专利名称：Oct中基于时空分光的宽光谱高分辨探测方法及系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及光学相干层析成像(OCT)技术，尤其涉及一种OCT中基于时 空分光的宽光谱高分辨探测方法的系统。
背景技术：
光学相干层析成像(Optical Coherence Tomography,简称OCT)能实施活 体内部组织结构与生理功能的非接触、无损伤、高分辨率在体成像，在生物医 学成像领域有着广泛的应用。
目前的谱域OCT系统通过高速线阵CCD来并行采集干涉信号的光谱分量， 无需轴向扫描就可以得到样品的深度信息，具有快速和高灵敏度的特点，其系 统核心是探测臂中的快速光谱仪。在OCT系统中，系统的轴向分辨率是与光源 带宽成反比，光源带宽越宽，对应的相干长度就越短，轴向分辨率就越高。在 眼科、皮肤、肿瘤等学科中，超高分辨率(2-3um)的医学图像对临床疾病诊断 有着重要意义。因此，谱域OCT必须采用更宽光谱范围的光源，同时探测臂的 光栅光谱仪必须探测更宽的光谱成分，才能提高系统的轴向分辨率。国外很多 科研机构都开展了这方面的研究，如美国哈佛医学院的N.A.Nassif小组构建了 基于S90nm中心波长，带宽150nm的SLD (超辐射二极管)光源的超高分辨率 谱域OCT系统，轴向分辨率为2.9um;美国麻省理工的J. G. Fujimoto小组构建 了基于850nm中心波长，带宽144nm的飞秒激光器的超高分辨率超谱域OCT 系统，轴向分辨率为2.1um。在超高分辨率谱域OCT系统的探测臂部分，传统 的方法是采用更多像素数的线阵CCD来探测更多的光谱分量，或者基于有限像 素数的线阵CCD探测更宽的光谱范围，但牺牲光谱仪的光谱分辨率。由于线阵 CCD像素数的增加意味着视场的增大，除非设计更加复杂的光学成像系统，否 则在像面上(CCD感光面)不可避免的会出现严重的场曲现象，同时由于光谱 范围太宽，色散现象严重，导致不同色光的聚焦位置不同，使得光谱仪无法完 全分开各种色光而引入串扰(cross-talk),探测信噪比下降继而系统轴向分辨率 下降，最终降低了成像质量。而降低光谱仪的光谱分辨率意味着谱域OCT成像 深度的降低。因此，如何在有限成像视场的情况下使光栅光谱仪高分辨地测量 更宽广的光谱范围是超高分辨率谱域OCT系统研制的一大技术难点。
发明内容
为了克服上述技术难点的不足，本发明的目的在于提供了一种OCT中基于 时空分光的宽光谱高分辨探测方法的系统，在超高分辨率的谱域OCT系统的探 测臂部分，采用时间域和空间域两级分光的结构来实现高光谱分辨率的超宽带 光谱探测。
本发明的目的是通过如下技术方案实现的
一、 一种OCT中基于时空分光的宽光谱高分辨探测方法
在谱域OCT系统的探测臂采用时间域和空间域两级分光，实现谱域OCT
的宽带光谱高分辨率探测；其具体步骤如下
1) 在谱域OCT系统的探测臂中，先通过自由光谱范围大、光谱分辨率低 的声光调制器(acousto-optic tunable filter, AOTF)作为一级分光器件进行时间域 上的第一级分光，将宽带光谱在时间上分成序列窄带光谱依次输出；
2) 在谱域OCT系统的探测臂中，在一级分光器件之后，再通过光谱分辨 率高、自由光谱范围窄的空间域分光器件进行第二级分光，将来自声光调制器 的序列窄带光谱在空间域上实施进一步的分光；空间域分光器件虚像相控阵列
