一種頻域光學(xué)相干層析裝置與方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明屬于太赫茲相干層析成像技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，設(shè)及一種頻域光學(xué)相干層 析裝置與方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 光學(xué)相干層析成像技術(shù)(Optical Coherence Tomogra地y，0CT)作為一種全新的 光學(xué)斷層成像技術(shù)，其使用的光源波長較長，W其無福射、非侵入、高分辨及高探測靈敏度 等特點(diǎn)，在臨床醫(yī)學(xué)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。
[0003] 傳統(tǒng)的OCT技術(shù)為時(shí)域0CT，其特點(diǎn)是需要參考臂的深度掃描，對應(yīng)樣品的不同深 度。深度掃描限制了時(shí)域OCT的采集速度，影響了其更廣泛的應(yīng)用。
[0004] 而最近興起的頻域OCT技術(shù)使用面陣CCD進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過采集干設(shè)光譜并傅立 葉變換得到樣品內(nèi)部一個(gè)深度方向的全部信息，不過目前市場上響應(yīng)頻段在太赫茲波段的 面陣CCD數(shù)量少，價(jià)格高，制約了該系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對現(xiàn)有技術(shù)中成像速度慢、成本高的缺陷，本發(fā)明的目的旨在解決W上技術(shù)問 題。
[0006] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種頻域光學(xué)相干層析裝置，所述裝置包括產(chǎn)生 T化的高穩(wěn)定性中壓隸燈、分束器、用于橫向掃描的電控二維平移臺、用于放置樣品的載物 臺、參考反射鏡、衍射光柵、電控一維平移臺、探測器；
[0007] 所述隸燈的出射光經(jīng)分束器分別通過樣品臂和參考臂，經(jīng)過干設(shè)再通過所述衍射 光柵后被所述探測器所接收；
[0008] 所述樣品臂包括用于所述橫向掃描的電控二維平移臺和所述用于放置樣品的載 物臺，用于將光入射到所述樣品內(nèi)部并反射回來；
[0009] 所述參考臂包括所述參考反射鏡，用于將光進(jìn)行反射并與通過所述樣品臂的光進(jìn) 行干設(shè)；
[0010] 所述探測器位于所述電控一維平臺上。
[0011] 優(yōu)選地，所述裝置還包括對所述探測器輸出的探測信號進(jìn)行放大處理的鎖相放大 器;記錄所述鎖相放大器輸出信號的電腦；W及控制所述電控二維平移臺W及所述電控一 維平移臺的控制器。
[0012] 優(yōu)選地，所述裝置還包括孔徑光闊，所述孔徑光闊在光路上位于所述分束器之前， 用于控制光斑尺寸大小并且增加干設(shè)對比度；
[0013] 優(yōu)選地，分束器是由在Mylar薄膜上制作的金屬光柵構(gòu)成的，其透射反射比為4:1;
[0014] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種頻域光學(xué)相干層析方法，其特征在于，所述方 法包括W下步驟：
[0015] (1)初始化電控二維平移臺到橫向掃描初始點(diǎn)，初始化電控一維平移臺使其沿衍 射光斑進(jìn)行橫向掃描；
[0016] (2)所述隸燈輸出的THz波入射到分束器上，分為參考光和樣品光，所述參考光經(jīng) 所述參考反射器反射回來，所述樣品光經(jīng)入射到所述樣品內(nèi)部反射回來，并匯聚到分束器 上的同一點(diǎn)；
[0017] (3)所述參考光和所述樣品光干設(shè)后，經(jīng)過所述衍射光柵被探測器接收。
[0018] 優(yōu)選地，所述方法還包括步驟(4)所述探測器將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，再由鎖相放 大器放大處理并被電腦收集；
[0019] 優(yōu)選地，所述方法還包括步驟(5)對所述電腦采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)處理完成 S維重構(gòu)。
[0020] 總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的W上技術(shù)方案，與現(xiàn)有技術(shù)相比，能夠取得W下有 益效果：
[0021] (1)本結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的時(shí)域光學(xué)相干層析技術(shù)相比，由于不需要參考鏡的縱向掃描， 大大加快了成像速度。用點(diǎn)陣CCD掃描的方式取代面陣CCD，降低了系統(tǒng)裝置的成本。而且本 結(jié)構(gòu)采用寬譜隸燈作為光源，縱向成像分辨率可W達(dá)到100WI1。
【附圖說明】
[0022] 圖1是頻域光學(xué)相干層析系統(tǒng)示意圖；
