基于单探测器的偏振频域光学相干层析成像系统的制作方法
【专利摘要】一种基于单探测器的偏振频域光学相干层析成像系统，包括低相干光源、第一准直器、起偏器、迈克尔逊干涉仪、偏振分束器、第二准直器、第一光纤、第三准直器、第四准直器、第二光纤、第五准直器、光栅、柱面透镜和探测器。本发明采用单一探测器，简化了系统结构，避免了两个探测器采集信号时存在的时间不同步问题，同时本发明中两路光都以最高衍射效率的入射角度照射到光栅上，衍射效率的提高增大了系统的信噪比，提高了图像质量。
【专利说明】基于单探测器的偏振频域光学相干层析成像系统【技术领域】
[0001]本发明涉及偏振频域光学相干层析成像(Polarization-sensitive FourierDomain Optical Coherence Tomography,PS-FD-OCT)系统,尤其是一种基于单探测器的偏振频域光学相干层析成像系统。
【背景技术】
[0002]光学相干层析成像(Optical Coherence Tomography, OCT)是近二十几年来发展起来的可以对生物组织进行层析成像的技术，具有分辨率高、非侵入等特点。传统OCT中认为样品不同的深度反射回探测器的光的特性是不同的，利用这个原理获得样品内部的结构信息。但很多生物组织中都存在光的偏振现象。当组织中某处发生病变时，该处组织的反射率、双折射率等都会发生变化，从而改变组织内反射光的强度和偏振态。传统OCT对具有双折射性质的生物组织(例如肌肉、牙齿等)所成层析图像的对比度并不理想，无法显示出具有双折射特性的生物组织分层的组织性质。为此，Hee等人发展出偏振OCT(Polarization-Sensitive optical coherence tomography,PS-0CT)技术，特别是近几年发展起来的偏振频 域OCT (PS-FD-OCT),具有成像速度快、信噪比高等优点。PS-FD-OCT对生物组织的偏振特性非常敏感，利用偏振光对样品成像，提高系统的实际分辨率和成像对比度，不仅可得到组织的强度图像，也可同时得到组织的延迟图像和快轴图像，为更好的了解样品内部信息提供了更多依据，能够更全面的观测样品的内部结构。
[0003]在PS-FD-OCT系统中，宽带光经起偏器变为线偏振光，然后经分束器分为两束，其中一束经过波片、成像物镜等后照射到样品上，另一束经波片、可调衰减片后照射到参考镜上，从样品不同深度处反射回的光和从参考镜反射回的光在分束器处相干叠加，然后该相干光分经偏振分束器后分成水平偏振和垂直偏振两束，分别被两个光谱仪中的光栅分光后经透镜聚焦由探测器记录(参见在先技术[I], Gotzinger E, Baumann B, PircherM, and Christoph K.Hitzenberger, “Polarization maintaining fiber basedultra-high resolution spectral domain polarization sensitive optical coherencetomography”.0ptics Express, 2009, 17 (25):22704.)。使用双探测器的系统复杂，两个光谱仪的探测器硬件和软件触发需要较高要求的同步，否则两探测器间的信号采集会产生时间延迟。Bernhard等人米用把水平偏振和垂直偏振两束光同时入射到光栅上,光线以不同衍射角从光栅出射，用一个线阵CCD的毗邻区域探测这两路信号的方法实现样品的偏振探测(参见在先技术[2], Bernhard Baumann, Erich Golzingcr, Michael Pircher, andChristoph K.Hitzenberger, “Single camera based spectral domain polarizationsensitive optical coherence tomography，，.0ptics Express, 2007，15 (3): 1054.X 光线以Littrow角入射时，衍射效率最高，但为保证两束光以合适的不同的衍射角从光栅出射，这两束光的入射角度都偏离Littrow角一定的角度。OCT信号相对较弱，衍射效率越高系统信噪比越好，光线以偏离Littrow角的角度入射降低了衍射效率，降低了系统信噪比，图像质量下降，为保证水平偏振光和垂直偏振光都有相对较高的衍射效率，偏离角度需要精确计算且不能偏离太大，增加了系统调节的难度。
