全深度譜域光學相干層析成像裝置及方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及譜域光學相干層析成像技術領域，特別是一種全深度譜域光學相干層 析成像裝置及方法。
【背景技術】
[0002] 光學相干層析術（OCT)是由Huang等人于1991年提出的一種高分辨無損傷的光 學成像技術，其成像過程類似于超聲成像，通過樣品不同位置的背向散射或背向反射光與 參考光的干涉，獲得樣品的結構信息，然后通過光束的橫向掃描獲得樣品的橫截面圖像。由 于OCT系統采用的是寬帶光源，所以其相干長度較短，為了對樣品深度方向成像，需要在參 考臂引入掃描裝置進行深度掃描從而獲得不同深度處的信號。所以早期的OCT稱之為時域 OCT。OCT技術提出之后首先被應用于眼科，1991年Huang等人首先獲得了人眼視網膜的在 體層析圖像，1993年Fercher等人獲得了視乳頭盤的OCT圖像，同年Swanson等人獲得了人 眼黃斑的0CT圖像。1995年Tearney等人獲得了人體皮膚的0CT圖像并且測量了真皮層表 皮層以及角質層的折射率，0CT技術逐漸被廣泛應用于臨床醫學。
[0003] 1995年，Fercher等人提出了頻域光學相干層析技術（FD0CT)。FD0CT在探測臂利 用光譜儀代替了TD0CT中的光電探測器，通過探測干涉光譜信號實現在深度方向上一次成 像。FD0CT相比于TD0CT的顯著特點是參考臂不需要運動機構進行軸向掃描，樣品的深度信 息由探測到的干涉光譜信息通過傅里葉變換得到。所以FD0CT具有更快的速度更高的信噪 比。頻域光學相干層析成像技術根據其光源與探測機制的不同又分為譜域OCT(SDOCT)系 統和掃頻OCT(SS0CT)系統。SD0CT采用的是寬帶光源和快速多通道光譜儀，而SS0CT采用 的是快速可調諧激光器和單點光電探測器。由于SD0CT相比有TD0CT具有更高的信噪比， SD0CT被廣泛應用于眼科，皮膚科，心血管，血流等各領域。1995年Fercher等人實現了眼模 型內部的一維測距及人眼角膜厚度的測量。1998年G.Hausler等人實現了人體皮膚結構的 載體測量，同時定量驗證了有黑色素瘤的皮膚具有更強的后向散射。2002年M.Wojtkowski 首次實現了人體視網膜成像。通過與多普勒效應相結合，Z.Chen等人實現了對血流速度的 定量測量，從而發展了譜域多普勒OCT(SD-D0CT)。R。Wang等人利用超快速的SD0CT實現了 對視網膜血管的三維可視化，并發展成為光學相干血管造影術（OCA)。J.Welzel等人利用 SD0CT對非黑瘤皮膚癌，黑色素瘤，皮膚炎癥，寄生蟲疾病，指甲以及監視治療效果等方面進 行了研宄。
[0004] 雖然譜域光學相干層析成像技術已得到廣泛應用，但是它還存在著一些的問題， 影響著成像質量。例如由于對信號的處理是通過傅里葉變換得到的，傅里葉變換對實數信 號存在著共軛像的問題，并且傅里葉變換要求信號的均勻采樣。復共軛像的存在會使得重 建的樣品結構產生混疊。另外實際中得到的干涉光譜信號在波長域是均勻采樣的，在波數 域確是非均勻采樣的。而譜域光學相干層析成像技術的圖像重建是將干涉光譜從波數域傅 里葉變換到空間域。所以由于干涉光譜在波數域的非均勻采樣，直接對干涉光譜進行傅里 葉變換會引起縱向分辨率隨深度的增加而變差。
【發明內容】
[0005] 本發明的目的在于提供一種能夠對生物組織三維全深度成像的譜域光學相干層 析成像裝置及方法，并且能夠保持縱向分辨率不隨深度的改變而改變。
[0006] 實現本發明目的的技術解決方案為：一種全深度譜域光學相干層析成像裝置，包 括沿光路方向依次設置的光源、光纖耦合器、第一準直透鏡、第一聚焦透鏡、平面鏡、第二準 直透鏡、X掃描振鏡、Y掃描振鏡、第二聚焦透鏡、載物臺、第三準直透鏡、衍射光柵、第三聚 焦透鏡、線陣CCD14、電腦和線性位移臺，其中平面鏡固定于線性位移臺上且平面鏡位于第 一聚焦透鏡的焦平面，線陣CCD設于第三聚焦透鏡的焦平面，線陣CCD的輸出端接入電腦， 所有光學元件相對于基底同軸等高，即相對于光學平臺或儀器底座同軸等高；
