一种OCT系统灵敏度测量装置的制作方法

一种oct系统灵敏度测量装置
技术领域
1.本案是申请日为2020年12月25日，发明名称为一种oct系统灵敏度测量方法以及测量装置，申请号为2020115643358的案件的分案申请。


背景技术：

2.光学干涉断层成像(oct)是一种类似超声的生物医学成像技术。它通过测量样品背向散射光或反射光来获得生物组织的横切面图像和三维图像，具有非侵入、分辨率高、可在体成像等优点，目前已广泛应用于眼科、皮肤科和心血管内科等的临床诊断和研究上。
3.早期的oct系统主要以时域oct为主。为了提高oct系统的成像速度，研究人员提出了频域oct系统。与时域oct相比，频域oct具有更高的灵敏度。灵敏度反映了oct系统对弱信号的探测能力。灵敏度越高，系统探测弱信号的能力越强，样品的成像深度越大，从而能够获得更多的样品结构信息。因此，对于oct系统灵敏度的测试显得尤为重要。
4.光学干涉断层成像系统的灵敏度是指光学干涉断层成像系统的样品臂能允许的最大的对光信号衰减。影响光学干涉断层成像系统灵敏度的就是接收光信号的强度和系统噪声，接收光信号强度取决于光源输出光功率和光路衰减，系统噪声来自光源、无源光路和光接收。一般成像系统主要依赖于成像透镜的光学结构，而内窥式oct是通过光纤透镜采集的光信号返回干涉仪与参考光进行干涉拍频实现高灵敏度光相干接收，采用平衡探测去除直流信号提高光电转换效率，完成光电转换再重建图像，光传输性能对oct成像质量有直接影响。和光通信传输链路一样，oct光传输链路的噪声来自3方面：光源噪声(量子噪声和模式噪声rin、光路噪声mpi、探测器热噪声，扫频oct光源采用的是极低噪声的单模激光器，模式噪声极低rin《120dbc/hz可以忽略，只有散粒噪声(量子噪声)，通过控制好光路的连接点降低mpi噪声、优质的光相干接收和平衡探测，能把mpi噪声和接收机热噪声也降到低于光源量子噪声，实现量子极限传输。在1310nm波长，ss-oct系统能实现接近理论量子极限传输120db左右灵敏度。
5.由于光接收机的有效动态范围只有30～40db，测量120db的灵敏度范围，必须引入固定衰减量，把光信号预先衰竭到接收机的最佳接收动态范围内，然后测量接收到的信号的信噪比，固定衰减量+信噪比就是该系统的光灵敏度。但是，引入固定衰减量之后，如何准确测量信噪比、如何得到整个系统的灵敏度，学术界和工业界还没有共识。目前最常用的方法是采用光谱分析仪osa(optical spectrum analyzer)测量进入接收机的光信号的snr、或者采用光束分析仪测量接收光的点扩展函数psf(point spread function)，psf的峰值与噪声的差值就是信噪比，灵敏度就是固定衰减量+信噪比。这个方法的缺点是osa和光束分析仪里面的光电转换其实不同于oct系统里的光电接收机，因此得到的信噪比并不代表整个oct系统的噪声性能。


技术实现要素：

6.有鉴于此，本技术提供一种oct系统灵敏度测量方法，该方法以及装置既可以方便
地调整采样臂内的衰减量，又保证了采样光信号的高质量，还去可以直接利用oct系统本身来测量系统噪声，能够简便、准确地得到整个oct系统的灵敏度，既不需要昂贵的光束分析仪和光谱分析仪osa，又包括了oct系统本身的光接收机噪声，非常适合在实际生产中使用。
7.为实现上述目的，根据本技术的一个方面，提供了一种oct系统灵敏度测量方法。
8.本技术提供如下技术方案。
9.1、一种oct系统灵敏度测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
10.扫描光源发出光信号；
11.将所述光信号分成初始采样光信号和初始参考光信号；
12.初始参考光信号进入参考臂；
13.初始采样光信号进入采样臂后发生2n+1次衰减；
