一种基于光程编码的高分辨长焦深OCT成像系统和方法与流程

本发明属于光学相干层析成像技术、光学显微成像技术技术领域，具体涉及一种基于光程编码的高分辨长焦深OCT成像系统和方法。

背景技术：

焦深(depth of focus,DOF)是影响光学系统成像质量的一个重要参数，扩展焦深是保证成像光学系统在较大的范围内有较好的成像质量的重要技术之一。焦深DOF与横向分辨率Δx的关系可以表示为：DOF＝πΔx²/2λ₀，其中λ₀是光源的中心波长。可见焦深随着横向分辨率的提高而减小，采用数值孔径更大的聚焦物镜，可以提高系统的横向分辨率，但是同时也减小了焦深，导致了在焦深外的区域横向分辨率会迅速下降。

光学相干层析成像(Optical Coherence Tomography，简称OCT)能实现对非透明高散射介质内部的组织结构与生理功能进行非接触、无损伤、高分辨率成像。光束离焦条件下得到的OCT图像相比于光束焦深范围内得到的OCT图像在分辨率和对比度上有较大衰减，因此，为了获得质量好的OCT图像，光斑需要在较长范围内保持不变，但是长焦深也意味着限制了成像的分辨率。为了拓展OCT系统的焦深，Schmitt等人提出了将参考镜固定到样品臂成像物镜的位移台的方法实现动态聚焦，或者通过改变MEMS变形镜的形状，实时控制焦点位置实现动态聚焦，但是该方法的结构比较复杂，限制了扫描速度。Z.Ding提出了基于轴锥镜的OCT系统来实现大景深高横向分辨成像，在6mm的焦深范围内，横向分辨率维持在10μm左右。但轴锥镜能量利用效率比较低，且焦深拓展倍数越高，能量利用效率越低，不适用于对功率敏感的生物样品。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供了一种基于光程编码的高分辨长焦深OCT成像系统和方法。本发明通过对样品不同深度位置的并行聚焦照明，在探测臂上使用具有超长探测量程的正交色散光谱仪进行光谱探测以区分被光程编码的多个光束所得图像，能够实现样品的高分辨率长焦深OCT成像。

本发明所采用的技术方案是：

一种基于光程编码的高分辨长焦深OCT成像系统，包括宽带光源、带通滤波片、第一反射镜、第一宽带光分束器、第二宽带光分束器、第一聚焦透镜、光程编码器、第三宽带光分束器、二维扫描振镜、第二聚焦透镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜、一维精密平移台、正交色散光谱仪和计算机；

宽带光源发出的空间光经过带通滤波片后，被第一反射镜反射到第一宽带光分束器上，被第一宽带光分束器反射的光形成样品光路，被第一宽带光分束器透射的光形成参考光路。

所述样品光路：经过第二宽带光分束器的透射光被第一聚焦透镜聚焦在光程编码器上。光程编码器为一两面镀膜的玻璃板，光束入射面为高反射膜，另一面为全反射膜。返回的光程编码光被第二宽带光分束器反射后透射过第三宽带光分束器，再经过二维扫描振镜和第二聚焦透镜后照射到待测样品上。返回的样品信号光经过第二宽带光分束器反射后传输到正交色散光谱仪中。

所述参考光路：经过第一宽带光分束器的透射光被第二反射镜反射后相继被第三反射镜和第四反射镜反射，再经第三宽带光分束器透射后传输到正交色散光谱仪中。第三反射镜和第四反射镜放置在一维精密平移台上，移动该平移台即可调节样品光路和参考光路的光程差。

样品光与参考光发生干涉后进入探测臂，被正交色散光谱仪转化为电信号并传输到计算机中进行处理。

基于光程编码的高分辨长焦深OCT成像方法包括以下步骤：

步骤一：在高分辨长焦深OCT成像系统的样品光路中，使用光程编码器对待测样品的照明光进行调制，入射光经光程编码器两面的多次反射后形成了多个光程不同的虚像光源。这些虚像光源经光学系统成像后，聚焦在样品的不同深度位置。

步骤二：在高分辨长焦深OCT成像系统的探测臂中，使用具有超高光谱分辨率的正交色散光谱仪进行探测，该光谱仪具有超长的测量量程，被用来区分不同编码光程下的样品信息，以实现干涉光谱信号的纵向并行探测。

步骤三：对探测得到的待测样品干涉光谱进行傅里叶变换，即可得到多光束照明条件下的样品图像。不同光束得到的样品图像分布在不同深度位置，选取每一光束焦深范围内光得到的样品图像并拼接，即可得到高分辨、长焦深光束照明下的样品图像。

