專利名稱：光學(xué)相干層析成像中的色散補(bǔ)償方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光學(xué)相干層析成像(OCT)技術(shù)，尤其涉及一種光學(xué)相干層析成像中的色散補(bǔ)償方法及系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
光學(xué)相干層析成像(Optical Coherence Tomography，簡(jiǎn)稱OCT)是一種具有層析功能的生物醫(yī)學(xué)光學(xué)成像技術(shù)，具備了組織病理分析所需的超高分辨率(1微米至20微米)，能非侵入性地對(duì)組織表面以下的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、生理功能乃至分子信息進(jìn)行可視化成像，是重要的最小侵入成像工具，能發(fā)揮早期診斷、過程監(jiān)視和手術(shù)介導(dǎo)等臨床功能。OCT以其超高分辨率、超快成像速度、無輻射損傷、光信息多元性、價(jià)格適中、結(jié)構(gòu)緊湊，以及與現(xiàn)有醫(yī)療儀器兼容性好等優(yōu)勢(shì)，是目前被廣泛看好的可在臨床醫(yī)學(xué)上發(fā)揮重要作用的光學(xué)手段。
在結(jié)構(gòu)OCT和各種功能OCT系統(tǒng)中，都需要引入多普勒頻移來實(shí)現(xiàn)外差調(diào)制。多普勒頻移通常是通過在參考臂中引入電光或聲光調(diào)制器實(shí)現(xiàn)的。然而調(diào)制器中的電光或聲光晶體引入了較大的正色散，如果不對(duì)參考臂中多余的正色散進(jìn)行補(bǔ)償?shù)脑挘瑢⑹筄CT系統(tǒng)縱向分辨率達(dá)不到所預(yù)期的理論值。目前，單光柵快速掃描光學(xué)延遲線(Rapid Scanning Optical Delay Line，簡(jiǎn)稱RSOD)是OCT中廣泛使用的色散補(bǔ)償系統(tǒng)，如圖1所示，由光纖準(zhǔn)直鏡1射出的平行光經(jīng)閃耀光柵2衍射后，不同波長(zhǎng)的光的衍射角不一樣，經(jīng)過傅立葉變換透鏡3后，每一波長(zhǎng)的光都聚焦到振鏡4上，各波長(zhǎng)的光經(jīng)振鏡4反射，再次通過傅立葉透鏡3后，各波長(zhǎng)的光都將與經(jīng)閃耀光柵2衍射后入射到傅立葉變換透鏡3上的相同波長(zhǎng)的光平行，但不同波長(zhǎng)的光方向不一樣，再經(jīng)閃耀光柵2衍射后，各種不同波長(zhǎng)的衍射光將相互平行，但不同波長(zhǎng)的光有一橫向錯(cuò)位，各波長(zhǎng)的光經(jīng)平面鏡反射后將原路返回，消除各波長(zhǎng)光之間的橫向錯(cuò)位，成為一束光，進(jìn)入光纖準(zhǔn)直鏡。單光柵RSOD通過調(diào)節(jié)閃耀光柵相對(duì)于傅立葉變換透鏡焦點(diǎn)的偏離(即離焦量)來引入色散。但此方法引入的群速度色散(GVD)和三階色散(TOD)異號(hào)，無法同時(shí)補(bǔ)償上述晶體引入的正的GVD和TOD，即只能將系統(tǒng)色散匹配到二階，但依然存在嚴(yán)重的三階色散失配，使系統(tǒng)的實(shí)際縱向分辨率因色散失配而低于理論值。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種光學(xué)相干層析成像中的色散補(bǔ)償方法及系統(tǒng)，該方法能實(shí)現(xiàn)大變化范圍的任意符號(hào)組合的群速度色散(GVD)和三階色散(TOD)，可將OCT系統(tǒng)的色散匹配到三階，從而確保OCT系統(tǒng)的縱向分辨率不因色散失配而下降。
