本發(fā)明涉及全場光學相干層析技術領域，特別是一種基于補償干涉儀的串聯(lián)式全場光學層析成像裝置及方法。

背景技術：

光學相干層析術(OCT)是近20年來快速發(fā)展起來的一種光學斷層成像技術，通過參考光和樣品散射光的干涉來重構(gòu)樣品信息，實現(xiàn)光學切片的效果。由于OCT采用低相干光源，其分辨率較高，可達到微米級別。OCT技術相比傳統(tǒng)的生物醫(yī)學成像技術具有無損傷，靈敏度高，可實時成像等優(yōu)勢，廣泛應用于生物醫(yī)學和材料科學等領域。基于已有的OCT技術，發(fā)展了全場光學相干層析術(FF-OCT)，它使用低相干光源和高NA的顯微物鏡，Linnik干涉結(jié)構(gòu)，面陣CCD，不需要任何橫向掃描就可得到橫斷面的二維圖像，可以實現(xiàn)軸向掃描，重建樣品的三維圖像，其橫向和軸向分辨率都可達到亞微米級別。

隨著研究的深入，系統(tǒng)的小型化成為熱點趨勢。Linnik干涉結(jié)構(gòu)的雙臂式結(jié)構(gòu)比較復雜不利于小型化，共光路結(jié)構(gòu)是理想的選擇。共光路的干涉結(jié)構(gòu)更簡單穩(wěn)定，但雙臂的距離較大，用于光源帶寬較大的系統(tǒng)時雙臂距離超過相干長度，導致無法干涉，而使用帶寬較小的光源又會導致軸向分辨率較差。為了保證高軸向分辨率，在光源帶寬較大的前提下，提出了用第二個干涉儀來補償光程，即串聯(lián)式FF-OCT系統(tǒng)。

現(xiàn)有的串聯(lián)式FF-OCT系統(tǒng)的橫向和軸向分辨率都受到一定限制。已有研究中一般使用中心波長約為830nm的SLD或者可見光段的氙弧燈作為系統(tǒng)光源。盡管中心波長為830nm的SLD光源可以更好的對生物組織成像，但其帶寬(幾十個nm)相比于熱光源如鹵素燈(帶寬一般為幾百個nm)較小，限制了系統(tǒng)的軸向分辨率。氙弧燈相比熱光源能提供更好的照明和入射功率，但是其帶寬依然較小，軸向分辨率一般在十幾個到幾個μm。同時探測干涉儀物鏡的數(shù)值孔徑較小，橫向分辨率受到影響。結(jié)合氙弧燈和數(shù)值孔徑較大的光纖傳像束可以得到微米級別的橫向和軸向分辨率，但距離傳統(tǒng)FF-OCT系統(tǒng)1微米級別的分辨率還有較大差距。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種操作方便、分辨率高、成像速度快的基于補償干涉儀的串聯(lián)式全場光學層析成像裝置及方法，結(jié)構(gòu)緊湊、便于手持化或內(nèi)窺化。

實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術解決方案為：一種基于補償干涉儀的串聯(lián)式全場光學層析成像裝置，包括寬帶鹵素光源、科勒照明系統(tǒng)、補償干涉儀、第二分光棱鏡、探測干涉儀、樣品、成像透鏡和面陣CCD；寬帶鹵素光源發(fā)出的光經(jīng)過科勒照明系統(tǒng)進入補償干涉儀，經(jīng)補償干涉儀兩臂反射回來的光被第二分光棱鏡分成兩束光，其中一束進入探測干涉儀，進入探測干涉儀的光一部分被反射、另一部分穿過探測干涉儀對樣品照明；經(jīng)由探測干涉儀的反射光作為參考光，該參考光和樣品的后向散射光相遇發(fā)生干涉，該干涉信號穿過第二分光棱鏡后，經(jīng)過成像透鏡聚焦到面陣CCD上。

進一步地，所述寬帶鹵素光源為Thorlabs的OSL1高強度寬帶鹵素燈光源，功率為150W，中心波長為600nm，帶寬為300nm，相干長度為1.2μm。

進一步地，所述科勒照明系統(tǒng)包括順次設置的前置聚光鏡、孔徑光闌、視場光闌、后置聚光鏡，寬帶鹵素光源發(fā)出的光束經(jīng)前置聚光鏡后，第一次成像于孔徑光闌處，后置聚光鏡將該處光源像二次成像于探測干涉儀中顯微物鏡的后焦面，視場光闌對照明范圍進行控制，實現(xiàn)樣品的均勻照明。

