒng)的成像速度， 且能夠有效避免像差問(wèn)題的基于菲涅爾光譜儀的頻域光學(xué)相干層析成像系統(tǒng)。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案一種基于菲涅爾光譜儀的頻域光學(xué)相干層析成像系統(tǒng)，其特征在于它包括一邁克爾遜干涉儀，一菲涅爾光譜儀和一傅里葉轉(zhuǎn)換模塊；所述邁克爾遜干涉儀將樣品某一深度方向各層返回的樣品光和參考光相干疊加后的相干光發(fā)射到所述菲涅爾光譜儀中，所述相干光在所述菲涅爾光譜儀中分別經(jīng)一準(zhǔn)直鏡和一擴(kuò)束透鏡組后平行入射到一菲涅爾波帶片上，所述菲涅爾波帶片將所述相干光按照波數(shù)等間隔展開(kāi)并投射到一線陣CCD上，不同波長(zhǎng)的所述相干光聚焦在不同的焦點(diǎn)上，所述線陣CCD中感光陣列沿著焦點(diǎn)排列的方向布置，所述線陣CCD讀取相干光的頻譜數(shù)據(jù)并發(fā)送到所述傅里葉轉(zhuǎn)換模塊，所述傅里葉轉(zhuǎn)換模塊通過(guò)離散傅里葉變換將所述頻譜數(shù)據(jù)還原為樣品空間位置信息。所述邁克遜干涉儀采用光纖化邁克爾遜干涉儀和空間化邁克爾遜干涉儀中的一種。所述光纖化邁克遜干涉儀包括一寬帶光源，所述寬帶光源輸出寬帶光經(jīng)一單模光纖發(fā)射到一光纖環(huán)形器中，所述寬帶光經(jīng)所述光纖環(huán)形器后發(fā)射到一光纖耦合器中，所述光纖耦合器將寬帶光分成兩束，兩束寬帶光分別經(jīng)一偏振控制器由所述單模光纖分別出射，其中一束所述寬帶光經(jīng)一準(zhǔn)直鏡、一衰減片和一透鏡發(fā)射到一參考鏡，另一束所述寬帶光經(jīng)另一準(zhǔn)直鏡發(fā)射到一掃描振鏡上，所述寬帶光經(jīng)所述掃描振鏡反射并經(jīng)一成像物鏡聚焦后發(fā)射到待檢測(cè)的樣品上，經(jīng)所述樣品各層反射的樣品光和經(jīng)所述參考鏡垂直反射的參考光分別沿著光原來(lái)的傳播路徑返回，并在空間發(fā)生相干疊加形成相干光返回到所述光纖環(huán)形器中，并經(jīng)所述單模光纖發(fā)射到所述菲涅爾光譜儀中。所述參考鏡采用能夠使所述寬帶光按照原傳播路徑返回的光學(xué)器件。所述成像物鏡采用能夠使入射到樣品上的所述寬帶光聚焦的光學(xué)器件。所述擴(kuò)束透鏡組采用兩對(duì)稱設(shè)置的透鏡，兩所述透鏡采用具有聚焦功能且能夠使入射到所述菲涅爾波帶片上的相干光為平行光的光學(xué)器件。所述菲涅爾波帶片的設(shè)計(jì)波長(zhǎng)、環(huán)數(shù)和最內(nèi)環(huán)直徑的選取分別根據(jù)所述邁克遜干涉儀的寬帶光源、所述菲涅爾光譜儀的分辨率和焦距確定；所述菲涅耳波帶片采用圓環(huán)形、 方形、橢圓形、螺旋形中的一種。本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點(diǎn)1、本發(fā)明采用邁克遜干涉儀和菲涅爾光譜儀結(jié)合，與現(xiàn)有技術(shù)相比省去了波長(zhǎng)-波數(shù)轉(zhuǎn)換和重采樣的數(shù)據(jù)處理過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了在波數(shù)域?qū)悠返囊痪€信號(hào)的快速提取，極大地減少了成像系統(tǒng)后處理時(shí)間，提高了成像速度和性能。