一种大视场可见光OCT的双波段成像系统及方法与流程

一种大视场可见光oct的双波段成像系统及方法
技术领域
1.本发明涉及光学相干层析成像技术领域，特别是涉及一种大视场可见光oct的双波段成像系统及方法。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
3.光学相干层析成像(opticalcoherencetomography，简称oct)是上世纪九十年代提出的一种新型医疗成像方法，其具有较高的分辨率和较强的层析能力，以及非接触、非侵入、无损伤等优点。oct技术发明以来，在眼科诊断领域得到了广泛的应用，可用于眼底成像、视网膜横截面成像等，对青光眼、糖尿病视网膜病变等眼科疾病的早期诊断及临床诊断有重要的作用和意义。
4.可见光oct技术采用可见光波段的光源进行扫描成像，因为可见光波段的光波的波长更短、频率更高，相比于传统的采用近红外光源的oct系统，其具有更高的图像分辨率，但是光源频率的提高会造成成像深度的减小。在进行大视场扫描时，小的成像深度会因为眼球的曲率的存在使得视网膜超出成像范围，视网膜超出成像范围会带来对准困难的问题。


技术实现要素：

5.为了解决上述问题，本发明提出了一种大视场可见光oct的双波段成像系统及方法，同时获取大深度图像与高分辨率图像，解决大视场扫描探测时可见光oct探测深度较小导致成像范围难以对准的问题。
6.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
7.第一方面，本发明提供一种大视场可见光oct的双波段成像系统，包括：发光装置、样品臂、参考臂和光谱仪；
8.所述发光装置用于产生光束，并入射至样品臂和参考臂中；
9.所述样品臂包括第一准直器、扫描振镜、第一聚焦透镜和第二聚焦透镜，入射的光束依次经第一准直器、扫描振镜、第一聚焦透镜和第二聚焦透镜入射至探测样品上并进行反射；所述参考臂对入射的光束进行反射后，与样品臂中反射的光束产生干涉，由此产生的干涉光束入射至光谱仪中；
10.所述光谱仪包括第二准直器、光栅、第一ccd阵列、反射镜、第二ccd阵列、扩束器和第三聚焦透镜，干涉光束依次经第二准直器和光栅后分光，分光后的干涉光束经第三聚焦透镜聚焦，且部分干涉光束由反射镜和扩束器反射至第一ccd阵列中，剩余干涉光束入射至第二ccd阵列中，以此根据不同波段的干涉光束分别进行大深度成像和高分辨率成像。
11.作为可选择的实施方式，所述发光装置包括光源和光耦合器；所述光耦合器分别连接样品臂、参考臂和光谱仪，所述光源发射连续光谱范围的光束，所述光束经光耦合器后
均进入参考臂和样品臂中；且参考臂中反射的光束与样品臂中反射的光束经过光耦合器，在光耦合器中进行干涉，继而将干涉光束入射至光谱仪中。
12.作为可选择的实施方式，所述发光装置包括光源、第四准直器、分光元件、第五准直器和第六准直器；所述光源与第四准直器的输入端连接，第四准直器的输出端与分光元件的输入端位置相对设置，参考臂的平面镜与分光元件的反射输出端位置相对设置，第五准直器的输入端与分光元件的透射输出端位置相对设置；第五准直器的输出端与第一准直器连接；第六准直器的输入端与分光元件的相干输出端位置相对，第六准直器的输出端与光谱仪连接。
13.作为可选择的实施方式，入射的光束经第一准直器准直后变换为平行光束，并将平行光束入射至扫描振镜中，经扫描振镜对平行光束进行扫描后，反射平行光束至4f系统中，平行光束经4f系统的折射，入射至探测样品上。
14.作为可选择的实施方式，所述4f系统包括第一聚焦透镜和第二聚焦透镜；平行光束经过第一聚焦透镜的物方焦点，并通过折射后聚焦在第一聚焦透镜的像方焦平面上，第一聚焦透镜的像方焦平面与第二聚焦透镜的物方焦平面重合，平行光束经第二聚焦透镜的物方焦平面后，通过第二聚焦透镜的像方焦点入射至探测样品上。
15.作为可选择的实施方式，通过第一聚焦透镜和第二聚焦透镜的焦距调节第一准直器、扫描振镜和4f系统的相对位置。
