本發(fā)明屬于光學(xué)相干層析成像技術(shù)、光學(xué)顯微成像技術(shù)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于光程編碼的高分辨長(zhǎng)焦深OCT成像系統(tǒng)和方法。

背景技術(shù)：

焦深(depth of focus,DOF)是影響光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量的一個(gè)重要參數(shù)，擴(kuò)展焦深是保證成像光學(xué)系統(tǒng)在較大的范圍內(nèi)有較好的成像質(zhì)量的重要技術(shù)之一。焦深DOF與橫向分辨率Δx的關(guān)系可以表示為：DOF＝πΔx²/2λ₀，其中λ₀是光源的中心波長(zhǎng)?？梢?jiàn)焦深隨著橫向分辨率的提高而減小，采用數(shù)值孔徑更大的聚焦物鏡，可以提高系統(tǒng)的橫向分辨率，但是同時(shí)也減小了焦深，導(dǎo)致了在焦深外的區(qū)域橫向分辨率會(huì)迅速下降。

光學(xué)相干層析成像(Optical Coherence Tomography，簡(jiǎn)稱(chēng)OCT)能實(shí)現(xiàn)對(duì)非透明高散射介質(zhì)內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)與生理功能進(jìn)行非接觸、無(wú)損傷、高分辨率成像。光束離焦條件下得到的OCT圖像相比于光束焦深范圍內(nèi)得到的OCT圖像在分辨率和對(duì)比度上有較大衰減，因此，為了獲得質(zhì)量好的OCT圖像，光斑需要在較長(zhǎng)范圍內(nèi)保持不變，但是長(zhǎng)焦深也意味著限制了成像的分辨率。為了拓展OCT系統(tǒng)的焦深，Schmitt等人提出了將參考鏡固定到樣品臂成像物鏡的位移臺(tái)的方法實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)聚焦，或者通過(guò)改變MEMS變形鏡的形狀，實(shí)時(shí)控制焦點(diǎn)位置實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)聚焦，但是該方法的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，限制了掃描速度。Z.Ding提出了基于軸錐鏡的OCT系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)大景深高橫向分辨成像，在6mm的焦深范圍內(nèi)，橫向分辨率維持在10μm左右。但軸錐鏡能量利用效率比較低，且焦深拓展倍數(shù)越高，能量利用效率越低，不適用于對(duì)功率敏感的生物樣品。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種基于光程編碼的高分辨長(zhǎng)焦深OCT成像系統(tǒng)和方法。本發(fā)明通過(guò)對(duì)樣品不同深度位置的并行聚焦照明，在探測(cè)臂上使用具有超長(zhǎng)探測(cè)量程的正交色散光譜儀進(jìn)行光譜探測(cè)以區(qū)分被光程編碼的多個(gè)光束所得圖像，能夠?qū)崿F(xiàn)樣品的高分辨率長(zhǎng)焦深OCT成像。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：

一種基于光程編碼的高分辨長(zhǎng)焦深OCT成像系統(tǒng)，包括寬帶光源、帶通濾波片、第一反射鏡、第一寬帶光分束器、第二寬帶光分束器、第一聚焦透鏡、光程編碼器、第三寬帶光分束器、二維掃描振鏡、第二聚焦透鏡、第二反射鏡、第三反射鏡、第四反射鏡、一維精密平移臺(tái)、正交色散光譜儀和計(jì)算機(jī)；

寬帶光源發(fā)出的空間光經(jīng)過(guò)帶通濾波片后，被第一反射鏡反射到第一寬帶光分束器上，被第一寬帶光分束器反射的光形成樣品光路，被第一寬帶光分束器透射的光形成參考光路。

所述樣品光路：經(jīng)過(guò)第二寬帶光分束器的透射光被第一聚焦透鏡聚焦在光程編碼器上。光程編碼器為一兩面鍍膜的玻璃板，光束入射面為高反射膜，另一面為全反射膜。返回的光程編碼光被第二寬帶光分束器反射后透射過(guò)第三寬帶光分束器，再經(jīng)過(guò)二維掃描振鏡和第二聚焦透鏡后照射到待測(cè)樣品上。返回的樣品信號(hào)光經(jīng)過(guò)第二寬帶光分束器反射后傳輸?shù)秸簧⒐庾V儀中。

