專利名稱：全深度探測的頻域光學相干層析成像裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及光學相干層析成像(Optical Coherence Tomography，以下簡稱OCT)，特別是一種利用正弦相位調制技術重建低相干光頻域干涉復信號(complex interferometric signal)的全深度(full range)探測的頻域光學相干層析成像(Fourier Domain Optical Coherence Tomography，簡稱FD-OCT)的裝置。
背景技術：
光學相干層析成像(OCT)基于低相干光干涉(Low CoherenceInterferometry，簡稱LCI)原理，能對散射介質如生物組織內部幾個毫米深度范圍內的微小結構進行非侵入的實時、在體的層析成像，其深度分辨率可以達到幾個微米。自從1991年Huang等人第一次提出OCT概念，并將其運用到人眼視網膜和冠狀動脈壁的層析成像以來，OCT技術得到了廣泛研究和應用，如用于眼科、皮膚科的疾病診斷以及癌癥早期診斷等，成為一種在生物成像和醫學病理檢測領域中具有重要應用前景的光學成像技術。
頻域光學相干層析成像系統(FD-OCT)，是一種最近發展起來的新型OCT系統，相對早先提出的時域光學相干層析成像系統(Time Domain OpticalCoherence Tomography，簡稱TD-OCT)，具有無需深度方向掃描、成像速度快和探測靈敏度高的優勢，更適合生物組織的實時成像。
頻域光學相干層析成像系統主要由低相干光源(寬光譜光源)、邁克爾遜干涉儀和光譜儀(核心元件為分光光柵、聚焦透鏡和CCD探測器)三部分組成。FD-OCT基于被測物體內各層光反射或背向散射界面的深度對應頻域干涉條紋的不同頻率的原理，將低相干光源發出的寬光譜光經邁克爾遜干涉儀產生的干涉信號送入光譜儀(其中被測物體置于干涉儀的探測臂末端)，利用光譜儀分光特性，獲取干涉信號隨波長(λ)變化的強度分布，然后對其做倒數變換后得到干涉信號在頻域(v域，v＝1/λ)的強度分布，即頻域干涉條紋，對該信號作逆傅立葉變換得到被測物體沿探測光光軸方向的深度分辨的光反射或背向散射率分布，即層析圖。但FD-OCT獲得的層析圖中包含著若干寄生像，限制了FD-OCT的應用。這些寄生像分別是直流背景(DC term)，自相干噪聲(autocorrelation term)和復共軛鏡像(complex conjugated term ormirror image term)。其中，直流背景和自相干噪聲的存在大幅度降低了FD-OCT的信噪比，影響了成像質量，而復共軛鏡像的存在，使FD-OCT無法區分正負光程差(探測光路相對參考光路的光程差)，故測量時被測物體只能置于零光程差位置的一側，導致有效深度探測范圍減少了一半。
為了消除FD-OCT重建的層析圖中存在的復共軛鏡像、自相干噪聲和直流背景這些寄生像成分，A.F.Fercher等人將步進相移技術(phase shifting)引入到FD-OCT中通過重建低相干光頻域干涉信號的復振幅，消除了以上寄生像，實現了全深度探測的FD-OCT(參見在先技術[1]，A.F.Fercher，R.Leitgeb，C.K.Hitzenberger，H.Sattmann and M.Wojtkowski，“Complex SpectralInterferometry OCT”，Proc.SPIE，Vol 3654，173-178，1999；M.Wojtkowski，A.Kowalczyk，R.Leitgeb and A.F.Fercher，“Full range complex spectral opticalcoherence tomography technique in eye imaging”，Optics Letters，Vol.27，No.16，1415-1417，2002)。然而，步進相移算法要求每步相移準確地為一個常量，如五步相移法要求每步相移為π/2。