基于單探測器的偏振頻域光學(xué)相干層析成像系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種基于單探測器的偏振頻域光學(xué)相干層析成像系統(tǒng)，包括低相干光源、第一準直器、起偏器、邁克爾遜干涉儀、偏振分束器、第二準直器、第一光纖、第三準直器、第四準直器、第二光纖、第五準直器、光柵、柱面透鏡和探測器。本實用新型采用單一探測器，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，避免了兩個探測器采集信號時存在的時間不同步問題，同時本實用新型中兩路光都以最高衍射效率的入射角度照射到光柵上，衍射效率的提高增大了系統(tǒng)的信噪比，提高了圖像質(zhì)量。
【專利說明】基于單探測器的偏振頻域光學(xué)相干層析成像系統(tǒng)【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及偏振頻域光學(xué)相干層析成像(Polarization-sensitive FourierDomain Optical Coherence Tomography,PS-FD-OCT)系統(tǒng),尤其是一種基于單探測器的偏振頻域光學(xué)相干層析成像系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]光學(xué)相干層析成像(Optical Coherence Tomography, OCT)是近二十幾年來發(fā)展起來的可以對生物組織進行層析成像的技術(shù)，具有分辨率高、非侵入等特點。傳統(tǒng)OCT中認為樣品不同的深度反射回探測器的光的特性是不同的，利用這個原理獲得樣品內(nèi)部的結(jié)構(gòu)信息。但很多生物組織中都存在光的偏振現(xiàn)象。當組織中某處發(fā)生病變時，該處組織的反射率、雙折射率等都會發(fā)生變化，從而改變組織內(nèi)反射光的強度和偏振態(tài)。傳統(tǒng)OCT對具有雙折射性質(zhì)的生物組織(例如肌肉、牙齒等)所成層析圖像的對比度并不理想，無法顯示出具有雙折射特性的生物組織分層的組織性質(zhì)。為此，Hee等人發(fā)展出偏振OCT(Polarization-Sensitive optical coherence tomography, PS-0CT)技術(shù)，特別是近幾年發(fā)展起來的偏振頻域OCT (PS-FD-OCT),具有成像速度快、信噪比高等優(yōu)點。PS-FD-OCT對生物組織的偏振特性非常敏感，利用偏振光對樣品成像，提高系統(tǒng)的實際分辨率和成像對比度，不僅可得到組織的強度圖像，也可同時得到組織的延遲圖像和快軸圖像，為更好的了解樣品內(nèi)部信息提 供了更多依據(jù)，能夠更全面的觀測樣品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
[0003]在PS-FD-OCT系統(tǒng)中，寬帶光經(jīng)起偏器變?yōu)榫€偏振光，然后經(jīng)分束器分為兩束，其中一束經(jīng)過波片、成像物鏡等后照射到樣品上，另一束經(jīng)波片、可調(diào)衰減片后照射到參考鏡上，從樣品不同深度處反射回的光和從參考鏡反射回的光在分束器處相干疊加，然后該相干光分經(jīng)偏振分束器后分成水平偏振和垂直偏振兩束，分別被兩個光譜儀中的光柵分光后經(jīng)透鏡聚焦由探測器記錄(參見在先技術(shù)[1]，Gotzingcr E, Baumann B, PircherM, and Christoph K.Hitzenberger, “Polarization maintaining fiber basedultra-high resolution spectral domain polarization sensitive optical coherencetomography”.0ptics Express, 2009, 17 (25):22704.)。使用雙探測器的系統(tǒng)復(fù)雜，兩個光譜儀的探測器硬件和軟件觸發(fā)需要較高要求的同步，否則兩探測器間的信號采集會產(chǎn)生時間延遲。Bernhard等人米用把水平偏振和垂直偏振兩束光同時入射到光柵上,光線以不同衍射角從光柵出射，用一個線陣CCD的毗鄰區(qū)域探測這兩路信號的方法實現(xiàn)樣品的偏振探測(參見在先技術(shù)[2], Bernhard Baumann, Erich Gotzingcr, Michael Pircher, andChristoph K.Hitzenberger, “Single camera based spectral domain polarizationsensitive optical coherence tomography，，.0ptics Express, 2007，15 (3): 1054.X 光線以Littrow角入射時，衍射效率最高，但為保證兩束光以合適的不同的衍射角從光柵出射，這兩束光的入射角度都偏離Littrow角一定的角度。OCT信號相對較弱，衍射效率越高系統(tǒng)信噪比越好，光線以偏離Littrow角的角度入射降低了衍射效率，降低了系統(tǒng)信噪比，圖像質(zhì)量下降，為保證水平偏振光和垂直偏振光都有相對較高的衍射效率，偏離角度需要精確計算且不能偏離太大，增加了系統(tǒng)調(diào)節(jié)的難度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對上述問題，本實用新型的目的是提供一種基于單探測器的偏振頻域光學(xué)相干層析成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)只采用單一探測器，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，避免了兩個探測器采集信號時時間不同步的問題，同時提高了系統(tǒng)的信噪比，提高了圖像質(zhì)量。