[0023] 圖2是隸燈輸出光譜圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，W下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對 本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用W解釋本發(fā)明，并 不用于限定本發(fā)明。
[0025] 為了解決現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明提供頻域光學(xué)相干層析系統(tǒng)與方法，利用 寬頻太赫茲的弱相干原理，可W實(shí)現(xiàn)對待測樣品的高精度=維圖像重構(gòu)。與此同時(shí)，由于頻 域OCT系統(tǒng)無需移動(dòng)參考鏡進(jìn)行軸向掃描，可W-次得到所有深度數(shù)據(jù)，所W加快了成像速 度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，太赫茲相干層析成像技術(shù)的縱向分辨率小于100WI1。該技術(shù)在高精度太 赫茲無損探測領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景，為太赫茲無損探測領(lǐng)域提供了一種全新的實(shí)驗(yàn)方 法。
[0026] 本發(fā)明的頻域光學(xué)相干層析系統(tǒng)與方法，包括產(chǎn)生THz的高穩(wěn)定性中壓隸燈1，具 有聚焦、準(zhǔn)直作用的第一鍛金離軸拋物面鏡2和第二鍛金離軸拋物面鏡3,控制進(jìn)入干設(shè)儀 的光斑尺寸大小并且增加干設(shè)對比度的孔徑光闊4,對高穩(wěn)定性中壓隸燈發(fā)出的THz波進(jìn)行 周期調(diào)制W供探測器探測的斬波器5,分束器6是由在Mylar薄膜上制作的金屬光柵構(gòu)成的， 其透射反射比為4:1，位于參考臂7上對參考光起聚焦作用的第=鍛金離軸拋物面鏡8,位于 參考臂上的鍛金高反鏡9,位于樣品臂10上對樣品光起聚焦和準(zhǔn)直作用的第四鍛金離軸拋 物面鏡11，位于樣品臂上的用于橫向掃描的電控二維平移臺12,由一片鍛侶的高反射鏡構(gòu) 成的用于放置樣品13的載物臺14,位于接收端15的對來自樣品臂10和參考臂7的光干設(shè)后 的信號進(jìn)行衍射的衍射光柵16,經(jīng)過聚焦透鏡17將衍射光匯聚，由放置在電控一維平移臺 19上的Golay點(diǎn)陣探測器18接收，對Golay點(diǎn)陣探測器18輸出的探測信號進(jìn)行放大處理的鎖 相放大器20,記錄鎖相放大器輸出信號的電腦21，W及控制位于樣品臂的電控二維平移臺 12W及位于接收端的電控一維平移臺19的控制器22。
[0027] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步詳細(xì)地說明。
[0028] 步驟1:初始化電控二維平移臺到橫向掃描初始點(diǎn)，初始化電控一維平移臺使其沿 衍射光斑進(jìn)行橫向掃描。與此同時(shí)高穩(wěn)定性隸燈1輸出覆蓋IT化-20T化頻率范圍THz波，經(jīng) 過鍛金離軸拋物面鏡2,3、孔徑光闊4及斬波器5后入射到分束器6上，分為參考光和樣品光。 參考光經(jīng)鍛金離軸拋物面鏡8入射到鍛金高反鏡9上被反射回來，經(jīng)過鍛金離軸拋物面鏡再 次入射到分束器上。同時(shí)樣品光經(jīng)鍛金離軸拋物面鏡11入射到樣品內(nèi)部并被反射回來，經(jīng) 過鍛金離軸拋物面鏡再次入射到分束器上，要保證光源發(fā)出的入射光，參考臂反射回的參 考光，樣品臂反射回的樣品光聚焦在分束器的同一點(diǎn)上。
[0029] 步驟2:根據(jù)邁克爾遜干設(shè)儀原理，重新經(jīng)過分束器的樣品光和參考光滿足相干條 件，產(chǎn)生包含樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息的干設(shè)信號，經(jīng)過衍射光柵16將復(fù)合光分成單色光，經(jīng)聚焦 透鏡17聚焦后的光譜被Golay點(diǎn)陣探測器18沿光軸垂直方向掃描探測，將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)榘?含樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息的電信號。
[0030] 步驟3:通過鎖相放大器20對該電信號進(jìn)行鎖相放大處理并被電腦所收集。運(yùn)樣便 完成了一次深度成像，然后利用電控二維平移臺對樣品表面進(jìn)行二維掃描，最終完成對樣 品的S維成像。
[0031] 步驟4:對電腦采集到的=維數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)處理，結(jié)合相關(guān)軟件進(jìn)行=維重 構(gòu)。
[0032] 由弱相干光的干設(shè)理論可知，福射源的相干長度