由于FD-OCT采用的是寬光譜光源，對于不同波長，通過改變參考臂的光程引入的步進相移量會發生變化，即相移量依賴于波長，不再是一個恒定的常量，這會帶來測量誤差。同時，外界的微小擾動也會引起步進相移的誤差，因此該系統抗干擾能力比較差。Joseph A.Izatt等人提出了一種基于N×N(N≥3)光纖耦合器的方法(參見在先技術[2]，M.V.Sarunic，M.A.Choma，Changhuei Yang，J.A.Izatt，“Instantaneouscomplex conjugated resolved spectral domain and swept-source OCT using 3×3fiber couplers”，Optics Express，Vol.13，No.3，957-967，2005)。雖然可以實現瞬時或同時相移，對環境振動不敏感，但由于光纖耦合器的分束比對環境溫度變化敏感，導致相移量會隨溫度變化產生飄移，而且該系統需要兩個以上的探測器，需要保證所有探測器采集信號的同步性，系統復雜。
由以上分析看出，目前還沒有一種具有抗環境干擾能力強，與光源波長無關，系統結構簡單，而且又能夠實現全深度探測的頻域光學相干層析成像技術。
發明內容
本實用新型的目的是為了克服上述在先技術的不足，提供一種全深度探測的頻域光學相干層析成像裝置，本實用新型既能夠實現全深度探測的頻域光學相干層析成像，又具有抗環境干擾能力強，與光源波長無關，系統結構簡單的特點。
本實用新型的技術原理是一種全深度探測的頻域光學相干層析成像的方法，它是通過一正弦相位調制裝置帶動邁克爾遜干涉儀參考臂中的參考反射鏡作正弦振動，生成一個隨時間變化的正弦相位調制的低相干光頻域干涉信號，然后對其作傅立葉變換，濾出其頻譜的一倍頻和二倍頻頻譜，經計算得到低相干光頻域干涉復信號的實部和虛部，將實部和虛部組合得到低相干光頻域按波長分布的干涉復信號，然后對該干涉復信號進行倒數變換，得到按波長倒數分布的干涉復信號，再對該干涉復信號作逆傅立葉變換，獲得被測物體層析圖。
全深度探測的頻域光學相干層析成像的方法的特點是將正弦相位調制技術用于全深度探測的頻域光學相干層析成像的方法，利用正弦相位調制技術重建低相干光頻域干涉復信號，以消除FD-OCT成像中存在的復共軛鏡像、直流背景和自相干噪聲三種寄生像，提高系統信噪比，實現全深度探測的頻域光學相干層析成像。
正弦相位調制技術是一種抗干擾能力強，調制簡單的相位調制技術，常用于物體表面形貌和微位移測量的激光干涉儀中(見在先技術[3]，OsamiSasaki and Hirokazu Okazaki，“Sinusoidal phase modulating interferometry forsurface profile measurement”，Applied Optics，Vol.25，No.18，3137-3140，1986)。
全深度探測的頻域光學相干層析成像方法的具體步驟如下
①通過正弦相位調制裝置帶動邁克爾遜干涉儀參考臂中的參考反射鏡作正弦振動，引入一個調制頻率為fc的正弦相位調制，如(1)式所示Z(t)＝acos(2πfct+θ)，(1)其中a為振幅，θ為初始相位，fc為調制頻率。
光譜儀記錄的對應寬光譜光源每個波長的干涉信號，如(2)式所示G(λ)=Grr(λ)+ΣnGnn(λ)]]>+2Re{Σn≠mGnm(λ)exp[-j2π1λ(zn-zm)]}---(2)]]>+2Re{ΣnGnr(λ)exp[-j2π1λ(zn-zr)]},]]>其中G代表光譜密度函數，Re代表取復數的實部，zn代表被測樣品第n層反射或散射界面的光程，zr代表參考反射鏡位置的光程。
(2)式中前兩項分別為參考反射鏡的反射光的自譜密度函數和被測樣品內各層深度處反射或背向散射光的自譜密度函數疊加項，第三項為被測樣品內不同深度處反射或背向散射光的互譜密度函數疊加項，第四項為參考反射鏡反射光和被測樣品內各層深度處反射或背向散射光的互譜密度函數疊加項。
