一种双相机可调光谱仪及其调试方法

本设计包含可以应用于频域oct系统的双相机可调光谱仪设计、非标结构件设计以及相关的安装调试方法，属于光谱仪设计领域。

背景技术：

1、视网膜疾病在全球范围内影响广泛，眼疾患者数量庞大，我国各类视网膜疾病患者数以亿计，且这个数字还在逐年攀升。“早发现、早治疗”是有效地防止疾病进展的重要条件，因此视网膜疾病的早期诊断意义重大。而光学成像是检查视网膜疾病的主要手段之一，它可以提供高精度视网膜结构图像，为视网膜疾病的临床诊治提供可靠的参考依据。sd-oct是一种非接触、无创伤的在体生物组织成像技术。具有实时显示、高分辨率、高扫描深度的特点。

2、sd-oct的重要组成部分就是光谱仪，光谱仪的作用是将带有组织信息的干涉光分解为不同的光谱分量，并利用线阵ccd相机获取其光谱强度，从而提取出组织信息。但现在市面上的用于频域oct系统的光谱仪主要存在以下缺陷：

3、1.商用光谱仪的对准精度通常依赖于机械加工精度，调节余量有限；

4、2.无法针对特定光源光谱形状对商用光谱仪进行改动以提高成像质量；

5、3.商用光谱仪相比于自主设计成本昂贵；

6、4.商用光谱仪多为单相机结构，无法满足特定场合的成像需求，如提高成像速度，提高成像信噪比，以及提高成像分辨率或者成像深度等。

技术实现思路

1、如图1所示，本发明提出了一种可应用于频域oct系统的双相机可调光谱仪设计及其安装调试方法，利用该设计，能够通过双相机交替工作的方式提高系统成像速度为原来的两倍，或者通过平衡探测的方式提高系统的成像信噪比，或者通过两个相机采集不同部分的光谱提高光谱采集宽度/采样点数从而提高系统成像分辨率/成像深度，本设计采用了如下的技术方案。

2、本发明的技术方案：

3、一种双相机可调光谱仪及其调试方法，包括：准直单元、笼式结构组件、光栅单元、旋转转接台单元、聚焦单元、反射单元、相机单元和底板；

4、所述的准直单元包括同轴安装板9、光纤法兰5，准直透镜2、同轴位移调节架8；光纤法兰5共轴设置在同轴安装板9的中心孔处；准直透镜2共轴设置在同轴位移调节架8的中心处；

5、所述笼式结构组件包括同轴系统接杆13、接杆支架a16；同轴系统接杆13的一端穿过同轴安装板9周边的孔，并使用同轴安装板9侧面的顶丝将其与同轴系统接杆13固定；同轴系统接杆13的另一端穿过同轴位移调节架8周边的孔，通过同轴位移调节架8侧面的顶丝的松紧控制同轴位移调节架8在同轴系统接杆13上的位置，进而控制准直透镜2相对于光纤法兰5的距离；同轴安装板9底部与接杆支架a16固定；

6、笼式结构组件与准直单元构成笼式结构；

7、所述光栅单元包括光栅7、旋转调整架11、接杆支架b17；光栅7共轴安装在旋转调整架11的中心孔处；旋转调整架11底部通过螺纹结构与接杆支架b17转动连接；

8、所述旋转转接台单元包括：旋转转接台18、旋转底座20、手动旋转位移台23；接杆支架a16、接杆支架b17的底端均与旋转转接台18固定；旋转底座20固定于布置准直单元的旋转转接台18的一端的底部，手动旋转位移台23设置于布置光栅单元的旋转转接台18的一端的底部，手动旋转位移台23固定在底板21上，手动旋转位移台23的上端转轮与旋转转接台18转动连接，在旋转手动旋转位移台23的转轮时，旋转转接台18进行转动，进而带动旋转底座20转动；

9、所述聚焦单元包括三个卡环22、两个聚焦透镜1、透镜套筒6、转接固定件a15；两个聚焦透镜1的凸面相对，三个卡环22位于两个聚焦透镜1之间，两个聚焦透镜1和三个卡环22组成的整体置于透镜套筒6中，通过透镜套筒6中自带的前后两个卡环进行限位固定；所述的透镜套筒6设置于转接固定件a15的定位孔中，并通过转接固定件a15上的顶丝松紧来控制透镜套筒6与相机单元的水平距离，进而控制聚焦透镜1与相机单元的水平距离；

10、所述相机单元包括：第一相机3、第二相机4、转接固定件b12、转接固定件d24；将第一相机3、第二相机4分别固定在转接固定件b12、转接固定件d24上，转接固定件b12、转接固定件d24均固定在底板21上；第一相机3与第二相机4镜面垂直，第一相机3的镜面与透镜套筒6镜面平行；

11、所述的反射单元包括方形反射镜10、三维方形调整架14、转接固定件c19；转接固定件c19固定于底板21上，三维方形调整架14固定于转接固定件c19上，方形反射镜10安装在三维方形调整架14上；且方形反射镜10表面与第一相机3、第二相机4均呈45°。

