专利名称：可调节的频域光学相干层析成像方法及其系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及频域光学相干层析成像(Fourier Domain Optical CoherenceTomogr即hy，简称FD0CT)，是一种可调节的频域光学相干层析成像方法及其系 统，利用变周期光栅，实现探测深度范围和深度分辨率可调节的频域光学相干层析成像。
背景技术：
光学相干层析成像(Optical Coherence Tomography,简称OCT)是近年来发展起 来的一种成像技术。它利用低相干光干涉原理，获得被测物体不同深度层的反射和背向散 射信号，通过对接收信号的处理和成像，得到层析图。非侵入测量是该技术的一个突出优 点，因而常被用于眼科诊断。现在，OCT技术已不局限于此，它被广泛用于医学、生物学、材 料学等方面。 频域光学相干层析成像(FDOCT)技术是在原有时域光学相干层析成像技术基础 上发展而来的，其突出优点是无需深度方向的扫描，可以同时获得被测物体不同深度的结 构信息。相对于时域光学相干层析成像技术，FDOCT技术能获得更大的探测灵敏度和更 快的探测速度(参见在先技术[l]， R丄eitgeb， C. K. Hitzenberger， Adolf F. Fercher， Performance of fourier domain vs. time domain opticalcoherence tomography, Optics Express, Vol. 11， Issue8， 2003， pp. 889-894) 。 Maciej Wojtkowski等人运用频 域光学相干层析成像技术对人的视网膜在体成像进行了研究，显示了频域光学相干层析 成像技术的实用价值(参见在先技术[2]， MaciejWojtkowski， Rainer Leitgeb， Andrzej Kowalczyk， Tomasz Bajraszewski， AdolfF. Fercher， In vivo human retinal imaging by Fourier domain optical coherencetomography， J. Biomed. Opt. ， Vol.7， No. 3，2002， pp. 457-463)。还有在先技术研究了消除FDOCT系统中寄生像的干扰的方法(参见在先技术 [3]，M. Wojtkowski，A. Kowalczyk，R. Leitgeb，A. F. Fercher，Full range complex spectral opticalcoherence tomography technique in eye imaging, Optics Lerrers， Vol. 27， No. 16， 2002， pp. 1415-1417 ;步鹏，复频域光学相干层析成像技术的研究(博士论文)，中国 科学院上海光学精密机械研究所，2008)。频域光学相干层析成像系统主要由宽光谱光源、 迈克尔逊干涉仪和光谱仪(主要元件包括分光光栅、聚焦透镜和探测器)三部分组成，通过 对被测物体的探测得到层析图。 在FD0CT系统中，当A;t^^^A;iF,时(A A为探测的光谱宽度，A A FWHM为
光源的半峰全宽)，频域光学层析成像系统探测的深度分辨率Sz达到理论值，表示为 2!n2 V
;zT7 A义j
(A。表示FD0CT系统的宽带光源的中心波长，n为被测物体的介质折射率)
探测的深度范围z^表示为';^ (N表示探测器用于探测的像素数)。然而，采用FDOCT 技术获得的探测深度范围和深度分辨率为固定的值，当测量对探测深度范围和深度分辨率有多个不同的要求时，采用传统FDOCT技术方法及系统则难以满足要求。不但如此，随着大 谱宽光源的使用，为了获得较高深度分辨率的探测结果，又希望达到一定的探测深度范围， 探测器的像素阵列长度和像素密度(用探测器的单位像素宽度表示)变得难以满足要求。
发明内容
本发明的目的是为了克服在先技术的不足，提供一种可调节的频域光学相干层析 成像方法及其系统。该方法和系统既能够实现探测深度范围和深度分辨率可调节的频域光 学相干层析成像，从而获得不同探测深度范围及不同深度分辨率的层析图；又能配合大谱 宽光源的使用，通过调节光栅周期和探测器位置，解决谱宽较大时探测器像素阵列长度受 限的问题。 变周期光栅是一种周期可以在一定范围内根据设置而改变的光栅，它是可 调光栅的一种。可调光栅已为光学系统开启了全新的发展方向，光学系统的设计可 以因此更具弹性(见在先技术[4]，微可调变光栅元件，http:〃丽w. itrc.org. tw/ Research/Product/Nano/grating. php ;杨裕胜，周期与闪耀角可调变光栅元件之设计研 发(博士论文)，国立清华大学动力机械工程学系，2009， http:〃ir. lib.nthu. edu. tw/ handle/987654321/1776)。 前文已述，当A义