2、由于傳統(tǒng)頻域相干層析成像系統(tǒng)采用了光柵和聚焦透鏡來(lái)將各種波長(zhǎng)的光匯聚到CCD上，本發(fā)明采用菲涅爾光帶片和線陣CCD，無(wú)需聚焦透鏡即可將不同波長(zhǎng)的光匯聚到CXD上，因此有效避免了聚焦透鏡帶來(lái)的像差問(wèn)題。3、本發(fā)明將相干光從菲涅爾波帶片投射到線陣CCD上，菲涅爾波帶片由于菲涅爾衍射效應(yīng)，平行入射到菲涅爾波帶片上的相干光會(huì)產(chǎn)生類似透鏡的現(xiàn)象，不同波長(zhǎng)的相干光會(huì)聚焦在不同的焦點(diǎn)上，與普通透鏡不同的是，其焦距與波長(zhǎng)成反比關(guān)系，即與波數(shù)成正比，因此將CCD沿著焦點(diǎn)排列的方向布置則可以直接實(shí)現(xiàn)波數(shù)均勻、等間隔采樣，有效避免了傅里葉變換后的空間域信號(hào)縱向分辨率變差的問(wèn)題。4、本發(fā)明調(diào)節(jié)簡(jiǎn)便，靈活性高，有利于頻域光學(xué)相干層析技術(shù)的進(jìn)一步實(shí)用化，不僅可以應(yīng)用于在頻域光學(xué)相干層析成像中，還可以應(yīng)用在其他需要進(jìn)行波長(zhǎng)-波數(shù)轉(zhuǎn)換和重采樣進(jìn)行成像或探測(cè)按波數(shù)均勻展開(kāi)的光譜分析中特別是可以應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)成像過(guò)程中。


圖1是本發(fā)明的成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。如圖1所示，本發(fā)明包括一光纖化邁克遜干涉儀1、一菲涅爾光譜儀2和一傅里葉轉(zhuǎn)換模塊(FFT) 3。光纖化邁克遜干涉儀1包括一寬帶光源10，寬帶光源10輸出的寬帶光經(jīng)單模光纖發(fā)射到一光纖環(huán)形器11中，寬帶光在光纖環(huán)形器11中按照固定的傳播路徑射出并經(jīng)單模光纖發(fā)射到一光纖耦合器12中，光纖耦合器12按照設(shè)定的分光比將寬帶光分成兩束，兩束寬帶光分別經(jīng)一偏振控制器13后由單模光纖分別出射，其中一束寬帶光經(jīng)一準(zhǔn)直鏡14、一衰減片15、一透鏡16后發(fā)射到一參考鏡17上。另一束寬帶光經(jīng)另一準(zhǔn)直鏡14發(fā)射到一掃描振鏡18上，寬帶光經(jīng)掃描振鏡18反射后經(jīng)一成像物鏡19聚焦后發(fā)射到待檢測(cè)的樣品上。經(jīng)樣品某一深度方向各層反射的樣品光和經(jīng)參考鏡17垂直反射的參考光分別沿著光原來(lái)的傳播路徑返回，并在空間發(fā)生相干疊加后返回到光纖環(huán)形器11中，相干光在光纖環(huán)形器11中按照固定的傳播路徑傳播并經(jīng)單模光纖發(fā)射到菲涅爾光譜儀2。