增加焦深范围的光学相干层析成像系统的制作方法

本发明涉及光学相干层析成像(opticalcoherencetomography，简称oct)，特别是一种增加焦深范围的光学相干层析成像系统。

背景技术：

光学相干层析成像(opticalcoherencetomography，以下简称为oct)是一种基于低相干光干涉的生物医学层析成像技术，具有非侵入、分辨率高、可在体检测生物组织内部微结构信息等特点，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，如眼科、皮肤科、心血管等。

oct可分为时域oct(timedomainoct，td-oct)和频域oct(fourierdomainoct，fd-oct)，频域oct又可分为基于光谱仪的频域oct(spectraldomainoct，sd-oct)和基于扫频光源的频域oct(又称扫频光学相干层析成像，sweptsourceoct，ss-oct)。

在oct系统中，样品臂的设计方式主要是平行光通过透镜聚焦后照射样品。当中心波长确定时，系统的横向分辨率数值与透镜的焦距成正比，与透镜上入射光束的直径成反比，数值越大，横向分辨率越低；而焦深与横向分辨率数值的平方成正比。因此，横向分辨率和焦深相互制约。一般说来，在焦深范围内横向分辨率基本保持不变。大多数oct系统采用低数值孔径的光学系统来获得大的焦深，一般远大于光源的相干长度，但大的焦深同时会降低系统的横向分辨率。由于图像质量与横向分辨率相关，横向分辨率越高，图像越清晰，质量越高。因此，增加焦深可以提高图像质量。

为了保证高分辨率的同时增加系统的焦深，研究人员提出了各种各样的方法。目前主要分为两类，分别是基于软件和硬件的方法。与基于软件的方法相比，基于硬件的方法不仅不受系统相位和系统数据量的影响，而且数据量小，可以用于活体样品三维成像的实时显示。其中，以贝塞尔光束照明样品的方式应用最为广泛。基于硬件的方法主要包含以下几种方式：

1、非贝塞尔光束照明样品的方式，主要包括自适应光学的方法(参见在先技术[1]，b.hermann,e.j.fernandez,a.unterhuber,h.sattmann,a.f.fercher,w.drexler,p.m.prieto,andp.artal,“adaptive-opticsultrahigh-resolutionopticalcoherencetomography,”opt.lett.29,2142–2144，2004)、基于多通道照明样品的方式(参见在先技术[2]，holmesj,stonen,bazanthegemarkf.multi-channelfourierdomainoctsystemwithsuperiorlateralresolutionforbiomedicalapplications[j].proceedingsofspie-theinternationalsocietyforopticalengineering,2008,6847:68470o-68470o-9)、基于光程编码的方法(参见在先技术[3]，中国专利申请号cn201710086522.1)、动态聚焦的方法(参见在先技术[4]，m.j.cobb,x.liu,andx.li,“continuousfocustrackingforreal-timeopticalcoherencetomography,”opt.lett.30,1680–1682，2005)和基于分形波带片的方法(参见在先技术[5]，中国专利申请号cn200910071097.4)。这类技术或需要额外的器件增加了系统的复杂性，或限制了系统的成像速度不适合实时成像，或增加焦深的范围有限，系统数据处理复杂。

