專利名稱：超高分辨率譜域oct的超寬帶光譜探測方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)相干層析成像技術(shù)，尤其涉及一種超高分辨率譜域OCT的 超寬帶光譜探測方法及系統(tǒng)u
背景技術(shù)：
光學(xué)相干層析成像(Optical Coherence Tomography,簡稱OCT)是一種新 興的光學(xué)成像技術(shù)，能實現(xiàn)對活體內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)與生理功能進(jìn)行非接觸、無 損傷、高分辨率成像，在疾病的早期檢測和在體活檢領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。
目前的譜域OCT系統(tǒng)通過高速線陣CCD來并行采集干涉信號的光譜分量， 無需軸向掃描就可以得到樣品的深度信息，具有快速和高靈敏度的特點，其系 統(tǒng)核心是探測臂的快速光柵光譜儀。在OCT系統(tǒng)中，系統(tǒng)的軸向分辨率是與光 源帶寬成反比的，光源帶寬越寬，對應(yīng)的相干長度就越短，軸向分辨率就越高。 在眼科、皮膚、腫瘤等學(xué)科中，超高分辨率(2-3um)的醫(yī)學(xué)影像圖像對臨床疾 病診斷有著重大意義。因此，譜域OCT必須采用更寬光譜范圍的光源，同時探 測臂的光柵光譜儀必須探測更寬的光譜成分，才能提高系統(tǒng)的軸向分辨率。國 外很多科研機(jī)構(gòu)都開展了這方面的研究，如美國哈佛醫(yī)學(xué)院的N.A.Nassif小組 構(gòu)建了基于890nm中心波長，帶寬150nm的SLD (超輻射二極管)光源的超高 分辨率譜域OCT系統(tǒng)，軸向分辨率為2.9um;美國麻省理工的J. G. Fujimoto小 組構(gòu)建了基于850nm中心波長，帶寬144nm的飛秒激光器的超高分辨率超譜域 OCT系統(tǒng)，軸向分辨率為2.1um。在超高分辨率譜域OCT系統(tǒng)的探測臂部分， 傳統(tǒng)的方法是采用更多像素數(shù)的線陣CCD來探測更多的光譜分量，或者基于有 限像素數(shù)的線陣CCD探測更寬的光譜范圍，但犧牲光譜儀的光譜分辨率。由于 線陣CCD像素數(shù)的增加意味著視場的增大，除非設(shè)計更加復(fù)雜的光學(xué)成像系統(tǒng)， 否則在像面上(CCD感光面)不可避免的會出現(xiàn)嚴(yán)重的場曲現(xiàn)象，同時由于光 譜范圍太寬，色散現(xiàn)象嚴(yán)重，導(dǎo)致不同色光的聚焦位置不同，使得光譜儀無法 完全分開各種色光而引入串?dāng)_(cross-talk)，探測信噪比下降繼而系統(tǒng)軸向分辨 率下降，最終降低了成像質(zhì)量。而降低光譜儀的光譜分辨率意味著譜域OCT成 像深度的降低。因此，如何在有限成像視場的情況下使光柵光譜儀高分辨地測 量更寬廣的光譜范圍是超高分辨率譜域OCT系統(tǒng)研制的一大技術(shù)難點。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種超高分辨率譜域OCT的光譜探測方法及系統(tǒng)。 在超高分辨率的譜域OCT系統(tǒng)的探測臂部分，采用雙光柵的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)正交色 散，同時通過DMD(數(shù)字微鏡器件Digital Micromirror Device的簡稱)來減小成像 視場，能在小成像視場的情況下探測更多的光譜分量。
