專利名稱：可調(diào)節(jié)的頻域光學(xué)相干層析成像方法及其系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及頻域光學(xué)相干層析成像(Fourier Domain Optical CoherenceTomogr即hy，簡(jiǎn)稱FD0CT)，是一種可調(diào)節(jié)的頻域光學(xué)相干層析成像方法及其系 統(tǒng)，利用變周期光柵，實(shí)現(xiàn)探測(cè)深度范圍和深度分辨率可調(diào)節(jié)的頻域光學(xué)相干層析成像。
背景技術(shù)：
光學(xué)相干層析成像(Optical Coherence Tomography,簡(jiǎn)稱OCT)是近年來(lái)發(fā)展起 來(lái)的一種成像技術(shù)。它利用低相干光干涉原理，獲得被測(cè)物體不同深度層的反射和背向散 射信號(hào)，通過(guò)對(duì)接收信號(hào)的處理和成像，得到層析圖。非侵入測(cè)量是該技術(shù)的一個(gè)突出優(yōu) 點(diǎn)，因而常被用于眼科診斷?，F(xiàn)在，OCT技術(shù)已不局限于此，它被廣泛用于醫(yī)學(xué)、生物學(xué)、材 料學(xué)等方面。 頻域光學(xué)相干層析成像(FDOCT)技術(shù)是在原有時(shí)域光學(xué)相干層析成像技術(shù)基礎(chǔ) 上發(fā)展而來(lái)的，其突出優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需深度方向的掃描，可以同時(shí)獲得被測(cè)物體不同深度的結(jié) 構(gòu)信息。相對(duì)于時(shí)域光學(xué)相干層析成像技術(shù)，F(xiàn)DOCT技術(shù)能獲得更大的探測(cè)靈敏度和更 快的探測(cè)速度(參見在先技術(shù)[l]， R丄eitgeb， C. K. Hitzenberger， Adolf F. Fercher， Performance of fourier domain vs. time domain opticalcoherence tomography, Optics Express, Vol. 11， Issue8， 2003， pp. 889-894) 。 Maciej Wojtkowski等人運(yùn)用頻 域光學(xué)相干層析成像技術(shù)對(duì)人的視網(wǎng)膜在體成像進(jìn)行了研究，顯示了頻域光學(xué)相干層析 成像技術(shù)的實(shí)用價(jià)值(參見在先技術(shù)[2]， MaciejWojtkowski， Rainer Leitgeb， Andrzej Kowalczyk， Tomasz Bajraszewski， AdolfF. Fercher， In vivo human retinal imaging by Fourier domain optical coherencetomography， J. Biomed. Opt. ， Vol.7， No. 3，2002， pp. 457-463)。還有在先技術(shù)研究了消除FDOCT系統(tǒng)中寄生像的干擾的方法(參見在先技術(shù) [3]，M. Wojtkowski，A. Kowalczyk，R. Leitgeb，A. F. Fercher，F(xiàn)ull range complex spectral opticalcoherence tomography technique in eye imaging, Optics Lerrers， Vol. 27， No. 16， 2002， pp. 1415-1417 ;步鵬，復(fù)頻域光學(xué)相干層析成像技術(shù)的研究(博士論文)，中國(guó) 科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所，2008)。頻域光學(xué)相干層析成像系統(tǒng)主要由寬光譜光源、 邁克爾遜干涉儀和光譜儀(主要元件包括分光光柵、聚焦透鏡和探測(cè)器)三部分組成，通過(guò) 對(duì)被測(cè)物體的探測(cè)得到層析圖。 在FD0CT系統(tǒng)中，當(dāng)A;t^^^A;iF,時(shí)(A A為探測(cè)的光譜寬度，A A FWHM為