(Virtual Imaged Phased Array ， VIPA)的自由光谱范围大于声光调制器的光谱分 辨率；
3) 在谱域OCT系统的探测臂中，利用两级分光器件时空分光后的光谱， 通过由聚焦透镜和高速线阵CCD组成的光谱成像系统实施光谱成像和并行探 测。
二、 一种OCT中基于时空分光的宽光谱高分辨探测系统
本发明包括宽带光源、光隔离器、宽带光纤耦合器、四个偏振控制器、参
考臂、扫描探头和探测臂；从宽带光源出来的低相干光，经第一偏振控制器、 光隔离器入射到宽带光纤耦合器，经分光后一路经第二偏振控制器进入扫描探 头，另一路经第三偏振控制器进入参考臂，返回的光在宽带光纤耦合器中干涉 后，经第四偏振控制器，进入探测臂把干涉信号分解成光谱信号，最后这些光 谱信号传入计算机，在计算机进行处理，通过逆傅立叶变换重建图像。所述探
测臂包括声光调制器、准直透镜、柱面聚焦透镜、虚像相控阵列、聚焦透镜 和高速线阵CCD组成；干涉光先通过自由光谱范围大、光谱分辨率低的声光调
制器后，经准直透镜和柱面聚焦透镜，入射到一个光谱分辨率高、自由光谱范
围窄的虚像相控阵列，再由聚焦透镜成像和高速线阵CCD进行并行探测，实现 谱域OCT的宽光谱高分辨测量。所述扫描探头包括准直透镜、扫描振镜和聚焦透镜；经宽带光纤耦合器 分光后的光经第二偏振控制器、准直透镜、扫描振镜和聚焦透镜后照射到样品， 由原路返回经第二偏振控制器至宽带光纤耦合器。
所述参考臂包括准直透镜、色散补偿器、中性滤光片和平面反射镜；经 宽带光纤耦合器分光后的光经第三偏振控制器、准直透镜、色散补偿器、中性 滤光片和平面反射镜，由原路返回经第三偏振控制器至宽带光纤耦合器。
所述探测臂由声光调制器、准直透镜、柱面聚焦透镜、虚像相控阵列、 聚焦透镜和高速线阵CCD组成；先通过自由光谱范围大、光谱分辨率低的声光 调制器进行时间域上的第一级分光，将宽带光谱在时间上分成序列窄带光谱依 次输出。从声光调制器出射的序列窄带光谱经准直透镜和柱面聚焦透镜，入射 到一个光谱分辨率高、自由光谱范围窄的虚像相控阵列进行空间域上的第二级 分光。虚像相控阵列的自由光谱范围大于声光调制器的光谱分辨率，它将声光 调制器输出的序列窄带光谱在空间上进行高分辨分光。经前后两级分光器件时
空分光后的光谱，经聚焦透镜成像，采用高速线阵CCD进行并行探测，实现谱 域OCT的宽光谱高分辨测量。最后这些光谱信号传入计算机，并在计算机中实
施逆傅立叶变换等处理重建样品图像。
与背景技术相比，本发明具有的有益效果是
1、 通过声光调制器和虚像相控阵列在时间域和空间域上的两级分光，能够 实现高光谱分辨率的宽带光谱探测。相比传统的光栅光谱仪，光谱信号在时间
域上得到了预先处理，因此减小了光谱成像系统中CCD的视场。由于成像视场 变小，可以消除传统谱域OCT系统的光谱仪在大光谱范围探测时存在的光谱串
扰以及大视场时存在的场曲、畸变以及色散导致的离焦现象，能显著提高光谱 探测的信噪比。同时，西为光谱成像视场的减小，整个光谱探测系统更容易实 现小型化和集成化。
2、 由于声光调制器自由光谱范围很宽，虚像相控阵列的光谱分辨率很高， 两者级联而成的时空分光组合器件，可以突破传统成像光谱仪中光谱范围与光 谱分辨率的制约关系，实现宽带光谱的高分辨探测。
3、 本发明提出的宽光谱高分辨探测方法和系统除了可以应用于超高分辨率 谱域OCT系统中，也可以应用于其它光谱探测应用领域，如天文学，元素分析， 以及其它光谱成像系统中。
图1是本发明的系统结构原理示意图。图2是本发明探测臂的放大示意图。
