專利名稱：一種基于菲涅爾光譜儀的頻域光學相干層析成像系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種頻域光學相干層析成像系統，特別是關于一種基于菲涅爾光譜儀的頻域光學相干層析成像系統。
背景技術：
近十幾年來光學相干CT (Optical Coherence Tomography，簡稱OCT)技術發展迅速，該技術可以對生物組織或人體組織進行斷層成像，分辨率遠高于X射線成像和超聲波成像。特別是頻域光學相干CT(FD-OCT)技術，它不僅具有高分辨斷層成像能力，而且它具有頻域并行讀取能力，能夠一次讀取沿樣品某一深度方向的一線光信號，FD-OCT技術還具有高靈敏度的優點，實現高速成像潛力巨大。在光纖化FD-OCT系統中，寬帶光由單模光纖傳導，經環形器和耦合器后分成兩束，其中一束經成像物鏡聚焦在樣品上，另一束經可調衰減片照射在反射平面鏡上。樣品中不同深度的樣品光與參考光相干疊加，現有技術是將此相干光經準直器準直平行后，再通過光柵將相干光的頻譜展開，然后經消色差透鏡聚焦在線陣CCD上。線陣CCD每曝光一次可以得到沿樣品深度方向一線的頻域信息，在計算機上作快速傅立葉變換后得到深度方向的一線數據，即樣品不同深度的返回光信號強度。但是，此時線陣CCD上記錄的頻譜是按近似等間隔的波長而展開的，而傅里葉變換要求頻譜按波數均勻展開，否則會導致傅里葉變換后的空間域信號縱向分辨率變差。現有的頻域光學相干層析成像系統還需要做波長-波數轉換和重采樣的數據后處理過程，極大地影響了成像系統的成像速度。

發明內容
針對上述問題，本發明的目的是提供一種能夠極大地提高成像系統的成像速度， 且能夠有效避免像差問題的基于菲涅爾光譜儀的頻域光學相干層析成像系統。為實現上述目的，本發明采取以下技術方案一種基于菲涅爾光譜儀的頻域光學相干層析成像系統，其特征在于它包括一邁克爾遜干涉儀，一菲涅爾光譜儀和一傅里葉轉換模塊；所述邁克爾遜干涉儀將樣品某一深度方向各層返回的樣品光和參考光相干疊加后的相干光發射到所述菲涅爾光譜儀中，所述相干光在所述菲涅爾光譜儀中分別經一準直鏡和一擴束透鏡組后平行入射到一菲涅爾波帶片上，所述菲涅爾波帶片將所述相干光按照波數等間隔展開并投射到一線陣CCD上，不同波長的所述相干光聚焦在不同的焦點上，所述線陣CCD中感光陣列沿著焦點排列的方向布置，所述線陣CCD讀取相干光的頻譜數據并發送到所述傅里葉轉換模塊，所述傅里葉轉換模塊通過離散傅里葉變換將所述頻譜數據還原為樣品空間位置信息。所述邁克遜干涉儀采用光纖化邁克爾遜干涉儀和空間化邁克爾遜干涉儀中的一種。所述光纖化邁克遜干涉儀包括一寬帶光源，所述寬帶光源輸出寬帶光經一單模光纖發射到一光纖環形器中，所述寬帶光經所述光纖環形器后發射到一光纖耦合器中，所述光纖耦合器將寬帶光分成兩束，兩束寬帶光分別經一偏振控制器由所述單模光纖分別出射，其中一束所述寬帶光經一準直鏡、一衰減片和一透鏡發射到一參考鏡，另一束所述寬帶光經另一準直鏡發射到一掃描振鏡上，所述寬帶光經所述掃描振鏡反射并經一成像物鏡聚焦后發射到待檢測的樣品上，經所述樣品各層反射的樣品光和經所述參考鏡垂直反射的參考光分別沿著光原來的傳播路徑返回，并在空間發生相干疊加形成相干光返回到所述光纖環形器中，并經所述單模光纖發射到所述菲涅爾光譜儀中。所述參考鏡采用能夠使所述寬帶光按照原傳播路徑返回的光學器件。所述成像物鏡采用能夠使入射到樣品上的所述寬帶光聚焦的光學器件。