生成一個隨時間變化的正弦相位調制干涉信號，如(3)式所示G(λ,t)=G0+2Re{ΣnGnr(λ)exp[-j2π1λ[(zn-zr)+2Z(t)]]}---(3)]]>其中G0=Grr(λ)+ΣnGnn(λ)+2Re{Σn≠mGnm(λ)exp[-j2π1λ(zn-zm)]}]]>，不受參考反射鏡振動的調制，為一個不隨時間變化的直流分量。然后對其做傅立葉變換得到(4)式， 2ΣnGnr(λ)sin[2π1λ(zn-zr)]×[Σm=-∞∞(-1)mA2m-1σ[ω-(2m-1)ωc]],]]>(4)其中Am＝Jm(d)exp(jmθ)，Jm是m階貝塞爾函數，σ是狄拉克函數，d=4παλ,]]>ω＝2πf，ωc＝2πfc。
從其頻譜中取出一倍頻F(fc)和二倍頻F(2fc)頻譜，通過(5)式計算得到干涉復信號的實部和虛部，2ΣnGnr(λ)sin[2π1λ(zn-zr)]=-Re{F(ωC)}/J1(d)cos(θ),]]>2ΣnGnr(λ)cos[2π1λ(zn-zr)]=-Re{F(2ωc)}/J2(d)cos(2θ),]]>(5)其中sin項對應干涉復信號的虛部，cos項對應干涉復信號的實部。d，θ為事先確定量，或由F(ωc)和F(3ωc)求得(見在先技術[3])。將實部、虛部組合得到干涉信號的復振幅如(6)式所示。其中fc的取值由正弦相位調制頻率決定，與光源波長無關。
G^(λ)=2ΣnGnr(λ)cos[2π1λ(zn-zr)]-j2ΣnGnr(λ)sin[2π1λ(zn-zr)]]]>=2ΣnGnr(λ)exp{-j[2π1λ(zn-zr)]},]]>(6)②對步驟①所得的按波長(λ)分布的干涉復信號(6)，做倒數變換，轉換成按波長倒數(v，v＝1/λ)分布的干涉復信號，如(7)式所示G^(ν)=2ΣnGnr(ν)exp{-j[(2πν(zn-zr)]},---(7)]]>其中ν=1λ.]]>③對步驟②得到的按波長倒數(v，v＝1/λ)分布的干涉復信號作逆傅立葉變換得到被測物體的層析圖如(8)式所示 其中Γnr為一階互相關函數，其包含著被測物體的沿探測光光軸方向的深度分辨的光反射或背向散射信息，即層析圖。
本實用新型方法與不采用正弦相位調制，直接對(2)式作逆傅立葉變換得到的層析圖(9)式相比，消除了FD-OCT成像中存在的復共軛鏡像(I2)、直流背景(I0)和自相干噪聲(I1)三種寄生像，提高了信噪比，實現了全深度探測的頻域光學相干層析成像。
=Γrr(z)+ΣnΓnn(z)+Σn≠mΓnm[z+(zn-zm)]+Σn≠mΓnm[z-(zn-zm)]]]>+ΣnΓnr[z+(zn-zr)]+ΣnΓnr[z-(zn-zr)]]]>=I0+I1+I2+ΣnΓnr[z-(zn-zr)],]]>其中I0=Γrr(z)+ΣnΓnn(z)]]>為直流背景分量，I1=Σn≠mΓnm[z+(zn-zm)]+Σn≠mΓnm[z-(zn-zm)]]]>為自相干噪聲分量，I2=ΣnΓnr[z+(zn-zr)]]]>為復共軛鏡像分量。
本實用新型的技術解決方案如下一種全深度探測的頻域光學相干層析成像裝置，包括低相干光源，在該低相干光源的照明方向上順次放置準直擴束器、邁克爾遜干涉儀，該邁克爾遜干涉儀的分光器將入射光分為探測臂光路和參考臂光路，參考臂光路的末端為參考反射鏡，探測臂光路的末端為被測樣品，被測樣品放置在一個三維精密平移臺上；邁克爾遜干涉儀輸出端連接一光譜儀，該光譜儀通過圖像采集卡和計算機連接，該裝置的特點是所述的參考反射鏡連接一正弦相位調制裝置，該正弦相位調制裝置驅動所述的參考反射鏡作正弦振動。
所述的正弦相位調制裝置由正弦函數電信號發生器和固定在所述的參考反射鏡上的壓電陶瓷驅動器組成，所述的正弦函數電信號發生器發出的時間正弦函數驅動電信號通過壓電陶瓷驅動器驅動所述的參考反射鏡作正弦振動。
所述的低相干光源為寬光譜光源，其光譜典型半寬度為幾十個nm到幾百個nm，如發光二極管(LED)或超輻射發光二極管(SLD)或飛秒激光器等。
所述的準直擴束器由物鏡和若干透鏡組成。
所述的邁克遜干涉儀，其特征在于具有兩個接近等光程的干涉光路，一路為參考臂光路，另一路為探測臂光路。它可以是體光學系統，如由分光棱鏡分光構成參考臂和探測臂兩路光路；也可以是光纖光學系統，如由2×2光纖耦合器的兩個輸出光纖光路分別作為參考臂和探測臂光路。