所述參考光路：經(jīng)過(guò)第一寬帶光分束器的透射光被第二反射鏡反射后相繼被第三反射鏡和第四反射鏡反射，再經(jīng)第三寬帶光分束器透射后傳輸?shù)秸簧⒐庾V儀中。第三反射鏡和第四反射鏡放置在一維精密平移臺(tái)上，移動(dòng)該平移臺(tái)即可調(diào)節(jié)樣品光路和參考光路的光程差。

樣品光與參考光發(fā)生干涉后進(jìn)入探測(cè)臂，被正交色散光譜儀轉(zhuǎn)化為電信號(hào)并傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中進(jìn)行處理。

基于光程編碼的高分辨長(zhǎng)焦深OCT成像方法包括以下步驟：

步驟一：在高分辨長(zhǎng)焦深OCT成像系統(tǒng)的樣品光路中，使用光程編碼器對(duì)待測(cè)樣品的照明光進(jìn)行調(diào)制，入射光經(jīng)光程編碼器兩面的多次反射后形成了多個(gè)光程不同的虛像光源。這些虛像光源經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)成像后，聚焦在樣品的不同深度位置。

步驟二：在高分辨長(zhǎng)焦深OCT成像系統(tǒng)的探測(cè)臂中，使用具有超高光譜分辨率的正交色散光譜儀進(jìn)行探測(cè)，該光譜儀具有超長(zhǎng)的測(cè)量量程，被用來(lái)區(qū)分不同編碼光程下的樣品信息，以實(shí)現(xiàn)干涉光譜信號(hào)的縱向并行探測(cè)。

步驟三：對(duì)探測(cè)得到的待測(cè)樣品干涉光譜進(jìn)行傅里葉變換，即可得到多光束照明條件下的樣品圖像。不同光束得到的樣品圖像分布在不同深度位置，選取每一光束焦深范圍內(nèi)光得到的樣品圖像并拼接，即可得到高分辨、長(zhǎng)焦深光束照明下的樣品圖像。

與背景技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1.本發(fā)明利用正交色散光譜儀超長(zhǎng)的測(cè)量量程區(qū)分不同編碼光程下、聚焦在不同深度的光束所得到的樣品信息，可以大幅提高焦深。

2.本發(fā)明在成像時(shí)，不需要移動(dòng)樣品或者聚焦透鏡，只需單次測(cè)量即可實(shí)現(xiàn)樣品的高分辨率長(zhǎng)焦深OCT成像，具有較快的成像速度。

3.相比于軸錐鏡照明、相位調(diào)制等方法，本發(fā)明的光束質(zhì)量更高，因此探測(cè)效率也更高。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理示意圖；

圖2為本發(fā)明中光程編碼示意圖；

圖3為本發(fā)明中樣品多焦點(diǎn)照明示意圖；

圖4為本發(fā)明中多光束樣品圖像分布在編碼空間的示意圖；

圖5為本發(fā)明中樣品圖像重建示意圖。

圖中：1、寬帶光源，2、帶通濾光片，3、第一反射鏡，4、第一寬帶光分束器，5、第二寬帶光分束器，6、第一聚焦透鏡，7、光程編碼器，8、第二反射鏡，9、第三反射鏡，10、第四反射鏡，11、一維精密平移臺(tái)，12、第三寬帶光分束器，13、二維掃描振鏡，14、第二聚焦透鏡，15、待測(cè)樣品，16、正交色散光譜儀，17、計(jì)算機(jī)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施示例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明：

如圖1所示，基于光程編碼的高分辨長(zhǎng)焦深OCT成像系統(tǒng)包括1、寬帶光源，2、帶通濾光片，3、第一反射鏡，4、第一寬帶光分束器，5、第二寬帶光分束器，6、第一聚焦透鏡，7、光程編碼器，8、第二反射鏡，9、第三反射鏡，10、第四反射鏡，11、一維精密平移臺(tái)，12、第三寬帶光分束器，13、二維掃描振鏡，14、第二聚焦透鏡，15、待測(cè)樣品，16、正交色散光譜儀，17、計(jì)算機(jī)。

寬帶光源1發(fā)出的空間光經(jīng)過(guò)帶通濾波片2后，被反射鏡3反射到寬帶光分束器4上，被寬帶光分束器4反射的光形成樣品光路，被寬帶光分束器4透射的光形成參考光路。

