一种实现光学相干层析成像轴向超分辨的系统技术方案

本实用新型专利技术公开了一种实现光学相干层析成像（ＯＣＴ）轴向超分辨的系统。在光学相干层析成像样品臂的准直镜和探测物镜之间插入光瞳滤波器，使轴向响应函数的主瓣宽度缩小到相干门之内，从而实现光学相干层析成像的轴向超分辨。同时，由超分辨光瞳滤波器导致的旁瓣则被相干门抑制，不对ＯＣＴ相干成像产生有效贡献，从而确保成像对比度不因轴向超分辨而下降。本实用新型专利技术是一种经济简易的新型超分辨技术，可促进实现ＯＣＴ系统的小型化与商业化。（*该技术在2016年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及光学相干层析成像(OCT)技术和光学超分辨技术，尤其涉及一种利用光瞳滤波器实现光学相干层析成像轴向超分辨的系统。
技术介绍
光学相干层析成像(Optical Coherence Tomography，简称OCT)是一种新兴的光学成像技术，相对于传统的临床成像手段来说，具有分辨率高、成像速度快、无辐射损伤、价格适中、结构紧凑等优点，是基础医学研究和临床诊断应用的重要潜在工具。分辨率是OCT技术发展的重要指标。OCT的轴向分辨率由光源带宽和探测光束的聚焦条件共同决定。在探测光束弱聚焦条件下，相应的轴向响应函数的主瓣宽度远远大于相干门宽度，此时的轴向分辨率主要由相干门决定。光源带宽越宽，相干门宽度就越窄。相干门宽度越窄，轴向分辨率就越高。因此，目前用来提高OCT轴向分辨率的主要途径包括短脉冲激光技术、非线性超连续谱产生技术、组合光源光谱合成技术等。但这些宽带光源技术存在以下局限性：1)对成像透镜等光学元件的消色差要求大大提高；2)超宽带高效率单模光纤器件不易获得；3)超短脉冲激光器价格昂贵，操作不便，小型化和商业化存在一定难度。所以，采用宽带光源技术来提高OCT的轴向分辨率，往往价格昂贵，系统复杂，而且存在器件上的瓶颈，很难在现有基础上继续提高。光谱整形技术也可在某种程度上改善OCT的轴向分辨率，如抑制中间谱分量使光谱形状趋于平坦，实现相对意义上的光谱拓宽，进而提高OCT的轴向分辨率。在探测光束强聚焦条件下，其轴向响应函数的主瓣宽度已与相干门接近。光源带宽和轴向响应函数的主瓣宽度都与OCT的轴向分辨率直接相关。在此情形下，压缩轴向响应函数的主瓣宽度是提高OCT轴向分辨率的另一途径。
技术实现思路
本技术的目的在于提供一种实现光学相干层析成像轴向超分辨的系统，该系统通过插入适当形式的光瞳滤波器，将轴向响应函数的主瓣宽度缩小到相干门之内，从而实现OCT的轴向超分辨；同时，由超分辨光瞳滤波器导致的旁瓣则由相干门来抑制，不对OCT相干成像产生有效贡献，从而确保成像对比度不因轴向超分辨而下降。-->本技术的目的是通过如下技术方案实现的：一、一种实现光学相干层析成像轴向超分辨的方法在光学相干层析成像样品臂的准直镜和探测物镜之间插入光瞳滤波器，使轴向响应函数的主瓣宽度缩小到相干门之内，从而实现光学相干层析成像的轴向超分辨；其具体步骤如下：1)从光纤耦合器一个端口发出的光先由准直镜准直，然后通过光瞳滤波器，再由探测物镜聚焦于样品，此时的照明点扩散函数的轴向主瓣宽度因光瞳滤波器的作用而得到压缩；2)从样品返回的反射光和散射光经由探测物镜收集，再次通过光瞳滤波器和准直镜，然后返回光纤耦合器，与来自参考臂的参考光汇合并发生干涉；此时的接收点扩散函数和照明点扩散函数一致，由二者共同决定的轴向响应函数的主瓣宽度小于相干门宽度。所述的光瞳滤波器由N个同心圆环构成，其中N为大于2的实数，具体值根据不同光学系统的分辨率要求确定。P(ρ，)为光瞳滤波器的光瞳函数，(ρ，)为光瞳函数的极坐标。其中ki表示第i个圆环的振幅透过率，0≤ki≤1。i表示第i个圆环的位相延迟，0≤i≤2π。ri-1和ri表示第i环归一化内外半径。当只有参数ki变化时，此表达式对应于振幅型光瞳滤波器；当只有参数i变化时，此表达式对应于相位型光瞳滤波器；当参数ki和i都变化时，此表达式对应于复振幅型光瞳滤波器。二、一种实现光学相干层析成像轴向超分辨的系统包括宽带光源、2×2光纤耦合器、探测器、数据采集卡、计算机、参考臂(10)以及依次由准直镜、探测物镜和样品组成的样品臂。样品臂的准直镜和探测物镜光路之间插入光瞳滤波器。所述的光瞳滤波器为振幅型光瞳滤波器或位相型光瞳滤波器，光瞳滤波器由N个同心圆环构成，其中N为大于2的实数，具体值根据不同光学系统的分辨率要求确定。本技术的原理为：准直光束经光瞳滤波器后，由探测物镜聚焦，其焦-->点附近的光分布因光瞳滤波器而发生变化，对应的轴向响应函数也随之改变。采用适当形式的光瞳滤波器，可以将OCT轴向响应函数的主瓣宽度缩小到相干门之内。此时OCT的轴向分辨率不再由光源带宽决定，而是由轴向响应函数的主瓣宽度所决定。通过这种方式实现了OCT轴向分辨率的提高。同时，轴向响应函数的旁瓣则被相干门抑制，不参与相干成像，从而确保了成像对比度不因轴向超分辨而下降。与