14.从参考臂反射出来的输出参考光信号与从采样臂反射出来的输出采样光信号发生干涉形成干涉光信号；
15.将所述干涉光信号转换为电信号；
16.将所述电信号转换为fft频谱，通过所述fft频谱得到信噪比，从而计算出oct系统灵敏度；
17.所述oct系统灵敏度＝采样光信号的衰减量+信噪比，所述oct系统灵敏度为s，所述采样光信号的衰减量为fa，所述信噪比为snr，即s＝fa+snr；
18.所述采样光信号的衰减量＝2n
×
第一衰减量+第二衰减量；n≥1。
19.2、根据项1所述的一种oct系统灵敏度测量方法，其特征在于，所述oct系统包括扫描光源、分光镜、参考臂、成像系统接口、干涉模块、平衡探测器、fft变换模块以及显示模块，所述成像系统接口连接采样臂，所述采样臂的一侧设置有采样物。
20.3、根据项2所述的一种oct系统灵敏度测量方法，其特征在于，所述扫描光源发射弱相干光信号，所述分光镜将所述弱相干光信号分成初始采样光信号和初始参考光信号，通过所述参考臂以及采样臂反射出来的输出参考光信号与输出采样光信号在干涉模块内发生干涉，形成干涉光信号，所述干涉光信号通过平衡探测器转换为电信号，所述电信号通过fft变换模块以及显示模块转变为fft频谱显示在显示模块的屏幕上。
21.4、根据项3所述的一种oct系统灵敏度测量方法，其特征在于，所述采样臂包括可变光衰减器和光纤透镜，初始采样光信号进入所述采样臂内，首先依次经过可变光衰减器、光纤透镜照射到采样物上，采样光信号在采样物上发射反射后又依次经过光纤透镜和可变光衰减器输出；
22.通过所述可变光衰减器来调整初始采样光信号的衰减量，从而改变所述采样臂输出的采样光信号。
23.5、根据项1-4任一项所述的一种oct系统灵敏度测量方法，其特征在于，所述采样光信号2n次经过可变光衰减器发生的衰减量为2n
×
第一衰减量；采样光信号在采样物上发射后的衰减量为第二衰减量；
24.所述第一衰减量为可变光衰减器的固定衰减量；
25.所述采样物的反射率为r；
26.所述第二衰减量为δx＝10lg(r)。
27.6、根据项4所述的一种oct系统灵敏度测量方法，其特征在于，所述可变光衰减器
的固定衰减量为0～50db。
28.7、根据项4所述的一种oct系统灵敏度测量方法，其特征在于，所述采样物为平面镜，所述平面镜的反射率为30％～100％，优选为80％～100％；所述采样物的平面和所述光纤透镜的出射光束垂直设置。
29.8、根据项1所述的一种oct系统灵敏度测量方法，其特征在于，所述信噪比＝fft谱峰值高度-噪声平均值-标准偏差；
30.所述fft谱峰值高度为fft频谱峰值达到最大时的峰值高度。
31.9、根据项2所述的一种oct系统灵敏度测量方法，其特征在于，所述扫频光源发出的弱相干光信号的波长为820nm～1500nm，带宽为50nm～260nm，扫描频率为5khz～10mhz。
32.10、根据项2所述的一种oct系统灵敏度测量方法，其特征在于，所述参考臂内设置有平面反射镜，所述初始参考光信号进入所述参考臂内，经过所述平面反射镜反射后射出，形成所述输出参考光信号。
33.11、一种oct系统灵敏度测量装置，其特征在于，包括oct系统和测量机构，所述测量机构包括采样臂和采样物，所述采样臂包括可变光衰减器和光纤透镜，且所述可变光衰减器、光纤透镜以及采样物同轴，所述oct系统与所述可变光衰减器的第一端连接，所述可变光衰减器的第二端与所述光纤透镜连接。
34.12、根据项11所述的一种oct系统灵敏度测量装置，其特征在于，所述oct系统设置有成像系统接口，所述可变光衰减器的第一端设置有光输入接口，所述oct系统的成像系统接口与所述可变光衰减器的第一端上的光输入接口连接。
35.13、根据项11所述的一种oct系统灵敏度测量装置，其特征在于，所述可变光衰减器的第二端与所述光线透镜通过光导纤维连接。
