并行复频域光学相干层析成像方法与系统技术方案

一种并行复频域光学相干层析成像方法与系统，该方法是在并行频域光学相干层析成像方法的基础上，通过用倾斜的反射光栅代替干涉参考臂的参考平面反射镜，并使入射参考光的一级衍射光沿原入射光路逆向返回，从而在二维光电探测器阵列获得的二维频域干涉条纹沿并行探测方向上引入线性空间相位调制，即在二维频域干涉条纹中引入空间载波；然后对含有空间载波的二维频域干涉条纹沿并行探测方向进行傅里叶变换，接着依次通过频域滤波窗滤波、坐标平移和沿频谱方向的逆傅里叶变换的过程，得到二维复频域干涉条纹，最后再通过沿光频方向的逆傅里叶变换获得待测物体层析图。本发明专利技术具有结构简单，成像速度快，只需一次曝光即可获得待测物体层析图。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及频域光学相干层析成像(Fourier-Domain Optical CoherenceTomography，简称 FD-OCT)，尤其涉及一种基于空间载波(spatial carrier)的 并行复频域光学相干层析成像方法与系统。
技术介绍
光学相干层析成像(Optical Coherence Tomography，简称OCT)是近年来发展起 来的一种光学层析成像技术，它能够对高散射介质如生物组织内部几个毫米深度范围内的 微小结构进行高分辨率非侵入成像，在生物组织活体成像和医疗成像诊断等领域具有广泛 的应用前景。 频域光学相干层析成像系统(FD-OCT)是一种新型OCT系统，它通过探测干涉 谱并对其作逆傅里叶变换得到物体的层析图，相对于早先的时域光学相干层析成像系统 (Time-Domain Optical Coherence Tomography,简称 TD—0CT)具有无需深度方向扫描、成 像速度快和探测灵敏度高的优势，能更好地满足生物组织活体成像以及医疗成像诊断的实 时性要求。频域光学相干层析成像系统主要由低相干光源(宽光谱光源)、迈克尔逊干涉仪 和光谱仪(核心元件为分光光栅、聚焦透镜和CCD探测器)三部分组成，通过将低相干光源 发出的宽光谱光经迈克尔逊干涉仪产生的干涉信号送入光谱仪，获取干涉信号随波长(入) 变化的强度分布(干涉谱)，然后对其做倒数变换后得到干涉信号在频域(ν域，ν=1/ λ )的强度分布，即频域干涉条纹。基于待测物体内各层光反射或背向散射界面的深度对应 频域干涉条纹的不同频率的原理，FD-OCT对频域干涉条纹作逆傅里叶变换得到待测物体沿 照明光光轴方向的深度分辨的光反射率或背向散射率分布，即层析图。但是，FD-OCT获得 的层析图中包含着若干寄生像，限制了 FD-OCT的应用。这些寄生像分别是直流背景，自相 干噪声和复共轭镜像。其中，直流背景和自相干噪声的存在降低了 FD-OCT的信噪比，影响 了成像质量；而复共轭镜像的存在，使FD-OCT无法区分正负光程差(探测光路相对参考光 路的光程差)，测量时待测物体只能置于零光程差位置的一侧，导致有效探测深度范围减少 一半。复频域光学相干层析成像通过重建频域干涉条纹的复解析信号，对该复解析频域 干涉条纹信号作逆傅里叶变换得到物体的层析图，可以消除传统FD-OCT重建的层析图中 存在的寄生像，特别是复共轭镜像，从而使FD-OCT可以区分正负光程差，探测深度范围扩 大为原来的2倍，实现全深度探测。目前，已提出的复频域OCT方法主要包括基于移相干涉 术和基于外差干涉术的复频域OCT。基于移相干涉术(phase-shiftinginterferometry)的复频域 OCT2002年，A. F. Fercher等人最早基于移相干涉术重建复频域干涉条纹，实现了复 频域 OCT (参见在先技术，M. ffojtkowski, A. Kowalczyk, R. Leitgeb andA. F. Fercher, "Full range complex spectral optical coherence tomographytechnique in eyeimaging”，Optics Letters, Vol. 27，No. 16，1415-1417，2002)。然而，由于该方法需要连 续或步进采集至少3幅相互之间具有固定相移量的移相干涉图，降低了频域OCT的成像 速度，并对干涉仪和样品的稳定性提出了严格的要求，因此该方法不适用于生物组织的 活体成像。