16.作为可选择的实施方式，通过所述反射镜进行不同波段光束的分光，包括在第三聚焦透镜折射干涉光束时，一部分波段较长的干涉光束通过反射镜反射至第一ccd阵列中，剩余干涉光束直接入射至第二ccd阵列中。
17.作为可选择的实施方式，反射至第一ccd阵列中的干涉光束的波段大于入射至第二ccd阵列中的干涉光束的波段，且反射至第一ccd阵列中的干涉光束的光谱谱宽小于第二ccd阵列中的干涉光束的光谱谱宽。
18.作为可选择的实施方式，基于反射至第一ccd阵列中的干涉光束光谱分辨率高的特性进行大深度成像；基于入射至第二ccd阵列中的干涉光束光谱谱宽大的特性进行高分辨率成像。
19.作为可选择的实施方式，在反射镜和第一ccd阵列之间设置扩束器，以用于扩大反射至第一ccd阵列中的干涉光束的直径，从而增加光谱分辨率。
20.第二方面，本发明提供一种利用第一方面所述的大视场可见光oct的双波段成像系统的成像方法，包括：
21.入射的光束经样品臂后入射至探测样品上并进行反射，并通过调节参考臂的光程以调节对探测样品在深度方向上的成像位置和高分辨率的成像范围；
22.所述参考臂对入射的光束进行反射后，与样品臂中反射的光束产生干涉，由此产生的干涉光束入射至光谱仪中；
23.在光谱仪中，干涉光束依次经第二准直器和光栅后分光，分光后的干涉光束经第三聚焦透镜聚焦，且部分干涉光束由反射镜反射至第一ccd阵列中，剩余干涉光束入射至第二ccd阵列中，以此根据不同波段的干涉光束分别进行大深度成像和高分辨率成像。
24.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
25.本发明提出一种大视场可见光oct的双波段成像系统及方法，通过在探测样品上
反射不同波段的光束，以及利用一个光栅和两个ccd阵列分别探测两个不同波段的光谱信息，以同时获取大深度图像与高分辨率图像，解决大视场扫描探测时可见光oct探测深度较小导致成像范围难以对准的问题。
26.本发明提出一种大视场可见光oct的双波段成像系统及方法，在光谱仪中通过反射镜反射长波段的第一干涉光束，反射镜的横截面设计为梯形，在反射长波段的第一干涉光束时，既可以提高第一干涉光束的探测分辨率，又不会遮挡另一波段的光的探测，同时通过反射镜进行第一干涉光束和第二干涉光束的分光探测，实现全波段光源的利用。
27.本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
28.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
29.图1为本发明实施例1提供的大视场可见光oct的双波段成像系统示意图；
30.图2为本发明实施例2提供的大视场可见光oct的双波段成像系统示意图；
31.图3为本发明实施例1和实施例2提供的双波段成像示意图。
具体实施方式
32.下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。
33.应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
34.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
35.在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
36.实施例1
37.如图1所示，本实施例提供一种大视场可见光oct的双波段成像系统，包括：发光装置、样品臂、参考臂、光谱仪、第一图像处理系统和第二图像处理系统；
38.所述发光装置用于产生光束，包括光源和光耦合器；所述光耦合器分别连接样品臂、参考臂和光谱仪，所述光源发射的光束进入光耦合器中，所述光束为连续光谱范围的光束，该光束经光耦合器后入射至样品臂和参考臂中；