36.14、根据项11所述的一种oct系统灵敏度测量装置，其特征在于，所述采样物为平面镜，所述平面镜的镜面和所述光纤透镜的出射光束垂直设置，以使从所述光纤透镜射出来的光线垂直射在所述平面镜上；
37.所述平面镜的反射率为30％～100％，优选为80％～100％。
38.15、根据项11所述的一种oct系统灵敏度测量装置，其特征在于，所述oct系统包括扫描光源、分光镜、参考臂、干涉模块、平衡探测器、fft变换模块以及显示模块，所述扫描光源发射弱相干光信号，所述分光镜将所述弱相干光信号分成初始采样光信号和初始参考光信号，通过所述参考臂以及采样臂反射出来的输出参考光信号与输出采样光信号在干涉模块内发生干涉，形成干涉光信号，所述干涉光信号通过平衡探测器转换为电信号，所述电信号通过fft变换模块以及显示模块转变为fft频谱显示在显示模块的屏幕上。
39.16、根据项11所述的一种oct系统灵敏度测量装置，其特征在于，所述采样臂的长度与所述oct系统的参考臂的长度一致。
40.17、根据项11所述的一种oct系统灵敏度测量装置，其特征在于，所述光纤透镜与所述采样物之间的距离不超过1.5mm。
41.本技术提供的oct系统灵敏度测量方法，通过所述扫描光源发射光信号，所述光信号分为初始采样光信号和初始参考光信号，通过输出参考光信号与输出采样光信号两路光的干涉、光电转换、fft变化、图像采样，获得fft频谱图。通过移动采样物远离光纤透镜，在fft频谱图上可获得采样物对应位置的干涉光强。本测量方法可用于不同波长、频率的oct
系统，具有普遍适用性。
42.本技术提供的oct系统灵敏度测量方法或装置，可以通过逐渐增加可变光衰减器的固定衰减量，获得对应衰减量的信噪比，最终获得oct系统极限灵敏度，因此本技术的测量方法更便捷、有效，低成本，同时便于操作。本技术的装置结构简单，能够简便、准确地得到整个oct系统的灵敏度，既不需要昂贵的光束分析仪和光谱分析仪osa，又包括了oct系统本身的光接收机噪声，非常适合在实际生产中使用。
附图说明
43.附图用于更好地理解本技术，不构成对本技术的不当限定。其中：
44.图1是根据本技术的oct系统灵敏度测量装置的结构示意图。
45.图2是根据本技术的oct系统灵敏度测量装置的结构示意图。
46.附图标记列表
47.1-oct系统，2-光导纤维，3-可变光衰减器，4-光纤透镜，5-采样物。
具体实施方式
48.以下对本技术的示范性实施例做出说明，其中包括本技术实施例的各种细节以助于理解，应当将它们认为仅仅是示范性的。因此，本领域普通技术人员应当认识到，可以对这里描述的实施例做出各种改变和修改，而不会背离本技术的范围和精神。同样，为了清楚和简明，以下的描述中省略了对公知功能和结构的描述。
49.由于扫频光学干涉断层成像系统的灵敏度只取决于扫频光源的光源输出光功率和光路衰减，系统噪声来自光源和光接收，与成像导管本身的机械移动和导管设计没有任何关系，而扫频光学干涉断层成像系统的灵敏度是90～120分贝，为了准确测量，必须排除机械移动和导管设计等所有干扰，因此在测试中对于光路做了调整，用光纤透镜+平面镜来替代成像导管，这个调整完全不会改变系统本身的灵敏度，仅用来优化信号、排除干扰、提高测量精度。
50.本技术所述的测量方法是从oct系统里直接得到信噪比snr，既不需要昂贵的光束分析仪和光谱分析仪osa，又包括了oct系统本身的光接收机噪声。oct系统是一个点对点的光通信传输链路：用光源发出的激光从样品臂照射被检测物体，物体返回的反射/散射光与参考臂干涉，干涉光信号进入平衡探测器进行光电转化，然后对得到的电信号采样，fft图像处理，在oct系统显示屏幕上可以直接显示出fft光强的频谱。这个fft光强频谱就是系统接收到的光信号的信噪比。不同于来自光束分析仪和光谱分析仪osa的snr，这个fft谱的snr来自系统本身的光电探测器，因此包含了系统本身的光电探测噪声，并且oct重建图像就是基于这个fft信号，因此该信号的信噪比直接决定重建图像的质量。
