超高分辨率谱域OCT的超宽带光谱探测系统技术方案

本实用新型专利技术公开了超高分辨率谱域ＯＣＴ的超宽带光谱探测方法及系统。从宽带光源出来的低相干光，经光隔离器入射到宽带光纤耦合器，经分光后分别进入扫描探头和参考臂，返回的光在宽带光纤耦合器中干涉，在探测臂中把干涉信号分解成不同的光谱传入计算机处理，通过逆傅立叶变换重建图像。在探测臂中引入双光栅产生正交色散同时使用ＤＭＤ和面阵ＣＣＤ实现超宽光谱的快速并行探测。双光栅系统能减小光谱成像系统的视场，解决了大视场光谱成像时存在的场曲以及光谱串扰等问题；ＤＭＤ提高了有限尺度和有限像素数ＣＣＤ光谱测量的范围以及光谱测量的分辨率，能同时实现超宽带光谱的超分辨探测，从而实现高信噪比和超高分辨率的谱域ＯＣＴ成像。（*该技术在2018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技术，尤其涉及一种超高分辨率谱域 OCT的超宽带光谱探测系统。
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，能实现对活体内部的组织结构与生理功能进行非接触、无 损伤、高分辨率成像，在疾病的早期检测和在体活检领域有着广泛应用。目前的谱域OCT系统通过高速线阵CCD来并行采集干涉信号的光谱分量， 无需轴向扫描就可以得到样品的深度信息，具有快速和高灵敏度的特点，其系 统核心是探测臂的快速光栅光谱仪。在OCT系统中，系统的轴向分辨率是与光 源带宽成反比的，光源带宽越宽，对应的相干长度就越短，轴向分辨率就越高。 在眼科、皮肤、肿瘤等学科中，超高分辨率(2-3um)的医学影像图像对临床疾 病诊断有着重大意义。因此，谱域OCT必须采用更宽光谱范围的光源，同时探 测臂的光栅光谱仪必须探测更宽的光谱成分，才能提高系统的轴向分辨率。国 外很多科研机构都开展了这方面的研究，如美国哈佛医学院的N.A.Nassif小组 构建了基于890nm中心波长，带宽150nm的SLD (超辐射二极管)光源的超高 分辨率谱域OCT系统，轴向分辨率为2.9um;美国麻省理工的J. G. Fujimoto小 组构建了基于850nm中心波长，带宽144nm的飞秒激光器的超高分辨率超谱域 OCT系统，轴向分辨率为2.1um。在超高分辨率谱域OCT系统的探测臂部分， 传统的方法是采用更多像素数的线阵CCD来探测更多的光谱分量，或者基于有 限像素数的线阵CCD探测更宽的光谱范围，但牺牲光谱仪的光谱分辨率。由于 线阵CCD像素数的增加意味着视场的增大，除非设计更加复杂的光学成像系统， 否则在像面上(CCD感光面)不可避免的会出现严重的场曲现象，同时由于光 谱范围太宽，色散现象严重，导致不同色光的聚焦位置不同，使得光谱仪无法 完全分开各种色光而引入串扰(cross-talk)，探测信噪比下降继而系统轴向分辨 率下降，最终降低了成像质量。而降低光谱仪的光谱分辨率意味着谱域OCT成 像深度的降低。因此，如何在有限成像视场的情况下使光栅光谱仪高分辨地测 量更宽广的光谱范围是超高分辨率谱域OCT系统研制的一大技术难点。
技术实现思路
本技术的目的在于提供一种超高分辨率谱域OCT的光谱探测方法及系 统。在超高分辨率的谱域OCT系统的探测臂部分，采用双光栅的结构来实现正 交色散，同时通过DMD(数字微镜器件Digital Micromirror Device的简称)来减小 成像视场，能在小成像视场的情况下探测更多的光谱分量。本技术的目的是通过如下技术方案实现的一种超高分辨率谱域OCT的光谱探测系统从宽带光源出来的低相干光，经第一偏振控制器、光隔离器入射到宽带光 纤耦合器，经分光后一路经第二偏振控制器进入扫描探头，另一路经第三偏振 控制器进入参考臂，返回的光在宽带光纤耦合器中干涉后，经第四偏振控制器， 进入探测臂把干涉信号分解成不同的光谱，最后这些光谱信号传入计算机，在 计算机进行处理，通过逆傅立叶变换重建图像。所述扫描探头由准直透镜、扫描振镜和聚焦透镜组成；经分光后的光经 准直透镜、扫描振镜和聚焦透镜后照射到样品，由原路返回经第二偏振控制器 至宽带光纤耦合器。所述参考臂由准直透镜、色散补偿器、中性滤光片和平面反射镜组成； 经分光后的光经准直透镜、色散补偿器、中性滤光片和平面反射镜，由原路返 回经第三偏振控制器至宽带光纤耦合器。所述探测臂由光纤、准直透镜、第一衍射光栅、双胶合聚焦透镜、第二 衍射光栅、双胶合聚焦透镜、DMD、双胶合聚焦透镜和面阵CCD组成；由扫描探头和参考臂返回的光在宽带光纤耦合器中干涉后，经第四偏振控制器依次进 入光纤、准直透镜、第一衍射光栅、双胶合聚焦透镜、第二衍射光栅、双胶合聚焦透镜、DMD、双胶合聚焦透镜和面阵CCD，把干涉信号分解成不同的光谱， 最后这些光谱信号传入计算机，在计算机进行处理，通过逆傅立叶变换重建图像。所述的探测臂中的第一衍射光栅的刻线方向与第二衍射光栅的刻线方向互 相垂直，其中衍射光栅的线对数为第二衍射光栅的线对数的1/M， M为大于1 的整数，第一衍射光栅双胶合聚焦透镜的前焦面上，DMD位于双胶合聚焦透 镜(18)的后焦面上，DMD与面阵CCD满足物像共轭关系，且DMD成縮小的像 于面阵CCD上，縮放比例为N:1， N为大于l的整数。