专利名称：无需深度扫描的时域光学相干层析成像方法与系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及光学相干层析成像(Optical Coherence Tomography,简称OCT),尤其涉及一种无需深度扫描的时 域光学相干层析成像(Time-domain Optical CoherenceTomography,简称TD-0CT)方法与系统。
背景技术：
光学相干层析成像(OCT)是近年来发展起来的一种光学层析成像技术，它能够对高散射介质如生物组织内部几个毫米深度范围内的微小结构进行高分辨率非侵入成像，在生物组织活体成像和医疗成像诊断等领域具有广泛的应用前景。最早的OCT系统是时域光学相干层析成像系统(TD-OCT)(参见在先技术[1]，D. Huang, E. A. Swanson, C. P. Lin, J. S. Schuman, ff. G. St inson, ff. Chang, M. R. Hee,T.Flotte, K.Gregory, C.A. Puliafito and J.G.Fujimoto, “Optical coherencetomography”，Science, Vol. 254, pp. 1178-1181,1991)。它通过光学参考臂的轴向深度扫描并记录相对应不同深度处的干涉信号强度得到样品的一维层析图(A-line)。TD-OCT的探测速度比较低，如果探测过程中被测样品有运动，就会容易产生运动模糊。如果强制提高TD-OCT的轴向深度扫描速度以增加探测速度会导致系统灵敏度的下降。频域光学相干层析成像系统(Fourier-domainOptical Coherence Tomography,简称FD-0CT)是一种新型OCT系统(参见在先技术[2]，N. Nassif, B. Cense, B. H. Park,S. H. Yun, T. C. Chen, B. E. Bouma, G. J. Tearney and J. F. de Boer, “ In vivo human retinalimaging by ultrahigh-speed spectral domain optical coherence tomography，，,OpticsLetter, Vol. 29，pp. 480-482，2004)，它通过探测干涉谱并对其作逆傅里叶变换得到样品的一维层析图(A-Iine)，相对于早先的时域光学相干层析成像系统(TD-OCT)具有无需深度方向扫描、成像速度快和探测灵敏度高的优势，能更好地满足生物组织活体成像以及医疗成像诊断的实时性要求。但是，FD-OCT获得的层析图中包含着若干寄生像，限制了 FD-OCT的应用。这些寄生像分别是直流背景，自相干噪声和复共轭镜像。其中，直流背景和自相干噪声的存在降低了 FD-OCT的信噪比，影响了成像质量；而复共轭镜像的存在，使FD-OCT无法区分正负光程差(探测光路相对参考光路的光程差)，测量时待测样品只能置于零光程差位置的一侧，导致有效探测深度范围减少一半。另外，FD-OCT的信噪比随着光程差的增加也会急剧下降。并行FD-OCT与传统基于单点照明的FD-OCT的主要区别在于，它通过采用线状光照明待测样品实现FD-OCT 二维层析图(B-scan)的并行探测。(参见在先技术[3]，Branislay Grajciar, Michael Pircher, Adolf F.Fercher and Rainer A. Leitgeb,“Parallel Fourier domain optical coherence tomography for in vivo measurementof the human eye”，Optics Express, Vol. 13, pp. 1131-1137,2005)。该方法一般通过在光路中添加柱面凸镜实现对待测样品的线状光照明，并利用二维光电探测阵列并行记录频域干涉条纹，重建得到一幅待测样品的二维层析图(B-scan)。并行FD-OCT由于避免了对待测样品的横向机械式扫描，成像速度更快，对运动模糊不敏感。但是，和传统的FD-OCT —样，并行FD-OCT仍然存在复共轭镜像寄生像等问题。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述在先技术的不足，提供一种无需深度扫描的时域光学相干层析成像的方法与系统。本发明只需一次曝光即可实现一维光学相干层析成像，具有结构简单、成像速度快、无寄生像、对运动模糊不敏感的特点。本发明的技术解决方案如下—种无需深度扫描的时域光学相干 层析成像的方法，该方法是在时域光学相干层析成像方法的基础上，用柱面凸镜代替干涉参考臂的聚焦透镜形成线状参考光，并通过倾斜参考臂的参考平面反射镜在参考光线状长度方向上引入连续的光程差，用一维光电探测器阵列代替点光电探测器，获得待测样品同一个探测点连续不同深度处的干涉信号，通过去直流背景之后，对该干涉信号沿参考光线状长度方向作希尔伯特变换即可得到待测样品的层析图。本发明无需深度扫描的时域光学相干层析成像的方法的具体步骤如下①在时域光学相干层析成像方法的基础上，用柱面凸镜代替干涉参考臂的聚焦透镜形成线状参考光；②使参考臂的参考平面反射镜在由线状参考光长度方向和参考光照明方向组成的平面内倾斜，在线状参考光线状长度方向上引入连续的光程差；参考光入射到倾斜平面反射镜上的入射角为e，其中e取值范围为-60°彡0彡60° ；③用一维光电探测器阵列代替点光电探测器，获得待测样品同一个探测点连续不同深度处的干涉信号；系统工作后，所述的一维光电探测器阵列记录的干涉信号如式(I)所示