本發(fā)明的目的是通過如下技術(shù)方案實現(xiàn)的-
一、 一種超高分辨率譜域OCT的光譜探測方法
在超高分辨率譜域OCT系統(tǒng)的探測臂采用雙光柵結(jié)構(gòu)，同時使用DMD和 面陣CCD來實現(xiàn)小視場和超寬帶光譜的探測；其具體步驟如下
1) 在超高分辨率譜域OCT系統(tǒng)的探測臂中使用兩塊刻線方向正交的衍射 光柵來對來干涉光譜信號進(jìn)行分光，從而得到干涉光譜信號的二維光譜分布；
2) 在超高分辨率譜域OCT系統(tǒng)的探測臂部分加入DMD，同時通過成像透 鏡，使其與二維面陣CCD滿足物像共軛關(guān)系，使DMD成縮小的像于CCD面 上，縮放比例為N:1， N為大于l的整數(shù)；
3) 雙光柵分開的二維光譜分量成像于DMD上，DMD再將這些光譜分量反 射并再次成像在面陣CCD上進(jìn)行測量。由于DMD與CCD滿足物像關(guān)系，且 縮放比例為N:1， N為大于1的整數(shù)，可以把DMD上的N個像素組成一個虛擬 單元，在光譜成像測量時，依次讓虛擬單元里的一個DMD像素單元成像于面陣 CCD上，通過N次測量可以獲得N倍于CCD象素數(shù)的光譜分量測量。
二、 一種超高分辨率譜域OCT的光譜探測系統(tǒng)-
從寬帶光源出來的低相干光，經(jīng)第一偏振控制器、光隔離器入射到寬帶光 纖耦合器，經(jīng)分光后一路經(jīng)第二偏振控制器進(jìn)入掃描探頭，另一路經(jīng)第三偏振 控制器進(jìn)入?yún)⒖急?，返回的光在寬帶光纖耦合器中干涉后，經(jīng)第四偏振控制器， 進(jìn)入探測臂把干涉信號分解成不同的光譜，最后這些光譜信號傳入計算機(jī)，在 計算機(jī)進(jìn)行處理，通過逆傅立葉變換重建圖像。
所述掃描探頭由準(zhǔn)直透鏡、掃描振鏡和聚焦透鏡組成；經(jīng)分光后的光經(jīng) 準(zhǔn)直透鏡、掃描振鏡和聚焦透鏡后照射到樣品，由原路返回經(jīng)第二偏振控制器 至寬帶光纖耦合器。
所述參考臂由準(zhǔn)直透鏡、色散補(bǔ)償器、中性濾光片和平面反射鏡組成； 經(jīng)分光后的光經(jīng)準(zhǔn)直透鏡、色散補(bǔ)償器、中性濾光片和平面反射鏡，由原路返 回經(jīng)第三偏振控制器至寬帶光纖耦合器。
所述探測臂由光纖、準(zhǔn)直透鏡、第一衍射光柵、雙膠合聚焦透鏡、第二 衍射光柵、雙膠合聚焦透鏡、DMD、雙膠合聚焦透鏡和面陣CCD組成；由掃描探頭和參考臂返回的光在寬帶光纖耦合器中干涉后，經(jīng)第四偏振控制器依次進(jìn) 入光纖、準(zhǔn)直透鏡、第一衍射光柵、雙膠合聚焦透鏡、第二衍射光柵、雙膠合
聚焦透鏡、DMD、雙膠合聚焦透鏡和面陣CCD，把干涉信號分解成不同的光譜， 最后這些光譜信號傳入計算機(jī)，在計算機(jī)進(jìn)行處理，通過逆傅立葉變換重建圖 像。
所述的探測臂中的第一衍射光柵的刻線方向與第二衍射光柵的刻線方向互 相垂直，其中衍射光柵的線對數(shù)為第二衍射光柵的線對數(shù)的1/M， M為大于1 的整數(shù)，第一衍射光柵雙膠合聚焦透鏡的前焦面上，DMD位于雙膠合聚焦透 鏡(18)的后焦面上，DMD與面陣CCD滿足物像共軛關(guān)系，且DMD成縮小的像 于面陣CCD上，縮放比例為N:1， N為大于l的整數(shù)。
與背景技術(shù)相比，本發(fā)明具有的有益效果是