技术介绍
相比，本技术具有如下优点：1)该系统简单易行，成本低廉。只需在常规OCT样品臂的准直镜和探测物镜之间插入光瞳滤波器，使轴向响应函数的主瓣宽度缩小到相干门之内即可。采用成熟的二元光学技术和薄膜技术制作光瞳滤波器，可以达到很高的精度和较低的成本。这种低成本的提高OCT轴向分辨率的方法，避免了采用宽带光源技术所存在的成本昂贵、系统复杂、器件选择困难等缺陷。2)由超分辨光瞳滤波器产生的旁瓣，往往会导致图像对比度的下降，这是传统光学系统中实施光学超分辨术的最大障碍。但在OCT中旁瓣对成像的影响可以消除，利用OCT所固有的相干门可以完全抑制旁瓣参与相干成像，这是在OCT中实施光学超分辨的重要优势。3)初步实验表明，通过上述系统可以将OCT的轴向分辨率至少提高10％。本技术是一种经济简易的新型超分辨技术，可促进实现OCT系统的小型化与商业化。附图说明图1是OCT轴向超分辨的样品臂结构示意图；图2是光学轴向超分辨的振幅型光瞳滤波器示意图(以N＝3为例)；图3(a)是光学轴向超分辨的位相型光瞳滤波器示意图(以N＝3为例)；图3(b)是图3(a)的A-A剖视图；图4是OCT轴向超分辨方法的系统示意图。图中：1、准直镜，2、光瞳滤波器，3、探测物镜，4、样品，5、宽带光源，6、2×2光纤耦合器，7、探测器，8、数据采集卡，9、计算机，10、参考臂。具体实施方式下面结合附图和实施例对本技术作进一步的说明：图1所示为实施OCT轴向超分辨的样品臂结构示意图，图中1为准直镜，2为光瞳滤波器，3为探测物镜，4为样品。样品4处于探测物镜3的焦点附近。准直镜1、光瞳滤波器2和探测物镜3同轴放置。光瞳滤波器2的有效孔径与探测物镜3的全口径相等，并归一化为1。光瞳滤波器2有效孔径之外的边缘部分-->因探测物镜3口径的限制不参与成像，可用于光瞳滤波器2的固定。如图1所示，从2×2光纤耦合器一个端口发出的光，先由准直镜1准直，然后通过光瞳滤波器2，再由探测物镜3聚焦于样品4上。从样品4返回的反射光和散射光经由探测物镜3收集，再次通过光瞳滤波器2和准直镜1，然后在光纤耦合器处与来自参考臂的参考光汇合并发生干涉。鉴于探测臂中照明光路与接收光路的一致性，对应的照明点扩散函数hin和接收点扩散函数hout也一致，并由下式决定：P(ρ，)为光瞳滤波器的光瞳函数，其定义式为：P(ρ，)＝p(ρ)exp[-iφ()]，p(ρ)和φ()分别表示光瞳滤波器的振幅分布和位相分布，(ρ，)为光瞳函数的极坐标，u为轴向光学坐标，由式u＝(2π/λ)zsin2α＝kzsin2α决定，z代表实际的轴向坐标，k＝2π/λ为光源中心波长对应的波数，sinα表示探测物镜的数值孔径。照明点扩散函数和接收点扩散函数共同决定了OCT的轴向响应函数：I＝|hin×hout|2    (2)光本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种实现光学相干层析成像轴向超分辨的系统，包括宽带光源（５）、２×２光纤耦合器（６）、探测器（７）、数据采集卡（８）、计算机（９）、参考臂（１０）以及依次由准直镜（１）、探测物镜（３）和样品（４）组成的样品臂；其特征在于：样品臂的准直镜（１）和探测物镜（３）光路之间插入光瞳滤波器（２）。

【技术特征摘要】
1、一种实现光学相干层析成像轴向超分辨的系统，包括宽带光源(5)、2×2光纤耦合器(6)、探测器(7)、数据采集卡(8)、计算机(9)、参考臂(10)以及依次由准直镜(1)、探测物镜(3)和样品(4)组成的样品臂；其特征在于：样品臂的准直镜(1)和探测物镜(3...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁志华，周琳，孟婕，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：实用新型
国别省市：86[中国|杭州]