图3是本发明的时序图。
图中1、宽带光源，2、光隔离器，3、宽带光纤耦合器，4、偏振控制器， 5、准直透镜，6、扫描振镜，7、聚焦透镜，8、样品，9、准直透镜，10、色散 补偿器，11、中性滤光片，12、平面反射镜，13、声光调制器，14、准直透镜， 15、柱面透镜，16、虚像相控阵列，17、聚焦透镜，18、高速线阵CCD， 19、 参考臂，20、扫描探头，21、探测臂。
具体实施例方式
下面结合附图和实施示例对本发明作进一步的说明
如图l、图2所示，本发明包括宽带光源l、光隔离器2、宽带光纤耦合器 3、四个偏振控制器4、参考臂19、扫描探头20和探测臂21。从宽带光源l出 来的低相干光，经第一偏振控制器4、光隔离器2入射到宽带光纤耦合器3，经 分光后， 一路经第二偏振控制器4进入扫描探头20，经准直透镜5、扫描振镜6 和聚焦透镜7后照射到样品8，由原路返回经第二偏振控制器4至宽带光纤耦合 器3;另一路经第三偏振控制器4进入参考臂19，经准直透镜9、色散补偿器 10、中性滤光片11和平面反射镜12，由原路返回经第三偏振控制器4至宽带光 纤耦合器3。从扫描探头20和参考臂19返回的光在宽带光纤耦合器3中干涉后， 经第四偏振控制器4，进入探测臂21。
在探测臂21中，干涉光首先进入声光调制器13，通过控制声光调制器的输 出频段，将整个宽带光谱范围内的光信号在时间上分成序列窄带光谱依次输出， 实现时间域上的第一次分光。声光调制器输出的窄带光谱，经准直透镜14，入 射柱面透镜15，被汇聚成一条直线，汇聚在虚像相控阵列16的下表面上，虚像 相控阵列16的自由光谱范围大于声光调制器13的光谱分辨率。除了入射窗口 之外，虚像相控阵列16的上表面镀有反射率100%的反射膜，将下表面反射的 能量全部反射回下表面，下表面则镀有高反射膜，上下表面的多次反射形成了 一系列由柱面透镜15所聚焦的平行光汇聚而成的直线的虚像，即虚像阵列。这 些虚像之间互相干涉产生了空间分光的作用。利用前后两级分光器件经时空分 光后的光谱，经聚焦透镜17成像，采用高速线阵CCD 18进行光谱的并行探测， 从而实现超宽带光谱的高分辨测量。最后这些光谱信号的测量结果传入计算机， 在计算机中进行逆傅立叶变换等处理来重建样品图像。
如图3所示，在所述探测臂中，通过控制加载在声光调制器13上的射频频 率，改变声光调制器13的输出频段，将整个宽带光谱范围内的光信号在时间上分成序列窄带光谱依次输出，实现时间域上的第一次分光。虚像相控阵列16对 每一个声光调制器13的窄带输出信号做进一步的空间分光，实现宽光谱的高分 辨时空域探测。
系统中偏振控制器4的作用是便于调整各个通道的偏振模式，以将偏振模 色散的影响降到最低，提高成像质量。
本发明公开的一种谱域OCT的宽光谱高分辨探测方法及系统，可以在有限 视场的情况下，对超宽光谱进行高分辨测量，从而能实现谱域OCT的超高轴向 分辨率，同时能改善传统谱域OCT系统光谱探测中由场曲引入的信噪比和轴向 分辨率下降等问题，在超高分辨率谱域OCT的光谱探测中有重要意义，也可以 用于其它领域的宽光谱高分辨探测系统。
权利要求