所述擴束透鏡組采用兩對稱設置的透鏡，兩所述透鏡采用具有聚焦功能且能夠使入射到所述菲涅爾波帶片上的相干光為平行光的光學器件。所述菲涅爾波帶片的設計波長、環數和最內環直徑的選取分別根據所述邁克遜干涉儀的寬帶光源、所述菲涅爾光譜儀的分辨率和焦距確定；所述菲涅耳波帶片采用圓環形、 方形、橢圓形、螺旋形中的一種。本發明由于采取以上技術方案，其具有以下優點1、本發明采用邁克遜干涉儀和菲涅爾光譜儀結合，與現有技術相比省去了波長-波數轉換和重采樣的數據處理過程，實現了在波數域對樣品的一線信號的快速提取，極大地減少了成像系統后處理時間，提高了成像速度和性能。2、由于傳統頻域相干層析成像系統采用了光柵和聚焦透鏡來將各種波長的光匯聚到CCD上，本發明采用菲涅爾光帶片和線陣CCD，無需聚焦透鏡即可將不同波長的光匯聚到CXD上，因此有效避免了聚焦透鏡帶來的像差問題。3、本發明將相干光從菲涅爾波帶片投射到線陣CCD上，菲涅爾波帶片由于菲涅爾衍射效應，平行入射到菲涅爾波帶片上的相干光會產生類似透鏡的現象，不同波長的相干光會聚焦在不同的焦點上，與普通透鏡不同的是，其焦距與波長成反比關系，即與波數成正比，因此將CCD沿著焦點排列的方向布置則可以直接實現波數均勻、等間隔采樣，有效避免了傅里葉變換后的空間域信號縱向分辨率變差的問題。4、本發明調節簡便，靈活性高，有利于頻域光學相干層析技術的進一步實用化，不僅可以應用于在頻域光學相干層析成像中，還可以應用在其他需要進行波長-波數轉換和重采樣進行成像或探測按波數均勻展開的光譜分析中特別是可以應用于生物醫學成像過程中。


圖1是本發明的成像系統結構示意圖
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明進行詳細的描述。如圖1所示，本發明包括一光纖化邁克遜干涉儀1、一菲涅爾光譜儀2和一傅里葉轉換模塊(FFT) 3。光纖化邁克遜干涉儀1包括一寬帶光源10，寬帶光源10輸出的寬帶光經單模光纖發射到一光纖環形器11中，寬帶光在光纖環形器11中按照固定的傳播路徑射出并經單模光纖發射到一光纖耦合器12中，光纖耦合器12按照設定的分光比將寬帶光分成兩束，兩束寬帶光分別經一偏振控制器13后由單模光纖分別出射，其中一束寬帶光經一準直鏡14、一衰減片15、一透鏡16后發射到一參考鏡17上。另一束寬帶光經另一準直鏡14發射到一掃描振鏡18上，寬帶光經掃描振鏡18反射后經一成像物鏡19聚焦后發射到待檢測的樣品上。經樣品某一深度方向各層反射的樣品光和經參考鏡17垂直反射的參考光分別沿著光原來的傳播路徑返回，并在空間發生相干疊加后返回到光纖環形器11中，相干光在光纖環形器11中按照固定的傳播路徑傳播并經單模光纖發射到菲涅爾光譜儀2。相干光分別經一準直鏡21、一擴束透鏡組22后平行入射到菲涅爾波帶片23上，菲涅爾波帶片23將相干光按照波數等間隔展開并投射到線陣CCDM上，不同波長的相干光聚焦在不同的焦點上，線陣CCDM中的感光陣列沿著焦點排列的方向布置，線陣CCDM每曝光一次可以得到沿著樣品深度方向一線的頻域信息，線陣CCDM讀取相干光的頻譜數據并通過數據采集卡將其發送到傅里葉轉換模塊3，傅里葉轉換模塊3通過離散傅里葉變換將頻譜數據還原為樣品各層的空間位置信息，通過計算機顯示出樣品深度方向的結構信息。為了獲取整個樣品的結構圖像，可以通過不斷旋轉掃描振鏡1的方式獲取樣品的橫向方向信息和深度方向信息。其中，傅里葉轉換模塊3可以依據離散傅里葉變換公式將獲取的頻域數據轉變為樣品的空間位置信息，具體的公式如下