【发明内容】
[0004]针对上述问题，本发明的目的是提供一种基于单探测器的偏振频域光学相干层析成像系统，该系统只采用单一探测器，简化了系统结构，避免了两个探测器采集信号时时间不同步的问题，同时提高了系统的信噪比，提高了图像质量。
[0005]本发明的技术解决方案如下:
[0006]一种基于单探测器的偏振频域光学相干层析成像系统，其特点在于:包括低相干光源、第一准直器、起偏器、迈克尔逊干涉仪、偏振分束器、第二准直器、第一光纤、第三准直器、第四准直器、第二光纤、第五准直器、光栅、柱面透镜和探测器；低相干光源发出的光顺序经过第一准直器、起偏器后变为偏振光耦合进迈克尔逊干涉仪的分束器，该分束器将光束分为参考臂光路和样品臂光路，参考臂的光经过四分之一波片后照射在参考镜上，样品臂的光经过四分之一波片后经过二维振镜被成像物镜聚焦在待测样品内，从待测样品反射回的带有待测样品信息的光和从参考镜反射回的参考光在所述的分束器处发生干涉；迈克尔逊干涉仪的输出端连接偏振分束器,该偏振分束器将干涉光束分为水平偏振光和垂直偏振光两路光，水平偏振光通过第二准直器耦合进第一光纤中，在第一光纤的另一端经第三准直器后平行入射到所述的光栅上，所述的垂直偏振光通过第四准直器耦合进第二光纤中，在第二光纤的另一端经第五准直器后平行入射到所述的光栅上，所述的水平偏振光和垂直偏振光入射到光栅的位置不同，经光栅分光后同时被所述的柱面透镜成像在同一探测器的不同区域上，探测器不同位置同时探测到水平偏振信号和垂直偏振信号，这两路信号经图像采集卡采集后被送入计算机进行数据处理，得到样品的强度图像、延迟图像和快轴方向图像。
[0007]所述的探测器是面阵CCD或其他的具有光电信号转换功能且能同时探测至少两路信号的面阵探测器阵列。
[0008]所述的光栅是透射光栅或反射光栅。
[0009]所述的低相干光源为宽带光源，其光谱带宽为几十纳米到几百纳米，包括发光二极管(LED)或超辐射发光二极管(SLD)或飞秒激光器或超连续谱光源。
[0010]所述的迈克尔逊干涉仪具有两个接近等光程的干涉光路，分别为参考臂和样品臂，采用光纤化迈克尔逊干涉仪和空间化迈克尔逊干涉仪中的一种；参考臂光路中包括四分之一波片和参考镜，样品臂光路中包括四分之一波片、二维振镜、成像物镜、样品；所述的迈克尔逊干涉仪中的分束器是非偏振敏感分束器。
[0011]所述参考镜采用能够使所述宽带光按照原传播路径返回的光学器件；所述成像物镜采用能够使入射到样品上的所述宽带光聚焦的光学器件。
[0012]所述的迈克尔逊干涉仪输出端连接的分束器是偏振敏感分束器，是分束棱块或光纤化的偏振分束器。
[0013]该系统的工作情况如下:
[0014]低相干光源发出的光准直后，经过主轴方向为水平或垂直方向的起偏器后成为线偏振光，耦合进迈克尔逊干涉仪，迈克尔逊干涉仪的非偏振分束器将光分为参考光路和样品光路。参考光路中的光经过一个四分之一波片后照射在参考镜上，经参考镜反射后再次经过这个四分之一波片；样品光路中的光经过一个四分之一波片后经振镜、聚焦透镜后照射到样品上，由于受到样品内部随机偏振态的影响，由样品反射回来的光其偏振态为一随机偏振态，样品反射光再次经过样品臂四分之一波片回到分束器。参考光与样品光在迈克尔逊干涉仪分束器处汇合产生干涉，经由一个偏振敏感分束器分成水平H和垂直V两路偏振光，这两路偏振光分别耦合进两根光纤中，在两根光纤另一端经透镜准直后都可以以较高衍射效率的入射角度入射到同一光栅的上下两个区域，分别记为A和B区域，光栅A和B区域分光后的光再经过同一柱面透镜，由于柱面透镜只在一个方向上聚焦，因此H和V偏振光经柱面透镜后各自形成一矩形的光斑块，分别被探测器的两个区域探测，分别对应记为H和V区域，探测到的信号经图像采集卡采集后被送入计算机进行数据处理，两路信号分别记为Ih和Iv，对两路信号进行逆傅里叶变换后得到每一路信号的A-scan信号，记为Ah(Z)θχρ[?ΦΗ(ζ)1和Αν(ζ)θχρ[?Φν(ζ)], Z是样品深度坐标，Ah和Av分别是水平和垂直干涉信号的幅度，Φν*别是水平和垂直干涉信号的相位。由此可得到双折射样品的强度图像R(Z)、延迟图像δ (ζ)和快轴图像θ (ζ):