光源的半峰全寬)，頻域光學(xué)層析成像系統(tǒng)探測(cè)的深度分辨率Sz達(dá)到理論值，表示為 2!n2 V
;zT7 A義j
(A。表示FD0CT系統(tǒng)的寬帶光源的中心波長(zhǎng)，n為被測(cè)物體的介質(zhì)折射率)
探測(cè)的深度范圍z^表示為';^ (N表示探測(cè)器用于探測(cè)的像素?cái)?shù))。然而，采用FDOCT 技術(shù)獲得的探測(cè)深度范圍和深度分辨率為固定的值，當(dāng)測(cè)量對(duì)探測(cè)深度范圍和深度分辨率有多個(gè)不同的要求時(shí)，采用傳統(tǒng)FDOCT技術(shù)方法及系統(tǒng)則難以滿足要求。不但如此，隨著大 譜寬光源的使用，為了獲得較高深度分辨率的探測(cè)結(jié)果，又希望達(dá)到一定的探測(cè)深度范圍， 探測(cè)器的像素陣列長(zhǎng)度和像素密度(用探測(cè)器的單位像素寬度表示)變得難以滿足要求。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了克服在先技術(shù)的不足，提供一種可調(diào)節(jié)的頻域光學(xué)相干層析 成像方法及其系統(tǒng)。該方法和系統(tǒng)既能夠?qū)崿F(xiàn)探測(cè)深度范圍和深度分辨率可調(diào)節(jié)的頻域光 學(xué)相干層析成像，從而獲得不同探測(cè)深度范圍及不同深度分辨率的層析圖；又能配合大譜 寬光源的使用，通過(guò)調(diào)節(jié)光柵周期和探測(cè)器位置，解決譜寬較大時(shí)探測(cè)器像素陣列長(zhǎng)度受 限的問(wèn)題。 變周期光柵是一種周期可以在一定范圍內(nèi)根據(jù)設(shè)置而改變的光柵，它是可 調(diào)光柵的一種?？烧{(diào)光柵已為光學(xué)系統(tǒng)開啟了全新的發(fā)展方向，光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可 以因此更具彈性(見在先技術(shù)[4]，微可調(diào)變光柵元件，http:〃麗w. itrc.org. tw/ Research/Product/Nano/grating. php ;楊裕勝，周期與閃耀角可調(diào)變光柵元件之設(shè)計(jì)研 發(fā)(博士論文)，國(guó)立清華大學(xué)動(dòng)力機(jī)械工程學(xué)系，2009， http:〃ir. lib.nthu. edu. tw/ handle/987654321/1776)。 前文已述，當(dāng)A義
7T
21n2
A^,時(shí)，頻域光學(xué)層析成像系統(tǒng)探測(cè)的深度分辨率S z
達(dá)到理論值
2!n2 A2
;但是當(dāng)光源的譜寬較大，系統(tǒng)受到探測(cè)器像素陣列長(zhǎng)度和像素密
度的限制，A^^:^A^,時(shí)，探測(cè)的深度分辨率和深度范圍受探測(cè)的光譜寬度的影響。
21n2
將頻域光學(xué)層析成像系統(tǒng)中的分光光柵改為變周期光柵，設(shè)入射光與光^ e 。，當(dāng)光柵周期被調(diào)整為d，將探測(cè)器移動(dòng)到如下(1)式所示位置