本發(fā)明的目的是通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的1.光學(xué)相干層析成像中的色散補(bǔ)償方法在原有的單光柵快速掃描光學(xué)延遲線中新增加一塊與原有閃耀光柵平行放置的閃耀光柵且兩閃耀光柵刻線平行，由光纖準(zhǔn)直器射出的平行光首先到達(dá)新增加的閃耀光柵上，經(jīng)其衍射后衍射光再到達(dá)原有的閃耀光柵。
所述的新增加的閃耀光柵放置于光纖準(zhǔn)直器和原有閃耀光柵之間，這樣的雙閃耀光柵快速掃描光學(xué)延遲線結(jié)構(gòu)新增了光柵間距調(diào)節(jié)變量，組合調(diào)節(jié)光柵間距和光柵離焦量，可產(chǎn)生任意符號(hào)組合的群速度色散和三階色散，從而使光學(xué)相干層析成像系統(tǒng)中參考臂和樣品臂的色散得到精確匹配。
當(dāng)兩平行放置的閃耀光柵的光柵面與傅立葉變換透鏡的光軸垂直時(shí)，只引入靜態(tài)色散，即色散量不隨時(shí)間而變，而無動(dòng)態(tài)色散，即色散量隨時(shí)間的改變而改變；當(dāng)兩平行放置的閃耀光柵的光柵面與傅立葉變換透鏡的光軸不垂直時(shí)，則此時(shí)既引入靜態(tài)色散又引入動(dòng)態(tài)色散，且動(dòng)態(tài)色散的大小由光柵面法線與光軸的夾角決定，夾角越大，引入動(dòng)態(tài)色散越大。
當(dāng)兩閃耀光柵的光柵面有夾角時(shí)，或兩閃耀光柵的刻線方向有夾角時(shí)，根據(jù)理論計(jì)算和數(shù)值分析表明，此時(shí)引入的色散量將偏離相對(duì)兩閃耀光柵的光柵面和刻線方向均嚴(yán)格平行時(shí)引入的色散量，但仍可產(chǎn)生任意符號(hào)組合的群速度色散和三階色散，從而使光學(xué)相干層析成像系統(tǒng)中參考臂和樣品臂的色散得到精確匹配。
2.光學(xué)相干層析成像中的色散補(bǔ)償系統(tǒng)，包括由光纖準(zhǔn)直器，閃耀光柵，傅立葉變換透鏡，振鏡和平面反射鏡。在光纖準(zhǔn)直器和原有閃耀光柵之間新增了另一閃耀光柵，該閃耀光柵與原有閃耀光柵平行放置，兩閃耀光柵刻線平行且兩閃耀光柵的光柵面垂直于傅立葉變換透鏡的光軸；或者兩閃耀光柵的光柵面不與傅立葉變換透鏡的光軸垂直；或者兩閃耀光柵的光柵面不平行；或者兩閃耀光柵的刻線方向不平行；由光纖準(zhǔn)直鏡射出的平行光首先到達(dá)新增加的閃耀光柵，經(jīng)其衍射后衍射光再到達(dá)原有的閃耀光柵并被其衍射，各個(gè)波長(zhǎng)的衍射光通過傅立葉變換透鏡聚焦到振鏡上，各個(gè)波長(zhǎng)的光經(jīng)振鏡反射，再經(jīng)過傅立葉變換透鏡后，依次被閃耀光柵和閃耀光柵衍射，此時(shí)各種不同波長(zhǎng)的光都將與原入射光平行，各個(gè)波長(zhǎng)的光入射到一個(gè)反射面與各波長(zhǎng)光行進(jìn)方向垂直放置的平面反射鏡上，然后原路返回，各波長(zhǎng)的光最終重合為一束，進(jìn)入光纖準(zhǔn)直鏡。
當(dāng)兩閃耀光柵的光柵面不與傅立葉變換透鏡的光軸垂直時(shí)，該系統(tǒng)將引入動(dòng)態(tài)色散，所引入動(dòng)態(tài)色散的大小由光柵面法線與光軸的夾角決定，夾角越大，引入動(dòng)態(tài)色散越大。
本發(fā)明的原理在于使原有閃耀光柵相對(duì)于傅立葉透鏡的離焦量引入負(fù)的群速度色散和正的三階色散；而通過適當(dāng)?shù)倪x擇兩閃耀光柵的線對(duì)數(shù)，可使兩閃耀光柵間距在引入較小的正的群速度色散時(shí)，引入較大的負(fù)的三階色散，這樣適當(dāng)調(diào)節(jié)兩色散調(diào)節(jié)變量就可使雙光柵RSOD引入的總的群速度色散和三階色散均為負(fù)值，從而補(bǔ)償相位調(diào)制器中晶體引入的正色散。也可通過選擇兩閃耀光柵的線對(duì)數(shù)，使雙光柵RSOD引入的任意符號(hào)組合的群速度色散和三階色散，以滿足具體應(yīng)用的需要。