其中Ao為福射源的中 屯、波長，A A為福射源的光譜寬度。僅當(dāng)參考臂和樣品臂之間的光程差小于相干長度，兩束 光才會出現(xiàn)干設(shè)現(xiàn)象。為了實(shí)現(xiàn)高精度的縱向成像，要求所使用光源具有較短的相干長度， 即具有較寬的福射光譜。實(shí)驗(yàn)所選擇的太赫茲福射源為高穩(wěn)定性隸燈，其輸出光譜如圖2所 示，輸出頻率主要集中在ITHz-lOTHz及11THZ-20THZ。
[0033] 頻域OCT由于其特性擁有著最大探測深度。如果參考鏡的虛像位置位于樣品表面， 那么深度di處所對應(yīng)的余弦函數(shù)的周期為Ji/nidi，AkFWHM中所包含干設(shè)條紋總數(shù)Mi為：
，可W得到
從而可W看出樣品軸向深度所有散射點(diǎn)具有 不同的干設(shè)條紋總數(shù)，軸向最深處對應(yīng)的頻率最高。在本系統(tǒng)中，通過設(shè)置點(diǎn)陣探測器采樣 間隔來得到采樣點(diǎn)數(shù)量為N，由于干設(shè)譜的對稱性，能檢測到的最大干設(shè)條紋總數(shù)為N/2,從 而得到了頻域OCT系統(tǒng)的最大成像深度d為：其中n為樣品的平均折射率，A 入為光譜寬度。
[0034] 本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，W上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用W 限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含 在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種頻域光學(xué)相干層析裝置，所述裝置包括產(chǎn)生THz的汞燈、分束器、用于橫向掃描 的電控二維平移臺、用于放置樣品的載物臺、參考反射鏡、衍射光柵、電控一維平移臺、探測 器； 所述汞燈的出射光經(jīng)分束器分別通過樣品臂和參考臂，經(jīng)過干涉再通過所述衍射光柵 后被所述探測器所接收； 所述樣品臂包括用于所述橫向掃描的電控二維平移臺和所述用于放置樣品的載物臺， 用于將光入射到所述樣品內(nèi)部并反射回來； 所述參考臂包括所述參考反射鏡，用于將光進(jìn)行反射并與通過所述樣品臂的光進(jìn)行干 涉； 所述探測器位于所述電控一維平臺上。2. 如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述裝置還包括對所述探測器輸出的探測信 號進(jìn)行放大處理的鎖相放大器;記錄所述鎖相放大器輸出信號的電腦；以及控制所述電控 二維平移臺以及所述電控一維平移臺的控制器。3. 如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述裝置還包括孔徑光闌，所述孔徑光闌在 光路上位于所述分束器之前，用于控制光斑尺寸大小并且增加干涉對比度。4. 如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，分束器是由在Mylar薄膜上制作的金屬光柵 構(gòu)成的，其透射反射比為4:1。5. -種采用如權(quán)利要求1-4中之一的所述裝置的頻域光學(xué)相干層析方法，其特征在于， 所述方法包括以下步驟： (1) 初始化電控二維平移臺到橫向掃描初始點(diǎn)，初始化電控一維平移臺使其沿衍射光 斑進(jìn)行橫向掃描； (2) 所述汞燈輸出的THz波入射到分束器上，分為參考光和樣品光，所述參考光經(jīng)所述 參考反射器反射回來，所述樣品光經(jīng)入射到所述樣品內(nèi)部反射回來，并匯聚到分束器上的 同一點(diǎn)； (3) 所述參考光和所述樣品光干涉后，經(jīng)過所述衍射光柵被探測器接收。6. 如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法還包括步驟(4)所述探測器將光信 號轉(zhuǎn)換為電信號，再由鎖相放大器放大處理并被電腦收集。7. 如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法還包括步驟(5)對所述電腦采集的 數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)處理完成三維重構(gòu)。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種頻域光學(xué)相干層析裝置及方法，屬于太赫茲相干層析成像技術(shù)領(lǐng)域，現(xiàn)有的光學(xué)相干層析裝置速度慢，成本高；本發(fā)明的頻域光學(xué)相干層析裝置包括產(chǎn)生THz的汞燈、分束器、用于橫向掃描的電控二維平移臺、用于放置樣品的載物臺、參考反射鏡、衍射光柵、電控一維平移臺、探測器，由于不需要參考鏡的縱向掃描，大大加快了成像速度。用點(diǎn)陣CCD掃描的方式取代面陣CCD，降低了系統(tǒng)裝置的成本。而且本結(jié)構(gòu)采用寬譜汞燈作為光源，縱向成像分辨率可以達(dá)到100μm。
【IPC分類】G01N21/45, A61B5/00
【公開號】CN105534481
【申請?zhí)枴緾N201610039929
【發(fā)明人】高鵬, 凌福日
【申請人】華中科技大學(xué)
【公開日】2016年5月4日
【申請日】2016年1月21日