f法線的夾角為 <formula>formula see original document page 4</formula> h (d)表示探測(cè)器中心點(diǎn)到光譜儀透鏡光軸的垂直距離，探測(cè)的深度范圍zm 度分辨率S z分別為 <formula>formula see original document page 4</formula> 式中f表示光譜儀透鏡的焦距，p表示被探測(cè)的分光光柵衍射的光譜級(jí)次，L表示 探測(cè)器的像素陣列長(zhǎng)度，S L表示探測(cè)器的單位像素寬度。 由此，可以通過(guò)調(diào)節(jié)光柵周期來(lái)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的探測(cè)深度范圍和深度分辨率，當(dāng)探測(cè) 的側(cè)重點(diǎn)在獲得更大的探測(cè)深度范圍時(shí)，使用更小的光柵周期，此時(shí)深度分辨率將隨之降 低；當(dāng)探測(cè)的側(cè)重點(diǎn)在獲得更高的深度分辨率時(shí)，使用較大的光柵周期，此時(shí)探測(cè)深度范圍 將隨之減小。也可以結(jié)合使用，先以小的光柵周期、較大的探測(cè)深度范圍尋找感興趣的局部深度范圍，再以較大的光柵周期、較高的深度分辨率獲得更清晰的層析圖。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下 —種可調(diào)節(jié)的頻域光學(xué)相干層析成像方法，特別是探測(cè)深度范圍和深度分辨率可 調(diào)節(jié)的方法，特點(diǎn)在于該方法包括下列步驟 ①一臺(tái)頻域光學(xué)相干層析成像系統(tǒng)，包括寬帶光源、邁克爾遜干涉儀和光譜儀，所 述的光譜儀包括分光光柵、透鏡和探測(cè)器，將所述的分光光柵改設(shè)為變周期光柵裝置；
②根據(jù)期望的探測(cè)深度范圍zmax或深度分辨率S z，確定光柵的周期d :
根據(jù)期望的探測(cè)深度范圍zmax或深度分辨率S z利用下列算式計(jì)算并確定光柵的 周期d，或由深度范圍z^和深度分辨率S z計(jì)算光柵的周期d，以獲得最接近于期望的深 度范圍zmax和深度分辨率S z而確定光柵的周期d : 鵬 2/7<5丄/3i-JTT, 1 p2、 式中f表示光譜儀透鏡的焦距，p表示的分光光柵衍射的光譜級(jí)次，L表示探測(cè)器
的像素陣列長(zhǎng)度，SL表示探測(cè)器的單位像素寬度，n為待測(cè)物體的介質(zhì)折射率，入。表示
頻域光學(xué)相干層析成像系統(tǒng)的寬帶光源的中心波長(zhǎng)；
③調(diào)整所述的變周期光柵裝置的光柵周期為d ; 利用(1)式計(jì)算并調(diào)整所述的探測(cè)器的位置h(d)，即所述的探測(cè)器中心點(diǎn)到光 譜儀透鏡光軸的垂直距離； ⑤利用調(diào)整后的頻域光學(xué)相干層析成像系統(tǒng)對(duì)物體成像，即可獲得使用者期望的 深度范圍zmax和深度分辨率S z。 實(shí)施上述方法的探測(cè)深度范圍和深度分辨率可調(diào)節(jié)的頻域光學(xué)相干層析成像系 統(tǒng)，包括寬帶光源，在該寬帶光源的照明方向上順次放置準(zhǔn)直透鏡，邁克爾遜干涉儀，邁克 爾遜干涉儀的輸出端連接一光譜儀，該光譜儀通過(guò)圖像采集卡和計(jì)算機(jī)相連，其特點(diǎn)在于 所述的光譜儀由沿光束前進(jìn)方向依次的變周期光柵裝置、聚焦透鏡、探測(cè)器組成，所述的變 周期光柵裝置由變周期光柵和光柵控制裝置組成，所述的光柵控制裝置是控制所述變周期 光柵周期改變的裝置，所述的探測(cè)器位于一滑軌上，所述的探測(cè)器在所述的滑軌上的移動(dòng) 方向垂直于所述光譜儀的聚焦透鏡的光軸和所述的變周期光柵的光柵柵線方向。
所述的探測(cè)器為光電探測(cè)器陣列。 低相干光源發(fā)出的光經(jīng)準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直擴(kuò)束后，進(jìn)入邁克爾遜干涉儀，從邁克爾遜
干涉儀輸出的干涉信號(hào)進(jìn)入光譜儀；光譜儀內(nèi)的變周期光柵的周期d已根據(jù)本方法調(diào)整
好，根據(jù)不同的光柵周期，探測(cè)器已沿滑軌被移動(dòng)到位置h(d);光信號(hào)進(jìn)入光譜儀后，被光