1、 通過兩塊刻線方向正交的衍射光柵對干涉光譜信號進(jìn)行分光，能得到二 維的光譜信號分布。相比傳統(tǒng)的單光柵光譜儀，光譜信號從一維分布變成了二 維分布，減小了光譜成像的視場，由于成像視場的變小，可以消除傳統(tǒng)譜域OCT 系統(tǒng)的光譜儀在大光譜范圍探測時存在的光譜串?dāng)_以及大視場時存在的場曲， 畸變以及色散導(dǎo)致的離焦現(xiàn)象，能顯著提高光譜測量的信噪比。
2、 通過DMD把光譜分量成像于CCD上，提高了有限尺度與有限像素數(shù) CCD的光譜測量的復(fù)用能力，不僅擴(kuò)大了光譜探測的范圍，還能提高光譜測量 的分辨率，能同時實現(xiàn)超寬帶光譜的超分辨探測，從而保證高信噪比和超高分 辨率的譜域OCT成像。
3、 本發(fā)明提出的超寬光譜測量方法和系統(tǒng)除了可以應(yīng)用于超高分辨率的譜 域OCT系統(tǒng)，也可以應(yīng)用于諸多光譜測量領(lǐng)域如天文學(xué)，元素分析，以及其他 光譜生物成像方法中。


圖1是本發(fā)明所述的超高分辨率譜域OCT的光譜探測方法的具體實施例的 系統(tǒng)示意圖。
圖2是本發(fā)明所述的超高分辨率譜域OCT的光譜探測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖3是DMD上微鏡開關(guān)狀態(tài)分布和CCD上像素分布示意圖。 圖4是DMD與CCD的同步控制信號時序示意圖。
圖中1、寬帶光源，2、光隔離器，3、寬帶光纖耦合器，4、偏振控制器， 5、準(zhǔn)直透鏡，6、掃描振鏡，7、聚焦透鏡，8、樣品，9、準(zhǔn)直透鏡，10、色散 補(bǔ)償器，11、中性濾光片，12、平面反射鏡，13、光纖，14、準(zhǔn)直透鏡，15、衍射光柵，16、雙膠合聚焦透鏡，17、衍射光柵，18、雙膠合聚焦透鏡，19、 DMD， 20、雙膠合聚焦透鏡，21、面陣CCD， 22、探測臂，23、掃描探頭，24、 參考臂。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明
如圖1所示，本發(fā)明從寬帶光源1出來的低相干光，經(jīng)第一偏振控制器4、
光隔離器2入射到寬帶光纖耦合器3，經(jīng)分光后一路經(jīng)第二偏振控制器4進(jìn)入掃 描探頭23，另一路經(jīng)第三偏振控制器4進(jìn)入?yún)⒖急?4，返回的光在寬帶光纖耦 合器3中干涉后，經(jīng)第四偏振控制器4，進(jìn)入探測臂22把干涉信號分解成不同 的光譜，最后這些光譜信號傳入計算機(jī)，在計算機(jī)進(jìn)行處理，通過逆傅立葉變 換重建圖像。
所述掃描探頭23:由準(zhǔn)直透鏡5、掃描振鏡6和聚焦透鏡7組成；經(jīng)分光 后的光經(jīng)準(zhǔn)直透鏡5、掃描振鏡6和聚焦透鏡7后照射到樣品8，由原路返回經(jīng) 第二偏振控制器4至寬帶光纖耦合器3。
所述參考臂24:由準(zhǔn)直透鏡9、色散補(bǔ)償器IO、中性濾光片ll和平面反射 鏡12組成；經(jīng)分光后的光經(jīng)準(zhǔn)直透鏡9、色散補(bǔ)償器IO、中性濾光片(ll)和平 面反射鏡12，由原路返回經(jīng)第三偏振控制器4至寬帶光纖耦合器3。
如圖2所示，所述探測臂22:由光纖13、準(zhǔn)直透鏡14、第一衍射光柵15、 雙膠合聚焦透鏡16、第二衍射光柵17、雙膠合聚焦透鏡18、 DMD19、雙膠合 聚焦透鏡20和面陣CCD 21組成；由掃描探頭23和參考臂24返回的光在寬帶 光纖耦合器3中干涉后，經(jīng)第四偏振控制器4依次進(jìn)入光纖13、準(zhǔn)直透鏡14、 第一衍射光柵15、雙膠合聚焦透鏡16、第二衍射光柵17、雙膠合聚焦透鏡18、 DMD19、雙膠合聚焦透鏡20和面陣CCD21，把干涉信號分解成不同的光譜， 最后這些光譜信號傳入計算機(jī)，在計算機(jī)進(jìn)行處理，通過逆傅立葉變換重建圖 像。
