一种色散平衡的扫频OCT眼底高分辨成像系统技术方案

本发明专利技术公开了一种色散平衡的扫频OCT眼底高分辨成像系统，包括扫频激光器、迈克尔逊干涉仪、光电平衡探测器、振镜扫描电控装置、数据采集与图像处理系统；迈克尔逊干涉仪通过一段补偿光纤与光学介质补偿系统不平衡的二阶色散，提升轴向分辨率，通过偏振控制器使干涉仪的偏振态保持一致，降低偏振模色散的影响；光电平衡探测器对干涉信号进行强度探测，输入数据采集与图像处理系统重建出二维的视网膜断层图像。本发明专利技术能够在满足干涉仪样品臂与参考臂光程匹配的同时，通过色散补偿使系统固有的二阶色散平衡，进一步提升轴向分辨率，实现高分辨的视网膜成像效果，成本低且易于实现；合理的空间结构，易于集成化处理；系统可靠性高、易于集成与装调。易于集成与装调。易于集成与装调。

【技术实现步骤摘要】
一种色散平衡的扫频OCT眼底高分辨成像系统


[0001]本专利技术属于光学相干层析成像和生物医学诊断设备
，特别是涉及一种色散平衡的扫频OCT眼底高分辨成像系统。

技术介绍

[0002]光学相干层析成像技术(optical coherence tomography,OCT)使用弱相干性的近红外光或可见光，基于迈克尔逊干涉原理，可以无损伤、非侵入地获取组织结构的高分辨断层图像。从上世纪90年代首次提出并发展至今，根据不同的硬件、算法实现方式已历经三代，分别是时域OCT(Time Domain OCT)、谱域OCT(Spectral Domain OCT)以及扫频OCT(Swept Source OCT，SS
‑
OCT)。SS
‑
OCT基于扫频激光器、迈克尔逊干涉仪，样品臂和参考臂的干涉光信号最终由光电探测器接收并转换为电压信号，再经数据采集卡储存在计算机中，通过信号重构处理重建样本结构，由于硬件、算法的迭代更新，作为第三代的SS
‑
OCT在成像速度、灵敏度上已经超过前两代OCT，轴向分辨率的上限在未来会也随扫频激光器的发展而提高。
[0003]专利申请CN 204909391 U公开了一种带有反射式参考臂结构的谱域OCT系统，该结构采用直角棱镜在二维平面内折叠光路，在参考臂光路末端利用角锥棱镜使光线原路返回，经相位补偿和激光能量调整后，干涉信号由光谱仪接收，优化了系统的结构和稳定性，但谱域OCT对干涉信号的高频响应较差，灵敏度会随着深度的增加而下降，且直角棱镜无法精确地满足色散补偿要求；专利申请CN 210582452 U公开了一种参考臂固定的谱域OCT系统，匹配光程的移动结构放置于样品臂，参考臂长度固定，返回的光功率波动小，提升图像质量，但仅在结构设计上提高了紧凑性、降低装调难度，样品臂结构复杂，且引入过多的光器件，导致两臂色散难以平衡，降低轴向分辨率；专利申请CN 109602396 A公开了一种击穿式全光纤参考臂扫频OCT系统，产生干涉信号所需的与样品臂光程匹配的参考臂完全由光纤实现，提升了参考臂的稳定性，但只利用光纤难以实现色散补偿，因此扫频OCT系统的轴向分辨率下降；专利申请CN 108523852 A公开了一种扫频OCT干涉成像系统，在迈克尔逊干涉仪的第一耦合器与第二耦合器之间设置光纤熔接点，使光纤长度可调，实现光程匹配，且通过合理调节光程使参考臂输入端由于相干重现引起的寄生反射信号光程与样品臂光程差与光源腔长实现某种数值关系，从而抑制相干重现效应，消除图像中的伪影线，但对于空间光学系统部分，结构简单，色散不匹配的介质长度无法确定，因此色散失配，系统轴向分辨率下降。
[0004]有鉴于此，有必要提供一种色散平衡的扫频OCT眼底高分辨成像系统，通过光纤与参考臂体光学部分的光程合理分配实现两臂的光程匹配，产生视网膜的干涉信号；设计样品臂与参考臂的体光学部分的结构，使其易于集成化处理；通过引入补偿光纤与色散补偿棱镜共同进行色散管理，平衡样品臂与参考臂的二阶色散(群速度色散)，实现高分辨的视网膜成像效果。

