一種基于光計(jì)算的掃頻光學(xué)相干成像系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種掃頻光學(xué)相干成像系統(tǒng)（Swept Source Optical Coherence Tomograpgy，簡(jiǎn)稱SS-OCT)，特別是關(guān)于一種基于光計(jì)算的掃頻光學(xué)相干成像系統(tǒng)，屬于生 物醫(yī)學(xué)光子學(xué)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前光學(xué)相干層析技術(shù)（Optical Coherence Tomograpgy，簡(jiǎn)稱0CT)已經(jīng)由傳統(tǒng) 的時(shí)域光學(xué)相干層析（Time Domain-OCT，簡(jiǎn)稱TD-0CT)發(fā)展為頻域光學(xué)相干層析（Fourier Domain-OCT，簡(jiǎn)稱 FD-0CT)。其中，F(xiàn)D-OCT 有兩種類型：基于 CCD(Charge-coupled Device) 的光譜儀探測(cè)式的光譜光學(xué)相干層析（Spectral Domain-OCT，簡(jiǎn)稱SD-0CT)和基于掃頻激 光器的掃頻光學(xué)相干層析（Sw印t Source-OCT，簡(jiǎn)稱SS-0CT)。和其它類型OCT相比，SS-OCT 兼具光譜SD-OCT的快速成像能力和時(shí)域OCT的點(diǎn)探測(cè)優(yōu)勢(shì)。
[0003] 現(xiàn)有的SS-OCT中，探測(cè)器測(cè)量的是樣品光和參考光的干涉信號(hào)的時(shí)域波形，它是 樣品的空間信息的傅立葉變換。因此，從探測(cè)器獲得的數(shù)據(jù)需要做一次傅立葉逆變換，從 而得到一線樣品深度方向的結(jié)構(gòu)信息。目前，掃描速度在MHz級(jí)的掃頻光源已經(jīng)出現(xiàn)，但 是在圖像數(shù)據(jù)處理過程中，傅里葉逆變換的運(yùn)算量對(duì)于現(xiàn)有計(jì)算機(jī)的中央處理器（Central Processing Unit，簡(jiǎn)稱 CPU)或圖形處理器（Graphic Processing Unit，簡(jiǎn)稱 GPU)來(lái)講太 過龐大，導(dǎo)致難以實(shí)現(xiàn)高分辨率三維實(shí)時(shí)成像。因此，SS-OCT成像速度的瓶頸就是圖像數(shù) 據(jù)處理的速度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對(duì)上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種能夠有效提高成像速度的基于光計(jì)算的 掃頻光學(xué)相干成像系統(tǒng)。
[0005] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案：一種基于光計(jì)算的掃頻光學(xué)相干成 像系統(tǒng)，其特征在于：包括一掃頻干涉系統(tǒng)和一光計(jì)算系統(tǒng)；所述掃頻干涉系統(tǒng)包括脈沖 激光器、掃頻光器件、OCT干涉儀和光電探測(cè)器；所述光計(jì)算系統(tǒng)包括射頻放大器、光強(qiáng)度 調(diào)制器、寬帶光源、色散器件、馬赫-曾德爾干涉儀、平衡探測(cè)器、包絡(luò)檢波器、數(shù)據(jù)采集卡 和計(jì)算機(jī)；所述脈沖激光器將輸出的光脈沖發(fā)送到所述掃頻光器件，得到波數(shù)隨時(shí)間近似 線性變化的掃頻光，掃頻光發(fā)射到所述OCT干涉儀得到待測(cè)樣品時(shí)域上的干涉信號(hào)，待測(cè) 樣品時(shí)域上的干涉信號(hào)經(jīng)所述光電探測(cè)器探測(cè)接收并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，電信號(hào)發(fā)送到所述射 