專利名稱：一種用于譜域oct的聲光選通光譜快速探測系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及譜域光學相干層析成(OCT)像技術(shù)，尤其是涉及一種用于譜域 OCT的聲光選通光譜快速探測及系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
光學相干層析成像(Optical Coherence Tomography, OCT)是一種新興的生物醫(yī) 學光學成像技術(shù)，能非侵入地、無損傷地對活體組織的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及生理功能進行高分辨 率的三維成像。譜域OCT不需要時域OCT的軸向掃描來得到樣品的深度信息，深度信息是 由通過探測到的光譜信息的傅里葉逆變換得到，因此大大提高了成像速度和靈敏度。 目前傳統(tǒng)的譜域OCT系統(tǒng)大多都是通過線陣CCD來并行采集干涉信號經(jīng)光柵分光 后的光譜分量，其系統(tǒng)核心是探測臂中的用CCD探測的多通道光譜儀，然而用CCD探測的光 柵光譜儀的這種探測方法有其缺陷。其一，傳統(tǒng)譜域OCT的軸向掃描速度與CCD的積分時 間也就是CCD的行頻或幀率直接相關(guān)，因此軸向掃描速度受到CCD的行頻或幀率限制。奧 地利的維也納大學的Fercher小組使用了面陣CCD，像素是H1024XV250，其幀率很低。為 了得到高一點的軸向掃描速度，國外很多科研機構(gòu)都采用更高速度的線陣CCD在譜域OCT 光譜儀探測，但行頻大都在幾十kHz，美國MIT大學的Fujimoto小組和哈佛大學醫(yī)學院的 Bouma小組都采用Atmel公司的2048像素，29kHz行頻的CCD, 2008年Fujimoto小組采用 4096像素的12kHz行頻的CCD用在譜域OCT的掃描探頭，美國印第安納大學的Miller小 組采用的512像素的75kHz行頻的CCD探測器，波蘭哥白尼大學Wo jtkowski小組使用的也 是Atmel Aviiva的M4 CL2014的2048像素、53kHz行頻的CCD。美國的Iftimia等人采用 Basler Vision公司的1024像素、58kHz行頻的CCD。還有一些小組使用CMOS探測器，能達 到比較高的行頻速度，但由于其暗電流比較大，造成信噪比不高，并且CMOS的光電轉(zhuǎn)換效 率也比較低。其二，由于商用化的1300nm波段的銦鎵砷陣列CCD很少提供，像素分辨率也 比較低，大于1024像素的幾乎沒有，大部分都是512像素和1024像素的，并且價格非常昂 貴，主要用于軍事領(lǐng)域，因此目前的譜域OCT主要采用硅材料的CCD,大都集中在850nm波 段。2006年美國的紐約大學Zhenguo Wang等人使用了 1300nm波段的銦鎵砷陣列CCD,靈 敏度和像素分辨率都不高。 綜上所述，線陣CCD行頻直接跟軸向掃描速度相關(guān)，如何突破現(xiàn)有線陣CCD行頻的 限制，獲得更高速的光譜探測方法是譜域OCT技術(shù)，尤其是1300nm波段的譜域OCT技術(shù)發(fā) 展的一大技術(shù)難點。