一种超高分辨率谱域OCT的光谱探测方法-在超高分辨率谱域OCT系统的探测臂采用双光栅结构，同时使用DMD和 面阵CCD来实现小视场和超宽带光谱的探测；其具体步骤如下1) 在超高分辨率谱域OCT系统的探测臂中使用两块刻线方向正交的衍射 光栅来对来干涉光谱信号进行分光，从而得到干涉光谱信号的二维光谱分布；2) 在超高分辨率谱域OCT系统的探测臂部分加入DMD，同时通过成像透 镜，使其与二维面阵CCD满足物像共轭关系，使DMD成縮小的像于CCD面 上，縮放比例为N:1， N为大于l的整数；3) 双光栅分开的二维光谱分量成像于DMD上，DMD再将这些光谱分量反 射并再次成像在面阵CCD上进行测量。由于DMD与CCD满足物像关系，且 縮放比例为N:1， N为大于1的整数，可以把DMD上的N个像素组成一个虚拟 单元，在光谱成像测量时，依次让虚拟单元里的一个DMD像素单元成像于面阵 CCD上，通过N次测量可以获得N倍于CCD象素数的光谱分量测量。与
技术介绍
相比，本技术具有的有益效果是-1、 通过两块刻线方向正交的衍射光栅对干涉光谱信号进行分光，能得到二 维的光谱信号分布。相比传统的单光栅光谱仪，光谱信号从一维分布变成了二 维分布，减小了光谱成像的视场，由于成像视场的变小，可以消除传统谱域OCT 系统的光谱仪在大光谱范围探测时存在的光谱串扰以及大视场时存在的场曲， 畸变以及色散导致的离焦现象，能显著提高光谱测量的信噪比。2、 通过DMD把光谱分量成像于CCD上，提高了有限尺度与有限像素数 CCD的光谱测量的复用能力，不仅扩大了光谱探测的范围，还能提高光谱测量 的分辨率，能同时实现超宽带光谱的超分辨探测，从而保证高信噪比和超高分 辨率的谱域OCT成像。3、 本技术提出的超宽光谱测量方法和系统除了可以应用于超高分辨率 的谱域OCT系统，也可以应用于诸多光谱测量领域如天文学，元素分析，以及 其他光谱生物成像方法中。附图说明图1是本技术所述的超高分辨率谱域OCT的光谱探测方法的具体实施 例的系统示意图。图2是本技术所述的超高分辨率谱域OCT的光谱探测系统的结构示意图。图3是DMD上微镜开关状态分布和CCD上像素分布示意图。 图4是DMD与CCD的同步控制信号时序示意图。图中1、宽带光源，2、光隔离器，3、宽带光纤耦合器，4、偏振控制器， 5、准直透镜，6、扫描振镜，7、聚焦透镜，8、样品，9、准直透镜，10、色散补偿器，11、中性滤光片，12、平面反射镜，13、光纤，14、准直透镜，15、 衍射光栅，16、双胶合聚焦透镜，17、衍射光栅，18、双胶合聚焦透镜，19、 DMD， 20、双胶合聚焦透镜，21、面阵CCD, 22、探测臂，23、扫描探头，24、参考臂o具体实施方本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超高分辨率谱域ＯＣＴ的超宽带光谱探测系统，其特征在于：从宽带光源（１）出来的低相干光，经第一偏振控制器（４）、光隔离器（２）入射到宽带光纤耦合器（３），经分光后一路经第二偏振控制器（４）进入扫描探头（２３），另一路经第三偏振控制器（４）进入参考臂（２４），返回的光在宽带光纤耦合器（３）中干涉后，经第四偏振控制器（４），进入探测臂（２２）把干涉信号分解成不同的光谱，最后这些光谱信号传入计算机，在计算机进行处理，通过逆傅立叶变换重建图像。

【技术特征摘要】
1、一种超高分辨率谱域OCT的超宽带光谱探测系统，其特征在于从宽带光源(1)出来的低相干光，经第一偏振控制器(4)、光隔离器(2)入射到宽带光纤耦合器(3)，经分光后一路经第二偏振控制器(4)进入扫描探头(23)，另一路经第三偏振控制器(4)进入参考臂(24)，返回的光在宽带光纤耦合器(3)中干涉后，经第四偏振控制器(4)，进入探测臂(22)把干涉信号分解成不同的光谱，最后这些光谱信号传入计算机，在计算机进行处理，通过逆傅立叶变换重建图像。2、 根据权利要求1所述的一种超高分辨率谱域OCT的超宽带光谱探测系 统，其特征在于所述扫描探头(23):由准直透镜(5)、扫描振镜(6)和聚焦透镜(7) 组成；经分光后的光经准直透镜(5)、扫描振镜(6)和聚焦透镜(7)后照射到样品(8)， 由原路返回经第二偏振控制器(4)至宽带光纤耦合器C3)。3、 根据权利要求1所述的一种超高分辨率谱域OCT的超宽带光谱探测系 统，其特征在于所述参考臂(24):由准直透镜(9)、色散补偿器(IO)、中性滤光片 (11)和平面反射镜(12)组成；经分光后的光经准直透镜(9)、色散补偿器(IO)、中 性滤光片(11)和平面反射镜(12)，由原路返回经第三偏振控制器(4)至宽带光纤耦 合器(3)。4、 根据权利要求1所述的一种超高分辨率谱域OCT的超宽带光谱探测系 ...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁志华，王凯，王川，孟婕，吴彤，陈明惠，徐磊，
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]