所述的光譜儀由分光光柵，聚焦透鏡和光電探測器陣列組成。
所述的光電探測器陣列是CCD或光電二極管陣列或其他具有光電信號轉換功能的探測器陣列。
所述的三維精密平移臺，可以沿三個相互垂直方向作微米級精度的平移。
該系統的工作情況如下低相干光源發出的光經準直擴束器準直擴束后，在邁克爾遜干涉儀中被分成兩束，一束光經參考臂入射到參考反射鏡表面，另外一束光經探測臂入射到被測樣品內，從參考反射鏡表面反射回來的光和從被測樣品內不同深度處反射或背向散射回來的光被收集并沿參考臂和探測臂返回，在邁克遜干涉儀中匯合發生干涉，再送入光譜儀分光并記錄，經圖像采集卡數模轉換后送入計算機進行數據處理，得到被測樣品沿探測光光軸方向的層析圖。通過三維精密平移臺對被測樣品沿與探測光光軸方向垂直的平面做橫向掃描，得到被測樣品的二維或三維層析圖。其中正弦相位調制裝置與邁克爾遜干涉儀參考臂中的參考反射鏡相連，該裝置在一個正弦變化的電信號驅動下，帶動參考反射鏡作正弦振動，在光譜儀采集的干涉信號中引入正弦相位調制。
本實用新型的技術效果是與在先技術1相比，本實用新型由于采用正弦相位調制技術，通過對正弦相位調制的頻域干涉信號作傅立葉變換，取出其一倍頻和二倍頻的頻譜信息重建低相干光的頻域干涉復信號，對環境噪聲不敏感，故抗環境干擾能力強，而且一倍頻和二倍頻的取值由正弦相位調制頻率決定，不隨波長變化而改變，故對光源波長無關。
與在先技術2相比，本實用新型只需一個探測器，避免了多探測器的同步性校準，系統結構簡單。
圖1為本實用新型全深度探測的頻域光學相干層析成像裝置的體光學系統結構示意圖。
具體實施方式
下面結合實施例和附圖對本實用新型作進一步說明，但不應以此限制本實用新型的保護范圍。
請參閱圖1，圖1為本實用新型全深度探測的頻域光學相干層析成像裝置實施例--體光學系統的結構示意圖。由圖可見，本實用新型全深度探測的頻域光學相干層析成像裝置，包括低相干光源1，在該低相干光源1的照明方向上順次放置準直擴束器2、邁克爾遜干涉儀3，該邁克爾遜干涉儀3的分光器31將入射光分為探測臂光路34和參考臂光路32，參考臂光路的末端為參考反射鏡33，探測臂光路的末端為被測樣品35，被測樣品35放置在一個三維精密平移臺(圖中未示)上；邁克爾遜干涉儀3輸出端連接一光譜儀5，該光譜儀5通過圖像采集卡6和計算機7連接，其特征在于所述的參考反射鏡33連接一正弦相位調制裝置4，所述的正弦相位調制裝置4由正弦函數電信號發生器和固定在所述的參考反射鏡33上的壓電陶瓷驅動器組成，所述的正弦函數電信號發生器發出的時間正弦函數驅動電信號通過壓電陶瓷驅動器驅動所述的參考反射鏡33作正弦振動。
低相干光源1發出的寬光譜光經準直擴束器2準直擴束后，在邁克爾遜干涉儀3中被分光棱鏡31分成兩束，一束經參考臂光路32入射到一個參考反射鏡33表面，另一束經探測臂光路34入射到放置在三維精密平移臺上的被測樣品35內，從參考反射鏡33表面反射回來的光和從被測樣品35內不同深度處反射或背向散射回來的光被收集并沿參考臂光路32和探測臂光路34返回，在邁克遜干涉儀3中31處匯合發生干涉，再送入光譜儀5被光柵51分光，經會聚透鏡52，成像在CCD探測器53，轉換成電信號后，經圖像采集卡6數模轉換送入計算機7進行數據處理，得到被測樣品35沿探測光光軸方向的層析圖。通過三維精密平移臺(圖中未示)對被測樣品35沿與探測光光軸方向垂直的平面做橫向掃描，得到被測樣品35的二維或三維層析圖。其中正弦相位調制裝置4與邁克爾遜干涉儀參考臂中的參考反射鏡33相連，該裝置在正弦變化電信號的驅動下，帶動參考反射鏡作正弦振動，在光譜儀采集的干涉信號中引入正弦相位調制。
所述的參考反射鏡33作如下正弦振動Z(t)＝acos(2πfct+θ)， (10)其中a為振幅，θ為初始相位，fc為調制頻率。