权利要求
1.一种无需深度扫描的时域光学相干层析成像的方法，其特征在于该方法是在时域光学相干层析成像方法的基础上，用柱面凸镜代替干涉参考臂的聚焦透镜形成线状参考光，并通过倾斜参考臂的参考平面反射镜在参考光线状长度方向上引入连续的光程差，用一维光电探测器阵列代替点光电探测器，获得待测样品同一个探测点连续不同深度处的干涉信号，通过去直流背景之后，对该干涉信号沿参考光线状长度方向作希尔伯特变换即可得到待测样品的层析图。
2.根据权利要求I所述的无需深度扫描的时域光学相干层析成像的方法，其特征在于该方法的具体步骤如下 ①在时域光学相干层析成像方法的基础上，用柱面凸镜代替干涉参考臂的聚焦透镜形成线状参考光； ②使参考臂的参考平面反射镜在由线状参考光长度方向和参考光照明方向组成的平面内倾斜，在线状参考光线状长度方向上引入连续的光程差；参考光入射到倾斜平面反射镜上的入射角为Θ，其中Θ取值范围为-60°彡Θ彡60° ; ③用一维光电探测器阵列代替点光电探测器，获得待测样品同一个探测点连续不同深度处的干涉信号 J(rn) = Isig + Iref + 2 [IrefIm (R(z) * |rO)|)]1/2 cos〔2:Jg6> 其中m是所述一维光电探测器阵列的探测单元序号，I(m)是所述一维光电探测器阵列第m个探测单元探测到的干涉信号强度；Isig、Iref, Iin分别是参考光信号强度、样品光信号强度和入射光信号强度·，ζ是待测样品的相对纵向深度位置，ζ =+ 代表所述 σ一维光电探测器阵列的单个探测单元宽度，O代表被测样品到所述一维光电探测器阵列的成像放大率，Ztl是一个常数；R(Z)是待测样品相对纵向深度位置Z处的反射率或背向散射率；Y (m)是低相干光源的空间相干度函数，C是光速，％是一个相位常数，*表示卷积运算； ④对所述的干涉信号I(m)进行平均处理，得到直流背景 I M 1V1 w=l 其中M是所述一维光电探测器阵列的探测单元总数；将所述的干涉信号I(m)减去所述的直流背景Id。，得到初步去除直流背景的干涉信号InmJm)为 Inodc (m) = I (m) _Idc ; ⑤对所述的的初步去除直流背景的干涉信号In(Kk(rn)作以m为变量的傅里叶变换得到 Enodc Um ) = ^Jnodc (m))， 其中fm代表对应m的傅里叶变换频谱，Sm代表以m为变量的傅里叶变换；将En(Kk(fm)先乘上一个区间大小为2π的矩形窗函数进行高通滤波，得到 E' node (fm) = Enodc (fm) * W (fm), 其中，矩形窗函数为『(人)=|，再将E' Mdc;(fm)作以fm为变量的逆傅里叶变L1，\ η\>π换得到完全去除直流背景的干涉信号Γ nodc(m)Lcc O) = $ (K- CU) = 2 [Ief1in (R(z) *\r(m)\)J2 cos [lmpJc86+%)， 其中代表以fm为变量的逆傅里叶变换； ⑥对所述的完全去除背景的干涉信号I,nodc(m)作以m为变量的希尔伯特变换得到
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于还包括下列步骤 ⑧通过精密平移台使所述的待测样品(35)沿与照明光光轴方向垂直的平面作二维扫描，重复上述步骤② ⑦，得到待测样品(35)的三维层析图。
4.一种实现权利要求I至3任一项所述方法的无需深度扫描的时域光学相干层析成像系统，包括低相干光源(I)，在低相干光源⑴的照明方向上顺序放置准直扩束器⑵和迈克尔逊干涉仪(3)，该迈克尔逊干涉仪的分光器(31)将入射光分为透射光束和反射光束，其特征在于在所述的透射光束方向依次设置柱面透镜(36)和倾斜摆放的平面反射镜(33)构成参考臂光路(32)，在所述的反射光束方向依次设置第一聚焦透镜(37)和待测样品(35)构成探测臂光路(34)，所述的待测样品(35)放置在一个精密移动平台上；在所述的迈克尔逊干涉仪(3)输出端顺序放置第二聚焦透镜(4)和一维光电探测器阵列(5)；该一维光电探测器阵列(5)通过图像数据采集卡(6)和计算机连接(7);所述的柱面透镜(36)将入射平行光会聚为线状光，产生一个线状参考光；所述的平面反射镜(33)倾斜摆放，在参考光线状长度方向上引入连续的光程差；所述的柱面透镜(36)的焦距和所述的第一聚焦透镜(37)的焦距相同；所述的待测样品(35)和平面反射镜(33)分别与所述的一维光电探测器阵列(5)构成物像共轭关系；所述的一维光电探测器阵列(5)的探测单元阵列方向和所述的参考臂光路(32)中的线状照明光长度方向在同一个平面内。
全文摘要
一种无需深度扫描的时域光学相干层析成像方法与系统，该方法是在时域光学相干层析成像方法的基础上，用柱面凸镜代替干涉参考臂的聚焦透镜形成线状参考光，并通过倾斜参考臂的参考平面反射镜在参考光线状长度方向上引入连续的光程差，用一维光电探测器阵列代替点光电探测器，获得待测样品同一个探测点连续不同深度处的干涉信号，通过去直流背景之后，对该干涉信号沿参考光线状长度方向作希尔伯特变换分析，最后得到待测样品的层析图。本发明只需一次曝光即可实现一维光学相干层析成像，具有结构简单、成像速度快、无寄生像、对运动模糊不敏感的特点。在不牺牲系统信噪比的情况下，实现无需深度扫描的时域光学相干层析成像。
文档编号G01N21/45GK102628799SQ201210124388
公开日2012年8月8日 申请日期2012年4月25日 优先权日2012年4月25日
发明者南楠, 步鹏, 王向朝, 郭昕, 黄炳杰 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所