相干光分別經(jīng)一準(zhǔn)直鏡21、一擴(kuò)束透鏡組22后平行入射到菲涅爾波帶片23上，菲涅爾波帶片23將相干光按照波數(shù)等間隔展開(kāi)并投射到線陣CCDM上，不同波長(zhǎng)的相干光聚焦在不同的焦點(diǎn)上，線陣CCDM中的感光陣列沿著焦點(diǎn)排列的方向布置，線陣CCDM每曝光一次可以得到沿著樣品深度方向一線的頻域信息，線陣CCDM讀取相干光的頻譜數(shù)據(jù)并通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡將其發(fā)送到傅里葉轉(zhuǎn)換模塊3，傅里葉轉(zhuǎn)換模塊3通過(guò)離散傅里葉變換將頻譜數(shù)據(jù)還原為樣品各層的空間位置信息，通過(guò)計(jì)算機(jī)顯示出樣品深度方向的結(jié)構(gòu)信息。為了獲取整個(gè)樣品的結(jié)構(gòu)圖像，可以通過(guò)不斷旋轉(zhuǎn)掃描振鏡1的方式獲取樣品的橫向方向信息和深度方向信息。其中，傅里葉轉(zhuǎn)換模塊3可以依據(jù)離散傅里葉變換公式將獲取的頻域數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)闃悠返目臻g位置信息，具體的公式如下
1 CO/(O=— \ Fiwyat dw
-co上述公式中，F(xiàn)(CO)為樣品的頻域數(shù)據(jù)，f(t)為樣品的空間位置信息。上述實(shí)施例中，由于本發(fā)明采用寬帶光源10，除設(shè)計(jì)波長(zhǎng)外，設(shè)計(jì)波長(zhǎng)附近光源帶寬范圍內(nèi)的其它波長(zhǎng)的光也會(huì)分別聚焦在不同焦點(diǎn)上，且波長(zhǎng)越長(zhǎng)焦距越短。距離菲涅爾波帶片23最近的焦點(diǎn)和最遠(yuǎn)的焦點(diǎn)之間的距離即為寬帶光被菲涅爾波帶片23聚焦的焦距范圍，線陣CCDM放置的位置及選用的長(zhǎng)度應(yīng)保證覆蓋此焦距范圍。上述各實(shí)施例中，本發(fā)明還可以利用分束鏡、自由空間光隔離器分別替換光纖環(huán)形器11和光纖耦合器12構(gòu)成空間化邁克爾遜干涉儀獲取參考光和樣品光在空間的相干疊加。上述各實(shí)施例中，光纖環(huán)形器11還可以采用光隔離器，光纖耦合器12可以采用 1*2的光纖耦合器也可以采用2 光纖耦合器。上述各實(shí)施例中，菲涅爾波帶片23可以根據(jù)所選用寬帶光源10的中心波長(zhǎng)來(lái)確定其設(shè)計(jì)波長(zhǎng)，根據(jù)菲涅爾光譜儀2的分辨率來(lái)確定菲涅爾波帶片23的環(huán)數(shù)，根據(jù)焦距來(lái)確定菲涅爾波帶片23的最內(nèi)環(huán)直徑的大小(焦距是菲涅爾波帶片對(duì)寬帶光帶寬范圍內(nèi)各個(gè)波長(zhǎng)的焦距，焦距與最內(nèi)環(huán)半徑的平方成正比，與波長(zhǎng)成反比)，只要能夠滿足上述參數(shù)要求，菲涅耳波帶片23可以為圓環(huán)形、方形、橢圓形、螺旋形或其它形狀。上述各實(shí)施例中，入射到菲涅爾波帶片23的相干光可以沿菲涅爾波帶片軸對(duì)稱入射，也可以偏軸入射或斜平行入射，但是入射光必須是平行光，這樣才能夠保證從菲涅爾波帶片23出射的光能夠按照波數(shù)均勻展開(kāi)。上述各實(shí)施例中，參考鏡17可以為普通平面反射鏡、角耦反射鏡或者其它可以使光按照原傳播路徑返回的光學(xué)器件。上述各實(shí)施例中，光纖耦合器12的分光比可以根據(jù)實(shí)際的需要來(lái)確定，為使樣品的OCT圖像具有高的信噪比，可以采用較高的分光比，例如分光比為90/10，使入射到樣品