39.所述样品臂包括第一准直器、扫描振镜、第一聚焦透镜和第二聚焦透镜，入射的光束依次经第一准直器、扫描振镜、第一聚焦透镜和第二聚焦透镜入射至探测样品上并进行反射；所述参考臂对入射的光束进行反射后，与样品臂中反射的光束产生干涉，由此产生的干涉光束入射至光谱仪中；
40.所述光谱仪包括第二准直器、光栅、第一ccd阵列、反射镜、第二ccd阵列、扩束器和第三聚焦透镜，干涉光束依次经第二准直器和光栅后分光，分光后的干涉光束经第三聚焦透镜聚焦，且部分干涉光束由反射镜反射至第一ccd阵列中，剩余干涉光束入射至第二ccd阵列中，以此根据不同波段的干涉光束分别进行大深度成像和高分辨率成像。
41.在本实施例中，所述参考臂包括第三准直器和平面镜，光束入射参考臂后，经第三准直镜的准直后，再通过平面镜反射至光耦合器中；在大视场扫描时，由于眼球曲率的存在，在扫描视网膜的不同位置时，需要根据扫描位置实时调节成像范围的对准位置，由于参考臂反射的参考光只与特定光程差的样品臂散射光发生干涉，故通过调节参考臂的光程，来调节oct在深度方向上的成像位置。
42.在本实施例中，在样品臂中，经人眼反射回的光束依次通过第二聚焦透镜、第一聚焦透镜、扫描振镜和第一准直器入射至光耦合器中，经参考臂和样品臂反射或散射回的光束在光耦合器处进行干涉，光耦合器与光谱仪的第二准直器连接，以将干涉光束入射至光谱仪中。
43.实施例2
44.如图2所示，本实施例提供一种大视场可见光oct的双波段成像系统，包括：发光装置、样品臂、参考臂、光谱仪、第一图像处理系统和第二图像处理系统；
45.所述发光装置用于产生光束，包括光源、第四准直器、分光元件、第五准直器和第六准直器；所述光源发射的光束依次经第四准直器、分光元件和第五准直器入射至样品臂中，并经分光元件反射至参考臂中；
46.所述样品臂包括第一准直器、扫描振镜、第一聚焦透镜和第二聚焦透镜，入射的光束依次经第一准直器、扫描振镜、第一聚焦透镜和第二聚焦透镜入射至探测样品上并进行反射；所述参考臂对入射的光束进行反射后，与样品臂中反射的光束产生干涉，由此产生的干涉光束入射至光谱仪中；
47.所述光谱仪包括第二准直器、光栅、第一ccd阵列、反射镜、第二ccd阵列、扩束器和第三聚焦透镜，干涉光束依次经第二准直器和光栅后分光，分光后的干涉光束经第三聚焦透镜聚焦，且部分干涉光束由反射镜反射至第一ccd阵列中，剩余干涉光束入射至第二ccd阵列中，以此根据不同波段的干涉光束分别进行大深度成像和高分辨率成像。
48.在本实施例中，所述光源通过光纤与第四准直器的输入端连接，第四准直器的输出端与分光元件(分光镜或分束器)的输入端位置相对，分光元件(分光镜或分束器)用于接收第四准直器的输出光；
49.参考臂的平面镜与分光元件(分光镜或分束器)的反射输出端位置相对，第五准直器的输入端与分光元件(分光镜或分束器)的透射输出端位置相对；第五准直器的输出端与第一准直器的输入端连接；
50.第六准直器的输入端与分光元件(分光镜或分束器)的相干输出端位置相对，第六准直器的输出端与光谱仪的第二准直器连接。
51.在大视场扫描时，由于眼球曲率的存在，在扫描视网膜的不同位置时，需要根据扫描位置实时调节成像范围的对准位置，由于参考臂反射的参考光只与特定光程差的样品臂散射光发生干涉，故通过调节参考臂的光程，来调节oct在深度方向上的成像位置。
52.其中，所述参考臂包括平面镜，光束入射参考臂后经平面镜进行反射；且在样品臂
中，光束依次通过第二聚焦透镜、第一聚焦透镜、扫描振镜和第一准直器进行反射，反射的光束经第五准直器后与参考臂反射的光束发生干涉，然后干涉光束经第六准直器后入射至光谱仪中。
53.上述实施例1和实施例2所提供的大视场可见光oct的双波段成像系统，区别在于发光装置及反射光的干涉，其余结构组成及原理一致。具体地，所述样品臂包括第一准直器、扫描振镜和4f系统；入射的光束经第一准直器准直后变换为平行光束，并将平行光束入射至扫描振镜中，经扫描振镜对平行光束进行扫描后，反射平行光束至4f系统中，平行光束经4f系统的折射后，入射至探测样品上；