所述的探測臂中22的第一衍射光柵15的刻線方向與第二衍射光柵17的刻 線方向互相垂直，其中衍射光柵15的線對數(shù)為第二衍射光柵17的線對數(shù)的1/M， M為大于1的整數(shù)，第一衍射光柵15雙膠合聚焦透鏡16的前焦面上，DMD19 位于雙膠合聚焦透鏡18的后焦面上，DMD 19與面陣CCD 21滿足物像共軛關(guān) 系，且DMD19成縮小的像于面陣CCD21上，縮放比例為N:1， N為大于l的 整數(shù)。
如圖2所示，由光纖13出射的干涉光信號，經(jīng)準(zhǔn)直透鏡14后，變成平行光照射在衍射光柵15上，衍射光柵15的刻線方向為垂直方向，因此干涉信號 在水平方向色散。由于衍射光柵17的刻線方向與衍射光柵15的刻線方向相互 垂直，這些經(jīng)過一次色散的不同色光再通過雙膠合聚焦透鏡16投射到衍射光柵 17時，會再次色散，色散方向與第一次色散方向垂直，在垂直方向色散，因此 在經(jīng)過衍射光柵17之后能得到二維的干涉光譜分量，其中衍射光柵15位于雙 膠合聚焦透鏡16的后焦平面上，作用是把經(jīng)過衍射光柵15之后衍射的不同方 向的色光再次變成平行光照射在衍射光柵17上，從而保證了這些色光再次衍射 時有相同的入射角；這些二維光譜分量通過雙膠合聚焦透鏡18聚焦在DMD19 上；通過改變衍射光柵15和衍射光柵17的刻線數(shù)，以及衍射光柵17與雙膠合 聚焦透鏡18之間的距離，可以在DMD19上得到不同形狀的二維光譜分布。典 型的DMD芯片，如DMD3000由1024*768個微反射鏡構(gòu)成，每個微反射鏡的 大小為13.68um*13.68um，有+12度、0度、-12度三種反射狀態(tài)，具體的參數(shù) 和指標(biāo)可以參見美國德克薩斯儀器公司(TI)關(guān)于DMD技術(shù)的網(wǎng)站 http:〃www.dlp.com.cn/dlp technology/default.asp，改變DMD上微反射鏡的轉(zhuǎn)角 就能控制微反射鏡的反射方向；且DMD19與面陣CCD20滿足物像共軛關(guān)系， 且DMD19成縮小的像于面陣CCD21上，縮放比例為N:l (N為大于1的整數(shù))。
圖3a所示為DMD19上微鏡開關(guān)狀態(tài)分布；圖3b所示為CCD21上像素分 布示意圖，作為具體實施方式
，DMD19的微鏡數(shù)為16*16， CCD21的像素數(shù)為 8*8，且DMD19與CCD21的縮放比例為4:1，DMD19上每4個微鏡對應(yīng)CCD21 上的l個像素；且DMD19上微鏡處于+12度時為"開"狀態(tài)，此時微鏡反射的 光譜分量能通過雙膠合聚焦透鏡20成像于面陣CCD21上；處于-12度時為"關(guān)" 狀態(tài)，此時微鏡反射的光譜分量不能通過雙膠合聚焦透鏡20成像于面陣CCD21 上；通過計算機(jī)對DMD19實現(xiàn)如下劃分把微鏡陣列中的每4個微鏡分為一個 子±央，子塊中的4個微鏡分別標(biāo)號為1、 2、 3、 4，不同子塊中相同位置的微鏡 賦予相同的編號，從而把所有微鏡按空間位置分成4類微鏡l、微鏡2、微鏡 3、微鏡4;通過同步電路控制所有微鏡1同步動作，處于"開"狀態(tài)時，其余 微鏡都處于"關(guān)"狀態(tài)，依此類推，使微鏡1-2-3-4依此處于"開"的狀態(tài)，CCD21 經(jīng)過連續(xù)的4次光譜測量，就能實現(xiàn)4倍于CCD像素數(shù)的超分辨光譜測量。