7T
21n2
A^,时，频域光学层析成像系统探测的深度分辨率S z
达到理论值
2!n2 A2
;但是当光源的谱宽较大，系统受到探测器像素阵列长度和像素密
度的限制，A^^:^A^,时，探测的深度分辨率和深度范围受探测的光谱宽度的影响。
21n2
将频域光学层析成像系统中的分光光栅改为变周期光栅，设入射光与光^ e 。，当光栅周期被调整为d，将探测器移动到如下(1)式所示位置
f法线的夹角为 <formula>formula see original document page 4</formula> h (d)表示探测器中心点到光谱仪透镜光轴的垂直距离，探测的深度范围zm 度分辨率S z分别为 <formula>formula see original document page 4</formula> 式中f表示光谱仪透镜的焦距，p表示被探测的分光光栅衍射的光谱级次，L表示 探测器的像素阵列长度，S L表示探测器的单位像素宽度。 由此，可以通过调节光栅周期来调节系统的探测深度范围和深度分辨率，当探测 的侧重点在获得更大的探测深度范围时，使用更小的光栅周期，此时深度分辨率将随之降 低；当探测的侧重点在获得更高的深度分辨率时，使用较大的光栅周期，此时探测深度范围 将随之减小。也可以结合使用，先以小的光栅周期、较大的探测深度范围寻找感兴趣的局部深度范围，再以较大的光栅周期、较高的深度分辨率获得更清晰的层析图。
本发明的技术解决方案如下 —种可调节的频域光学相干层析成像方法，特别是探测深度范围和深度分辨率可 调节的方法，特点在于该方法包括下列步骤 ①一台频域光学相干层析成像系统，包括宽带光源、迈克尔逊干涉仪和光谱仪，所 述的光谱仪包括分光光栅、透镜和探测器，将所述的分光光栅改设为变周期光栅装置；
②根据期望的探测深度范围zmax或深度分辨率S z，确定光栅的周期d :
根据期望的探测深度范围zmax或深度分辨率S z利用下列算式计算并确定光栅的 周期d，或由深度范围z^和深度分辨率S z计算光栅的周期d，以获得最接近于期望的深 度范围zmax和深度分辨率S z而确定光栅的周期d : 鹏 2/7<5丄/3i-JTT, 1 p2、 式中f表示光谱仪透镜的焦距，p表示的分光光栅衍射的光谱级次，L表示探测器
的像素阵列长度，SL表示探测器的单位像素宽度，n为待测物体的介质折射率，入。表示
频域光学相干层析成像系统的宽带光源的中心波长；
③调整所述的变周期光栅装置的光栅周期为d ; 利用(1)式计算并调整所述的探测器的位置h(d)，即所述的探测器中心点到光 谱仪透镜光轴的垂直距离； ⑤利用调整后的频域光学相干层析成像系统对物体成像，即可获得使用者期望的 深度范围zmax和深度分辨率S z。 实施上述方法的探测深度范围和深度分辨率可调节的频域光学相干层析成像系 统，包括宽带光源，在该宽带光源的照明方向上顺次放置准直透镜，迈克尔逊干涉仪，迈克 尔逊干涉仪的输出端连接一光谱仪，该光谱仪通过图像采集卡和计算机相连，其特点在于 所述的光谱仪由沿光束前进方向依次的变周期光栅装置、聚焦透镜、探测器组成，所述的变 周期光栅装置由变周期光栅和光栅控制装置组成，所述的光栅控制装置是控制所述变周期 光栅周期改变的装置，所述的探测器位于一滑轨上，所述的探测器在所述的滑轨上的移动 方向垂直于所述光谱仪的聚焦透镜的光轴和所述的变周期光栅的光栅栅线方向。
所述的探测器为光电探测器阵列。 低相干光源发出的光经准直透镜准直扩束后，进入迈克尔逊干涉仪，从迈克尔逊
干涉仪输出的干涉信号进入光谱仪；光谱仪内的变周期光栅的周期d已根据本方法调整
好，根据不同的光栅周期，探测器已沿滑轨被移动到位置h(d);光信号进入光谱仪后，被光
栅分光，探测器在位置h(d)记录分光后的信号，经图像采集卡送入计算机进行处理，得到
被测物体的层析图。 本发明的技术效果是 与在先技术相比，本发明利用变周期光栅，考虑探测器的像素阵列长度和像素密度的限制，并配合探测器沿滑轨移动到相应位置，可以在一个频域光学相干层析成像系统 内实现不同深度范围和不同深度分辨率的探测。本发明改变了在原有技术情形下，一个 FD0CT系统内，探测深度范围和深度分辨率不可调节的状况。使用者可以根据不同的需要， 选择获得更大的探测深度范围还是更高的深度分辨率；也可以结合使用，先以小的光栅周 期、较大的探测深度范围寻找感兴趣的局部深度范围，再以较大的光栅周期、较高的深度分 辨率获得更清晰的层析图。