54.具体地，所述4f系统包括第一聚焦透镜和第二聚焦透镜；首先，平行光束经过第一聚焦透镜的物方焦点，并通过第一聚焦透镜的折射后，聚焦在第一聚焦透镜的像方焦平面上；
55.然后，第一聚焦透镜的像方焦平面与第二聚焦透镜的物方焦平面重合，则聚焦在第一聚焦透镜的像方焦平面上的平行光束经过第二聚焦透镜的物方焦平面后，变成通过第二聚焦透镜像方焦点的平行光束；
56.最后，平行光束通过第二聚焦透镜的像方焦点入射至探测样品上。
57.以眼底成像为例，人眼瞳孔位于第二聚焦透镜的像方焦点上，则经过第二聚焦透镜像方焦点上的平行光束进入人眼，经过人眼晶状体的折射聚焦在视网膜上，从而进行眼底成像。
58.作为可选择的一种实施方式，所述第一准直器、扫描振镜和4f系统的相对位置关系与第一聚焦透镜和第二聚焦透镜的4个焦距有关。
59.作为可选择的一种实施方式，所述扫描振镜采用x-y扫描振镜，将光束沿x轴和y轴两个方向进行扫描。
60.经过4f系统的折射，将扫描振镜的扫描光束变成始终通过探测样品的平行光束，保证扫描光束的范围始终在探测样品的范围之内。以眼底成像为例，经过4f系统的折射，将扫描振镜的扫描光束变成始终通过人眼瞳孔的平行光束，保证扫描光束的入眼范围始终在人眼瞳孔的范围之内，因为人眼瞳孔对入眼的平行光束起到限制作用，照射到瞳孔范围之外的光束将不能进入人眼。
61.在实施例1和实施例2中，所述光谱仪包括：第二准直器、光栅、第一ccd阵列、反射镜、扩束器、第二ccd阵列和第三聚焦透镜；
62.所述第二准直器连接光耦合器或连接第六准直器，干涉光束经第二准直器准直后，入射至光栅中，所述光栅对入射的干涉光束进行分光，继而通过第三聚焦透镜将分光之后的光束聚焦第二ccd阵列上；
63.其中，分光是将不同波长的干涉光束以不同的角度传播，相同波长的干涉光束以相同的角度传播，则干涉光束经光栅和第三聚焦透镜后，从第三聚焦透镜折射出干涉光束的光线波长是从小到大连续分布的，即不同波长的光线聚焦在第二ccd阵列的不同位置，波长最大和波长最小的光线分别位于两侧，因而实现分光，进而可以探测不同波长的光强。
64.通过反射镜进行不同波段光束的分光，即在第三聚焦透镜折射干涉光束时，一部分波段较长的第一干涉光束通过反射镜反射至第一ccd阵列中，另外一部分第二干涉光束直接入射至第二ccd阵列中，由此实现不同波段光束的分光；且第一干涉光束的波段大于第
二干涉光束的波段，且第一干涉光束的光谱谱宽小于第二干涉光束的光谱谱宽。
65.第一ccd阵列与第二ccd阵列相比，同一像素对应的光谱范围更窄，故第一ccd阵列的光谱分辨率更高，所以其成像的深度较大；第二ccd阵列的光谱谱宽较大，所以其成像的分辨率较高；即基于第一干涉光束的光谱分辨率高的特性进行大深度成像；基于第二干涉光束光谱谱宽大的特性进行高分辨率成像。
66.作为可选择的一种实施方式，在反射镜和第一ccd阵列之间设置扩束器，所述扩束器包括凹透镜和第四聚焦透镜，以用于扩大第一干涉光束的直径，从而增加光谱仪的光谱分辨率；
67.具体地，所述第一干涉光束经反射镜反射至第一ccd阵列中时，由于反射的第一干涉光束的光谱范围小，所以在第一ccd阵列与反光镜之间增加扩束器，以增大第一ccd阵列的感光面积，第一ccd阵列中平均每个ccd感光元件的探测的波段更小，即光谱的探测分辨率更高，以此增大oct的成像深度；而第二干涉光束直接入射至第二ccd阵列中，由于其光谱范围大，所以分辨率高，但是成像深度降低。
68.作为可选择的一种实施方式，所述扩束器采用伽利略式扩束器，或开普勒式扩束器等其他类似功能的扩束装置。
69.作为可选择的一种实施方式，所述反射镜的横截面为梯形，在反射长波段的第一干涉光束时，既可以提高第一干涉光束的探测分辨率，又不会遮挡另一波段的光的探测，通过反射镜进行第一干涉光束和第二干涉光束的分光探测，实现全波段光源的利用。