發(fā)明內(nèi)容為了克服上述技術(shù)難點的不足，本實用新型的目的在于提供了一種用于譜域OCT 的聲光選通光譜快速探測系統(tǒng)，應(yīng)用在譜域OCT系統(tǒng)的探測臂部分，采用基于單元探測器 的高速聲光選通光柵光譜儀結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)高速光譜探測。 本實用新型的目的是通過如下技術(shù)方案實現(xiàn)的[0007] 本實用新型包括寬帶光源、光隔離器、寬帶光纖耦合器、四個偏振控制器、樣品臂、 參考臂和探測臂；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)第二偏振控制器進入樣品臂，另一路經(jīng)第三偏振控制器進入?yún)?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，進入探測臂。所述探測臂 包括光纖準直鏡、光柵、聚焦透鏡、射頻驅(qū)動器、聲光調(diào)制器、聚焦透鏡和單元探測器；進入 探測臂的光從光纖準直鏡準直平行后經(jīng)光柵分光，光柵和聲光調(diào)制器分別位于聚焦透鏡的 前焦面和后焦面上，光經(jīng)光柵分光后經(jīng)聚焦透鏡各色光聚焦在聲光調(diào)制器上，各色光平行 于聚焦透鏡的主光軸斜入射在聲光調(diào)制器上，射頻驅(qū)動器的射頻脈沖信號驅(qū)動聲光調(diào)制 器，光經(jīng)射頻脈沖信號驅(qū)動的聲光調(diào)制器選通衍射時間序列的窄帶光譜信號，經(jīng)聚焦透鏡 聚焦在單元探測器上進行探測，聲光調(diào)制器和單元探測器分別放置在聚焦透鏡的前焦面和 后焦面上。 所述樣品臂包括光纖準直鏡、掃描振鏡和聚焦透鏡；經(jīng)分光后的光從第二偏振控 制器經(jīng)光纖準直鏡、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。 所述參考臂包括光纖準直鏡、色散補償器、中性濾光片和平面反射鏡；經(jīng)分光后的 光從第三偏振控制器、經(jīng)光纖準直鏡、色散補償器、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。 在譜域OCT系統(tǒng)的探測臂采用基于單元探測器的高速聲光選通光柵光譜儀，實現(xiàn) 譜域OCT的光譜快速探測；其具體步驟如下 (1)在譜域OCT系統(tǒng)的探測臂中，先通過光柵作為分光器件進行分光，將寬帶光譜 在空間上分成各色窄帶光譜； (2)在光柵分光之后，再通過脈沖式射頻信號驅(qū)動聲光調(diào)制器所形成的聲光柵對 光的偏折作用來選通窄帶光譜，實現(xiàn)序列窄帶光譜快速依次輸出； (3)時間序列的窄帶光譜信號通過由聚焦透鏡和高速單元探測器組成的光譜成像 系統(tǒng)實施光譜探測。 與背景技術(shù)相比，本實用新型具有的有益效果是 1、由于脈沖式射頻信號驅(qū)動聲光調(diào)制器所形成的聲光柵對光的偏折作用來選通 窄帶光譜，并且由單元探測器探測，可以突破傳統(tǒng)的多通道光譜儀CCD行頻的限制，達到高 速的軸向掃描速度。 2、脈沖射頻信號驅(qū)動的聲光選通光柵光譜儀取代了傳統(tǒng)的多通道光譜儀，系統(tǒng)對
探測器要求低，只要普通的光電二極管探測器即可符合其時間響應(yīng)等要求。 3、本實用新型提出的聲光選通光譜快速探測方法，采用光電二極管單元探測器取
代CCD，所以除了可以應(yīng)用于850nm波段的譜域系統(tǒng)中，也可以應(yīng)用于1300nm和1050nm波
段的光譜探測。

圖1是本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2是本實用新型的聲光選通光譜的原理圖。 圖3是本實用新型應(yīng)用在譜域OCT的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。[0021] 圖中1.光纖準直鏡，2.光柵，3.聚焦透鏡，4.射頻驅(qū)動器，5.聲光調(diào)制器，6.聚 焦透鏡，7.單元探測器，8.寬帶光源，9.偏振控制器，IO.