51.因为扫频光学干涉断层成像系统灵敏度非常高，如果靠直接在样品臂做光衰减，观察系统fft信号峰值降至噪声相当来检测，很难得到稳定可靠的测量结果。因此，合理的测量方式应该是光衰减和信噪比相结合：首先，把光路衰减到一定程度，让光接收机得到最好信噪比，然后准确测量系统信噪比(信噪比＝峰值高度-噪声平均值-标准偏差)，衰减量+信噪比＝灵敏度。
52.本技术提供一种oct系统灵敏度测量方法，包括如下步骤：
53.步骤一：扫描光源发出光信号；
54.步骤二：将所述光信号分成初始采样光信号和初始参考光信号；
55.步骤三：初始参考光信号进入参考臂；
56.步骤四：初始采样光信号进入采样臂后发生2n+1次衰减；
57.步骤五：从参考臂反射出来的输出参考光信号与从采样臂反射出来的输出采样光信号发生干涉形成干涉光信号；
58.步骤六：将所述干涉光信号转换为电信号；
59.步骤七：将所述电信号转换为fft频谱，通过所述fft频谱得到信噪比，从而计算出oct系统灵敏度；
60.所述oct系统灵敏度＝采样光信号的衰减量+信噪比，所述oct系统灵敏度为s，所述采样光信号的衰减量为fa，所述信噪比为snr，即s＝fa+snr。
61.所述采样光信号的衰减量＝2n
×
第一衰减量+第二衰减量，n≥1。
62.本技术提供的oct系统灵敏度测量方法，通过所述扫描光源发射光信号，所述光信号分为初始采样光信号和初始参考光信号，所述初始采样光信号在经过采样臂发生衰减后输出的是输出采样光信号，所述初始参考光信号经过参考臂输出的是输出参考光信息，所述输出采样光信号与输出参考光信号发生干涉、光电转换、fft变化、图像采样，获得fft频谱。从所述fft频谱上可以读出信噪比。
63.在本技术中，所述oct系统包括扫描光源、分光镜、参考臂、成像系统接口、干涉模块、平衡探测器、fft变换模块以及显示模块，所述成像系统接口连接有测量机构，所述测量机构包括采样臂和采样物，所述成像系统接口与所述采样臂的第一端连接，所述采样物靠近所述采样臂的第二端设置，且所述采样物与所述采用壁同轴且间隔设置。
64.所述扫描光源用来提供光信号，所述分光镜用来将所述光信号分为初始参考光信号和初始采样光信号，所述参考臂用来将初始参考光信号通过反射输出，所述采样臂用来将初始采样光信号光量衰减，并反射输出，所述干涉模块用来为所述输出采样光信号和输出参考光信号发生干涉提供条件，所述平衡探测器用来将干涉光信号转化为电信号，fft变换模块用来将所述电信号转换为fft频谱，所述显示模块用来显示所述fft频谱。
65.所述参考臂与所述采样臂的长度相同，所述输出参考光信号与所述输出采样光信号同时输出发生干涉。
66.在本技术中，所述扫描光源发射弱相干光信号，所述分光镜将所述弱相干光信号分成初始采样光信号和初始参考光信号，通过所述参考臂以及采样臂反射出来的输出参考光信号与输出采样光信号在干涉模块内发生干涉，形成干涉光信号，所述干涉光信号通过平衡探测器转换为电信号，所述电信号通过fft变换模块以及显示模块转变为fft频谱显示在显示模块的屏幕上。
67.在本技术中，所述采样臂包括可变光衰减器、光纤透镜以及采样物，初始采样光信号进入所述采样臂内，首先依次经过可变光衰减器、光纤透镜照射到采样物上，采样光信号在采样物上发射反射后又依次经过光纤透镜和可变光衰减器输出；
68.通过所述可变光衰减器来调整初始采样光信号的衰减量，从而改变所述采样臂输出的采样光信号。
69.所述可变光衰减器是光纤通信中一种重要的光无源器件，通过衰减传输光功率来
实现对信号的实时控制。