所述樣品光路：經(jīng)過(guò)寬帶光分束器5的透射光被聚焦透鏡6聚焦在光程編碼器7上。如圖2所示，光程編碼器7為一兩面鍍膜的玻璃板，光束入射面為高反射膜，另一面為全反射膜。入射光經(jīng)光程編碼器7兩面的多次反射后形成了多個(gè)光程不同、位置不同的虛像光源，如圖2所示，以四個(gè)虛像光源為例：虛像光源1、虛像光源2、虛像光源3、虛像光源4，分別對(duì)應(yīng)返回的四個(gè)編碼光束：光束1、光束2、光束3、光束4，編碼光被寬帶光分束器5反射后透射過(guò)寬帶光分束器12，再經(jīng)過(guò)二維掃描振鏡13和聚焦透鏡14后照射到待測(cè)樣品上15。虛像光源1、虛像光源2、虛像光源3、虛像光源4被分別成像在樣品不同深度位置，如圖3所示，在樣品空間形成焦點(diǎn)1、焦點(diǎn)2、焦點(diǎn)3、焦點(diǎn)4。返回的樣品信號(hào)光經(jīng)過(guò)寬帶光分束器12反射后傳輸?shù)秸簧⒐庾V儀16中。

所述參考光路：經(jīng)過(guò)寬帶光分束器4的透射光被反射鏡8反射后相繼被反射鏡9和反射鏡10反射，再經(jīng)寬帶光分束器12透射后傳輸?shù)秸簧⒐庾V儀16中。反射鏡9和反射鏡10放置在一維精密平移臺(tái)11上，移動(dòng)該平移臺(tái)即可調(diào)節(jié)樣品光路和參考光路的光程差。

樣品光與參考光發(fā)生干涉后進(jìn)入探測(cè)臂，被正交色散光譜儀16轉(zhuǎn)化為電信號(hào)并傳輸?shù)接?jì)算機(jī)17中進(jìn)行處理。

基于光程編碼的高分辨長(zhǎng)焦深OCT成像方法包括以下步驟：

步驟一：在高分辨長(zhǎng)焦深OCT成像系統(tǒng)的樣品光路中，使用光程編碼器對(duì)待測(cè)樣品的照明光進(jìn)行調(diào)制，入射光經(jīng)光程編碼器兩面的多次反射后形成了多個(gè)光程不同、位置不同的虛像光源。這些虛像光源經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)成像后，聚焦在樣品空間的不同深度位置，如圖3所示，這些焦點(diǎn)之間的間距由虛像光源之間的間距以及聚焦透鏡6和聚焦透鏡14所構(gòu)成光學(xué)系統(tǒng)決定，假設(shè)編碼器厚度為t，折射率為n，聚焦透鏡6焦距為f₁，聚焦透鏡14焦距為f₂,則相鄰焦點(diǎn)之間的間距可以表示為：

Δz_f＝2tf₂²/nf₁² (1)

步驟二：在高分辨長(zhǎng)焦深OCT成像系統(tǒng)的探測(cè)臂中，使用具有超高光譜分辨率的正交色散光譜儀進(jìn)行探測(cè)，該光譜儀具有超長(zhǎng)的測(cè)量量程，被用來(lái)區(qū)分不同編碼光程下的樣品信息，以實(shí)現(xiàn)干涉光譜信號(hào)的縱向并行探測(cè)。

步驟三：對(duì)探測(cè)得到的待測(cè)樣品干涉光譜進(jìn)行傅里葉變換，即可得到多光束照明條件下的樣品圖像。如圖4所示，在編碼空間，四個(gè)光束所得到的四個(gè)子圖：子圖1，子圖2，子圖3和子圖4被編碼在不同光程位置。相鄰子圖之間的間距可以表示為：

Δz_s＝nt (2)，

在樣品空間，只有位于某光束焦深范圍內(nèi)的樣品，才能被高質(zhì)量的光束照明，所得到的成像結(jié)果才是具有高分辨率的。即每個(gè)子圖都有一段高分辨成像區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)的樣品是被對(duì)應(yīng)光束焦深范圍內(nèi)的光照射的，如圖4所示，四個(gè)光束有四段焦深內(nèi)區(qū)域，相鄰子圖高分辨成像區(qū)域中心位置的間距可以表示為：

Δd＝Δz_s-Δz_f (3)，

把四個(gè)子圖的焦深內(nèi)區(qū)域成像結(jié)果拼接起來(lái)，如圖5所示，即可重建出長(zhǎng)深度范圍、高分辨的成像結(jié)果。