基于补偿干涉仪的串联式全场光学层析成像装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于补偿干涉仪的串联式全场光学层析成像装置及方法。该装置包括宽带卤素光源、科勒照明系统、补偿干涉仪、第二分光棱镜、探测干涉仪、样品、成像透镜和面阵CCD；方法为：宽带卤素光源发出的光经过科勒照明系统进入补偿干涉仪，经补偿干涉仪两臂反射回来的光被第二分光棱镜分成两束光，其中一束进入探测干涉仪，进入探测干涉仪的光一部分被反射、另一部分穿过探测干涉仪对样品照明；经由探测干涉仪的反射光作为参考光，该参考光和样品的后向散射光相遇发生干涉，该干涉信号穿过第二分光棱镜后，经过成像透镜聚焦到面阵CCD上。本发明专利技术具有操作方便、分辨率高、成像速度快、结构紧凑、便于手持和内窥化的特点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及全场光学相干层析
，特别是一种基于补偿干涉仪的串联式全场光学层析成像装置及方法。
技术介绍
光学相干层析术(OCT)是近20年来快速发展起来的一种光学断层成像技术，通过参考光和样品散射光的干涉来重构样品信息，实现光学切片的效果。由于OCT采用低相干光源，其分辨率较高，可达到微米级别。OCT技术相比传统的生物医学成像技术具有无损伤，灵敏度高，可实时成像等优势，广泛应用于生物医学和材料科学等领域。基于已有的OCT技术，发展了全场光学相干层析术(FF-OCT)，它使用低相干光源和高NA的显微物镜，Linnik干涉结构，面阵CCD，不需要任何横向扫描就可得到横断面的二维图像，可以实现轴向扫描，重建样品的三维图像，其横向和轴向分辨率都可达到亚微米级别。随着研究的深入，系统的小型化成为热点趋势。Linnik干涉结构的双臂式结构比较复杂不利于小型化，共光路结构是理想的选择。共光路的干涉结构更简单稳定，但双臂的距离较大，用于光源带宽较大的系统时双臂距离超过相干长度，导致无法干涉，而使用带宽较小的光源又会导致轴向分辨率较差。为了保证高轴向分辨率，在光源带宽较大的前提下，提出了用第二个干涉仪来补偿光程，即串联式FF-OCT系统。现有的串联式FF-OCT系统的横向和轴向分辨率都受到一定限制。已有研究中一般使用中心波长约为830nm的SLD或者可见光段的氙弧灯作为系统光源。尽管中心波长为830nm的SLD光源可以更好的对生物组织成像，但其带宽(几十个nm)相比于热光源如卤素灯(带宽一般为几百个nm)较小，限制了系统的轴向分辨率。氙弧灯相比热光源能提供更好的照明和入射功率，但是其带宽依然较小，轴向分辨率一般在十几个到几个μm。同时探测干涉仪物镜的数值孔径较小，横向分辨率受到影响。结合氙弧灯和数值孔径较大的光纤传像束可以得到微米级别的横向和轴向分辨率，但距离传统FF-OCT系统1微米级别的分辨率还有较大差距。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种操作方便、分辨率高、成像速度快的基于补偿干涉仪的串联式全场光学层析成像装置及方法，结构紧凑、便于手持化或内窥化。实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种基于补偿干涉仪的串联式全场光学层析成像装置，包括宽带卤素光源、科勒照明系统、补偿干涉仪、第二分光棱镜、探测干涉仪、样品、成像透镜和面阵CCD；宽带卤素光源发出的光经过科勒照明系统进入补偿干涉仪，经补偿干涉仪两臂反射回来的光被第二分光棱镜分成两束光，其中一束进入探测干涉仪，进入探测干涉仪的光一部分被反射、另一部分穿过探测干涉仪对样品照明；经由探测干涉仪的反射光作为参考光，该参考光和样品的后向散射光相遇发生干涉，该干涉信号穿过第二分光棱镜后，经过成像透镜聚焦到面阵CCD上。