所述的CCD探測器53記錄的信號為G(λ,t)=G0+2Re{ΣnGnr(λ)exp[-j2π1λ[(zn-zr)+2Z(t)]]},---(11)]]>其中G代表光譜密度函數，Re代表取復數的實部，zn代表被測樣品第n層反射或散射界面的光程，zr代表參考反射鏡位置的光程。而G0=Grr(λ)+ΣnGnn(λ)+2Re{Σn≠mGnm(λ)exp[-j2π1λ(zn-zm)]}]]>，為一個不隨時間變化的直流分量。
對(11)式作傅立葉變換，得到F(ω)=G0σ(ω)+2ΣnGnr(λ)cos[2π1λ(zn-zr)]×[Σm=-∞∞(-1)mA2mσ(ω-2mωc)]]]>2ΣnGnr(λ)sin[2π1λ(zn-zr)]×[Σm=-∞∞(-1)mA2m-1σ[ω-(2m-1)ωc]],]]>(12)其中Am＝Jm(d)exp(jmθ)，Jm是m階貝塞爾函數，σ是狄拉克函數，d=4αλ,]]>ω＝2πf，ωc＝2πfc。由(12)式，可推得2ΣnGnr(λ)sin[2π1λ(zn-zr)]=-Re{F(ωc)}/J1(d)cos(θ),]]>2ΣnGnr(λ)cos[2π1λ(zn-zr)]=-Re{F(2ωc)}/J2(d)cos(2θ),]]>(131)其中sin項對應干涉復信號的虛部，cos項對應干涉復信號的實部。d，θ為事先確定量，或由F(ωc)和F(3ωc)求得(見在先技術[3])。
由(13)式中的兩項組合，可得到復信號G^(λ)2ΣnGnr(λ)cos[2π1λ(zn-zr)]-j2ΣnGnr(λ)sin[2π1λ(zn-zr)]]]>=2ΣnGnr(λ)exp{-j[2π1λ(zn-zr)]},]]>(14)對(14)做倒數變換，得到頻域(v域，v＝1/λ)的復信號G^(ν)=2ΣnGnr(ν)exp{-j[2πν1λ(zn-zr)]},]]>對(15)式作逆傅立葉變換，得到被測物體的層析圖 其中Γnr為一階互相關函數，包含著被測物體的沿探測光光軸方向的深度分辨的光反射或背向散射信息，即層析圖。通過三維精密平移臺帶動被測物體作橫向掃描，重復以上計算過程即可得到被測物體的二維或三維層析圖。
權利要求1.一種全深度探測的頻域光學相干層析成像裝置，包括低相干光源(1)，在該低相干光源(1)的照明方向上順次放置準直擴束器(2)、邁克爾遜干涉儀(3)，該邁克爾遜干涉儀(3)的分光器(31)將入射光分為探測光路(34)和參考光路(32)，參考光路的末端為參考反射鏡(33)，探測光路的末端為被測樣品(35)，被測樣品(35)放置在一個三維精密平移臺上；邁克爾遜干涉儀(3)輸出端連接一光譜儀(5)，該光譜儀(5)通過圖像采集卡(6)和計算機(7)連接，其特征在于所述的參考反射鏡(33)連接一正弦相位調制裝置(4)，該正弦相位調制裝置(4)驅動所述的參考反射鏡(33)作正弦振動。
2.根據權利要求1所述的全深度探測的頻域光學相干層析成像裝置，其特征在于所述的正弦相位調制裝置(4)由正弦函數電信號發生器和固定在所述的參考反射鏡(33)上的壓電陶瓷驅動器組成。
3.根據權利要求1所述的全深度探測的頻域光學相干層析成像裝置，其特征在于所述的低相干光源為寬光譜光源。
4.根據權利要求1至3任一項所述的全深度探測的頻域光學相干層析成像裝置，其特征在于所述的邁克遜干涉儀，是體光學系統，或由2×2光纖耦合器組成的光纖光學系統。
專利摘要一種全深度探測的頻域光學相干層析成像裝置，包括低相干光源，在該低相干光源的照明方向上順次放置準直擴束器、邁克爾遜干涉儀，該邁克爾遜干涉儀的分光器將入射光分為探測臂光路和參考臂光路，參考臂光路的末端為參考反射鏡，探測臂光路的末端為被測樣品，被測樣品放置在一個三維精密平移臺上，邁克爾遜干涉儀輸出端連接一光譜儀，該光譜儀通過圖像采集卡和計算機連接，該裝置的特點是所述的參考反射鏡連接一正弦相位調制裝置。本實用新型與現有技術相比具有抗環境干擾能力強，對光源波長無關和系統結構簡單的優點。
文檔編號A61B5/00GK2916623SQ20062004365
公開日2007年6月27日 申請日期2006年7月5日 優先權日2006年7月5日
發明者步鵬, 王向朝 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所