70.作为可选择的一种实施方式，所用光栅为透射光栅，刻线密度为1800l/mm，则其光栅常数为d＝555.56nm，经第二准直器准直后的光束直径为1mm，光束的波段范围为500nm-600nm，光栅入射角为i＝45
°
。
71.光栅方程为：d(sin i-sinθ)＝mλ；式中，d为光栅常数，i为入射角，θ为衍射角，m为谱线级次，此处取m＝1，λ为入射光波长。
72.根据光栅方程计算可得，光线波长为500nm时，衍射角为θ1＝-11.12
°
，光线波长为600nm时，θ2＝-21.89
°
。
73.第三聚焦透镜的直径为30mm，焦距为f＝100mm，第三聚焦透镜的物方焦平面与光栅表面重合，焦点与光栅的中心重合，可计算得到第三聚焦透镜的像方焦平面处的光束分布长度为18.85mm。
74.光谱仪采用的感光元件为线性ccd阵列，第一ccd阵列的有效图像感应像元数量为4500个像元乘以3行，图像感应像元尺寸为4.7μm
×
4.7μm，第一ccd阵列有效感光面积为21.15mm
×
14.1μm，第二ccd阵列的参数与第一ccd阵列相同。
75.反射镜尺寸为3mm
×
3mm，反射镜将10％波段范围的光束反射至第一ccd阵列，其余90％的光束由第二ccd阵列进行探测。反射镜的反射平面与第四聚焦透镜中心平面的距离为70mm，则反射镜反射的光束直径约为1.9mm，第四聚焦透镜折射的光束在反射镜的入射角为30
°
。
76.反射镜反射的光束利用伽利略式扩束器，伽利略式扩束器的凹透镜焦距为5mm，凸透镜焦距为50mm，扩束比为1：10，将其光束直径扩大10倍，扩大后的光束直径约为19mm。扩束器的凹透镜与反射镜的距离为25mm，经过扩束器之后，光束的发散角也变为原来的1/10，第二ccd阵列的与扩束器聚焦透镜中心平面的距离为50mm，位于该光束的聚焦平面上。
77.经过上述设计，最终第一ccd阵列的光谱分辨率为第二ccd阵列的9倍，其探测信号用于高深度成像，第二ccd阵列探测的光谱谱宽为第一ccd阵列的9倍，其探测信号用于高分辨率成像。
78.可以理解的，上述设计仅是一种可实现的实施方式，给出了一种实际应用的可能方案，其中的元件、位置、参数等均可根据实际应用进行更改，不构成对本发明的限制。
79.在本实施例1和实施例2中，不同波段的干涉光束分别由第一ccd阵列和第二ccd阵列进行探测，然后分别由对应的第一图像处理系统和第二图像处理系统进行处理；其中，第一ccd阵列连接第一图像处理系统，第二ccd阵列连接第二图像处理系统，由第一图像处理系统进行大深度成像，由第二图像处理系统进行高分辨率成像，如图3所示为双波段成像示意图。
80.在本实施例中，扫描成像时，根据第一图像处理系统得到的大深度图像判断视网膜所在位置，进而获得高分辨率的成像视野相对于视网膜的前后位置，然后通过调节参考臂的光程，使得高分辨率图像的成像视野位于视网膜上。
81.本实施例提供的光谱仪利用一个光栅和两个ccd阵列测量两个不同波段的光谱信息，同时获取大深度图像(分辨率低)与高分辨率图像(深度小)，解决大视场扫描探测时，可见光oct探测深度较小导致成像范围难以对准的问题。
82.在更多实施例中，基于实施例1和实施例2所述的大视场可见光oct的双波段成像系统，还提供该系统的成像方法，包括：
83.入射的光束经样品臂后入射至探测样品上并进行反射，并通过调节参考臂的光程以调节对探测样品在深度方向上的成像位置和高分辨率的成像范围；
84.所述参考臂对入射的光束进行反射后，与样品臂中反射的光束产生干涉，由此产生的干涉光束入射至光谱仪中；
85.在光谱仪中，干涉光束依次经第二准直器和光栅后分光，分光后的干涉光束经第三聚焦透镜聚焦，且部分干涉光束由反射镜反射至第一ccd阵列中，剩余干涉光束入射至第二ccd阵列中，以此根据不同波段的干涉光束分别进行大深度成像和高分辨率成像。
86.上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。