技术实现思路

[0005]本专利技术目的在于解决现有技术中样品光与参考光光程不匹配，且由于偏振态不一致导致系统的信噪比差，系统的物理色散不平衡导致系统轴向分辨率降低，视网膜成像质量差，以及参考臂空间结构不紧凑的问题。
[0006]为了实现本专利技术目的，本专利技术公开了一种色散平衡的扫频OCT眼底高分辨成像系统，包括扫频激光器、迈克尔逊干涉仪、光电平衡探测器、振镜扫描电控装置、数据采集与图像处理系统；扫频激光器用于输出波长按时间编码的窄脉冲光信号，其光信号输出端通过单模光纤与迈克尔逊干涉仪连接，迈克尔逊干涉仪通过外差探测的方式，用于探测人眼后节的背向散射信息，输出干涉光信号；迈克尔逊干涉仪通过振镜扫描电控装置和数据采集与图像处理系统连接，数据采集与图像处理系统中的PC机将生成的与数据采集进行帧同步处理后的驱动信号输入到振镜扫描电控装置中，驱动迈克尔逊干涉仪内部振镜进行扫描；光电平衡探测器对迈克尔逊干涉仪返回的扫频光的干涉信号进行强度探测，并实现信号的差分放大及带通滤波信号处理过程，消除大部分共模噪声，经过光电转换后，得到噪声较低的模拟电信号，输入数据采集与图像处理系统中，数据采集与图像处理系统利用高速数据采集卡完成干涉信号的采集后，经过A/D转换得到数字电信号，输入PC进行信号重构处理，重建出二维的视网膜断层图像；所述迈克尔逊干涉仪包括色散补偿模块，所述色散补偿模块包括补偿光纤、光学介质、偏振控制器；所述补偿光纤用于缩减参考臂的空间光程并且平衡光纤中的二阶色散；所述光学介质用于补偿系统剩余的不平衡色散，提升轴向分辨率；所述偏振控制器用于控制迈克尔逊干涉仪的偏振态保持一致，降低偏振模色散的影响。
[0007]进一步地，迈克尔逊干涉仪包括光纤部分和空间光学系统部分；空间光学系统部分用于探测眼底的背向散射信息，光纤部分用于传输窄脉冲低相干光并利用耦合器实现光的分束与合束，最终输出干涉信号；光纤部分与空间光学系统部分的样品臂、参考臂通过光纤分别将光纤光与空间光耦合，样品臂用于探测人眼眼后节的背向散射信息，参考臂用于产生匹配样品臂眼底光程的本振光，与样品臂探测的信号光结合实现外差探测；
[0008]光纤部分通过在参考臂的输出端插入单模补偿光纤以及偏振控制器，单模补偿光纤用于缩减参考臂的空间光程并且平衡光纤中的二阶色散；偏振控制器用于控制样品臂和参考臂中传输的光偏振态一致，平衡偏振模色散，提升信噪比；空间光学系统部分的参考臂插入了色散补偿棱镜用于平衡系统的二阶色散，提升轴向分辨率，实现高分辨的成像效果；为实现样品臂与参考臂的物理色散平衡，光纤部分与空间光学系统部分的样品臂和参考臂的色散需满足以下色散平衡条件：
[0009][0010]其中，D
f
为光纤的色散参数；L
f
为样品臂光纤部分的长度；L'
f
为参考臂光纤部分的长度；D
s
为样品臂空间光部分各个光学元件的色散参数；L
s
为样品臂空间光部分各个光学元件的中心厚度；D
r
为参考臂空间光部分各个光学元件的色散参数；L'
r
为参考臂空间光部分各个光学元件的中心厚度；Δλ为扫频激光器的实际波长扫描范围；色散参数根据群折射率计算出：
[0011][0012][0013]其中，D为色散参数，与群速度色散有关(单位：ps/(km
·
nm))，色散参数D表示单位波长间隔的光在材料中传输1km后不同频谱分量的时延差。n为所述光学元件的折射率，n
g
为所述光学元件的群折射率，λ为通过所述光学元件的光信号波长，c为真空中的光速3
×
108m/s，表示微分运算关系。
[0014]进一步地，为实现样品臂与参考臂的光程匹配，光纤部分与样品臂和参考臂空间光部分的光程需满足以下条件：
[0015][0016]其中，n