图1为本发明可调节的频域光学相干层析成像系统的结构示意图。
具体实施例方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范 围。 请参阅图1，图1为本发明可调节的频域光学相干层析成像系统的实施例的系统 结构示意图，本发明可调节的频域光学相干层析成像系统，包括宽带光源l，在宽带光源1 的照明方向上顺次放置准直透镜2，迈克尔逊干涉仪3，该迈克尔逊干涉仪的输出端连接一 光谱仪4，该光谱仪4通过图像采集卡5和计算机6连接，所述的光谱仪4由沿光束前进方 向依次的变周期光栅装置、聚焦透镜43、CCD探测器44组成，所述的变周期光栅装置由变周 期光栅41和光栅控制装置42组成，所述的光栅控制装置42是控制所述变周期光栅41周 期改变的装置，例如可控制光栅栅距改变的微制动器等，用以驱动控制光栅改变其周期；所 述的CCD探测器44位于一滑轨45上，所述的CCD探测器44在所述的滑轨45上的移动方 向垂直于所述光谱仪4的聚焦透镜43的光轴和所述的变周期光栅41的光栅栅线方向。
宽带光源1发出的光经准直透镜2准直扩束后，进入迈克尔逊干涉仪3，从迈克尔 逊干涉仪3输出的干涉信号进入光谱仪4 ;光谱仪4内的变周期光栅41的周期d已根据本 方法调整好，根据不同的光栅周期，CCD探测器44已沿滑轨45被移动到位置h(d);光信号 进入光谱仪4后，被变周期光栅41分光，CCD探测器44在位置h(d)记录分光后的信号，经 图像采集卡5送入计算机6进行处理，得到被测物体的层析图。 按照本发明的方法，先依据式(2)或(3)计算并确定q个光栅周期，按从大到小排 列如下
d(i) = d(l)，d(2)，d(3)，......，d(q)
d(l) > d(2) > d(3) >...... > d(q) (4)
上式中i是每次探测使用的不同光栅周期的编号。 在第i次探测中，调整变周期光栅的周期为d(i)。
在第i次探测中，利用(1)式计算并调整所述的探测器的位置为(取-
督
晋，P
1 ，并设入射光与光栅法线的夹角为零)
/KW)) = / tan
arcsin("^)
柳
(5)
即所述的探测器中心点到光谱仪透镜光轴的垂直距离。
利用调整后的频域光学相干层析成像系统对物体探测，即可获得使用者期望的深
6度范围和深度分辨率，共探测q次 zmax I丄< zmax 12 < zmax 13 <...... < zmax I q (6) S z I! < S z 12 < S z 13 <...... < S z I q (7) 即在此系统中，随着光栅周期的减小，探测深度范围不断扩大，深度分辨率下降； 随着光栅周期的增大，探测深度范围不断减小，深度分辨率提高。使用者可以根据不同的需 要，选择获得更大的探测深度范围还是更高的深度分辨率；也可以结合使用，先以小的光栅 周期、较大的探测深度范围寻找感兴趣的局部深度范围，再以较大的光栅周期、较高的深度 分辨率获得更清晰的层析图。
权利要求
一种可调节的频域光学相干层析成像方法，特别是探测深度范围和深度分辨率可调节的频域光学相干层析成像方法，特征在于该方法包括下列步骤①一台频域光学相干层析成像系统，包括宽带光源、迈克尔逊干涉仪和光谱仪，所述的光谱仪包括分光光栅、透镜和探测器，将所述的分光光栅改设为变周期光栅装置；②根据期望的探测深度范围zmax或深度分辨率δz，确定光栅的周期d根据期望的探测深度范围zmax或深度分辨率δz利用下列算式计算并确定光栅的周期d，或由深度范围zmax和深度分辨率δz计算光栅的周期d，以获得最接近于期望的深度范围zmax和深度分辨率δz而确定光栅的周期d <mrow><mi>δz</mi><mo>=</mo><mfrac> <mi>pf</mi> <mi>L</mi></mfrac><mfrac> <mn>1</mn> <mrow><msqrt> <msup><mi>d</mi><mn>2</mn> </msup> <mo>-</mo> <msup><mi>p</mi><mn>2</mn> </msup> <msup><msub> <mi>λ</mi> <mn>0</mn></msub><mn>2</mn> </msup></msqrt><mrow> <mo>(</mo> <mfrac><mn>1</mn><msup> <msub><mi>λ</mi><mn>0</mn> </msub> <mn>2</mn></msup> </mfrac> <mo>-</mo> <mfrac><msup> <mi>p</mi> <mn>2</mn></msup><msup> <mi>d</mi> <mn>2</mn></msup> </mfrac> <mo>)</mo></mrow> </mrow></mfrac> </mrow> <mrow><msub> <mi>z</mi> <mi>max</mi></msub><mo>=</mo><mfrac> <mi>pf</mi> <mrow><mn>2</mn><mi>ηδL</mi> </mrow></mfrac><mfrac> <mn>1</mn> <mrow><msqrt> <msup><mi>d</mi><mn>2</mn> </msup> <mo>-</mo> <msup><mi>p</mi><mn>2</mn> </msup> <msup><msub> <mi>λ</mi> <mn>0</mn></msub><mn>2</mn> </msup></msqrt><mrow> <mo>(</mo> <mfrac><mn>1</mn><msup> <msub><mi>λ</mi><mn>0</mn> </msub> <mn>2</mn></msup> </mfrac> <mo>-</mo> <mfrac><msup> <mi>p</mi> <mn>2</mn></msup><msup> <mi>d</mi> <mn>2</mn></msup> </mfrac> <mo>)</mo></mrow> </mrow></mfrac> </mrow>式中f表示光谱仪透镜的焦距，p表示的分光光栅衍射的光谱级次，L表示探测器的像素阵列长度，δL表示探测器的单位像素宽度，η为待测物体的介质折射率，λ0表示频域光学相干层析成像系统的宽带光源的中心波长；③调整所述的变周期光栅装置的光栅周期为d④利用下式计算并调整所述的探测器的位置，即所述的探测器中心点到光谱仪透镜光轴的垂直距离 <mrow><mi>h</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>d</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mi>f</mi><mi>tan</mi><mo>[</mo><mi>arcsin</mi><mrow> <mo>(</mo> <mfrac><mrow> <mi>p</mi> <msub><mi>λ</mi><mn>0</mn> </msub></mrow><mi>d</mi> </mfrac> <mo>)</mo></mrow><mo>]</mo><mo>;</mo> </mrow>⑤利用调整后的频域光学相干层析成像系统对物体成像，即可获得使用者期望的深度范围zmax和深度分辨率δz。
2. —种实现权利要求1所述方法的可调节的频域光学相干层析成像系统，包括宽带光 源(l)，在该宽带光源(1)的照明方向上顺次放置准直扩束器(2)、迈克尔逊干涉仪(3)，该 迈克尔逊干涉仪(3)的分光器(31)将入射光分为探测臂光路(34)和参考臂光路(32)，所 述的参考臂光路的末端为参考反射镜(33)，所述的探测臂光路的末端为待测物体(35)，待 测物体(35)放置在一个三维精密平移台上；所述的迈克尔逊干涉仪(3)的输出端连接一个 光谱仪(5)，该光谱仪(5)通过图像采集卡(6)和计算机(7)相连，其特征在于所述的光谱 仪(5)由沿光束前进方向依次的变周期光栅装置、聚焦透镜(53)、探测器(54)组成，所述的 变周期光栅装置由变周期光栅(51)和光栅控制装置(52)组成，所述的光栅控制装置(52) 是控制所述变周期光栅(51)周期改变的装置，所述探测器(54)位于一滑轨(55)上，所述 的探测器(54)在所述的滑轨(55)上的移动方向垂直于所述光谱仪(5)的光轴和所述的变 周期光栅(51)的光栅栅线方向。
3. 根据权利要求2所述的探测深度范围和深度分辨率可调节的频域光学相干层析成 像系统，其特征在于所述的探测器(54)为光电探测器阵列。
全文摘要
一种探测深度范围和深度分辨率可调节的频域光学相干层析成像方法及其系统，将变周期光栅用于频域光学相干层析成像，通过调节光栅周期和探测器的横向位置，改变频域干涉信号的光谱探测宽度和光谱探测分辨率，从而实现探测深度范围和深度分辨率可调节的频域光学相干层析成像。本发明既能配合大谱宽光源的使用，解决谱宽较大时探测器像素阵列长度受限的问题，又能满足使用者希望获得更大探测深度范围或是更高深度分辨率的不同成像需求。
文档编号G01J3/45GK101750146SQ20091020084
公开日2010年6月23日 申请日期2009年12月25日 优先权日2009年12月25日
发明者步鹏, 王向朝, 郭昕 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所