1 CO/(O=— \ Fiwyat dw
-co上述公式中，F(CO)為樣品的頻域數據，f(t)為樣品的空間位置信息。上述實施例中，由于本發明采用寬帶光源10，除設計波長外，設計波長附近光源帶寬范圍內的其它波長的光也會分別聚焦在不同焦點上，且波長越長焦距越短。距離菲涅爾波帶片23最近的焦點和最遠的焦點之間的距離即為寬帶光被菲涅爾波帶片23聚焦的焦距范圍，線陣CCDM放置的位置及選用的長度應保證覆蓋此焦距范圍。上述各實施例中，本發明還可以利用分束鏡、自由空間光隔離器分別替換光纖環形器11和光纖耦合器12構成空間化邁克爾遜干涉儀獲取參考光和樣品光在空間的相干疊加。上述各實施例中，光纖環形器11還可以采用光隔離器，光纖耦合器12可以采用 1*2的光纖耦合器也可以采用2 光纖耦合器。上述各實施例中，菲涅爾波帶片23可以根據所選用寬帶光源10的中心波長來確定其設計波長，根據菲涅爾光譜儀2的分辨率來確定菲涅爾波帶片23的環數，根據焦距來確定菲涅爾波帶片23的最內環直徑的大小(焦距是菲涅爾波帶片對寬帶光帶寬范圍內各個波長的焦距，焦距與最內環半徑的平方成正比，與波長成反比)，只要能夠滿足上述參數要求，菲涅耳波帶片23可以為圓環形、方形、橢圓形、螺旋形或其它形狀。上述各實施例中，入射到菲涅爾波帶片23的相干光可以沿菲涅爾波帶片軸對稱入射，也可以偏軸入射或斜平行入射，但是入射光必須是平行光，這樣才能夠保證從菲涅爾波帶片23出射的光能夠按照波數均勻展開。上述各實施例中，參考鏡17可以為普通平面反射鏡、角耦反射鏡或者其它可以使光按照原傳播路徑返回的光學器件。上述各實施例中，光纖耦合器12的分光比可以根據實際的需要來確定，為使樣品的OCT圖像具有高的信噪比，可以采用較高的分光比，例如分光比為90/10，使入射到樣品
5的寬帶光為寬帶光總光強的90%，入射到參考鏡17的寬帶光為寬帶光總光強的10%。上述各實施例中，成像物鏡19可以采用消色差聚焦透鏡、非球面聚焦透鏡和其它具有聚焦功能的光學器件，只要確保入射到樣品上的寬帶光為聚焦光即可。上述各實施例中，擴束透鏡組22可以采用兩個對稱設置的透鏡22，按照兩個透鏡 22的焦距關系確定其之間的距離，兩透鏡22可以采用消色差擴束透鏡、非球面聚焦透鏡、 球面鏡、角錐透鏡、球透鏡、凹面鏡等其它具有聚焦功能且能夠保證入射到菲涅爾波帶片23 的光為平行光的光學器件，也可以采用多組透鏡以提高擴束比例。上述各實施例僅用于說明本發明，其中各部件的結構、設置位置及其連接方式都是可以有所變化的，凡是在本發明技術方案的基礎上進行的等同變換和改進，均不應排除在本發明的保護范圍之外。
權利要求
1.一種基于菲涅爾光譜儀的頻域光學相干層析成像系統，其特征在于它包括一邁克爾遜干涉儀，一菲涅爾光譜儀和一傅里葉轉換模塊；所述邁克爾遜干涉儀將樣品某一深度方向各層返回的樣品光和參考光相干疊加后的相干光發射到所述菲涅爾光譜儀中，所述相干光在所述菲涅爾光譜儀中分別經一準直鏡和一擴束透鏡組后平行入射到一菲涅爾波帶片上，所述菲涅爾波帶片將所述相干光按照波數等間隔展開并投射到一線陣CCD上，不同波長的所述相干光聚焦在不同的焦點上，所述線陣CCD中感光陣列沿著焦點排列的方向布置，所述線陣CCD讀取相干光的頻譜數據并發送到所述傅里葉轉換模塊，所述傅里葉轉換模塊通過離散傅里葉變換將所述頻譜數據還原為樣品空間位置信息。