进一步地，所述宽带卤素光源为Thorlabs的OSL1高强度宽带卤素灯光源，功率为150W，中心波长为600nm，带宽为300nm，相干长度为1.2μm。进一步地，所述科勒照明系统包括顺次设置的前置聚光镜、孔径光阑、视场光阑、后置聚光镜，宽带卤素光源发出的光束经前置聚光镜后，第一次成像于孔径光阑处，后置聚光镜将该处光源像二次成像于探测干涉仪中显微物镜的后焦面，视场光阑对照明范围进行控制，实现样品的均匀照明。进一步地，所述补偿干涉仪基于迈克尔逊式结构，包括第一分光棱镜、第一反射镜、第二反射镜、压电促动器、线性位移台，补偿干涉仪两臂放置相同的反射镜即第一反射镜、第二反射镜，第二反射镜固定设置于线性位移台，压电促动器固定设置于第二反射镜的非反射面，线性位移台实现调节光程和轴向扫描，压电促动器实现移相干涉测量。进一步地，所述探测干涉仪基于菲索干涉结构，包括显微物镜、载玻片；载玻片作为分光平面，载玻片反射的光作为参考光，样品的后向散射光作为样品光。一种如所述基于补偿干涉仪的串联式全场光学层析成像装置的成像方法，包括以下步骤：步骤1，宽带卤素光源发射出的低相干光，经过科勒照明系统后进入补偿干涉仪，调节补偿干涉仪使其两臂的光产生干涉；步骤2，经过补偿干涉仪的光进入探测干涉仪，调节样品至探测干涉仪中显微物镜焦面处，实现全场均匀照明；步骤3，对样品均匀照明后调节补偿干涉仪，使探测干涉仪两臂信号发生干涉；步骤4，探测干涉仪中的干涉信号经成像透镜后进入面阵CCD，从而得到样品层析图。进一步地，步骤1所述科勒照明系统包括顺次设置的前置聚光镜、孔径光阑、视场光阑、后置聚光镜，宽带卤素光源发出的光束经前置聚光镜后，第一次成像于孔径光阑处，后置聚光镜将该处光源像二次成像于探测干涉仪中显微物镜的后焦面，视场光阑对照明范围进行控制，实现样品的均匀照明。进一步地，步骤1所述补偿干涉仪基于迈克尔逊式结构，包括第一分光棱镜、第一反射镜、第二反射镜、压电促动器、线性位移台，补偿干涉仪两臂放置相同的反射镜即第一反射镜、第二反射镜，第二反射镜固定设置于线性位移台，压电促动器固定设置于第二反射镜的非反射面，线性位移台实现调节光程和轴向扫描，压电促动器实现移相干涉测量。进一步地，步骤2所述探测干涉仪基于菲索干涉结构，包括显微物镜、载玻片；载玻片作为分光平面，载玻片反射的光作为参考光，样品的后向散射光作为样品光。本专利技术与现有技术相比，其显著优点为：(1)采用了双干涉仪串联式结构，菲索结构的探测干涉仪结构紧凑，对环境影响不敏感，稳定可靠；迈克尔逊结构的补偿干涉仪操作简单，调节方便，通过系统中的线性位移台可以对样品进行轴向扫描，重建出样品的三维图像，系统的轴向分辨率和横向分辨率都可达到亚微米级别；(2)采用了高NA的显微物镜加载玻片的探测干涉仪设计：采用高NA的显微物镜可得到较高的横向分辨率，同时载玻片作为分光平面而不使用特殊的分光镜可使结构更简单小巧，样品只需放在载玻片上就可以实现测量，体积小至为3cm×3cm×10cm；(3)便于实现手持化：通过光纤连接探测干涉仪和系统其他部分，探测干涉仪可以手持对样品进行测量；探测干涉仪的菲索结构对外界震动不敏感，同时探测干涉仪体积小，结构简单，具有进一步小型化的潜力。附图说明图1为本专利技术基于补偿干涉仪的串联式全场光学层析成像装置的结构示意图。图2为本专利技术基于补偿干涉仪的串联式全场光学层析成像装置的光程补偿示意图。图3为本专利技术实施例中所得不同深度的层析图，其中(a)是洋葱细胞表面的普通显微图像，(b)～(e)依次为同一位置洋葱表面以下10μm、20μm、30μm、40μm处的层析图。具体实施方式本专利技术提出一种基于补偿干涉仪的可用于手持式或内窥式探头的串联式全场光学层析成像装置及方法。