專利名稱：采用無色散相移器的全場光學(xué)相干層析成像裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種用于放射診斷的儀器，尤其涉及一種采用無色散相移器的全場光學(xué)相干層析成像裝置。
背景技術(shù)：
光學(xué)相干層析成像(Optical Coherence Tomography，簡稱OCT)是近年發(fā)展起來的層析成像技術(shù)，能實現(xiàn)對活體內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)與生理功能進行非接觸、無損傷、高分辨率成像。OCT技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域和臨床診斷上得到廣泛應(yīng)用，可用于眼科、皮膚等疾病的早期診斷上，在材料科學(xué)和基礎(chǔ)研究中也將發(fā)揮重要作用。
提高OCT的成像速度一直是人們追求的目標(biāo)。全場OCT基于并行技術(shù)獲取二維斷面圖像，相對于點掃描成像方式來說，成像速度顯著提高。全場OCT的信號提取可以基于載頻和相移兩種方式，但載頻所需的驅(qū)動電路和后續(xù)處理都相對復(fù)雜。利用壓電陶瓷驅(qū)動器移動反射鏡可以實現(xiàn)多步移相，但這種基于空間位移的相移量與波長有關(guān)，是典型的有色散相移器，在寬帶光源OCT系統(tǒng)中應(yīng)用會降低信號提取精度。
Y.Watanabe等采用基于旋轉(zhuǎn)波片的無色散相移器建立了全場OCT系統(tǒng)(Y.Watanabe，Y.Hayasaka，M.Sato，and N.Tanno，“Full-field optical coherencetomography by achromatic phase shifting with a rotating polarizer”，Applied Optics，44(8)，1387-1392，2005)。如圖1所示，使用寬帶偏振分光棱鏡4(簡稱PBS)分光，在PBS 4與參考鏡9、PBS 4與樣品10之間分別放置λ/4波片5和6，來改變光的偏振方向，使從參考鏡9和樣品10返回的光能夠通過PBS 4抵達面陣CCD探測器14。但由于λ/4波片的設(shè)計是針對特定波長的，即使采用零級波片，其適用的波長范圍也很有限，而且零級波片的價格昂貴。因此，對于寬帶OCT系統(tǒng)來說，λ/4波片5和6就不能正確改變所有光譜分量的偏振狀態(tài)，因而無法保證從參考鏡9和樣品10返回的光高效通過PBS 4抵達面陣CCD探測器14。而且，由快軸與水平方向成15°的λ/2波片11、快軸與水平方向成75°的λ/4波片12和旋轉(zhuǎn)偏振片13構(gòu)成的無色散相移器，放置在探測臂中面陣CCD探測器14的前面，光束單次通過該無色散相移器，只能得到4倍于偏振片旋轉(zhuǎn)角的相移量。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的是為了克服背景技術(shù)的不足，提供一種采用無色散相移器的全場光學(xué)相干層析成像裝置。使用寬帶光源來獲得高縱向分辨率，并用無色散相移器來解決寬帶光的無色散相移問題。寬帶分光棱鏡(簡稱BS)和寬帶偏振分光棱鏡(簡稱PBS)的結(jié)合使用，省去了傳統(tǒng)OCT系統(tǒng)中在PBS與樣品、PBS與參考鏡之間的λ/4波片。把無色散相移器設(shè)置在BS與PBS之間，能獲得8倍于λ/2波片或偏振片旋轉(zhuǎn)角的相移量，大于現(xiàn)有的無色散相移器布局只能得到4倍于旋轉(zhuǎn)角的相移量，在相同條件下可使測量時間縮短。而且，光束的起偏與檢偏，參考臂和樣品臂的光強匹配，都由一塊偏振片來完成。