5的寬帶光為寬帶光總光強(qiáng)的90%，入射到參考鏡17的寬帶光為寬帶光總光強(qiáng)的10%。上述各實(shí)施例中，成像物鏡19可以采用消色差聚焦透鏡、非球面聚焦透鏡和其它具有聚焦功能的光學(xué)器件，只要確保入射到樣品上的寬帶光為聚焦光即可。上述各實(shí)施例中，擴(kuò)束透鏡組22可以采用兩個(gè)對(duì)稱設(shè)置的透鏡22，按照兩個(gè)透鏡 22的焦距關(guān)系確定其之間的距離，兩透鏡22可以采用消色差擴(kuò)束透鏡、非球面聚焦透鏡、 球面鏡、角錐透鏡、球透鏡、凹面鏡等其它具有聚焦功能且能夠保證入射到菲涅爾波帶片23 的光為平行光的光學(xué)器件，也可以采用多組透鏡以提高擴(kuò)束比例。上述各實(shí)施例僅用于說(shuō)明本發(fā)明，其中各部件的結(jié)構(gòu)、設(shè)置位置及其連接方式都是可以有所變化的，凡是在本發(fā)明技術(shù)方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行的等同變換和改進(jìn)，均不應(yīng)排除在本發(fā)明的保護(hù)范圍之外。
權(quán)利要求
1.一種基于菲涅爾光譜儀的頻域光學(xué)相干層析成像系統(tǒng)，其特征在于它包括一邁克爾遜干涉儀，一菲涅爾光譜儀和一傅里葉轉(zhuǎn)換模塊；所述邁克爾遜干涉儀將樣品某一深度方向各層返回的樣品光和參考光相干疊加后的相干光發(fā)射到所述菲涅爾光譜儀中，所述相干光在所述菲涅爾光譜儀中分別經(jīng)一準(zhǔn)直鏡和一擴(kuò)束透鏡組后平行入射到一菲涅爾波帶片上，所述菲涅爾波帶片將所述相干光按照波數(shù)等間隔展開(kāi)并投射到一線陣CCD上，不同波長(zhǎng)的所述相干光聚焦在不同的焦點(diǎn)上，所述線陣CCD中感光陣列沿著焦點(diǎn)排列的方向布置，所述線陣CCD讀取相干光的頻譜數(shù)據(jù)并發(fā)送到所述傅里葉轉(zhuǎn)換模塊，所述傅里葉轉(zhuǎn)換模塊通過(guò)離散傅里葉變換將所述頻譜數(shù)據(jù)還原為樣品空間位置信息。
2.如權(quán)利要求1所述的一種基于菲涅爾光譜儀的頻域光學(xué)相干層析成像系統(tǒng)，其特征在于所述邁克遜干涉儀采用光纖化邁克爾遜干涉儀和空間化邁克爾遜干涉儀中的一種。
3.如權(quán)利要求2所述的一種基于菲涅爾光譜儀的頻域光學(xué)相干層析成像系統(tǒng)，其特征在于所述光纖化邁克遜干涉儀包括一寬帶光源，所述寬帶光源輸出寬帶光經(jīng)一單模光纖發(fā)射到一光纖環(huán)形器中，所述寬帶光經(jīng)所述光纖環(huán)形器后發(fā)射到一光纖耦合器中，所述光纖耦合器將寬帶光分成兩束，兩束寬帶光分別經(jīng)一偏振控制器由所述單模光纖分別出射， 其中一束所述寬帶光經(jīng)一準(zhǔn)直鏡、一衰減片和一透鏡發(fā)射到一參考鏡，另一束所述寬帶光經(jīng)另一準(zhǔn)直鏡發(fā)射到一掃描振鏡上，所述寬帶光經(jīng)所述掃描振鏡反射并經(jīng)一成像物鏡聚焦后發(fā)射到待檢測(cè)的樣品上，經(jīng)所述樣品各層反射的樣品光和經(jīng)所述參考鏡垂直反射的參考光分別沿著光原來(lái)的傳播路徑返回，并在空間發(fā)生相干疊加形成相干光返回到所述光纖環(huán)形器中，并經(jīng)所述單模光纖發(fā)射到所述菲涅爾光譜儀中。
4.如權(quán)利要求3所述的一種基于菲涅爾光譜儀的頻域光學(xué)相干層析成像系統(tǒng)，其特征在于所述參考鏡采用能夠使所述寬帶光按照原傳播路徑返回的光學(xué)器件。