12、一种双相机光谱仪的调试方法，步骤如下：

13、步骤一：松开同轴位移调节架8侧面的顶丝调节准直透镜2与光纤法兰5的距离使光线经过准直透镜2后出射的光束为平行光后固定同轴位移调节架8；

14、步骤二：松开接杆支架b17侧边的顶丝，绕竖直方向转动旋转调整架11将光栅7偏转角调整至合适位置；

15、步骤三：调节旋转调整架11正面的转轮使得衍射光线成水平状态；

16、步骤四：粗调入射光线相对于聚焦透镜1轴线的角度；具体而言，首先转动手动旋转位移台23的转轮使得设置在旋转转接台18上的理论角度定位孔与设置在底板21上的理论角度定位孔同轴，此时光线入射角即处于理论角度处；

17、步骤五：观察pc端光源谱线图，通过手动旋转位移台23的转轮微调入射光线与出射光线的角度直至pc端的谱线完整覆盖相机有效单元后将旋转底座20通过其槽口与底板21固定；

18、步骤六：观察pc端两相机的谱线状态，若第一相机3和第二相机4的谱线强度不一致，则微调三维方形调整架14的旋钮来调整方形反射镜10的空间位置直至两个相机的谱线强度一致为止。

19、步骤七：不断调节聚焦透镜1到相机单元的距离使得pc端的谱线成像效果最佳时通过转接固定件a15的顶丝固定透镜套筒6从而固定聚集套透镜1；

20、步骤八：将光谱仪通过光纤耦合器接入一个最简oct测试单元中，通过移动测试单元中的一个臂产生光程差，观察光谱仪采集到的干涉条纹，在干涉条纹密度高处，重复步骤七，使得干涉条纹效果最佳，固定聚焦透镜1。

21、步骤九：对光谱仪进行标定，使得两相机在不同深度下的灵敏度下降曲线一致。

22、进一步的，所述的步骤二中，使用红外显色卡在光栅7后观察透射光，绕竖直方向转动旋转调整架11直至观察的透射光强最弱处通过接杆支架b17侧面的顶丝固定旋转调整架11。

23、进一步的，所述的步骤三中，调节旋转调整架11正面的转轮同时观察衍射光，使衍射光落入聚焦透镜1中心处，将红外显色卡移到相机前，观察会聚线条，调整转轮使之处于水平状态、且落入相机感光范围内。

24、进一步的，所述的步骤四中，底板21上的理论角度定位孔设计过程如下：

25、记旋转转接台18上的理论角度定位孔与光栅7轴心在水平方向上的连线距离为r、聚焦透镜1在底板21上的轴线投影直线为l，且l穿过手动旋转位移台23的在底板的轴心投影点、手动旋转位移台23的轴心投影点为g点；

26、1、通过公式计算中心波长入射角；其中，a为中心波长入射角，λc为光源中心波长，d为光栅的槽密度；

27、2、通过公式β＝π-2a计算入射光线与出射光线的夹角β，出射光线即直线l，其中β为入射光线与直线l的夹角；

28、光谱仪设计的准则之一为入射角a等于出射角c，故而入射光线和出射光线的夹角为π-2a；

29、以g点为起点在底板21逆时针作一条与直线l成β角的射线h；

30、3、在射线h上，以g点为起点，长度为r处在底板21作理论角度定位孔，得到底板21的理论角度定位孔。

31、进一步的，所述步骤九中，通过移动oct测试单元的参考臂，采集均匀分布在成像深度范围内的多组干涉条纹图。分别对两个相机的干涉条纹图进行相位计算恢复出相机每个像素所对应的小数坐标，再进一步将第一相机3的像素映射到第二相机4的像素上，从而使得两个相机的成像结果在深度方向上一一对齐。

32、本发明的优势之一在于所提供的应用于频域oct系统的可调光谱仪设计及其调试安装方法，通过参数化的设计以机械加工粗定位降低光谱仪的调试难度，再通过自主设计的转接件以及安装方式将各个调整自由度进行分解以进一步降低调试难度。

33、除此之外由于本发明对系统保留了几处必要的调节自由度，能够针对特定的光源进行较大的调整以最优化系统性能，同时大大降低了机加工的精度要求，从而降低了系统的成本。

34、本设计的突出优势在于双相机的设计。由于双相机的存在，此发明可以在按照实际需求对两个相机所采集到的数据做进一步的图像平均、去噪等实时图像处理以提升图像的对比度，从而得到更好的实验数据来满足特殊场合需求的高对比度图像。

35、此外双相机的设计还可以使得本发明在实际工作过程中通过pc端的程序控制两个相机交替工作，从而提高oct成像系统的工作速度。

36、此外还可以使用其他性能的光学镜片替换方形反射镜从而将光谱不同部分分别映射到两个相机上，提高能够获取的光谱带宽，或者在同等光谱宽带的情况下提高对光谱的采样点数，进而提高系统的轴向分辨率或者轴向成像深度。