1、一种OCT中基于时空分光的宽光谱高分辨探测方法，其特征在于在谱域OCT系统的探测臂采用时间域和空间域两级分光，实现谱域OCT的宽带光谱高分辨率探测；其具体步骤如下1)在谱域OCT系统的探测臂中，先通过自由光谱范围大、光谱分辨率低的声光调制器作为一级分光器件进行时间域上的第一级分光，将宽带光谱在时间上分成序列窄带光谱依次输出；2)在谱域OCT系统的探测臂中，在一级分光器件之后，再通过光谱分辨率高、自由光谱范围窄的空间域分光器件进行第二级分光，将来自声光调制器的序列窄带光谱在空间域上实施进一步的分光；空间域分光器件虚像相控阵列的自由光谱范围大于声光调制器的光谱分辨率；3)在谱域OCT系统的探测臂中，利用两级分光器件时空分光后的光谱，通过由聚焦透镜和高速线阵CCD组成的光谱成像系统实施光谱成像和并行探测。
2、 一种实施权利要求1所述的一种OCT中基于时空分光的宽光谱高分辨 探测方法的系统，包括宽带光源(O、光隔离器(2)、宽带光纤耦合器(3)、 四个偏振控制器(4)、参考臂(19)、扫描探头(20)和探测臂(21);从宽带 光源(1)出来的低相干光，经第一偏振控制器(4)、光隔离器(2)入射到宽 带光纤耦合器(3)，经分光后一路经第二偏振控制器(4)进入扫描探头(20)， 另一路经第三偏振控制器(4)进入参考臂(19)，返回的光在宽带光纤耦合器(3)中干涉后，经第四偏振控制器(4)，进入探测臂(21)把干涉信号分解成 光谱信号，最后这些光谱信号传入计算机，在计算机进行处理，通过逆傅立叶 变换重建图像；其特征在于，所述探测臂(21):包括声光调制器(13)、准直 透镜(14)、柱面聚焦透镜(15)、虚像相控阵列(16)、聚焦透镜(17)和高速线 阵CCD (18)组成；干涉光先通过自由光谱范围大、光谱分辨率低的声光调制 器(13)后，经准直透镜(14)和柱面聚焦透镜(15)，入射到一个光谱分辨率高、 自由光谱范围窄的虚像相控阵列(16)，再由聚焦透镜(17)成像和高速线阵CCD(18)进行并行探测，实现谱域OCT的宽光谱高分辨测量。
3、 根据权利要求2所述的一种OCT中基于时空分光的宽光谱高分辨探测 方法的系统，其特征在于所述参考臂(19)包括准直透镜(9)、色散补偿器(10)、中性滤光片(11)和平面反射镜(12);经分光后的光从第三偏振控制器(4)、经准直透镜(9)、色散补偿器(10)、中性滤光片(11)和平面反射镜 (12)，由原路返回经第三偏振控制器(4)至宽带光纤耦合器(3)。
4、根据权利要求2所述的一种OCT中基于时空分光的宽光谱高分辨探测 方法的系统，其特征在于所述扫描探头(20)包括准直透镜(5)、扫描振镜(6) 和聚焦透镜(7);经分光后的光从第二偏振控制器(4)经准直透镜(5)、扫描 振镜(6)和聚焦透镜(7)后照射到样品(8)，由原路返回经第二偏振控制器 (4)至宽带光纤耦合器(3)。
全文摘要
本发明公开了一种OCT中基于时空分光的宽光谱高分辨探测方法及系统。从宽带光源发出的低相干光，经光隔离器入射到宽带光纤耦合器，经耦合器分光后分别进入扫面探头和参考臂，返回的光在宽带光纤耦合器中产生干涉，探测臂将干涉信号分解成不同光谱分量后实施探测，然后传入计算机重建样品图像。在探测臂中干涉光谱信号先通过低分辨率、宽自由光谱范围的时间域分光器件，再通过高分辨率、窄自由光谱范围的空间域分光器件，再由光谱成像系统探测。本发明能够在满足高光谱分辨率的前提下，减小光谱成像系统的视场，避免了大视场光谱成像时存在的场曲以及光谱串扰等问题，从而实现高信噪比、高分辨率的谱域OCT成像。
文档编号A61B5/00GK101617935SQ20091010097
公开日2010年1月6日 申请日期2009年8月6日 优先权日2009年8月6日
发明者丁志华, 彤 吴, 婕 孟, 凯 王, 川 王, 陈明惠 申请人:浙江大学