5.如權(quán)利要求3所述的一種基于菲涅爾光譜儀的頻域光學(xué)相干層析成像系統(tǒng)，其特征在于所述成像物鏡采用能夠使入射到樣品上的所述寬帶光聚焦的光學(xué)器件。
6.如權(quán)利要求4所述的一種基于菲涅爾光譜儀的頻域光學(xué)相干層析成像系統(tǒng)，其特征在于所述成像物鏡采用能夠使入射到樣品上的所述寬帶光聚焦的光學(xué)器件。
7.如權(quán)利要求1或2或3或4或5或6所述的一種基于菲涅爾光譜儀的頻域光學(xué)相干層析成像系統(tǒng)，其特征在于所述擴(kuò)束透鏡組采用兩對(duì)稱設(shè)置的透鏡，兩所述透鏡采用具有聚焦功能且能夠使入射到所述菲涅爾波帶片上的相干光為平行光的光學(xué)器件。
8.如權(quán)利要求1或2或3或4或5或6所述的一種基于菲涅爾光譜儀的頻域光學(xué)相干層析成像系統(tǒng)，其特征在于所述菲涅爾波帶片的設(shè)計(jì)波長(zhǎng)、環(huán)數(shù)和最內(nèi)環(huán)直徑的選取分別根據(jù)所述邁克遜干涉儀的寬帶光源、所述菲涅爾光譜儀的分辨率和焦距確定；所述菲涅耳波帶片采用圓環(huán)形、方形、橢圓形、螺旋形中的一種。
9.如權(quán)利要求7所述的一種基于菲涅爾光譜儀的頻域光學(xué)相干層析成像系統(tǒng)，其特征在于所述菲涅爾波帶片的設(shè)計(jì)波長(zhǎng)、環(huán)數(shù)和最內(nèi)環(huán)直徑的選取分別根據(jù)所述邁克遜干涉儀的寬帶光源、所述菲涅爾光譜儀的分辨率和焦距確定；所述菲涅耳波帶片采用圓環(huán)形、方形、橢圓形、螺旋形中的一種。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于菲涅爾光譜儀的頻域光學(xué)相干層析成像系統(tǒng)，其特征在于它包括一邁克爾遜干涉儀，一菲涅爾光譜儀和一傅里葉轉(zhuǎn)換模塊；邁克爾遜干涉儀將樣品各層返回的樣品光和參考光相干疊加后的相干光發(fā)射到菲涅爾光譜儀中，相干光在菲涅爾光譜儀中分別經(jīng)一準(zhǔn)直鏡和一擴(kuò)束透鏡組后平行入射到一菲涅爾波帶片上，菲涅爾波帶片將相干光按照波數(shù)等間隔展開(kāi)并投射到一線陣CCD上，線陣CCD讀取相干光的頻譜數(shù)據(jù)并發(fā)送到傅里葉轉(zhuǎn)換模塊，傅里葉轉(zhuǎn)換模塊通過(guò)離散傅里葉變換將頻譜數(shù)據(jù)還原為樣品空間位置信息。本發(fā)明不僅可以應(yīng)用于在頻域光學(xué)相干層析成像中，還可以應(yīng)用在其他需要進(jìn)行波長(zhǎng)-波數(shù)轉(zhuǎn)換和重采樣進(jìn)行成像或探測(cè)按波數(shù)均勻展開(kāi)的光譜分析中特別是可以應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)成像過(guò)程中。
文檔編號(hào)G01N21/45GK102499648SQ20111036290
公開(kāi)日2012年6月20日 申請(qǐng)日期2011年11月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月16日
發(fā)明者張寧, 王成銘, 薛平, 鄭京鎬, 陳天元, 霍天成 申請(qǐng)人:清華大學(xué)