本實用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是包括光源、準(zhǔn)直透鏡、寬帶分光棱鏡、偏振片、無色散相移器、寬帶偏振分光棱鏡、一對相同的顯微物鏡、精密電控平移臺、壓電陶瓷驅(qū)動器、參考鏡、成像透鏡和面陣CCD探測器；光源發(fā)出的光依次經(jīng)準(zhǔn)直透鏡、寬帶分光棱鏡、偏振片、無色散相移器和寬帶偏振分光棱鏡后被分成兩路一路經(jīng)顯微物鏡到參考鏡，顯微物鏡和參考鏡裝在精密電控平移臺上；另一路經(jīng)另一顯微物鏡到樣品，另一顯微物鏡裝在壓電陶瓷驅(qū)動器上。在寬帶分光棱鏡反射從參考鏡和樣品返回光的一側(cè)，經(jīng)成像透鏡接面陣CCD探測器。
所述的無色散相移器由快軸與水平方向成45°的λ/4波片、快軸方向可旋轉(zhuǎn)的λ/2波片和快軸與水平方向成45°的λ/4波片組成，快軸方向可旋轉(zhuǎn)的λ/2波片接電控旋轉(zhuǎn)臺。
所述的無色散相移器由快軸與水平方向成15°的λ/2波片、快軸與水平方向成75°的λ/4波片和透光軸可旋轉(zhuǎn)的偏振片組成，透光軸可旋轉(zhuǎn)的偏振片接電控旋轉(zhuǎn)臺。
所述的光源為白光光源、超輻射二極管、發(fā)光二極管或激光光源。
與背景技術(shù)相比，本實用新型具有如下優(yōu)點1、本實用新型縮短了測量時間由于建立了獨特的系統(tǒng)布局，使光線兩次通過無色散相移器，可獲得8倍于λ/2波片或偏振片旋轉(zhuǎn)角的相移量。而傳統(tǒng)的無色散相移器布局，光線只能一次通過，得到4倍于旋轉(zhuǎn)角的相移量。在相同條件下，本實用新型可使測量時間大為縮短，這對追求快速檢測的OCT來說意義重大；2、本實用新型具有很強的相移算法適應(yīng)性在不對系統(tǒng)硬件做任何改變的情況下，只需在無色散相移器的λ/2波片或偏振片旋轉(zhuǎn)過程中，在需要的時刻采集圖像，使之旋轉(zhuǎn)所需的角度，就可以得到所需的相移步長和相移量，從而可以使用現(xiàn)有的各種相移算法，如三步法、四步法、五步法等；3、本實用新型通過寬帶分光棱鏡和寬帶偏振分光棱鏡的結(jié)合使用，減去了傳統(tǒng)OCT系統(tǒng)中在PBS與樣品、PBS與參考鏡之間的λ/4波片；尤為重要的是，在寬帶光源條件下，使用單一λ/4波片來改變所有光譜分量的偏振方向是不可行的；4、本實用新型建立的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)把器件的使用數(shù)量降低到最少除了上述3中提到的減少了2塊λ/4波片外，使用的一塊偏振片同時起到了三個作用對從光源傳來的光實施起偏，對從參考鏡和樣品返回的光實施檢偏，通過旋轉(zhuǎn)透光軸方向?qū)嵤﹨⒖急叟c測量臂的光強匹配。


圖1為本實用新型提到的Y.Watanabe等采用旋轉(zhuǎn)偏振片無色散相移器建立的全場OCT系統(tǒng)示意圖；圖2為本實用新型使用無色散相移器全場OCT系統(tǒng)示意圖；圖3為本實用新型中無色散相移器的一種組成結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本實用新型中無色散相移器的另一種組成結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為本實用新型使用無色散相移器全場OCT的控制系統(tǒng)示意圖。