頻放大器驅(qū)動(dòng)所述光強(qiáng)度調(diào)制器進(jìn)行工作；所述寬帶光源發(fā)出的直流寬帶光經(jīng)所述光強(qiáng) 度調(diào)制器將光強(qiáng)調(diào)制為待測(cè)樣品時(shí)域上干涉信號(hào)的波形后經(jīng)所述色散器件發(fā)射到所述馬 赫-曾德爾干涉儀，所述馬赫-曾德爾干涉儀將出射的光信號(hào)發(fā)送到所述平衡探測(cè)器，所述 平衡探測(cè)器將光信號(hào)進(jìn)行處理并將得到的電信號(hào)發(fā)送到所述包絡(luò)檢波器得到包絡(luò)信號(hào)，包 絡(luò)信號(hào)經(jīng)所述數(shù)據(jù)采集卡輸入到所述計(jì)算機(jī)進(jìn)行顯示，獲得所述待測(cè)樣品的結(jié)構(gòu)信息。
[0006] 所述寬帶光源、光強(qiáng)度調(diào)制器、色散器件、馬赫-曾德爾干涉儀和所述平衡探測(cè)器 之間設(shè)置一助推光學(xué)放大器或一摻雜光纖放大器。
[0007] 所述掃頻光器件包括第一環(huán)形器和第一光纖布拉格光柵，當(dāng)所述掃頻光器件采用 所述第一環(huán)形器和第一光纖布拉格光柵時(shí)，所述脈沖激光器發(fā)出的脈沖光發(fā)送到所述第一 環(huán)形器，經(jīng)所述第一環(huán)形器出射的脈沖光被所述第一光纖布拉格光柵反射并經(jīng)所述第一環(huán) 形器發(fā)射到所述OCT干涉儀。
[0008] 所述掃頻光器件采用光纖，當(dāng)所述掃頻光器件采用光纖時(shí)，所述脈沖激光器發(fā)出 的光脈沖經(jīng)所述光纖發(fā)射到OCT干涉儀。
[0009] 所述色散器件包括第二環(huán)形器和第二光纖布拉格光柵，當(dāng)所述色散器件采用所述 第二環(huán)形器和第二光纖布拉格光柵時(shí)，經(jīng)所述光強(qiáng)度調(diào)制器調(diào)制后的寬帶光發(fā)送到所述第 二環(huán)形器，經(jīng)所述第二環(huán)形器出射的寬帶光被所述第二光纖布拉格光柵反射返回經(jīng)所述第 二環(huán)形器發(fā)射到所述馬赫-曾德爾干涉儀。
[0010] 所述色散器件采用一光纖，當(dāng)所述色散器件采用所述光纖時(shí)，經(jīng)所述光強(qiáng)度調(diào)制 器調(diào)制后的寬帶光經(jīng)所述光纖發(fā)射到所述馬赫-曾德爾干涉儀。
[0011] 所述OCT干涉儀包括第三環(huán)形器、第一耦合器、第一聚焦透鏡、第二聚焦透鏡、反 射鏡和二維掃描系統(tǒng)；經(jīng)所述掃頻光器件出射的光經(jīng)所述第三環(huán)形器進(jìn)入所述第一耦合器 根據(jù)設(shè)定參數(shù)進(jìn)行分光，經(jīng)所述第一耦合器出射的小部分光成為參考光，參考光經(jīng)所述第 一聚焦透鏡會(huì)聚后發(fā)射到所述反射鏡后沿著原光路返回進(jìn)入所述第三環(huán)形器；經(jīng)所述第一 耦合器出射的大部分光成為樣品光，樣品光經(jīng)所述第二聚焦透鏡會(huì)聚后經(jīng)所述二維掃描系 統(tǒng)發(fā)射到待測(cè)樣品的不同位置，所述二維掃描系統(tǒng)用于進(jìn)行X和Y方向的掃描，所述待測(cè)樣 品不同位置的不同深度反射的光沿著原光路返回進(jìn)入所述第三環(huán)形器；經(jīng)所述反射鏡反射 的參考光和經(jīng)所述待測(cè)樣品反射的樣品光均經(jīng)所述第三環(huán)形器發(fā)射到所述光電探測(cè)器。
[0012] 所述馬赫-曾德爾干涉儀包括第二耦合器、第一光纖、第二光纖和第三耦合器，其 中，所述第二耦合器和第三耦合器的耦合參數(shù)均為50/50 ;經(jīng)所述色散器件出射的光經(jīng)所 述第二耦合器出射的同比例的光分別發(fā)射到所述第一光纖和第二光纖，經(jīng)色散量不同的所 述第一光纖和第二光纖出射的光均發(fā)射到所述第三耦合器，所述第三耦合器將兩束光同比 例耦合后發(fā)送到所述平衡探測(cè)器。