進一步地，所述補償干涉儀基于邁克爾遜式結(jié)構(gòu)，包括第一分光棱鏡、第一反射鏡、第二反射鏡、壓電促動器、線性位移臺，補償干涉儀兩臂放置相同的反射鏡即第一反射鏡、第二反射鏡，第二反射鏡固定設置于線性位移臺，壓電促動器固定設置于第二反射鏡的非反射面，線性位移臺實現(xiàn)調(diào)節(jié)光程和軸向掃描，壓電促動器實現(xiàn)移相干涉測量。

進一步地，所述探測干涉儀基于菲索干涉結(jié)構(gòu)，包括顯微物鏡、載玻片；載玻片作為分光平面，載玻片反射的光作為參考光，樣品的后向散射光作為樣品光。

一種如所述基于補償干涉儀的串聯(lián)式全場光學層析成像裝置的成像方法，包括以下步驟：

步驟1，寬帶鹵素光源發(fā)射出的低相干光，經(jīng)過科勒照明系統(tǒng)后進入補償干涉儀，調(diào)節(jié)補償干涉儀使其兩臂的光產(chǎn)生干涉；

步驟2，經(jīng)過補償干涉儀的光進入探測干涉儀，調(diào)節(jié)樣品至探測干涉儀中顯微物鏡焦面處，實現(xiàn)全場均勻照明；

步驟3，對樣品均勻照明后調(diào)節(jié)補償干涉儀，使探測干涉儀兩臂信號發(fā)生干涉；

步驟4，探測干涉儀中的干涉信號經(jīng)成像透鏡后進入面陣CCD，從而得到樣品層析圖。

進一步地，步驟1所述科勒照明系統(tǒng)包括順次設置的前置聚光鏡、孔徑光闌、視場光闌、后置聚光鏡，寬帶鹵素光源發(fā)出的光束經(jīng)前置聚光鏡后，第一次成像于孔徑光闌處，后置聚光鏡將該處光源像二次成像于探測干涉儀中顯微物鏡的后焦面，視場光闌對照明范圍進行控制，實現(xiàn)樣品的均勻照明。

進一步地，步驟1所述補償干涉儀基于邁克爾遜式結(jié)構(gòu)，包括第一分光棱鏡、第一反射鏡、第二反射鏡、壓電促動器、線性位移臺，補償干涉儀兩臂放置相同的反射鏡即第一反射鏡、第二反射鏡，第二反射鏡固定設置于線性位移臺，壓電促動器固定設置于第二反射鏡的非反射面，線性位移臺實現(xiàn)調(diào)節(jié)光程和軸向掃描，壓電促動器實現(xiàn)移相干涉測量。

進一步地，步驟2所述探測干涉儀基于菲索干涉結(jié)構(gòu)，包括顯微物鏡、載玻片；載玻片作為分光平面，載玻片反射的光作為參考光，樣品的后向散射光作為樣品光。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，其顯著優(yōu)點為：(1)采用了雙干涉儀串聯(lián)式結(jié)構(gòu)，菲索結(jié)構(gòu)的探測干涉儀結(jié)構(gòu)緊湊，對環(huán)境影響不敏感，穩(wěn)定可靠；邁克爾遜結(jié)構(gòu)的補償干涉儀操作簡單，調(diào)節(jié)方便，通過系統(tǒng)中的線性位移臺可以對樣品進行軸向掃描，重建出樣品的三維圖像，系統(tǒng)的軸向分辨率和橫向分辨率都可達到亞微米級別；(2)采用了高NA的顯微物鏡加載玻片的探測干涉儀設計：采用高NA的顯微物鏡可得到較高的橫向分辨率，同時載玻片作為分光平面而不使用特殊的分光鏡可使結(jié)構(gòu)更簡單小巧，樣品只需放在載玻片上就可以實現(xiàn)測量，體積小至為3cm×3cm×10cm；(3)便于實現(xiàn)手持化：通過光纖連接探測干涉儀和系統(tǒng)其他部分，探測干涉儀可以手持對樣品進行測量；探測干涉儀的菲索結(jié)構(gòu)對外界震動不敏感，同時探測干涉儀體積小，結(jié)構(gòu)簡單，具有進一步小型化的潛力。

附圖說明

圖1為本發(fā)明基于補償干涉儀的串聯(lián)式全場光學層析成像裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明基于補償干涉儀的串聯(lián)式全場光學層析成像裝置的光程補償示意圖。

圖3為本發(fā)明實施例中所得不同深度的層析圖，其中(a)是洋蔥細胞表面的普通顯微圖像，(b)～(e)依次為同一位置洋蔥表面以下10μm、20μm、30μm、40μm處的層析圖。