本成像系统基于全场光学层析术：宽带光源发出的光经过科勒照明系统后进入补偿干涉仪，从补偿干涉仪出来的光经分光棱镜进入探测干涉仪并对样品均匀照明，探测干涉仪中参考臂产生的参考光和样品的后向散射光在经过之前补偿干涉仪的光程补偿后发生干涉，干涉信号通过分光棱镜进入CCD探测器，无需横向扫描就可以获得二维图像。如图1所示，本专利技术基于补偿干涉仪的串联式全场光学层析成像装置，包括宽带卤素光源1、科勒照明系统、补偿干涉仪、第二分光棱镜11、探测干涉仪、样品14、成像透镜15和面阵CCD16；宽带卤素光源1发出的光经过科勒照明系统进入补偿干涉仪，经补偿干涉仪两臂反射回来的光被第二分光棱镜11分成两束光，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于补偿干涉仪的串联式全场光学层析成像装置，其特征在于，包括宽带卤素光源(1)、科勒照明系统、补偿干涉仪、第二分光棱镜(11)、探测干涉仪、样品(14)、成像透镜(15)和面阵CCD(16)；宽带卤素光源(1)发出的光经过科勒照明系统进入补偿干涉仪，经补偿干涉仪两臂反射回来的光被第二分光棱镜(11)分成两束光，其中一束进入探测干涉仪，进入探测干涉仪的光一部分被反射、另一部分穿过探测干涉仪对样品(14)照明；经由探测干涉仪的反射光作为参考光，该参考光和样品(14)的后向散射光相遇发生干涉，该干涉信号穿过第二分光棱镜(11)后，经过成像透镜(15)聚焦到面阵CCD(16)上。

【技术特征摘要】
1.一种基于补偿干涉仪的串联式全场光学层析成像装置，其特征在于，包括宽带卤素光源(1)、科勒照明系统、补偿干涉仪、第二分光棱镜(11)、探测干涉仪、样品(14)、成像透镜(15)和面阵CCD(16)；宽带卤素光源(1)发出的光经过科勒照明系统进入补偿干涉仪，经补偿干涉仪两臂反射回来的光被第二分光棱镜(11)分成两束光，其中一束进入探测干涉仪，进入探测干涉仪的光一部分被反射、另一部分穿过探测干涉仪对样品(14)照明；经由探测干涉仪的反射光作为参考光，该参考光和样品(14)的后向散射光相遇发生干涉，该干涉信号穿过第二分光棱镜(11)后，经过成像透镜(15)聚焦到面阵CCD(16)上。2.根据权利要求1所述的基于补偿干涉仪的串联式全场光学层析成像装置，其特征在于，所述宽带卤素光源(1)为Thorlabs的OSL1高强度宽带卤素灯光源，功率为150W，中心波长为600nm，带宽为300nm，相干长度为1.2μm。3.根据权利要求1所述的基于补偿干涉仪的串联式全场光学层析成像装置，其特征在于，所述科勒照明系统包括顺次设置的前置聚光镜(2)、孔径光阑(3)、视场光阑(4)、后置聚光镜(5)，宽带卤素光源(1)发出的光束经前置聚光镜(2)后，第一次成像于孔径光阑(3)处，后置聚光镜(5)将该处光源像二次成像于探测干涉仪中显微物镜的后焦面，视场光阑(4)对照明范围进行控制，实现样品的均匀照明。4.根据权利要求1所述的基于补偿干涉仪的串联式全场光学层析成像装置，其特征在于，所述补偿干涉仪基于迈克尔逊式结构，包括第一分光棱镜(6)、第一反射镜(7)、第二反射镜(8)、压电促动器(9)、线性位移台(10)，补偿干涉仪两臂放置相同的反射镜即第一反射镜(7)、第二反射镜(8)，第二反射镜(8)固定设置于线性位移台(10)，压电促动器(9)固定设置于第二反射镜(8)的非反射面，线性位移台(10)实现调节光程和轴向扫描，压电促动器(9)实现移相干涉测量。5.根据权利要求1所述的基于补偿干涉仪的串联式全场光学层析成像装置，其特征在于，所述探测干涉仪基...

【专利技术属性】
技术研发人员：高万荣，郭英呈，朱越，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32