2、贝塞尔光束照明样品的方式，主要包括锥透镜(参见在先技术[6]、[7]和[8])、相位切趾法(参见在先技术[9]和[10])和振幅切趾法(参见在先技术[11])。利用锥透镜产生贝塞尔光束并照明样品的方式，最早是ding等人将锥透镜应用到系统的样品臂并直接收集样品散射光(参见在先技术[6],z.ding,h.ren,y.zhao,j.s.nelson,andz.chen,“high-resolutionopticalcoherencetomographyoveralargedepthrangewithanaxiconlens,”opt.lett.27,243–245，2002)；r.a.leitgeb等人重新设计了系统的样品臂，利用锥透镜、一个4f透镜系统和分束器对样品臂进行设计(参见在先技术[7]，leitgeb,r.a.,etal.(2006)."extendedfocusdepthforfourierdomainopticalcoherencemicroscopy."optlett31(16):2450.)和将锥透镜与扫描振镜相结合，提高了系统的成像速度(参见在先技术[8]，blatter,c.,etal.(2012)."insitustructuralandmicroangiographicassessmentofhumanskinlesionswithhigh-speedoct."biomedoptexpress3(10):2636-2646.)。然而，这类方法中都存在锥透镜尖端对贝塞尔光束质量的影响，同时前两种技术还降低了样品散射光的收集效率和系统的灵敏度。为了获得贝塞尔光束，d.lorenser等人采用相位切趾法，如slm(参见在先技术[9]，d.lorenser,c.christiansinge,a.curatolo,andd.d.sampson,“energy-efficientlow-fresnel-numberbesselbeamsandtheirapplicationinopticalcoherencetomography,”opt.lett.39,548–551，2014)和七区域相位滤波器(参见在先技术[10]，bousi,evgenia,s.timotheou,andc.pitris."designofpupilfilterforextendeddepthoffocusandlateralsuperresolutioninopticalcoherencetomography."spiebiosinternationalsocietyforopticsandphotonics,2014:2978-2982)，增加了系统的焦深，但该两种方式同样降低了样品散射光的收集效率，影响系统的灵敏度。liulinbo等人采用振幅切趾法，如环形照明(参见在先技术[11]，yux,liux,guj,etal.depthextensionandsidelobesuppressioninopticalcoherencetomographyusingpupilfilters.[j].opticsexpress，vol.22,no.22，26956-26966，2014)，重新设计系统的样品臂，也获得了贝塞尔光束，增加了系统的焦深，但也降低了系统的灵敏度。

3、研究人员提出了一种新的低菲涅尔数的渐变折射率光纤的相位掩模结构设计方法(参见在先技术[12]，d.lorenser,x.yang,andd.d.sampson,“ultrathinfiberprobeswithextendeddepthoffocusforopticalcoherencetomography,”opt.lett.37,1616–1618，2012)，该方法可以直接将光纤做成内窥探头，但是系统的焦深仅仅增加一倍。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服上述在先技术的不足，提供一种增加焦深范围的光学相干层析成像系统。该系统包括宽带光源、干涉仪、探测器、数据采集卡和计算机，通过设计所述的光学相干层析成像系统中干涉仪的样品臂，利用圆环达曼光栅产生的贝塞尔光束照明样品替代传统高斯光束照明的方式增加了系统的焦深。

本发明的技术解决方案如下：

一种增加焦深范围的光学相干层析成像系统，包括扫频光源、干涉仪、平衡探测器、数据采集卡和计算机，所述的扫频光源的输出端与所述的干涉仪的第一耦合器的第一端口相连，第一耦合器将输入光分为样品光路和参考光路，其特点在于所述的样品光路依次是第一光束准直器、圆环达曼光栅、第一聚焦透镜、空间滤波器、反射镜、第二聚焦透镜和待测样品，经待测样品的部分散射光经第二聚焦透镜变成平行光，再经反射镜反射后经平行光收集器件、第一光纤输入第二耦合器的第一端口；参考光路依次包括第二光束准直器、色散补偿快和第三光束准直器、第二光纤、第二耦合器的第二端口；第二耦合器的输出端口连接至所述的平衡探测器，再通过数据采集卡与计算机相连；其中所述的反射镜除了具有反射待测样品散射光的作用，还具有滤除空间滤波器后出射的杂散光的作用。

所述的待测样品置于精密机械位移台上，该精密机械位移台沿光轴的垂直方向移动。

所述的第一聚焦透镜和第二聚焦透镜是共焦透镜，所述的样品光路和参考光路等光程。

所述的空间滤波器是一种用于滤除杂散光的器件，放置在第一聚焦透镜和第二聚焦透镜之间，用于优化获得的贝塞尔光束的质量。

本发明的工作原理如下：

宽带光源发出的光进入干涉仪后到达干涉仪的参考臂和样品臂，参考臂的光与样品臂的返回光发生干涉后被探测器探测后，再经数据采集卡采集后输入到计算机中进行处理。进入样品臂的光依次经过第一光束准直器、圆环达曼光栅、第一聚焦透镜、空间滤波器和第二聚焦透镜，然后照射待测样品；待测样品的散射光经第二聚焦透镜后变成平行光，部分平行光经反射镜反射后被平行光收集器件收集。其中，空间滤波器和反射镜均用于滤除杂散光，而且反射镜还具有反射待测样品散射光的作用。