光隔離器，ll.寬帶光纖耦合器， 12.光纖準直鏡，13.掃描振鏡，14.聚焦透鏡，15.樣品，16.光纖準直鏡，17.色散補償器， 18.中性濾光片，19.平面反射鏡，20.樣品臂，21.參考臂，22.探測臂。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖和實施示例對本實用新型作進一步的說明 本實用新型單元探測器探測的高速聲光選通光柵光譜儀中，通過控制加載在聲光 調(diào)制器上的脈沖射頻信號，將整個寬帶光譜范圍內(nèi)的窄帶光譜信號在時間上衍射選通，分 成時間序列窄帶光譜依次輸出，由光電二極管單元探測器探測?？焖夙憫?yīng)的光電二極管單 元探測器取代傳統(tǒng)的多通道光柵光譜儀的線陣CCD進行探測信號，脈沖射頻信號的重復頻 率就是探測器的行頻，也就是應(yīng)用在譜域OCT成像系統(tǒng)的軸向掃描速度，實現(xiàn)高速探測，大 大提高了成像速度。 如圖1所示，本實用新型包括光纖準直鏡1 (0Z Q)tics， Inc. ， HPU0O"23A-1300/1500"S-10AC)、 光柵2 (Newport, Inc. ，53+148R)、聚焦透鏡3(Thorlabs， Inc. ， AC254-254-B)、射頻 驅(qū)動器4(LeCroy， Inc. ， 9100)、聲光調(diào)制器5 (Crystal Technology, 3165-1)、聚焦透鏡 6(Thorlabs， Inc. ，AC254-100-B)和單元探測器7(New Focus， Inc. ，2117_FS);從光纖準直 鏡1出來的準直平行光經(jīng)光柵2分光，光柵2位于聚焦透鏡3的前焦面上，經(jīng)光柵2分光后 的各色光經(jīng)聚焦透鏡3后在它的后焦面上匯聚成平行于它的主光軸的一系列光譜，斜入射 在聲光調(diào)制器5上，聲光調(diào)制器5放置在聚焦透鏡3的后焦面上，射頻驅(qū)動器4的射頻脈沖 信號驅(qū)動聲光調(diào)制器5所形成的聲波布拉格光柵對光的偏折作用來選通窄帶光譜，其余的 色光不在聲光柵的作用區(qū)域，未衍射直接透射聲光調(diào)制器晶體，脈沖射頻聲波在聲光調(diào)制 器晶體中傳播，依次衍射各色光，經(jīng)聲光調(diào)制器5衍射選通時間序列的窄帶光譜信號，衍射 色光經(jīng)聚焦透鏡6聚焦在單元探測器7上進行探測，聲光調(diào)制器5和單元探測器7分別放 置在聚焦透鏡6的前焦面和后焦面上。 如圖2(a)所示，脈沖射頻聲波與聲光晶體二氧化碲晶體作用形成的布拉格聲光 柵，平行的各色光斜入射在聲光調(diào)制器晶體上，布拉格聲光柵傳播到第一個色光光斑A工入 射晶體的位置，A工色光經(jīng)布拉格聲光柵衍射偏折選通，其他所有色光沒有經(jīng)布拉格聲光柵 作用而直接透射通過二氧化碲聲光晶體，光傳播方向不變，沒有被選通，不會進入聚焦透鏡 和單元探測器被探測到。如圖2(b)所示，脈沖射頻聲波傳播到第二個色光光斑入2入射晶 體的位置，入2色光經(jīng)布拉格聲光柵衍射偏折選通；第一個色光光斑A工由于沒有了布拉格 聲光柵的作用，所以A工直接透射二氧化碲聲光晶體，沿原方向傳播，不會被選通；而其他色 光也是沒有經(jīng)布拉格聲光柵作用而直接透射通過二氧化碲聲光晶體，光傳播方向不變，沒 有被選通。脈沖射頻聲波在二氧化碲聲光晶體傳播，則依次選通各色光，得到時間序列的窄 帶光譜，并被單元探測器探測。 商品化的聲光調(diào)制器的二氧化碲聲光晶體的長度為4.3cm(大約都是4cm左 右)，聲波在二氧化碲晶體的速度是4. 2mm/y s，所以脈沖射頻聲波在晶體中傳播的時間是 10. 2ii s，脈沖射頻信號在聲光晶體二氧化碲晶體中的傳播時間長短就是代表了探測器的 行頻高低，即脈沖射頻信號的重復頻率就是譜域OCT系統(tǒng)的軸向掃描速度近似為100kHz。