本發(fā)明與背景技術(shù)相比具有的有益效果是1)在常規(guī)的單光柵RSOD中新增加了一塊閃耀光柵，引入了兩閃耀光柵間距這一獨(dú)立調(diào)整變量，其與常規(guī)單光柵RSOD中的閃耀光柵相對(duì)于傅氏變換透鏡的離焦量組合調(diào)節(jié)，可產(chǎn)生大變化范圍的任意符號(hào)組合的群速度色散(GVD)和三階色散(TOD)，可使OCT系統(tǒng)中參考臂和樣品臂的色散得到精確匹配。從而較基于單光柵RSOD色散補(bǔ)償?shù)腛CT系統(tǒng)來說，縱向分辨率更接近理論計(jì)算值。雙光柵RSOD具有色散調(diào)節(jié)范圍大、補(bǔ)償光譜范圍寬、剩余色散小的優(yōu)點(diǎn)。
2)經(jīng)理論分析，模擬計(jì)算和實(shí)驗(yàn)論證，雙光柵RSOD也擁有常規(guī)單光柵RSOD同樣的獨(dú)立控制相位延遲和群延遲的能力，因此可承擔(dān)深度掃描、位相調(diào)制和色散補(bǔ)償三個(gè)功能。


圖1為現(xiàn)行OCT系統(tǒng)中常規(guī)的單光柵快速掃描光學(xué)延遲線的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明提出的雙光柵快速掃描光學(xué)延遲線的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中1、光纖準(zhǔn)直器，2、閃耀光柵，3、傅立葉變換透鏡，4、振鏡，5、平面反射鏡，6、閃耀光柵。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明的原理及具體實(shí)施方式
。
本發(fā)明是在原有的常規(guī)單光柵RSOD的光纖準(zhǔn)直鏡和原有閃耀光柵間增加一塊閃耀光柵，其與原有閃耀光柵平行放置且光柵刻線方向一致。如圖2所示，雙光柵RSOD由光纖準(zhǔn)直器1、閃耀光柵2、傅立葉變換透鏡3、振鏡4、平面反射鏡5和閃耀光柵6組成。寬帶光譜的低相干光由光纖準(zhǔn)直鏡1射出，首先在閃耀光柵2上發(fā)生衍射。隨后，各個(gè)波長(zhǎng)的光在閃耀光柵6上再次發(fā)生衍射，通過傅立葉變換透鏡3，每一個(gè)波長(zhǎng)的光將聚焦在振鏡4上，經(jīng)振鏡4反射的光經(jīng)過傅立葉變換透鏡3后，各波長(zhǎng)的光都將與經(jīng)閃耀光柵6衍射后入射到傅立葉變換透鏡3上的相同波長(zhǎng)的光平行，但不同波長(zhǎng)的光方向不一樣。各波長(zhǎng)的光再依次經(jīng)閃耀光柵6和閃耀光柵2衍射后各波長(zhǎng)的光將變成平行光，但不同波長(zhǎng)的光有一橫向錯(cuò)位。各個(gè)波長(zhǎng)的光入射到一個(gè)反射面與各波長(zhǎng)光行進(jìn)方向垂直放置的平面反射鏡5上，然后沿原路返回，各波長(zhǎng)的光最終消除了橫向錯(cuò)位，重合為一束，進(jìn)入光纖準(zhǔn)直鏡1。此時(shí)的光束已補(bǔ)償了由相位調(diào)制器中的電光或聲光晶體引入的色散，在2*2光纖耦合器處和樣品臂的反射光干涉產(chǎn)生干涉信號(hào)。
以閃耀光柵2和閃耀光柵6的光柵面平行，刻線方向平行且光柵面垂直于傅立葉變換透鏡3的光軸為例來分析雙光柵RSOD引入的色散。如圖2所示，追跡對(duì)應(yīng)色光在雙光柵RSOD中的路徑，可以得到該色光在雙光柵RSOD中的相位，并注意加上由兩光柵引入地相位矯正因子即可得到該色光對(duì)應(yīng)得真正相位，將該相位對(duì)中心波長(zhǎng)作泰勒級(jí)數(shù)展開，可以得到雙光柵RSOD引入的群速度色散和三階色散都由閃耀光柵6相對(duì)傅立葉變換透鏡3的離焦量和閃耀光柵2與閃耀光柵6的間距決定，其中由離焦量引入的群速度色散和三階色散由下兩式給出GVDI(ω)=d2φ(ω)dω2=-16π2m2c(L1-f)deff2ω3cos2θ---(1)]]>TODI(ω)=d2φ(ω)dω3=48π2m2c(L1-f)deff2ω4cos3θ(1+2πmcsinθdeffωcos2θ)---(2)]]>其中m表示閃耀光柵2的閃耀級(jí)次，c表示真空中的光速，L1-f表示閃耀光柵2相對(duì)傅立葉變換透鏡3的離焦量，deff表示兩閃耀光柵平行放置情況下的等效光柵線對(duì)數(shù)，θ表示經(jīng)閃耀光柵2衍射后對(duì)應(yīng)色光的衍射角。