圖中1.超輻射二極管(superluminescent diode)光源，2.準(zhǔn)直透鏡，3.透光軸與水平方向成45°的起偏器，4.寬帶偏振分光棱鏡，5、6.快軸與水平方向成45°的λ/4波片，7、8.一對相同的顯微物鏡，9.參考鏡，10.樣品，11.快軸與水平方向成15°的λ/2波片，12.快軸與水平方向成75°的λ/4波片，13.透光軸可旋轉(zhuǎn)的偏振片，14.面陣CCD探測器，其中11、12、13的組合構(gòu)成一種基于旋轉(zhuǎn)偏振片的無色散相移器，15.光源，16.準(zhǔn)直透鏡，17.寬帶分光棱鏡，18.偏振片，19.無色散相移器，20.寬帶偏振分光棱鏡，21、22.一對相同的顯微物鏡，23.精密電控平移臺，24.壓電陶瓷驅(qū)動器，25.參考鏡，26.樣品，27.成像透鏡，28.面陣CCD探測器，29.快軸與水平方向成45°的λ/4波片，30.快軸方向可旋轉(zhuǎn)的λ/2波片，31.快軸與水平方向成45°的λ/4波片，32.電控旋轉(zhuǎn)臺，33.快軸與水平方向成15°的λ/2波片，34.快軸與水平方向成75°的λ/4波片，35.透光軸方向可旋轉(zhuǎn)的偏振片，36.圖像采集與模數(shù)轉(zhuǎn)換卡，37.計算機，38.多路數(shù)模轉(zhuǎn)換卡，39.電控旋轉(zhuǎn)臺驅(qū)動電路，40.精密電控平移臺驅(qū)動電路，41.壓電陶瓷驅(qū)動器驅(qū)動電路。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖和實施例對本實用新型作進一步的說明
如圖2所示，本實用新型所述的一種采用無色散相移器的全場光學(xué)相干層析成像系統(tǒng)，包括光源15、準(zhǔn)直透鏡16、寬帶分光棱鏡17、偏振片18、無色散相移器19、寬帶偏振分光棱鏡20、一對相同的顯微物鏡21和22、精密電控平移臺23、壓電陶瓷驅(qū)動器24、參考鏡25、樣品26、成像透鏡27和面陣CCD探測器28。其中光源15可以是白光光源、超輻射二極管、發(fā)光二級管或激光光源。
圖3是本實用新型中無色散相移器19的一種組成結(jié)構(gòu)示意圖，它由快軸與水平方向成45°的λ/4波片29、快軸方向可旋轉(zhuǎn)的λ/2波片30和快軸與水平方向成45°的λ/4波片31組成，快軸方向可旋轉(zhuǎn)的λ/2波片30接電控旋轉(zhuǎn)臺32。
圖4是本實用新型中無色散相移器19的另一種組成結(jié)構(gòu)示意圖，它由快軸與水平方向成15°的λ/2波片33、快軸與水平方向成75°的λ/4波片34和透光軸可旋轉(zhuǎn)的偏振片35組成，透光軸可旋轉(zhuǎn)的偏振片35接電控旋轉(zhuǎn)臺32。
如圖2所示，光源15發(fā)出的光由準(zhǔn)直透鏡16準(zhǔn)直后，被寬帶分光棱鏡17分光，其中反射部分的光不予使用而使之逸出系統(tǒng)，只使用透射部分的光。透射光被偏振片18分解成相互垂直的P偏振光和S偏振光，然后進入無色散相移器19。通過電控旋轉(zhuǎn)臺32來驅(qū)動λ/2波片30、或者偏振片35，無色散相移器19就可以把P偏振光的相位后移2倍的旋轉(zhuǎn)角，而把S偏振光的相位前移2倍的旋轉(zhuǎn)角，從而使從無色散相移器19出射的P、S偏振光之間的相位差變?yōu)榱?倍的旋轉(zhuǎn)角。