具體實施方式

本發(fā)明提出一種基于補償干涉儀的可用于手持式或內(nèi)窺式探頭的串聯(lián)式全場光學層析成像裝置及方法。本成像系統(tǒng)基于全場光學層析術：寬帶光源發(fā)出的光經(jīng)過科勒照明系統(tǒng)后進入補償干涉儀，從補償干涉儀出來的光經(jīng)分光棱鏡進入探測干涉儀并對樣品均勻照明，探測干涉儀中參考臂產(chǎn)生的參考光和樣品的后向散射光在經(jīng)過之前補償干涉儀的光程補償后發(fā)生干涉，干涉信號通過分光棱鏡進入CCD探測器，無需橫向掃描就可以獲得二維圖像。

如圖1所示，本發(fā)明基于補償干涉儀的串聯(lián)式全場光學層析成像裝置，包括寬帶鹵素光源1、科勒照明系統(tǒng)、補償干涉儀、第二分光棱鏡11、探測干涉儀、樣品14、成像透鏡15和面陣CCD16；寬帶鹵素光源1發(fā)出的光經(jīng)過科勒照明系統(tǒng)進入補償干涉儀，經(jīng)補償干涉儀兩臂反射回來的光被第二分光棱鏡11分成兩束光，其中一束進入探測干涉儀，進入探測干涉儀的光一部分被反射、另一部分穿過探測干涉儀對樣品14照明；經(jīng)由探測干涉儀的反射光作為參考光，該參考光和樣品14的后向散射光相遇發(fā)生干涉，該干涉信號穿過第二分光棱鏡11后，經(jīng)過成像透鏡15聚焦到面陣CCD16上。

優(yōu)選地，所述寬帶鹵素光源1為Thorlabs的OSL1高強度寬帶鹵素燈光源，功率為150W，中心波長為600nm，帶寬為300nm，相干長度為1.2μm。

進一步地，所述科勒照明系統(tǒng)包括順次設置的前置聚光鏡2、孔徑光闌3、視場光闌4、后置聚光鏡5，寬帶鹵素光源1發(fā)出的光束經(jīng)前置聚光鏡2后，第一次成像于孔徑光闌3處，后置聚光鏡5將該處光源像二次成像于探測干涉儀中顯微物鏡的后焦面，這樣照射到樣品上的是均勻照明光，可避免生物組織被灼傷。視場光闌4對照明范圍進行控制，調(diào)整光斑大小，實現(xiàn)樣品的均勻照明。

進一步地，所述補償干涉儀基于邁克爾遜式結(jié)構(gòu)，包括第一分光棱鏡6、第一反射鏡7、第二反射鏡8、壓電促動器9、線性位移臺10，補償干涉儀兩臂放置相同的反射鏡即第一反射鏡7、第二反射鏡8，第二反射鏡8固定設置于線性位移臺10，壓電促動器9固定設置于第二反射鏡8的非反射面，線性位移臺10實現(xiàn)調(diào)節(jié)光程和軸向掃描，壓電促動器9實現(xiàn)移相干涉測量。通過調(diào)節(jié)線性位移臺10，補償干涉儀兩臂的光發(fā)生干涉，作為基準信號。帶有基準信號的光被第二分光棱鏡11分成50：50的兩束光，一束進入探測干涉儀，另外一束射入自由空間損失掉。

進一步地，所述探測干涉儀基于菲索干涉結(jié)構(gòu)，包括顯微物鏡12、載玻片13；載玻片13作為分光平面，載玻片13反射的光作為參考光，樣品14的后向散射光作為樣品光。顯微物鏡12的放大倍數(shù)為20X，數(shù)值孔徑為0.4。使用載玻片13作為分光平板，部分光經(jīng)載玻片13反射，部分光穿過載玻片13實現(xiàn)對樣品14的均勻照明。將經(jīng)由載玻片13的反射光作為參考光，樣品14的后向散射光作為樣品光。兩者經(jīng)成像透鏡15聚焦到面陣CCD16上，最后由計算機處理面陣CCD16接收到的信號。

結(jié)合圖2，D為探測干涉儀兩臂的距離差，D₁為第一分光棱鏡6到第一反射鏡7間的距離，D₂為第一分光棱鏡6到第二反射鏡8間的距離，探測干涉儀兩臂距離差D固定且大于光源相干長度，需要通過補償干涉儀對光程進行補償才能發(fā)生干涉。調(diào)節(jié)線性位移臺10補償參考光和樣品光的光程，滿足關系D＝|D₁-D₂|時光程得到補償，探測干涉儀兩臂信號發(fā)生干涉，產(chǎn)生最終的待探測信號。