[0007] 所述光源發出的光通過光纖耦合器分成兩路：其中一路光置于第一準直透鏡的焦 點上產生準直光，該準直光通過第一聚焦透鏡聚焦到平面鏡后，平面鏡的反射光沿原光路 返回經第一準直透鏡重新耦合進光纖耦合器；另一路光置于第二準直透鏡的焦點處，經第 二準直透鏡后形成準直光，該準直光依次經過X掃描振鏡、Y掃描振鏡后經第二聚焦透鏡 聚焦到載物臺上的樣品上，經樣品后向散射或后向反射的光沿原光路返回經第二準直透鏡 重新耦合進光纖耦合器；重新耦合進光纖耦合器的兩路光發生干涉，產生的干涉光經光纖 耦合器的輸出端置于第三準直透鏡的焦點處，經第三準直透鏡產生的準直光入射至衍射光 柵，經衍射光柵分光后入射至第三聚焦透鏡，第三聚焦透鏡將光聚焦到線陣CCD的感光元 件上，線陣CCD將光信號轉換為電信號輸入電腦中處理得到OCT圖像。
[0008]-種基于權利要求1所述的全深度譜域光學相干層析成像裝置的成像方法，包括 以下步驟：
[0009] 步驟1，將光纖耦合器參考臂的輸出端置于第一準直透鏡的前焦點處，將平面鏡置 于第一聚焦透鏡后焦面上；
[0010] 步驟2,將光纖耦合器的樣品臂的輸出端置于第二準直透鏡的前焦點處，調節X掃 描振鏡、Y掃描振鏡相對的位置方向使得光路轉折90度，并且使得準直后的光斑偏離Y掃 描振鏡的轉軸但在X掃描振鏡的轉軸上，調節第二聚焦透鏡使得準直光聚焦到載物臺的平 面鏡上并沿原路返回；
[0011] 步驟3,將光纖耦合器的探測臂輸出端置于第三準直透鏡的前焦點處產生準直光， 調節衍射光柵的位置及方向使得該準直光以度角入射至衍射光柵，調節第三聚焦透鏡的位 置使得第三聚焦透鏡的光軸與衍射光的方向同軸并且使得衍射光斑處于第三聚焦透鏡中 心，調節線陣CCD的位置，使得CCD的探測面處于第三聚焦透鏡的后焦面上；
[0012] 步驟4,在樣品臂中的載物臺上設置平面鏡，調節使光聚焦在該平面鏡上，使樣品 臂和參考臂重新耦合進光纖耦合器的光束發生干涉，啟動線性位移臺獲得不同光程差下的 干涉光譜，探測臂中的線陣CCD將干涉光譜信號轉換為電信號輸入電腦存儲于電腦中；
[0013] 步驟5,保持樣品臂不變，將樣品臂中載物臺上的平面鏡換為待測樣品，調節載物 臺使樣品臂和參考臂重新耦合進光纖耦合器的光束發生干涉，驅動X掃描振鏡、Y掃描振鏡 進行橫向掃描獲得三維干涉光譜信號；
[0014] 步驟6,探測臂中的線陣CCD將干涉光譜信號轉換為電信號輸入電腦，通過步驟4 中存儲的干涉光譜重構二維圖像，并將一系列的二維圖像合成待測樣品的三維結構圖。
[0015] 本發明與現有技術相比，其顯著優點在于：（1)能夠對樣品進行三維結構探測，實 現微米量級層析成像探測；（2)該系統為光纖型譜域光學相干層析成像系統，結構簡單，穩 定；（3)實現全深度成像，無需聲光，電光調制，也不需要移相干涉，實現全深度范圍內縱向 分辨率基本保持不變。
【附圖說明】
[0016] 圖1為本發明譜域光學相干層析成像裝置的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0017] 結合圖1，本發明全深度譜域光學相干層析成像裝置，包括沿光路方向依次設置的 光源1、光纖親合器2、第一準直透鏡3、第一聚焦透鏡4、平面鏡5、第二準直透鏡6、X掃描振 鏡7、Y掃描振鏡8、第二聚焦透鏡9、載物臺10、第三準直透鏡11、衍射光柵12、第三聚焦透 鏡13、線陣(XD14、電腦15和線性位移臺16,其中平面鏡5固定于線性位移臺16上且平面 鏡5位于第一聚焦透鏡4的焦平面，線陣CCD14設于第三聚焦透鏡13的焦平面，線陣CCD14 的輸出端接入電腦15,所有光學元件相對于基底同軸等高，即相對于光學平臺或儀器底座 同軸等尚；
[0018] 所述光源1發出的光通過光纖耦合器2分成兩路：其中一路光置于第一準直透鏡 3的焦點上產生準直光，該準直光通過第一聚焦透鏡4聚焦到平面鏡5后，平面鏡5的反射 光沿原光路返回經第一準直透鏡3重新耦合進光纖耦合器2 ;另一路光置于第二準直透鏡 6的焦點處，經第二準直透鏡6后形成準直光，該準直光依次經過X掃描振鏡7、Y掃描振鏡 8后經第二聚焦透鏡9聚焦到載物臺10上的樣品上，經樣品后向散射或后向反射的光沿原 光路返回經第二準直透鏡6重新耦合進光纖耦合器2 ;重新耦合進光纖耦合器2的兩路光 發生干涉，產生的干涉光經光纖耦合器2的輸出端置于第三準直透鏡11的焦點處，經第三 準直透鏡11產生的準直光入射至衍射光柵12,經衍射光柵12分光后入射至第三聚焦透鏡 1