接著，P、S偏振光入射到寬帶偏振分光棱鏡20上，其中P偏振光透過寬帶偏振分光棱鏡20，然后被顯微物鏡21聚焦在參考鏡25上；S偏振光被寬帶偏振分光棱鏡20反射，然后被顯微物鏡22聚焦在樣品26上。經(jīng)參考鏡25反射回來的P偏振光仍然透過寬帶偏振分光棱鏡20，經(jīng)樣品26反射或散射回來的S偏振光仍然被寬帶偏振分光棱鏡20反射，而分別入射到無色散相移器19上。與前述的作用過程一樣，無色散相移器19仍然使經(jīng)過它的P、S偏振光之間的相位差變?yōu)?倍的旋轉(zhuǎn)角。從而，無色散相移器19使來回兩次經(jīng)過它的P、S偏振光之間總的相位差變?yōu)榱?倍的旋轉(zhuǎn)角，也即參考臂(P偏振光)和樣品臂(S偏振光)之間獲得了8倍于旋轉(zhuǎn)角的相移量。從無色散相移器19出射的P、S偏振光，通過偏振片18后，P、S偏振光的偏振方向變?yōu)橐恢露軌虬l(fā)生干涉。從偏振片18傳來的光又被寬帶分光棱鏡17分光，其中反射部分的光是我們所需的光線，被成像透鏡27聚焦在面陣CCD探測器28的像面上。當(dāng)參考臂和樣品臂的光程在光源相干長度以內(nèi)，并且從參考鏡25和樣品26返回的光點在面陣CCD探測器28的像面重合時，就能發(fā)生干涉。把面陣CCD探測器28經(jīng)由圖像采集與模數(shù)轉(zhuǎn)換卡36連接到計算機37上，就能顯示出干涉條紋圖。
本實用新型的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示，由圖像采集與模數(shù)轉(zhuǎn)換卡36來控制面陣CCD探測器28的圖像采集，并把探測器28輸出的模擬電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后輸入給計算機37進行信號處理與圖像顯示等。計算機37通過多路數(shù)模轉(zhuǎn)換卡38把數(shù)字指令轉(zhuǎn)換成模擬電信號，其中第一路輸入給電控旋轉(zhuǎn)臺驅(qū)動電路39，去驅(qū)動電控旋轉(zhuǎn)臺32。由電控旋轉(zhuǎn)臺32帶動無色散相移器的λ/2波片30或者偏振片35旋轉(zhuǎn)，進行無色散相移。
如圖5所示，由多路數(shù)模轉(zhuǎn)換卡38輸出的第二路模擬電信號，輸入給電控平移臺驅(qū)動電路40，去驅(qū)動電控平移臺23。由電控平移臺23帶動顯微物鏡21和參考鏡25一起移動，進行光程調(diào)節(jié)。由多路數(shù)模轉(zhuǎn)換卡38輸出的第三路模擬電信號，輸入給壓電陶瓷驅(qū)動器的驅(qū)動電路41，去驅(qū)動壓電陶瓷驅(qū)動器24。由壓電陶瓷驅(qū)動器24帶動顯微物鏡22移動，來進行樣品的對焦調(diào)節(jié)。以上圖像采集與模數(shù)轉(zhuǎn)換卡36、多路數(shù)模轉(zhuǎn)換卡38、電控旋轉(zhuǎn)臺驅(qū)動電路39、電控平移臺驅(qū)動電路40和壓電陶瓷驅(qū)動器的驅(qū)動電路41均可從市場上購買。
有關(guān)樣品對焦調(diào)節(jié)的具體情況請參考Y.Watanabe等人的論文“Full-fieldoptical coherence tomography by achromatic phase shifting with a rotating polarizer”，Y.Watanabe，Y.Hayasaka，M.Sato，and N.Tanno.Applied Optics，44(8)，1387-1392，2005.