2.如權利要求1所述的一種基于菲涅爾光譜儀的頻域光學相干層析成像系統，其特征在于所述邁克遜干涉儀采用光纖化邁克爾遜干涉儀和空間化邁克爾遜干涉儀中的一種。
3.如權利要求2所述的一種基于菲涅爾光譜儀的頻域光學相干層析成像系統，其特征在于所述光纖化邁克遜干涉儀包括一寬帶光源，所述寬帶光源輸出寬帶光經一單模光纖發射到一光纖環形器中，所述寬帶光經所述光纖環形器后發射到一光纖耦合器中，所述光纖耦合器將寬帶光分成兩束，兩束寬帶光分別經一偏振控制器由所述單模光纖分別出射， 其中一束所述寬帶光經一準直鏡、一衰減片和一透鏡發射到一參考鏡，另一束所述寬帶光經另一準直鏡發射到一掃描振鏡上，所述寬帶光經所述掃描振鏡反射并經一成像物鏡聚焦后發射到待檢測的樣品上，經所述樣品各層反射的樣品光和經所述參考鏡垂直反射的參考光分別沿著光原來的傳播路徑返回，并在空間發生相干疊加形成相干光返回到所述光纖環形器中，并經所述單模光纖發射到所述菲涅爾光譜儀中。
4.如權利要求3所述的一種基于菲涅爾光譜儀的頻域光學相干層析成像系統，其特征在于所述參考鏡采用能夠使所述寬帶光按照原傳播路徑返回的光學器件。
5.如權利要求3所述的一種基于菲涅爾光譜儀的頻域光學相干層析成像系統，其特征在于所述成像物鏡采用能夠使入射到樣品上的所述寬帶光聚焦的光學器件。
6.如權利要求4所述的一種基于菲涅爾光譜儀的頻域光學相干層析成像系統，其特征在于所述成像物鏡采用能夠使入射到樣品上的所述寬帶光聚焦的光學器件。
7.如權利要求1或2或3或4或5或6所述的一種基于菲涅爾光譜儀的頻域光學相干層析成像系統，其特征在于所述擴束透鏡組采用兩對稱設置的透鏡，兩所述透鏡采用具有聚焦功能且能夠使入射到所述菲涅爾波帶片上的相干光為平行光的光學器件。
8.如權利要求1或2或3或4或5或6所述的一種基于菲涅爾光譜儀的頻域光學相干層析成像系統，其特征在于所述菲涅爾波帶片的設計波長、環數和最內環直徑的選取分別根據所述邁克遜干涉儀的寬帶光源、所述菲涅爾光譜儀的分辨率和焦距確定；所述菲涅耳波帶片采用圓環形、方形、橢圓形、螺旋形中的一種。
9.如權利要求7所述的一種基于菲涅爾光譜儀的頻域光學相干層析成像系統，其特征在于所述菲涅爾波帶片的設計波長、環數和最內環直徑的選取分別根據所述邁克遜干涉儀的寬帶光源、所述菲涅爾光譜儀的分辨率和焦距確定；所述菲涅耳波帶片采用圓環形、方形、橢圓形、螺旋形中的一種。
全文摘要
本發明涉及一種基于菲涅爾光譜儀的頻域光學相干層析成像系統，其特征在于它包括一邁克爾遜干涉儀，一菲涅爾光譜儀和一傅里葉轉換模塊；邁克爾遜干涉儀將樣品各層返回的樣品光和參考光相干疊加后的相干光發射到菲涅爾光譜儀中，相干光在菲涅爾光譜儀中分別經一準直鏡和一擴束透鏡組后平行入射到一菲涅爾波帶片上，菲涅爾波帶片將相干光按照波數等間隔展開并投射到一線陣CCD上，線陣CCD讀取相干光的頻譜數據并發送到傅里葉轉換模塊，傅里葉轉換模塊通過離散傅里葉變換將頻譜數據還原為樣品空間位置信息。本發明不僅可以應用于在頻域光學相干層析成像中，還可以應用在其他需要進行波長-波數轉換和重采樣進行成像或探測按波數均勻展開的光譜分析中特別是可以應用于生物醫學成像過程中。
文檔編號G01N21/45GK102499648SQ20111036290
公開日2012年6月20日 申請日期2011年11月16日 優先權日2011年11月16日
發明者張寧, 王成銘, 薛平, 鄭京鎬, 陳天元, 霍天成 申請人:清華大學