[0015]
【权利要求】
1.一种基于单探测器的偏振频域光学相干层析成像系统，其特征在于:包括低相干光源(I)、第一准直器(2)、起偏器(3)、迈克尔逊干涉仪(4)、偏振分束器(5)、第二准直器(6)、光纤(7)、第三准直器(8)、第四准直器(9)、光纤(10)、第五准直器(11)、光栅(12)、柱面透镜(13)、探测器(14);低相干光源(I)发出的光顺序经过第一准直器(2)、起偏器(3)后变为偏振光耦合进迈克尔逊干涉仪(4)的分束器(41)，该分束器(41)将光束分为参考臂光路和样品臂光路，参考臂的光经过四分之一波片(42)后照射在参考镜(43)上，样品臂的光经过四分之一波片(44)后经过二维振镜(45)被成像物镜(46)聚焦在待测样品(47)内，从待测样品(47)反射回的带有待测样品信息的光和从参考镜(43)反射回的参考光在所述的分束器(41)处发生干涉；迈克尔逊干涉仪(4)的输出端连接偏振分束器(5),该偏振分束器(5)将干涉光束分为水平偏振光(H)和垂直偏振光(V)两路光，水平偏振光(H)通过第二准直器(6 )耦合进第一光纤(7 )中，在第一光纤(7 )的另一端经第三准直器(8 )后平行入射到所述的光栅(12)上，所述的垂直偏振光(V)通过第四准直器(9)耦合进第二光纤(10)中，在第二光纤(10)的另一端经第五准直器(11)后平行入射到所述的光栅(12)上，所述的水平偏振光(H)和垂直偏振光(V)入射到光栅(12)的位置不同，经光栅(12)分光后同时被所述的柱面透镜(13)成像在同一探测器(14)的不同区域上，探测器不同位置同时探测到水平偏振信号和垂直偏振信号，这两路信号经图像采集卡采集后被送入计算机进行数据处理，得到样品的强度图像、延迟图像和快轴方向图像。
2.根据权利要求1所述的基于单探测器的偏振频域光学相干层析成像系统，其特征在于:所述的探测器(14)是面阵CCD或其他的具有光电信号转换功能且能同时探测至少两路信号的面阵探测器阵列。
3.根据权利要求1所述的基于单探测器的偏振频域光学相干层析成像系统，其特征在于:所述的光栅(12)是透射光栅或反射光栅。
4.根据权利要求1所述的基于单探测器的偏振频域光学相干层析成像系统，其特征在于:所述的低相干光源(I)为宽带光源，其光谱带宽为几十纳米到几百纳米，包括发光二极管(LED)或超辐射发光二极管(SLD)或飞秒激光器或超连续谱光源。
5.根据权利要求1所述的基于单探测器的偏振频域光学相干层析成像系统，其特征在于:所述的迈克尔逊干涉仪(4)具有两个接近等光程的干涉光路，分别为参考臂和样品臂，采用光纤化迈克尔逊干涉仪和空间化迈克尔逊干涉仪中的一种；参考臂光路中包括四分之一波片(42)和参考镜(43),样品臂光路中包括四分之一波片(44)、二维振镜(45)、成像物镜(46)、样品(47);所述的迈克尔逊干涉仪(4)中的分束器(41)是非偏振敏感分束器。
6.根据权利要求5所述的基于单探测器的偏振频域光学相干层析成像系统，其特征在于:所述参考镜(43)采用能够使所述宽带光按照原传播路径返回的光学器件；所述成像物镜(46)采用能够使入射到样品上的所述宽带光聚焦的光学器件。
7.根据权利要求1所述的基于单探测器的偏振频域光学相干层析成像系统，其特征在于:所述的迈克尔逊干涉仪(4)输出端连接的分束器是偏振敏感分束器(5)，是分束棱块或光纤化的偏振分束器。
【文档编号】G01N21/23GK103792192SQ201410038761
【公开日】2014年5月14日 申请日期:2014年1月27日 优先权日:2014年1月27日
【发明者】陈艳, 李中梁, 王向朝, 南楠, 郭昕, 王瑄, 张行 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所