70.所述初始采样光信号在所述采样臂内发生2n+1次衰减，其中2n次经过可变光衰减器发生衰减，且2n次的衰减量相同，衰减量由所述可变光衰减器的参数决定。即所述采样光信号两次经过可变光衰减器发生的衰减量为2n
×
第一衰减量；采样光信号在所述采样物上发射后的衰减量为第二衰减量；
71.所述第一衰减量为可变光衰减器的固定衰减量；
72.所述采样物的反射率为r；
73.所述第二衰减量为δx＝10lg(r)。
74.所述采样臂内可以设置一个或多个可变光衰减器，具体根据实际情况来确定。当采样臂内的可变光衰减器为1个时，所述初始采样光信号在所述采样臂内发生3次衰减，所述可变光衰减器的数量为n。
75.在本技术中，所述可变光衰减器的固定衰减量为0-50db。
76.所述可变光衰减器的固定衰减量可以为0、5db、10db、15db、20db、25db、30db、35db、40db、45db、50db。
77.在本技术中，所述采样物为平面镜，所述平面镜的反射率为30％～100％，优选80％～100％；所述采样物的平面和所述光纤透镜的出射光束垂直设置，以减少光的损失。
78.所述平面镜的反射率可以为30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、100％。
79.在本技术中，所述信噪比＝fft谱峰值高度-噪声平均值-标准偏差；
80.所述fft谱峰值高度为fft频谱峰值达到最大时的峰值高度。其中fft谱峰值高度、噪声平均值、标准偏差可以通过oct系统得到。
81.在本技术中，所述扫频光源发出的弱相干光信号的波长为820nm～1500nm，带宽为50nm～260nm，扫描频率为5khz～10mhz。
82.在本技术中，所述参考臂内设置有平面反射镜，所述初始参考光信号进入所述参考臂内，经过所述平面反射镜反射后射出，形成所述输出参考光信号。
83.如图1和图2所示，本技术还提供一种oct系统灵敏度测量装置，包括oct系统1和测量机构，所述测量机构包括采样臂和采样物5，所述采样臂包括可变光衰减器3和光纤透镜4，且所述可变光衰减器3、光纤透镜4以及采样物5同轴，所述oct系统1与所述可变光衰减器的第一端连接，所述可变光衰减器的第二端与所述光纤透镜4连接。
84.初始采样光信号进入所述可变光衰减器3后发生衰减，衰减后的采样光信号穿过光纤透镜4，且在光纤透镜4中不发生衰减，采样光信号射在所述采样物5上，然后采样光信号在采样物5上发生反射，反射后的采样光信号依次射入光纤透镜4和可变光衰减器3，进入oct系统1中。
85.所述oct系统1可以为光学干涉断层成像系统。
86.前述oct系统灵敏度测量方法是通过oct系统灵敏度测量装置来进行测量。
87.在本技术中，所述oct系统1设置有成像系统接口，所述可变光衰减器3的第一端设置有光输入接口，所述oct系统1的成像系统接口与所述可变光衰减器3的第一端上的光输入接口连接。所述成像系统接口与所述光输入接口通过光导纤维2连通。
88.在本技术中，所述可变光衰减器3的第二端与所述光线透镜通过光导纤维2连接。
89.在本技术中，所述采样物5为平面镜，所述平面镜的镜面正对所述光纤透镜4设置，
以使从所述光纤透镜4射出来的光线垂直射在所述平面镜上。
90.在本技术中，所述oct系统1包括扫描光源、分光镜、参考臂、干涉模块、平衡探测器、fft变换模块以及显示模块，所述扫描光源发射弱相干光信号，所述分光镜将所述弱相干光信号分成初始采样光信号和初始参考光信号，通过所述参考臂以及采样臂反射出来的输出参考光信号与输出采样光信号在干涉模块内发生干涉，形成干涉光信号，所述干涉光信号通过平衡探测器转换为电信号，所述电信号通过fft变换模块以及显示模块转变为fft频谱显示在显示模块的屏幕上。
91.在本技术中，所述采样臂的长度与所述oct系统1的参考臂的长度一致，以使从参考臂反射出来的光信号和从采样臂输出的光信号能够发生干涉。