本发明与现有技术相比有益的效果是：

1.与在先技术[1]、[2]和[3]相比，本发明不需要额外复杂的器件，降低了系统的复杂性。

2.与在先技术[4]相比，本发明可以不受系统的成像速度限制，适合实时成像。

3.与在先技术[5]相比，本发明数据处理简单，焦深更大。

4.与在先技术[6]、[7]和[8]相比，本发明不受锥透镜尖端的影响而降低贝塞尔光束的质量，成像效果更好。

5.与在先技术[9]、[10]和[11]相比，本发明不受相位/振幅切趾器件的影响，具有更高的样品散射光收集效率，提高了系统的灵敏度。

6.与在先技术[12]相比，本发明利用圆环达曼光栅产生的贝塞尔光束照明样品替代传统高斯光束照明的方式增加了系统的焦深。所述的空间滤波器是一种用于滤除杂散光的器件，放置在第一聚焦透镜和第二聚焦透镜之间，用于优化获得的贝塞尔光束的质量。系统焦深更长，图像质量更好。

附图说明

图1是本发明增加焦深范围的光学相干层析成像系统的结构示意图。

具体实施方式

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为本发明增加焦深范围的光学相干层析成像系统结构示意图。由图可见，本发明增加焦深范围的光学相干层析成像系统包括扫频光源1，扫频光源1的输出端口与干涉仪2的第一耦合器21的第一端口211相连，第二端口212未使用，第一耦合器21将光分为样品光路22和参考光路23。样品光路22中，第一耦合器21的第三端口213连接至第一光束准直器221，准直后的光出射方向顺序放置圆环达曼光栅222、第一聚焦透镜223、空间滤波器224、反射镜225、第二聚焦透镜226和待测样品227，待测样品227的部分散射光经第二聚焦透镜226变成平行光，再经反射镜225反射后由平行光收集器件228耦合进光纤229，并连接到第二耦合器24的第一端口241；参考光路23中，第一耦合器21的另一个出射端口214，输出光的出射方向顺序放置第二光束准直器231、色散补偿快232和第三光束准直器233，第三光束准直器233的输出端口连接光纤234的一端，光纤234的另一端至第二耦合器24的第二端口242；。第二耦合器24的两个输出端口243和244连接至平衡探测器3，再通过数据采集卡4与计算机5相连。

扫频光源1的输出扫频激光进入第一耦合器21中并分成两路213和214，一路213进入样品臂光路22，并经过第一光束准直器221、圆环达曼光栅222、第一聚焦透镜223、空间滤波器224、反射镜225和第二聚焦透镜226后照射到待测样品227，待测样品227的内部不同深度处背向散射回来的光经第二聚焦透镜226变成平行光，再经反射镜225反射后被平行光收集器件228收集至进光纤229；另一路214进入参考臂光路23，经过第二准直透镜231、色散补偿块232和第三准直透镜233后输出并耦合进光纤234。光纤229的输出光与光纤234输出的耦合光，分别输入到第二耦合器24的第一端口241和第二端口242，在第二耦合器24产生干涉信号，该干涉信号经平衡探测器3将光信号转换成电信号，经数据采集卡4采集后送入计算机5中。该干涉信号在计算机5中进行逆傅里叶变换的数据处理和图像重建算法，即可获得待测样品227沿深度方向的层析结构图像。

通过待测样品227放置的精密机械位移台沿光轴垂直方向扫描获得待测样品227的二维或三维层析图。

实验表明，本发明利用圆环达曼光栅产生的贝塞尔光束照明样品替代传统高斯光束照明的方式增加了系统的焦深。所述的空间滤波器是一种用于滤除杂散光的器件，放置在第一聚焦透镜和第二聚焦透镜之间，用于优化获得的贝塞尔光束的质量。所述的反射镜除了具有反射待测样品散射光的作用，还具有滤除空间滤波器后出射的杂散光的作用。系统焦深更长，图像质量更好。