圖4為同步信號時序示意圖，其中微鏡在高電平時代表"開"的狀態(tài)，在 低電平時代表"關(guān)"的狀態(tài)，在CCD21的一次積分時間內(nèi)，通過同步電路保證 微鏡1、 2、 3、 4中只有一個微鏡處于"開"狀態(tài)，其余微鏡均處于"關(guān)"狀態(tài)； 按照微鏡1-2-3-4的順序，使微鏡依此處于"開"的狀態(tài)，通過連續(xù)的四次曝光，就能夠完成一次完整的光譜采集。
系統(tǒng)中偏振控制器4的作用是便于調(diào)整各個通道的偏振模式，以將偏振模 色散的影響降到最低，提高成像質(zhì)量。
本發(fā)明公開的一種超高分辨率譜域OCT的光譜探測方法及系統(tǒng)，可以在有 限視場的情況下，對超寬光譜進(jìn)行超分辨測量，從而能實現(xiàn)譜域OCT的超高軸 向分辨率，同時能改善傳統(tǒng)譜域OCT系統(tǒng)光譜測量中由場曲，光譜串?dāng)_引入的 信噪比和軸向分辨率下降等問題，在超高分辨率譜域OCT的光譜探測中有重要 意義。
權(quán)利要求
1、一種超高分辨率譜域OCT的超寬帶光譜探測方法，其特征在于在超高分辨率譜域OCT系統(tǒng)的探測臂采用雙光柵結(jié)構(gòu)，同時使用DMD和面陣CCD來實現(xiàn)小視場和超寬帶光譜的探測；其具體步驟如下1)在超高分辨率譜域OCT系統(tǒng)的探測臂中使用兩塊刻線方向正交的衍射光柵來對來干涉光譜信號進(jìn)行分光，從而得到干涉光譜信號的二維光譜分布；2)在超高分辨率譜域OCT系統(tǒng)的探測臂部分加入DMD，同時通過成像透鏡，使其與二維面陣CCD滿足物像共軛關(guān)系，使DMD成縮小的像于CCD面上，縮放比例為N∶1，N為大于1的整數(shù)；3)雙光柵分開的二維光譜分量成像于DMD上，DMD再將這些光譜分量反射并再次成像在面陣CCD上進(jìn)行測量，由于DMD與CCD滿足物像關(guān)系，且縮放比例為N∶1，N為大于1的整數(shù)，可以把DMD上的N個像素組成一個虛擬單元，在光譜成像測量時，依次讓虛擬單元里的一個DMD像素單元成像于面陣CCD上，通過N次測量獲得N倍于CCD象素數(shù)的光譜分量測量。
2、 一種實施權(quán)利要求1所述的超高分辨率譜域OCT的超寬帶光譜探測方 法的系統(tǒng)，其特征在于從寬帶光源(l)出來的低相干光，經(jīng)第一偏振控制器(4)、 光隔離器(2)入射到寬帶光纖耦合器(3)，經(jīng)分光后一路經(jīng)第二偏振控制器(4)進(jìn)入 掃描探頭(23)，另一路經(jīng)第三偏振控制器(4)進(jìn)入?yún)⒖急?24)，返回的光在寬帶光 纖耦合器(3)中干涉后，經(jīng)第四偏振控制器(4)，進(jìn)入探測臂(22)把干涉信號分解 成不同的光譜，最后這些光譜信號傳入計算機(jī)，在計算機(jī)進(jìn)行處理，通過逆傅 立葉變換重建圖像。