[0013] 所述光強(qiáng)度調(diào)制器采用電光強(qiáng)度調(diào)制器和聲光強(qiáng)度調(diào)制器中的一種。
[0014] 所述脈沖激光器和寬帶光源的輸出波長(zhǎng)的工作波段為850nm、1064nm、1310nm和 1550nm中的一種。
[0015] 本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，具有以下優(yōu)點(diǎn)：1、區(qū)別于傳統(tǒng)的SS-0CT，本發(fā)明 由于使用了新型光學(xué)實(shí)時(shí)傅里葉變換的方法，使得SS-OCT無(wú)須再使用高性能計(jì)算機(jī)進(jìn)行 離散傅里葉變換，因此擺脫了計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度不夠快對(duì)SS-OCT成像速度的制約，能夠大大 地提高系統(tǒng)成像速度。2、基于光學(xué)實(shí)時(shí)傅里葉變換系統(tǒng)的SS-OCT從光源到探測(cè)器，整個(gè)光 路不但結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且均可采用全光纖器件，使系統(tǒng)的能量利用率、穩(wěn)定性、集成度更高。3、本 發(fā)明由于設(shè)置有馬赫-曾德爾干涉儀，經(jīng)馬赫-曾德爾干涉儀出射的同比例光經(jīng)平衡探測(cè) 器接收，其中的直流信號(hào)以及共模噪聲均被平衡探測(cè)器去除，能夠有效提高信噪比。綜上所 述，由于實(shí)時(shí)傅里葉變換能夠及時(shí)地處理掃頻光學(xué)相干成像系統(tǒng)的圖像數(shù)據(jù)，所以本發(fā)明 的成像速度極快。另外，本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、全光纖化、工作穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用于 掃頻光學(xué)相干成像中。
【附圖說明】
[0016] 圖1為本發(fā)明的掃頻光學(xué)相干成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017] 圖2為采用鏡面作為樣品時(shí)，理論計(jì)算得到的平衡探測(cè)器的輸出信號(hào)示意圖；
[0018] 圖3為采用鏡面作為樣品時(shí)，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的平衡探測(cè)器的輸出信號(hào)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019] 以下結(jié)合附圖來(lái)對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描繪。然而應(yīng)當(dāng)理解，附圖的提供僅為了更 好地理解本發(fā)明，它們不應(yīng)該理解成對(duì)本發(fā)明的限制。在本發(fā)明的描述中，需要理解的是， 術(shù)語(yǔ)"第一"、"第二"等僅僅是用于描述的目的，而不能理解為指示或暗示相對(duì)重要性。
[0020] 假設(shè)一有限長(zhǎng)度的光信號(hào)（例如：一個(gè)光脈沖）通過一色散量足夠大的理想色散 介質(zhì)（僅有二階色散，且二階色散系數(shù)不隨波長(zhǎng)變化），由于不同波長(zhǎng)的光在色散介質(zhì)中存 在速度差，輸出光的時(shí)域形狀將近似為其頻域上的光譜形狀。眾所周知，光信號(hào)的時(shí)域形狀 和頻域上的光譜形狀是傅里葉變換的關(guān)系，因此，色散介質(zhì)就相當(dāng)于對(duì)該光信號(hào)做了傅里 葉變換。
[0021] 顯然，色散介質(zhì)是線性系統(tǒng)，線性系統(tǒng)的特性由其沖擊響應(yīng)函數(shù)描述，根據(jù)關(guān)于色 散的方程：
[0022] idA! δζ=β!2· δ2Aldt1
[0023