本發(fā)明還提供了所述基于補償干涉儀的串聯(lián)式全場光學層析成像裝置的成像方法，包括以下步驟：

步驟1，寬帶鹵素光源1發(fā)射出的低相干光，經(jīng)過科勒照明系統(tǒng)后進入補償干涉儀，調(diào)節(jié)補償干涉儀使其兩臂的光產(chǎn)生干涉；

步驟2，經(jīng)過補償干涉儀的光進入探測干涉儀，調(diào)節(jié)樣品14至探測干涉儀中顯微物鏡焦面處，實現(xiàn)全場均勻照明；

步驟3，對樣品14均勻照明后調(diào)節(jié)補償干涉儀，使探測干涉儀兩臂信號發(fā)生干涉；

步驟4，探測干涉儀中的干涉信號經(jīng)成像透鏡15后進入面陣CCD16，從而得到樣品層析圖。

進一步地，步驟1所述科勒照明系統(tǒng)包括順次設置的前置聚光鏡2、孔徑光闌3、視場光闌4、后置聚光鏡5，寬帶鹵素光源1發(fā)出的光束經(jīng)前置聚光鏡2后，第一次成像于孔徑光闌3處，后置聚光鏡5將該處光源像二次成像于探測干涉儀中顯微物鏡的后焦面，視場光闌4對照明范圍進行控制，實現(xiàn)樣品的均勻照明。

進一步地，步驟2所述探測干涉儀基于菲索干涉結(jié)構(gòu)，包括顯微物鏡12、載玻片13；載玻片13作為分光平面，載玻片13反射的光作為參考光，樣品14的后向散射光作為樣品光。

進一步地，步驟1所述補償干涉儀基于邁克爾遜式結(jié)構(gòu)，包括第一分光棱鏡6、第一反射鏡7、第二反射鏡8、壓電促動器9、線性位移臺10，補償干涉儀兩臂放置相同的反射鏡即第一反射鏡7、第二反射鏡8，第二反射鏡8固定設置于線性位移臺10，壓電促動器9固定設置于第二反射鏡8的非反射面，線性位移臺10實現(xiàn)調(diào)節(jié)光程和軸向掃描，壓電促動器9實現(xiàn)移相干涉測量。步驟1、3的調(diào)節(jié)中一共可以得到3組干涉條紋，以補償干涉儀的干涉條紋作為基準位置，通過線性位移臺10向兩個方向調(diào)節(jié)可得到其他2組補償后的干涉條紋，從而對樣品14進行軸向掃描，重建出樣品14的三維圖像，系統(tǒng)的軸向分辨率和橫向分辨率都可達到亞微米級別。

實施例1

本實施例中，采用基于補償干涉儀的串聯(lián)式全場光學層析成像裝置進行成像，具體調(diào)節(jié)步驟包括：

步驟1，寬帶鹵素光源1發(fā)出的光經(jīng)過科勒照明系統(tǒng)進入補償干涉儀，調(diào)節(jié)補償干涉儀中線性位移臺10，使補償干涉儀中兩臂信號發(fā)生干涉，得到第一組干涉條紋，即基準位置；

步驟2，經(jīng)過補償干涉儀的光被第一分光棱鏡6分為兩束，其中一束進入探測干涉儀，將樣品14置于探測干涉儀中顯微物鏡12的焦面上，實現(xiàn)樣品14的均勻照明；

步驟3，以步驟1中的基準位置為起點，調(diào)節(jié)補償干涉儀中線性位移臺10，對探測干涉儀中兩臂的光程差進行補償，在基準位置正負兩個方向上各能得到一組樣品的干涉儀條紋，補償原理如圖2；

步驟4，重復步驟3，以基準位置的干涉條紋為起點，找到另外2組經(jīng)過補償?shù)臉悠犯缮鏃l紋并選擇其中一組干涉條紋的位置為測量位置；

步驟5，向補償干涉儀中的壓電促動器9施加調(diào)制信號，對系統(tǒng)中光束的相位進行調(diào)制，得到一系列干涉條紋圖像，最后由解調(diào)制算法還原出樣品的層析圖像。

通過該系統(tǒng)得到的洋蔥表面以下不同深度的層析圖如圖3所示：圖3(a)是洋蔥細胞表面的普通顯微圖像；圖3(b)～(e)是同一位置不同深度處的層析圖，分別在洋蔥表面以下10μm、20μm、30μm、40μm處。