由兩光柵間距引入的群速度色散和三階色散由下兩式給出GVDII(ω)=d2φ(ω)dω2=16π2m′2cL2d12cos3βω3(3tan2β-1)---(3)]]>TODII(ω)=d3φ(ω)dω3=-48π2m′2cL2d12cos3βω4(3tan2β+2πm′csinβd1ωcos2β+10πm′ctan3βd1ωcosβ-14--(4)]]>其中，m表示閃耀光柵6的閃耀級(jí)次，L2表示兩閃耀光柵的間距，d1表示閃耀光柵6的光柵常數(shù)，β表示經(jīng)閃耀光柵6衍射后對(duì)應(yīng)色光的衍射角。
所以，雙光柵RSOD引入的總的群速度色散和三階色散為GVDtotal(ω)＝GVDI(ω)+GVDII(ω)(5)TODtotal(ω)＝TODI(ω)+TODII(ω)(6)當(dāng)β取值使得3tan2β-1≈0時(shí)，就可在GVDII取較小正值的情況下獲得較大的負(fù)的TODII。若此時(shí)使L1-f＞0，則GVDI＜0，TODI＞0。由于I和II取決于不同的變量，可分別控制兩變量的取值，使得GVDtotal＜0且TODtotal＜0，這就可對(duì)參考臂中晶體引入的正的GVD和TOD同時(shí)進(jìn)行補(bǔ)償。
在色散匹配過程中，根據(jù)參考臂與樣品臂的色散不匹配量，適當(dāng)調(diào)節(jié)閃耀光柵2與閃耀光柵6的間距和閃耀光柵2相對(duì)傅立葉變換透鏡3的離焦量，就可使得參考臂與樣品臂的群速度色散和三階色散得到精確匹配，從而確保OCT系統(tǒng)的縱向分辨率不因色散失配而下降。
權(quán)利要求
1.光學(xué)相干層析成像中的色散補(bǔ)償方法，其特征在于在原有的單光柵快速掃描光學(xué)延遲線中新增加一塊與原有閃耀光柵平行放置的閃耀光柵且兩閃耀光柵刻線平行，由光纖準(zhǔn)直器射出的平行光首先到達(dá)新增加的閃耀光柵上，經(jīng)其衍射后衍射光再到達(dá)原有的閃耀光柵。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)相干層析成像中的色散補(bǔ)償方法，其特征在于所述的新增加的閃耀光柵放置于光纖準(zhǔn)直器和原有閃耀光柵之間，這樣的雙閃耀光柵快速掃描光學(xué)延遲線結(jié)構(gòu)新增了光柵間距調(diào)節(jié)變量，組合調(diào)節(jié)光柵間距和光柵離焦量，可產(chǎn)生任意符號(hào)組合的群速度色散和三階色散，從而使光學(xué)相干層析成像系統(tǒng)中參考臂和樣品臂的色散得到精確匹配。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的光學(xué)相干層析成像中的色散補(bǔ)償方法，其特征在于當(dāng)兩平行放置的閃耀光柵的光柵面與傅立葉變換透鏡的光軸垂直時(shí)，只引入靜態(tài)色散，即色散量不隨時(shí)間而變，而無動(dòng)態(tài)色散，即色散量隨時(shí)間的改變而改變；當(dāng)兩平行放置的閃耀光柵的光柵面與傅立葉變換透鏡的光軸不垂直時(shí)，則此時(shí)既引入靜態(tài)色散又引入動(dòng)態(tài)色散，且動(dòng)態(tài)色散的大小由光柵面法線與光軸的夾角決定，夾角越大，引入動(dòng)態(tài)色散越大。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的光學(xué)相干層析成像中的色散補(bǔ)償方法，其特征在于當(dāng)兩閃耀光柵的光柵面有夾角時(shí)，或兩閃耀光柵的刻線方向有夾角時(shí)，根據(jù)理論計(jì)算和數(shù)值分析表明，此時(shí)引入的色散量將偏離相對(duì)兩閃耀光柵的光柵面和刻線方向均嚴(yán)格平行時(shí)引入的色散量，但仍可產(chǎn)生任意符號(hào)組合的群速度色散和三階色散，從而使光學(xué)相干層析成像系統(tǒng)中參考臂和樣品臂的色散得到精確匹配。