92.在本技术中，所述光纤透镜4与所述采样物5之间的距离不超过1.5mm，以减小采样光信号的衰减量的误差，从而提高检测装置的测量准确的，减小误差。
93.实施例1
94.一种oct系统灵敏度测量方法，包括如下步骤：
95.步骤一：扫描光源发出光信号；
96.步骤二：将所述光信号分成初始采样光信号和初始参考光信号；
97.步骤三：初始参考光信号进入参考臂；
98.步骤四：初始采样光信号进入采样臂，采样光信号在所述采样臂经过两次固定衰减(固定衰减量为第一衰减量)，两次固定衰减的衰减量为2
×
35db，即第一衰减量为35db，同时经过光纤透镜到达平面镜后反射回光纤透镜，其平面镜发射率为80％；
99.步骤五：从参考臂反射出来的输出参考光信号与从采样臂反射出来的输出采样光信号发生干涉形成干涉光信号；
100.步骤六：将所述干涉光信号转换为电信号；
101.步骤七：将所述电信号转换为fft频谱，通过所述fft频谱得到信噪比，从而计算出oct系统灵敏度。
102.实施例2和3与实施例1不同之处在于，实施例2以及实施例3中的第一衰减量和平面镜发射率不同。实施例2的第一衰减量为37.5db，平面镜反射率为90％。实施例3的第一衰减量为40db，平面镜的反射率为100％。
103.对比例1
104.oct系统灵敏度测量方法，包括如下步骤：
105.步骤一：扫描光源发出光信号；
106.步骤二：将所述光信号分成初始采样光信号和初始参考光信号；
107.步骤三：初始参考光信号进入参考臂；
108.步骤四：初始采样光信号进入采样臂，采样光信号在所述采样臂经过2*30db固定衰减，同时经过连接的成像导管到达平面镜后发射回成像导管，其平面镜发射率为0.1％(由于成像导管出光角度和平面镜的相对位置的限制，经反射镜返回的光信号很弱)；
109.步骤五：从参考臂反射出来的输出参考光信号与从采样臂反射出来的输出采样光信号发生干涉形成干涉光信号；
110.步骤六：将所述干涉光信号转换为电信号；
111.步骤七：将所述电信号转换为fft频谱，观察系统fft信号峰值和噪声相当，从而计
算出oct系统灵敏度。
112.对比例2和3与对比例1不同之处在于，对比例2以及对比例3中的第一衰减量和成像导管经平面镜发射率不同。对比例2的第一衰减量为35db，平面镜反射率为0.2％。对比例3的第一衰减量为40db，平面镜的反射率为0.4％。
113.表1为各实施例以及对比例的方法检测的灵敏度以及其他各项参数
[0114] 信噪比/db平面镜反射率第一衰减量/db第二衰减量/db灵敏度/db实施例148.1680％350.97119.13实施例243.8190％37.50.46119.27实施例339.35100％400119.35对比例100.1％303090对比例200.2％3526.9996.99对比例300.4％4023.98103.98
[0115]
小结：由上表可见，采用本技术所述的方法，检测到的灵敏度接近oct系统的极限灵敏度(120db)，而对比例1-3中由于由于成像导管出光角度和平面镜的相对位置的限制，经反射镜返回的光信号很弱，因此信噪比为0，检测到的灵敏度与极限灵敏度相差较大，而且测量结果波动较大。因此采用本技术所述的方法通过调整采样臂内的衰减量，同时经过平面镜的衰减很小，保证了采样光信号的高质量，而且还避免了成像导管引入的不确定衰减，还可以直接利用oct系统本身测量系统的噪声和干涉信号获得信噪比，从而能够简便、准确地得到整个oct系统的灵敏度。
[0116]
尽管以上结合对本技术的实施方案进行了描述，但本技术并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本技术权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本技术保护之列。