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的超高分辨率譜域OCT的超寬帶光譜探測方法的 系統(tǒng)，其特征在于所述掃描探頭(23):由準(zhǔn)直透銜5)、掃描振鏡(6)和聚焦透鏡(7) 組成；經(jīng)分光后的光經(jīng)準(zhǔn)直透鏡(5)、掃描振鏡(6)和聚焦透鏡(7)后照射到樣品(8)， 由原路返回經(jīng)第二偏振控制器(4)至寬帶光纖耦合器(3)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的超高分辨率譜域OCT的超寬帶光譜探測方法的 系統(tǒng)，其特征在于所述參考臂(24):由準(zhǔn)直透鏡(9)、色散補(bǔ)償器(IO)、中性濾光 片(11)和平面反射鏡(12雄成；經(jīng)分光后的光經(jīng)準(zhǔn)直透鏡(9)、色散補(bǔ)償器(IO)、 中性濾光片(U)和平面反射鏡(12)，由原路返回經(jīng)第三偏振控制器(4)至寬帶光纖 耦合器(3)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的超高分辨率譜域OCT的超寬帶光譜探測方法的系統(tǒng)，其特征在于所述探測臂(22):由光纖(13)、準(zhǔn)直透鏡(14)、第一衍射光柵 (15)、雙膠合聚焦透鏡(16)、第二衍射光柵(17)、雙膠合聚焦透鏡(18)、 DMD(19)、 雙膠合聚焦透鏡(20)和面陣CCD(21)組成；由掃描探頭(23)和參考臂(24)返回的 光在寬帶光纖耦合器(3)中干涉后，經(jīng)第四偏振控制器(4)依次進(jìn)入光纖(13)、準(zhǔn) 直透鏡(14)、第一衍射光柵(15)、雙膠合聚焦透鏡(16)、第二衍射光柵(17)、雙膠 合聚焦透鏡(18)、 DMD(19)、雙膠合聚焦透鏡(20)和面陣CCD(21)，把干涉信號 分解成不同的光譜，最后這些光譜信號傳入計算機(jī)，在計算機(jī)進(jìn)行處理，通過 逆傅立葉變換重建圖像。
6、根據(jù)權(quán)利要求5所述的超高分辨率譜域OCT的超寬帶光譜探測方法的 系統(tǒng)，其特征在于所述的探測臂中(22)的第一衍射光柵(15)的刻線方向與第二 衍射光柵(17)的刻線方向互相垂直，其中衍射光柵(15)的線對數(shù)為第二衍射光柵 (17)的線對數(shù)的1/M， M為大于1的整數(shù)，第一衍射光柵(15)雙膠合聚焦透鏡(16) 的前焦面上，DMD(19)位于雙膠合聚焦透鏡(18)的后焦面上，DMD(19)與面陣 CCD(21)滿足物像共軛關(guān)系，且DMD(19)成縮小的像于面陣CCD(21)上，縮放 比例為N:1， N為大于1的整數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明公開了超高分辨率譜域OCT的超寬帶光譜探測方法及系統(tǒng)。從寬帶光源出來的低相干光，經(jīng)光隔離器入射到寬帶光纖耦合器，經(jīng)分光后分別進(jìn)入掃描探頭和參考臂，返回的光在寬帶光纖耦合器中干涉，在探測臂中把干涉信號分解成不同的光譜傳入計算機(jī)處理，通過逆傅立葉變換重建圖像。在探測臂中引入雙光柵產(chǎn)生正交色散同時使用DMD和面陣CCD實現(xiàn)超寬光譜的快速并行探測。雙光柵系統(tǒng)能減小光譜成像系統(tǒng)的視場，解決了大視場光譜成像時存在的場曲以及光譜串?dāng)_等問題；DMD提高了有限尺度和有限像素數(shù)CCD光譜測量的范圍以及光譜測量的分辨率，能同時實現(xiàn)超寬帶光譜的超分辨探測，從而實現(xiàn)高信噪比和超高分辨率的譜域OCT成像。
文檔編號A61B5/00GK101427911SQ20081016343
公開日2009年5月13日 申請日期2008年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月22日
發(fā)明者丁志華, 彤 吳, 婕 孟, 磊 徐, 凱 王, 川 王, 陳明惠 申請人:浙江大學(xué)