5.光學(xué)相干層析成像中的色散補(bǔ)償系統(tǒng)，包括由光纖準(zhǔn)直器(1)，閃耀光柵(2)，傅立葉變換透鏡(3)，振鏡(4)和平面反射鏡(5)，其特征在于在光纖準(zhǔn)直器(1)和原有閃耀光柵(2)之間新增了另一閃耀光柵(6)，該閃耀光柵(6)與原有閃耀光柵2)平行放置，兩閃耀光柵刻線平行且兩閃耀光柵的光柵面垂直于傅立葉變換透鏡的光軸；或者兩閃耀光柵的光柵面不與傅立葉變換透鏡的光軸垂直；或者兩閃耀光柵的光柵面不平行；或者兩閃耀光柵的刻線方向不平行；由光纖準(zhǔn)直鏡(1)射出的平行光首先到達(dá)新增加的閃耀光柵(6)，經(jīng)其衍射后衍射光再到達(dá)原有的閃耀光柵(2)并被其衍射，各個(gè)波長(zhǎng)的衍射光通過傅立葉變換透鏡(3)聚焦到振鏡(4)上，各個(gè)波長(zhǎng)的光經(jīng)振鏡(4)反射，再經(jīng)過傅立葉變換透鏡(3)后，依次被閃耀光柵(2)和閃耀光柵(6)衍射，此時(shí)各種不同波長(zhǎng)的光都將與原入射光平行，各個(gè)波長(zhǎng)的光入射到一個(gè)反射面與各波長(zhǎng)光行進(jìn)方向垂直放置的平面反射鏡(5)上，然后原路返回，各波長(zhǎng)的光最終重合為一束，進(jìn)入光纖準(zhǔn)直鏡(1)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的光學(xué)相干層析成像中的色散補(bǔ)償系統(tǒng)，其特征在于當(dāng)兩閃耀光柵的光柵面不與傅立葉變換透鏡(3)的光軸垂直時(shí)，該系統(tǒng)將引入動(dòng)態(tài)色散，所引入動(dòng)態(tài)色散的大小由光柵面法線與光軸的夾角決定，夾角越大，引入動(dòng)態(tài)色散越大。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種光學(xué)相干層析成像(OCT)中的色散補(bǔ)償方法及系統(tǒng)，在原有的單光柵快速掃描光學(xué)延遲線中增加一塊與原有閃耀光柵平行放置的閃耀光柵且兩閃耀光柵刻線平行，這就引入了兩閃耀光柵間距這一獨(dú)立調(diào)整變量，其與單光柵快速掃描光學(xué)延遲線(RSOD)中的閃耀光柵相對(duì)于傅氏變換透鏡的離焦量組合調(diào)節(jié)，可產(chǎn)生大變化范圍的任意符號(hào)組合的群速度色散和三階色散，可使OCT系統(tǒng)中參考臂和樣品臂的色散得到精確匹配。從而較基于單光柵RSOD色散補(bǔ)償?shù)腛CT系統(tǒng)來說，縱向分辨率更接近理論計(jì)算值。雙光柵RSOD色散調(diào)節(jié)范圍大、補(bǔ)償光譜范圍寬、剩余色散小，并有常規(guī)單光柵RSOD同樣的獨(dú)立控制相位延遲和群延遲的能力，可承擔(dān)深度掃描、位相調(diào)制和色散補(bǔ)償三個(gè)功能。
文檔編號(hào)G01N21/84GK1887220SQ20061005246
公開日2007年1月3日 申請(qǐng)日期2006年7月14日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月14日
發(fā)明者丁志華, 李棟, 孟婕, 王凱, 王玲, 楊亞良, 黃剛 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)