柵分光，探測(cè)器在位置h(d)記錄分光后的信號(hào)，經(jīng)圖像采集卡送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，得到
被測(cè)物體的層析圖。 本發(fā)明的技術(shù)效果是 與在先技術(shù)相比，本發(fā)明利用變周期光柵，考慮探測(cè)器的像素陣列長(zhǎng)度和像素密度的限制，并配合探測(cè)器沿滑軌移動(dòng)到相應(yīng)位置，可以在一個(gè)頻域光學(xué)相干層析成像系統(tǒng) 內(nèi)實(shí)現(xiàn)不同深度范圍和不同深度分辨率的探測(cè)。本發(fā)明改變了在原有技術(shù)情形下，一個(gè) FD0CT系統(tǒng)內(nèi)，探測(cè)深度范圍和深度分辨率不可調(diào)節(jié)的狀況。使用者可以根據(jù)不同的需要， 選擇獲得更大的探測(cè)深度范圍還是更高的深度分辨率；也可以結(jié)合使用，先以小的光柵周 期、較大的探測(cè)深度范圍尋找感興趣的局部深度范圍，再以較大的光柵周期、較高的深度分 辨率獲得更清晰的層析圖。
圖1為本發(fā)明可調(diào)節(jié)的頻域光學(xué)相干層析成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范 圍。 請(qǐng)參閱圖1，圖1為本發(fā)明可調(diào)節(jié)的頻域光學(xué)相干層析成像系統(tǒng)的實(shí)施例的系統(tǒng) 結(jié)構(gòu)示意圖，本發(fā)明可調(diào)節(jié)的頻域光學(xué)相干層析成像系統(tǒng)，包括寬帶光源l，在寬帶光源1 的照明方向上順次放置準(zhǔn)直透鏡2，邁克爾遜干涉儀3，該邁克爾遜干涉儀的輸出端連接一 光譜儀4，該光譜儀4通過(guò)圖像采集卡5和計(jì)算機(jī)6連接，所述的光譜儀4由沿光束前進(jìn)方 向依次的變周期光柵裝置、聚焦透鏡43、CCD探測(cè)器44組成，所述的變周期光柵裝置由變周 期光柵41和光柵控制裝置42組成，所述的光柵控制裝置42是控制所述變周期光柵41周 期改變的裝置，例如可控制光柵柵距改變的微制動(dòng)器等，用以驅(qū)動(dòng)控制光柵改變其周期；所 述的CCD探測(cè)器44位于一滑軌45上，所述的CCD探測(cè)器44在所述的滑軌45上的移動(dòng)方 向垂直于所述光譜儀4的聚焦透鏡43的光軸和所述的變周期光柵41的光柵柵線方向。
寬帶光源1發(fā)出的光經(jīng)準(zhǔn)直透鏡2準(zhǔn)直擴(kuò)束后，進(jìn)入邁克爾遜干涉儀3，從邁克爾 遜干涉儀3輸出的干涉信號(hào)進(jìn)入光譜儀4 ;光譜儀4內(nèi)的變周期光柵41的周期d已根據(jù)本 方法調(diào)整好，根據(jù)不同的光柵周期，CCD探測(cè)器44已沿滑軌45被移動(dòng)到位置h(d);光信號(hào) 進(jìn)入光譜儀4后，被變周期光柵41分光，CCD探測(cè)器44在位置h(d)記錄分光后的信號(hào)，經(jīng) 圖像采集卡5送入計(jì)算機(jī)6進(jìn)行處理，得到被測(cè)物體的層析圖。 按照本發(fā)明的方法，先依據(jù)式(2)或(3)計(jì)算并確定q個(gè)光柵周期，按從大到小排 列如下
d(i) = d(l)，d(2)，d(3)，......，d(q)
d(l) > d(2) > d(3) >...... > d(q) (4)
上式中i是每次探測(cè)使用的不同光柵周期的編號(hào)。 在第i次探測(cè)中，調(diào)整變周期光柵的周期為d(i)。
在第i次探測(cè)中，利用(1)式計(jì)算并調(diào)整所述的探測(cè)器的位置為(取-
督
晉，P
1 ，并設(shè)入射光與光柵法線的夾角為零)
/KW)) = / tan
arcsin("^)
柳
(5)
即所述的探測(cè)器中心點(diǎn)到光譜儀透鏡光軸的垂直距離。
利用調(diào)整后的頻域光學(xué)相干層析成像系統(tǒng)對(duì)物體探測(cè)，即可獲得使用者期望的深