2005年，Jowph A. Izatt等人提出基于同步移相干涉术实现复频域OCT(参 见在先技术, Μ. V. Sarunic, M. A. Choma, C. Yang and J. A. Izatt, “ Instantaneous complex conjugate resolved spectraldomain and swept—source OCT using 3X3 fiber couplers”，OpticsExpress, Vol. 13，No. 3，957-967，2005)。该方法虽然可以实现多幅移相 干涉条纹的同时获取，但需要使用NXN(N>3)光纤耦合器作为同步移相装置，增加了系统 的复杂性和成本，且移相精度容易受到环境温度变化的影响，从而影响复共轭镜像的消除 效果。基于外差干涉术(heterodyne interferometry)的复频域 OCT基于外差干涉术的复频域OCT通过在频域干涉信号中引入时间或空间载波实现 复频域干涉条纹的探测，与基于移相干涉术的复频域OCT相比，具有不受移相精度限制的 优点。2006年，Bachmarm等人采用两个声光晶体在干涉仪的参考光和探测光中引入光频 差，产生一个含有时间载波的频域干涉条纹，然后通过锁相探测频域干涉条纹的正交分量 重建复频域干涉条纹(参见在先技 术，A. H. Bachmann, R. A. Leitgeb and Τ. Lasser, "Heterodyne Fourier domainoptical coherence tomography for full range p robing with high axialresolution，” Optics Express，Vol. 14，No. 4，1487-1496，2006)。该方 法通过时间相位调制在对应待测物体同一横向位置的频域干涉条纹中引入时间载波，虽然 避免了移相误差的影响，但每个时间相位调制周期内只能得到一个横向位置的全深度层析 图像(full range A-line)，降低了频域OCT的成像速度。2007年，Wang等人在对待测物 体的横向扫描过程中，通过同步扫描参考镜的光程在对应待测物体不同横向位置的频域干 涉条纹中引入空间载波，实现了横向扫描方向上对应连续横向位置的全深度层析图像的实 时狈Ij量。(参见在先技术，R. K. Wang，“In vivo full rangecomplex Fourier domain optical coherence tomography”，Applied PhysicsLetters，Vol. 90，No. 054103，2007)。该 方法基于一种空间载波外差干涉术实现复频域0CT，具有不降低频域OCT成像速度的优点， 但是，它需要横向机械扫描，对数据采集和扫描位置控制的同步要求比较高；而且在探测动 态物体时，横向机械扫描速率必须大于待测物体的运动速率，否则图像会出现运动模糊，即 系统存在一个允许的物体最大速率，这限制了该方法的应用范围。由以上分析，目前复频域OCT存在成像速度慢、系统结构复杂、需要复杂的同 步扫描控制等问题，这些问题可以通过采用并行频域光学相干层析成像技术(parallel FD-0CT)解决。并行频域OCT与传统基于单点照明的频域OCT的主要区别在于，它通过 采用线状光照明样品实现频域OCT 二维层析图(B-scan)的并行探测。(参见在先技术 , Branislav Grajciar, Michael Pircher, Adolf F. Ferch本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种并行复频域光学相干层析成像的方法，特征在于该方法是在并行频域光学相干层析成像方法的基础上，通过用倾斜的平面反射式衍射光栅代替干涉参考臂的参考平面反射镜，并使入射参考光的一级衍射光沿原入射光路逆向返回，从而在二维光电探测器阵列获得的二维频域干涉条纹沿并行探测方向上引入线性空间相位调制，即在二维频域干涉条纹中引入空间载波；然后对含有空间载波的二维频域干涉条纹沿并行探测方向作傅里叶变换，接着依次通过频域滤波、坐标平移和频域的逆傅里叶变换的过程，得到二维复频域干涉条纹，最后再通过以波数为变量的逆傅里叶变换获得待测物体层析图。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：黄炳杰，步鹏，王向朝，南楠，
申请(专利权)人：中国科学院上海光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]