5射頻驅(qū)動器發(fā)出的脈沖射頻信號的聲波頻率是200MHz，峰值功率為1W，聲波在二氧化碲晶 體的波長為21 i！ m。脈沖射頻聲波的脈寬為20ns，上升沿和下降沿都是5ns，所以形成布拉 格聲光柵有效的作用時間近似是10ns。光譜分辨率由聲波與晶體的聲光效應(yīng)所形成的布拉 格衍射光柵作用單元決定，為42 ii m左右。所以二氧化碲聲光晶體的長度為4. 3cm的聲光調(diào) 制器的光譜分辨單元數(shù)為1024即相當于1024像素。所以本實用新型探測器能達到100kHz 行頻、1024像素。 如圖3所示，本實用新型應(yīng)用在譜域0CT成像系統(tǒng)中的探測臂。譜域OCT成像系 統(tǒng)包括寬帶光源8、四個偏振控制器9、光隔離器10、寬帶光纖耦合器11、樣品臂20、參考臂 21和探測臂22。從寬帶光源8出來的低相干光，經(jīng)第一偏振控制器9、光隔離器10入射到 寬帶光纖耦合器ll，經(jīng)分光后，一路經(jīng)第二偏振控制器9進入樣品臂20，經(jīng)光纖準直鏡12、 掃描振鏡13和聚焦透鏡14后照射到樣品15，信號光由原路返回經(jīng)第二偏振控制器9至寬 帶光纖耦合器11 ;另一路光經(jīng)第三偏振控制器9進入?yún)⒖急?1，經(jīng)光纖準直透鏡16、色散 補償器17、中性濾光片18和平面反射鏡19，反射光由原路返回經(jīng)第三偏振控制器9至寬帶 光纖耦合器11。從樣品臂20和參考臂21返回的光在寬帶光纖耦合器11中干涉后，經(jīng)第四 偏振控制器9，進入探測臂22。最后單元探測器探測的光譜信號的測量結(jié)果再由計算機控 制的數(shù)據(jù)采集卡采樣數(shù)據(jù)點，采樣后數(shù)據(jù)在計算機中進行逆傅立葉變換等處理來重建樣品 圖像。系統(tǒng)中偏振控制器9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。 所述參考臂21包括光纖準直鏡16、色散補償器17、中性濾光片18和平面反射鏡 19 ;經(jīng)分光后的光從第三偏振控制器9、經(jīng)光纖準直鏡16、色散補償器17、中性濾光片18和 平面反射鏡19，由原路返回經(jīng)第三偏振控制器9至寬帶光纖耦合器11。 所述樣品臂20包括光纖準直鏡12、掃描振鏡13和聚焦透鏡14 ;經(jīng)分光后的光從 第二偏振控制器9經(jīng)光纖準直鏡12、掃描振鏡13和聚焦透鏡14后照射到樣品15，由原路 返回經(jīng)第二偏振控制器9至寬帶光纖耦合器11。 本實用新型公開的一種用于譜域OCT成像系統(tǒng)的聲光選通光譜快速探測方法及 系統(tǒng)，核心就是基于單元探測器的高速聲光選通光柵光譜儀。干涉信號先由光柵分光，經(jīng)脈 沖式射頻聲波信號驅(qū)動的聲光調(diào)制器的高速調(diào)制選通時間序列的窄帶光譜，并由單元探測 器探測。用于譜域OCT系統(tǒng)的基于單元探測器的高速聲光選通光柵光譜儀能夠?qū)崿F(xiàn)光譜的 高速探測，在1024像素條件下行頻達到lOOkHz，從而具有高速軸向掃描速度的優(yōu)點，并且 可以應(yīng)用于各種波段的譜域OCT系統(tǒng)。這種聲光選通光譜快速探測方法及系統(tǒng)在譜域OCT 成像技術(shù)以及其他涉及光譜儀的相關(guān)領(lǐng)域具有重要意義。