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种色散平衡的扫频OCT眼底高分辨成像系统，其特征在于，包括扫频激光器(1)、迈克尔逊干涉仪(2)、光电平衡探测器(3)、振镜扫描电控装置(4)、数据采集与图像处理系统(5)；扫频激光器(1)用于输出波长按时间编码的窄脉冲光信号，其光信号输出端通过单模光纤与迈克尔逊干涉仪(2)连接，迈克尔逊干涉仪(2)通过外差探测的方式，用于探测人眼后节的背向散射信息，输出干涉光信号；迈克尔逊干涉仪(2)通过振镜扫描电控装置(4)和数据采集与图像处理系统(5)连接，数据采集与图像处理系统(5)中的PC机将生成的与数据采集进行帧同步处理后的驱动信号输入到振镜扫描电控装置(4)中，驱动迈克尔逊干涉仪(2)内部振镜进行扫描；光电平衡探测器(3)对迈克尔逊干涉仪(2)返回的扫频光的干涉信号进行强度探测，并实现信号的差分放大及带通滤波信号处理过程，消除大部分共模噪声，经过光电转换后，得到噪声较低的模拟电信号，输入数据采集与图像处理系统(5)中，数据采集与图像处理系统(5)利用高速数据采集卡完成干涉信号的采集后，经过A/D转换得到数字电信号，输入PC进行信号重构处理，重建出二维的视网膜断层图像；所述迈克尔逊干涉仪(2)包括色散补偿模块，所述色散补偿模块包括补偿光纤、光学介质、偏振控制器；所述补偿光纤用于缩减参考臂的空间光程并且平衡光纤中的二阶色散；所述光学介质用于补偿系统剩余的不平衡色散，提升轴向分辨率；所述偏振控制器用于控制迈克尔逊干涉仪(2)的偏振态保持一致，降低偏振模色散的影响。2.根据权利要求1所述的一种色散平衡的扫频OCT眼底高分辨成像系统，其特征在于，所述迈克尔逊干涉仪(2)包括光纤部分(21)和空间光学系统部分；空间光学系统部分用于探测眼底的背向散射信息，光纤部分(21)用于传输窄脉冲低相干光并利用耦合器实现光的分束与合束，最终输出干涉信号；光纤部分(21)与空间光学系统部分的样品臂(22)、参考臂(23)通过光纤分别将光纤光与空间光耦合，样品臂(22)用于探测人眼眼后节的背向散射信息，参考臂(23)用于产生匹配样品臂眼底光程的本振光，与样品臂(22)探测的信号光结合实现外差探测；所述光纤部分(21)通过在参考臂(23)的输出端插入单模补偿光纤(215)以及偏振控制器(214)，单模补偿光纤(215)用于缩减参考臂的空间光程并且平衡光纤中的二阶色散；偏振控制器(214)用于控制样品臂(22)和参考臂(23)中传输的光偏振态一致，平衡偏振模色散，提升信噪比；空间光学系统部分的参考臂(23)插入了色散补偿棱镜(233)用于平衡系统的二阶色散，提升轴向分辨率，实现高分辨的成像效果；为实现样品臂(22)与参考臂(23)的物理色散平衡，光纤部分(21)与空间光学系统部分的样品臂(22)和参考臂(23)的色散需满足以下色散平衡条件：其中，D
f
为所述光纤的色散参数；L
f
为所述样品臂光纤部分的长度；L'
f
为所述参考臂光纤部分的长度；D
s
为所述样品臂空间光部分各个光学元件的色散参数；L
s
为所述样品臂空间光部分各个光学元件的中心厚度；D
r
为所述参考臂空间光部分各个光学元件的色散参数；L'
r
为所述参考臂空间光部分各个光学元件的中心厚度；Δλ为所述扫频激光器的实际波长扫描范围；色散参数根据群折射率计算出：
其中，D为色散参数，表示单位波长间隔的光在材料中传输1km后不同频谱分量的时延差；n为所述光学元件的折射率，n
g
为所述光学元件的群折射率，λ为通过所述光学元件的光信号波长，c为真空中的光速3
×
108m/s，表示微分运算关系。3.根据权利要求2所述的一种色散平衡的扫频OCT眼底高分辨成像系统，其特征在于，为实现样品臂(22)与参考臂(23)的光程匹配，光纤部分(21)与样品臂(22)和参考臂(23)空间光部分的光程需满足以下条件：其中，n
f
为所述光纤的纤芯群折射率；L
f
为所述样品臂光纤部分的长度；L'
f
为所述参考臂光纤部分的长度；n
s
为所述样品臂空间光部分各个光学元件的折射率；L
s
为所述样品臂空间光部分各个光学元件的中心厚度；L
air
为所述样品臂中的空气厚度；n
r
为所述参考臂空间光部分各个光学元件的折射率；L'
r
为所述参考臂空间光部分各个光学元件的中心厚度；L'
air
为所述参考臂中的空气厚度。4.根据权利要求2所述的一种色散平衡的扫频OCT眼底高分辨成像系统，其特征在于，所述光纤部分(21)采用双耦合器结构，包括第一耦合器(211)、第二耦合器(2...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄江杰，何益，樊金宇，史国华，李超宏，
申请(专利权)人：中国科学院苏州生物医学工程技术研究所，
类型：发明
国别省市：