与背景技术相比，本发明具有如下优点：

1.本发明利用正交色散光谱仪超长的测量量程区分不同编码光程下、聚焦在不同深度的光束所得到的样品信息，可以大幅提高焦深。

2.本发明在成像时，不需要移动样品或者聚焦透镜，只需单次测量即可实现样品的高分辨率长焦深OCT成像，具有较快的成像速度。

3.相比于轴锥镜照明、相位调制等方法，本发明的光束质量更高，因此探测效率也更高。

附图说明

图1为本发明的系统结构原理示意图；

图2为本发明中光程编码示意图；

图3为本发明中样品多焦点照明示意图；

图4为本发明中多光束样品图像分布在编码空间的示意图；

图5为本发明中样品图像重建示意图。

图中：1、宽带光源，2、带通滤光片，3、第一反射镜，4、第一宽带光分束器，5、第二宽带光分束器，6、第一聚焦透镜，7、光程编码器，8、第二反射镜，9、第三反射镜，10、第四反射镜，11、一维精密平移台，12、第三宽带光分束器，13、二维扫描振镜，14、第二聚焦透镜，15、待测样品，16、正交色散光谱仪，17、计算机。

具体实施方式

下面结合附图和实施示例对本发明作进一步的说明：

如图1所示，基于光程编码的高分辨长焦深OCT成像系统包括1、宽带光源，2、带通滤光片，3、第一反射镜，4、第一宽带光分束器，5、第二宽带光分束器，6、第一聚焦透镜，7、光程编码器，8、第二反射镜，9、第三反射镜，10、第四反射镜，11、一维精密平移台，12、第三宽带光分束器，13、二维扫描振镜，14、第二聚焦透镜，15、待测样品，16、正交色散光谱仪，17、计算机。

宽带光源1发出的空间光经过带通滤波片2后，被反射镜3反射到宽带光分束器4上，被宽带光分束器4反射的光形成样品光路，被宽带光分束器4透射的光形成参考光路。

所述样品光路：经过宽带光分束器5的透射光被聚焦透镜6聚焦在光程编码器7上。如图2所示，光程编码器7为一两面镀膜的玻璃板，光束入射面为高反射膜，另一面为全反射膜。入射光经光程编码器7两面的多次反射后形成了多个光程不同、位置不同的虚像光源，如图2所示，以四个虚像光源为例：虚像光源1、虚像光源2、虚像光源3、虚像光源4，分别对应返回的四个编码光束：光束1、光束2、光束3、光束4，编码光被宽带光分束器5反射后透射过宽带光分束器12，再经过二维扫描振镜13和聚焦透镜14后照射到待测样品上15。虚像光源1、虚像光源2、虚像光源3、虚像光源4被分别成像在样品不同深度位置，如图3所示，在样品空间形成焦点1、焦点2、焦点3、焦点4。返回的样品信号光经过宽带光分束器12反射后传输到正交色散光谱仪16中。

所述参考光路：经过宽带光分束器4的透射光被反射镜8反射后相继被反射镜9和反射镜10反射，再经宽带光分束器12透射后传输到正交色散光谱仪16中。反射镜9和反射镜10放置在一维精密平移台11上，移动该平移台即可调节样品光路和参考光路的光程差。

样品光与参考光发生干涉后进入探测臂，被正交色散光谱仪16转化为电信号并传输到计算机17中进行处理。

基于光程编码的高分辨长焦深OCT成像方法包括以下步骤：

步骤一：在高分辨长焦深OCT成像系统的样品光路中，使用光程编码器对待测样品的照明光进行调制，入射光经光程编码器两面的多次反射后形成了多个光程不同、位置不同的虚像光源。这些虚像光源经光学系统成像后，聚焦在样品空间的不同深度位置，如图3所示，这些焦点之间的间距由虚像光源之间的间距以及聚焦透镜6和聚焦透镜14所构成光学系统决定，假设编码器厚度为t，折射率为n，聚焦透镜6焦距为f₁，聚焦透镜14焦距为f₂,则相邻焦点之间的间距可以表示为：

Δz_f＝2tf₂²/nf₁² (1)

步骤二：在高分辨长焦深OCT成像系统的探测臂中，使用具有超高光谱分辨率的正交色散光谱仪进行探测，该光谱仪具有超长的测量量程，被用来区分不同编码光程下的样品信息，以实现干涉光谱信号的纵向并行探测。

步骤三：对探测得到的待测样品干涉光谱进行傅里叶变换，即可得到多光束照明条件下的样品图像。如图4所示，在编码空间，四个光束所得到的四个子图：子图1，子图2，子图3和子图4被编码在不同光程位置。相邻子图之间的间距可以表示为：

Δz_s＝nt (2)，

在样品空间，只有位于某光束焦深范围内的样品，才能被高质量的光束照明，所得到的成像结果才是具有高分辨率的。即每个子图都有一段高分辨成像区域，该区域内的样品是被对应光束焦深范围内的光照射的，如图4所示，四个光束有四段焦深内区域，相邻子图高分辨成像区域中心位置的间距可以表示为：

Δd＝Δz_s-Δz_f (3)，

把四个子图的焦深内区域成像结果拼接起来，如图5所示，即可重建出长深度范围、高分辨的成像结果。