權(quán)利要求一種用于譜域OCT的聲光選通光譜快速探測系統(tǒng)，包括寬帶光源(8)、光隔離器(10)、寬帶光纖耦合器(11)、四個偏振控制器(9)、樣品臂(20)、參考臂(21)和探測臂(22)；從寬帶光源(8)出來的低相干光，經(jīng)第一偏振控制器(9)、光隔離器(10)入射到寬帶光纖耦合器(11)，經(jīng)分光后一路經(jīng)第二偏振控制器(9)進入樣品臂(20)，另一路經(jīng)第三偏振控制器(9)進入?yún)⒖急?21)，返回的光在寬帶光纖耦合器(11)中干涉后，經(jīng)第四偏振控制器(9)，進入探測臂(22)；其特征在于所述探測臂(22)包括光纖準直鏡(1)、光柵(2)、聚焦透鏡(3)、射頻驅(qū)動器(4)、聲光調(diào)制器(5)、聚焦透鏡(6)和單元探測器(7)；進入探測臂(22)的光從光纖準直鏡(1)準直平行后經(jīng)光柵(2)分光，光柵(2)和聲光調(diào)制器(5)分別位于聚焦透鏡(3)的前焦面和后焦面上，光經(jīng)光柵(2)分光后經(jīng)聚焦透鏡(3)后各色光聚焦在聲光調(diào)制器(5)上，各色光平行于聚焦透鏡(3)的主光軸斜入射在聲光調(diào)制器(5)上，射頻驅(qū)動器(4)的射頻脈沖信號驅(qū)動聲光調(diào)制器(5)，光經(jīng)射頻脈沖信號驅(qū)動的聲光調(diào)制器(5)選通衍射時間序列的窄帶光譜信號，經(jīng)聚焦透鏡(6)聚焦在單元探測器(7)上進行探測，聲光調(diào)制器(5)和單元探測器(7)分別放置在聚焦透鏡(6)的前焦面和后焦面上。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于譜域OCT的聲光選通光譜快速探測系統(tǒng)，其特征在 于所述樣品臂(20)包括光纖準直鏡(12)、掃描振鏡(13)和聚焦透鏡(14);經(jīng)分光后的光 從第二偏振控制器(9)經(jīng)光纖準直鏡(12)、掃描振鏡(13)和聚焦透鏡(4)后照射到樣品 (15)，由原路返回經(jīng)第二偏振控制器(9)至寬帶光纖耦合器(11)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于譜域OCT的聲光選通光譜快速探測系統(tǒng)，其特征在 于所述參考臂(21)包括光纖準直鏡(16)、色散補償器(17)、中性濾光片(18)和平面反 射鏡(19);經(jīng)分光后的光從第三偏振控制器(9)、經(jīng)光纖準直鏡(16)、色散補償器(17)、中 性濾光片(18)和平面反射鏡(19)，由原路返回經(jīng)第三偏振控制器(9)至寬帶光纖耦合器(11) 。
專利摘要本實用新型公開了一種用于譜域OCT的聲光選通光譜快速探測系統(tǒng)。從寬帶光源發(fā)出的低相干光，經(jīng)光隔離器入射到寬帶光纖耦合器，經(jīng)分光后分別進入樣品臂和參考臂，從樣品臂和參考臂返回的光在寬帶光纖耦合器中產(chǎn)生干涉，由探測臂實施干涉光譜的探測，傳入計算機作后續(xù)處理以重建樣品圖像。在探測臂中采用基于單元探測器的高速聲光選通光柵光譜儀，干涉光譜信號先通過光柵分光，再通過脈沖式射頻信號驅(qū)動的聲光調(diào)制器所形成的聲光柵對光的偏折作用來依次選通窄帶光譜，得到時間序列的各色窄帶光譜并由單元探測器探測。實現(xiàn)光譜的高速探測，在1024像素條件下行頻可達100kHz。它可用于各種波段的譜域OCT系統(tǒng)以及其他涉及光譜儀的領(lǐng)域。
文檔編號A61B5/00GK201542612SQ20092020071
公開日2010年8月11日 申請日期2009年11月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月26日
發(fā)明者丁志華, 吳彤, 沈龍飛, 王凱, 王川, 王玲, 陳明惠 申請人:浙江大學