以四步相移算法為例，四幅干涉圖I1、I2、I3和I4為分別在相移量為0°、90°、180°和270°時所采集，這些相移量由旋轉(zhuǎn)無色散相移器中的λ/2波片30或者偏振片35來引入。當(dāng)λ/2波片30或者偏振片35的旋轉(zhuǎn)角分別為0°、11.25°、22.5°和33.75°時采集圖像，對應(yīng)的相移量即為所需的0°、90°、180°和270°。由于對所有波長引入的是相同的相移量，所以如下的單色光四步相移公式仍然適用I=2[(I1-I3)2+(I2-I4)2]1/2I1+I2+I3+I4]]>式中的I即為樣品在垂直于入射光光軸的斷面內(nèi)的一幅組織結(jié)構(gòu)圖。也可以使用三步、五步、Carré等相移算法。
然后使精密電控平移臺23作移動，就可以選擇樣品內(nèi)部的另一個斷面進行成像。必須注意的是，精密電控平移臺23的移動必須在光源相干長度范圍以內(nèi)進行，超出這個范圍就不再有干涉現(xiàn)象發(fā)生。
權(quán)利要求1.采用無色散相移器的全場光學(xué)相干層析成像裝置，其特征在于包括光源(15)、準(zhǔn)直透鏡(16)、寬帶分光棱鏡(17)、偏振片(18)、無色散相移器(19)、寬帶偏振分光棱鏡(20)、一對相同的顯微物鏡(21、22)、精密電控平移臺(23)、壓電陶瓷驅(qū)動器(24)、參考鏡(25)、成像透鏡(27)和面陣CCD探測器(28)；光源(15)發(fā)出的光依次經(jīng)準(zhǔn)直透鏡(16)、寬帶分光棱鏡(17)、偏振片(18)、無色散相移器(19)和寬帶偏振分光棱鏡(20)后被分成兩路一路經(jīng)顯微物鏡(21)到參考鏡(25)，顯微物鏡(21)和參考鏡(25)裝在精密電控平移臺(23)上；另一路經(jīng)另一顯微物鏡(22)到樣品(26)，另一顯微物鏡(22)裝在壓電陶瓷驅(qū)動器(24)上。在寬帶分光棱鏡(17)反射從參考鏡(25)和樣品(26)返回光的一側(cè)，經(jīng)成像透鏡(27)接面陣CCD探測器(28)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用無色散相移器的全場光學(xué)相干層析成像裝置，其特征在于所述的無色散相移器(19)由快軸與水平方向成45°的λ/4波片(29)、快軸方向可旋轉(zhuǎn)的λ/2波片(30)和快軸與水平方向成45°的λ/4波片(31)組成，快軸方向可旋轉(zhuǎn)的λ/2波片(30)接電控旋轉(zhuǎn)臺(32)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用無色散相移器的全場光學(xué)相干層析成像裝置，其特征在于所述的無色散相移器(19)由快軸與水平方向成15°的λ/2波片(33)、快軸與水平方向成75°的λ/4波片(34)和透光軸可旋轉(zhuǎn)的偏振片(35)組成，透光軸可旋轉(zhuǎn)的偏振片(35)接電控旋轉(zhuǎn)臺(32)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用無色散相移器的全場光學(xué)相干層析成像裝置，其特征在于所述的光源(15)為白光光源、超輻射二極管、發(fā)光二極管或激光光源。
專利摘要本實用新型公開了一種采用無色散相移器的全場光學(xué)相干層析成像裝置。光源發(fā)出的光依次經(jīng)準(zhǔn)直透鏡、寬帶分光棱鏡、偏振片、無色散相移器和寬帶偏振分光棱鏡后被分成兩路一路經(jīng)顯微物鏡到參考鏡，顯微物鏡和參考鏡裝在精密電控平移臺上；另一路經(jīng)另一顯微物鏡到樣品，另一顯微物鏡裝在壓電陶瓷驅(qū)動器上。在寬帶分光棱鏡反射從參考鏡和樣品返回光的一側(cè)，經(jīng)成像透鏡接面陣CCD探測器。無色散相移器設(shè)置在寬帶分光棱鏡與寬帶偏振分光棱鏡之間，獲得8倍于λ/2波片或偏振片旋轉(zhuǎn)角的相移量。光束的起偏與檢偏，參考臂和樣品臂的光強匹配，由一塊偏振片來完成。本實用新型具有器件少，結(jié)構(gòu)簡單，測量時間短的優(yōu)點。
文檔編號G01N21/84GK2917551SQ20062010565
公開日2007年7月4日 申請日期2006年7月13日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月13日
發(fā)明者丁志華, 楊亞良, 吳凌 申請人:浙江大學(xué)