6度范圍和深度分辨率，共探測(cè)q次 zmax I丄< zmax 12 < zmax 13 <...... < zmax I q (6) S z I! < S z 12 < S z 13 <...... < S z I q (7) 即在此系統(tǒng)中，隨著光柵周期的減小，探測(cè)深度范圍不斷擴(kuò)大，深度分辨率下降； 隨著光柵周期的增大，探測(cè)深度范圍不斷減小，深度分辨率提高。使用者可以根據(jù)不同的需 要，選擇獲得更大的探測(cè)深度范圍還是更高的深度分辨率；也可以結(jié)合使用，先以小的光柵 周期、較大的探測(cè)深度范圍尋找感興趣的局部深度范圍，再以較大的光柵周期、較高的深度 分辨率獲得更清晰的層析圖。
權(quán)利要求
一種可調(diào)節(jié)的頻域光學(xué)相干層析成像方法，特別是探測(cè)深度范圍和深度分辨率可調(diào)節(jié)的頻域光學(xué)相干層析成像方法，特征在于該方法包括下列步驟①一臺(tái)頻域光學(xué)相干層析成像系統(tǒng)，包括寬帶光源、邁克爾遜干涉儀和光譜儀，所述的光譜儀包括分光光柵、透鏡和探測(cè)器，將所述的分光光柵改設(shè)為變周期光柵裝置；②根據(jù)期望的探測(cè)深度范圍zmax或深度分辨率δz，確定光柵的周期d根據(jù)期望的探測(cè)深度范圍zmax或深度分辨率δz利用下列算式計(jì)算并確定光柵的周期d，或由深度范圍zmax和深度分辨率δz計(jì)算光柵的周期d，以獲得最接近于期望的深度范圍zmax和深度分辨率δz而確定光柵的周期d <mrow><mi>δz</mi><mo>=</mo><mfrac> <mi>pf</mi> <mi>L</mi></mfrac><mfrac> <mn>1</mn> <mrow><msqrt> <msup><mi>d</mi><mn>2</mn> </msup> <mo>-</mo> <msup><mi>p</mi><mn>2</mn> </msup> <msup><msub> <mi>λ</mi> <mn>0</mn></msub><mn>2</mn> </msup></msqrt><mrow> <mo>(</mo> <mfrac><mn>1</mn><msup> <msub><mi>λ</mi><mn>0</mn> </msub> <mn>2</mn></msup> </mfrac> <mo>-</mo> <mfrac><msup> <mi>p</mi> <mn>2</mn></msup><msup> <mi>d</mi> <mn>2</mn></msup> </mfrac> <mo>)</mo></mrow> </mrow></mfrac> </mrow> <mrow><msub> <mi>z</mi> <mi>max</mi></msub><mo>=</mo><mfrac> <mi>pf</mi> <mrow><mn>2</mn><mi>ηδL</mi> </mrow></mfrac><mfrac> <mn>1</mn> <mrow><msqrt> <msup><mi>d</mi><mn>2</mn> </msup> <mo>-</mo> <msup><mi>p</mi><mn>2</mn> </msup> <msup><msub> <mi>λ</mi> <mn>0</mn></msub><mn>2</mn> </msup></msqrt><mrow> <mo>(</mo> <mfrac><mn>1</mn><msup> <msub><mi>λ</mi><mn>0</mn> </msub> <mn>2</mn></msup> </mfrac> <mo>-</mo> <mfrac><msup> <mi>p</mi> <mn>2</mn></msup><msup> <mi>d</mi> <mn>2</mn></msup> </mfrac> <mo>)</mo></mrow> </mrow></mfrac> </mrow>式中f表示光譜儀透鏡的焦距，p表示的分光光柵衍射的光譜級(jí)次，L表示探測(cè)器的像素陣列長(zhǎng)度，δL表示探測(cè)器的單位像素寬度，η為待測(cè)物體的介質(zhì)折射率，λ0表示頻域光學(xué)相干層析成像系統(tǒng)的寬帶光源的中心波長(zhǎng)；③調(diào)整所述的變周期光柵裝置的光柵周期為d④利用下式計(jì)算并調(diào)整所述的探測(cè)器的位置，即所述的探測(cè)器中心點(diǎn)到光譜儀透鏡光軸的垂直距離 <mrow><mi>h</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>d</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mi>f</mi><mi>tan</mi><mo>[</mo><mi>arcsin</mi><mrow> <mo>(</mo> <mfrac><mrow> <mi>p</mi> <msub><mi>λ</mi><mn>0</mn> </msub></mrow><mi>d</mi> </mfrac> <mo>)</mo></mrow><mo>]</mo><mo>;</mo> </mrow>⑤利用調(diào)整后的頻域光學(xué)相干層析成像系統(tǒng)對(duì)物體成像，即可獲得使用者期望的深度范圍zmax和深度分辨率δz。
2. —種實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1所述方法的可調(diào)節(jié)的頻域光學(xué)相干層析成像系統(tǒng)，包括寬帶光 源(l)，在該寬帶光源(1)的照明方向上順次放置準(zhǔn)直擴(kuò)束器(2)、邁克爾遜干涉儀(3)，該 邁克爾遜干涉儀(3)的分光器(31)將入射光分為探測(cè)臂光路(34)和參考臂光路(32)，所 述的參考臂光路的末端為參考反射鏡(33)，所述的探測(cè)臂光路的末端為待測(cè)物體(35)，待 測(cè)物體(35)放置在一個(gè)三維精密平移臺(tái)上；所述的邁克爾遜干涉儀(3)的輸出端連接一個(gè) 光譜儀(5)，該光譜儀(5)通過(guò)圖像采集卡(6)和計(jì)算機(jī)(7)相連，其特征在于所述的光譜 儀(5)由沿光束前進(jìn)方向依次的變周期光柵裝置、聚焦透鏡(53)、探測(cè)器(54)組成，所述的 變周期光柵裝置由變周期光柵(51)和光柵控制裝置(52)組成，所述的光柵控制裝置(52) 是控制所述變周期光柵(51)周期改變的裝置，所述探測(cè)器(54)位于一滑軌(55)上，所述 的探測(cè)器(54)在所述的滑軌(55)上的移動(dòng)方向垂直于所述光譜儀(5)的光軸和所述的變 周期光柵(51)的光柵柵線方向。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的探測(cè)深度范圍和深度分辨率可調(diào)節(jié)的頻域光學(xué)相干層析成 像系統(tǒng)，其特征在于所述的探測(cè)器(54)為光電探測(cè)器陣列。
全文摘要
一種探測(cè)深度范圍和深度分辨率可調(diào)節(jié)的頻域光學(xué)相干層析成像方法及其系統(tǒng)，將變周期光柵用于頻域光學(xué)相干層析成像，通過(guò)調(diào)節(jié)光柵周期和探測(cè)器的橫向位置，改變頻域干涉信號(hào)的光譜探測(cè)寬度和光譜探測(cè)分辨率，從而實(shí)現(xiàn)探測(cè)深度范圍和深度分辨率可調(diào)節(jié)的頻域光學(xué)相干層析成像。本發(fā)明既能配合大譜寬光源的使用，解決譜寬較大時(shí)探測(cè)器像素陣列長(zhǎng)度受限的問(wèn)題，又能滿足使用者希望獲得更大探測(cè)深度范圍或是更高深度分辨率的不同成像需求。
文檔編號(hào)G01J3/45GK101750146SQ20091020084
公開日2010年6月23日 申請(qǐng)日期2009年12月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月25日
發(fā)明者步鵬, 王向朝, 郭昕 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所