[0005]本實用新型的技術(shù)解決方案如下:
[0006]一種基于單探測器的偏振頻域光學(xué)相干層析成像系統(tǒng)，其特點在于:包括低相干光源、第一準直器、起偏器、邁克爾遜干涉儀、偏振分束器、第二準直器、第一光纖、第三準直器、第四準直器、第二光纖、第五準直器、光柵、柱面透鏡和探測器；低相干光源發(fā)出的光順序經(jīng)過第一準直器、起偏器后變?yōu)槠窆怦詈线M邁克爾遜干涉儀的分束器，該分束器將光束分為參考臂光路和樣品臂光路，參考臂的光經(jīng)過四分之一波片后照射在參考鏡上，樣品臂的光經(jīng)過四分之一波片后經(jīng)過二維振鏡被成像物鏡聚焦在待測樣品內(nèi)，從待測樣品反射回的帶有待測樣品信息的光和從參考鏡反射回的參考光在所述的分束器處發(fā)生干涉；邁克爾遜干涉儀的輸出端連接偏振分束器,該偏振分束器將干涉光束分為水平偏振光和垂直偏振光兩路光，水平偏振光通過第二準直器耦合進第一光纖中，在第一光纖的另一端經(jīng)第三準直器后平行入射到所述的光柵上，所述的垂直偏振光通過第四準直器耦合進第二光纖中，在第二光纖的另一端經(jīng)第五準直器后平行入射到所述的光柵上，所述的水平偏振光和垂直偏振光入射到光柵的位置不同，經(jīng)光柵分光后同時被所述的柱面透鏡成像在同一探測器的不同區(qū)域上，探測器不同位置同時探測到水平偏振信號和垂直偏振信號，這兩路信號經(jīng)圖像采集卡采集后被送入計算機進行數(shù)據(jù)處理，得到樣品的強度圖像、延遲圖像和快軸方向圖像。
[0007]所述的探測器是面陣CCD或其他的具有光電信號轉(zhuǎn)換功能且能同時探測至少兩路信號的面陣探測器陣列。
[0008]所述的光柵是透射光柵或反射光柵。
[0009]所述的低相干光源為寬帶光源，其光譜帶寬為幾十納米到幾百納米，包括發(fā)光二極管(LED)或超輻射發(fā)光二極管(SLD)或飛秒激光器或超連續(xù)譜光源。
[0010]所述的邁克爾遜干涉儀具有兩個接近等光程的干涉光路，分別為參考臂和樣品臂，采用光纖化邁克爾遜干涉儀和空間化邁克爾遜干涉儀中的一種；參考臂光路中包括四分之一波片和參考鏡，樣品臂光路中包括四分之一波片、二維振鏡、成像物鏡、樣品；所述的邁克爾遜干涉儀中的分束器是非偏振敏感分束器。
[0011]所述參考鏡采用能夠使所述寬帶光按照原傳播路徑返回的光學(xué)器件；所述成像物鏡采用能夠使入射到樣品上的所述寬帶光聚焦的光學(xué)器件。
[0012]所述的邁克爾遜干涉儀輸出端連接的分束器是偏振敏感分束器，是分束棱塊或光纖化的偏振分束器。
[0013]該系統(tǒng)的工作情況如下:
[0014]低相干光源發(fā)出的光準直后，經(jīng)過主軸方向為水平或垂直方向的起偏器后成為線偏振光，耦合進邁克爾遜干涉儀，邁克爾遜干涉儀的非偏振分束器將光分為參考光路和樣品光路。參考光路中的光經(jīng)過一個四分之一波片后照射在參考鏡上，經(jīng)參考鏡反射后再次經(jīng)過這個四分之一波片；樣品光路中的光經(jīng)過一個四分之一波片后經(jīng)振鏡、聚焦透鏡后照射到樣品上，由于受到樣品內(nèi)部隨機偏振態(tài)的影響，由樣品反射回來的光其偏振態(tài)為一隨機偏振態(tài)，樣品反射光再次經(jīng)過樣品臂四分之一波片回到分束器。參考光與樣品光在邁克爾遜干涉儀分束器處匯合產(chǎn)生干涉，經(jīng)由一個偏振敏感分束器分成水平H和垂直V兩路偏振光，這兩路偏振光分別耦合進兩根光纖中，在兩根光纖另一端經(jīng)透鏡準直后都可以以較高衍射效率的入射角度入射到同一光柵的上下兩個區(qū)域，分別記為A和B區(qū)域，光柵A和B區(qū)域分光后的光再經(jīng)過同一柱面透鏡，由于柱面透鏡只在一個方向上聚焦，因此H和V偏振光經(jīng)柱面透鏡后各自形成一矩形的光斑塊，分別被探測器的兩個區(qū)域探測，分別對應(yīng)記為H和V區(qū)域，探測到的信號經(jīng)圖像采集卡采集后被送入計算機進行數(shù)據(jù)處理，兩路信號分別記為Ih和Iv，對兩路信號進行逆傅里葉變換后得到每一路信號的A-scan信號，記為Ah(Z)θχρ[?ΦΗ(z)1和Αν(z)θχρ[?Φν(z)], Z是樣品深度坐標，Ah和Av分別是水平和垂直干涉信號的幅度，Φν*別是水平和垂直干涉信號的相位。由此可得到雙折射樣品的強度圖像R(Z)、延遲圖像δ (ζ)和快軸圖像θ (z):
[0015]
【權(quán)利要求】
1.一種基于單探測器的偏振頻域光學(xué)相干層析成像系統(tǒng)，其特征在于:包括低相干光源(I)、第一準直器(2)、起偏器(3)、邁克爾遜干涉儀(4)、偏振分束器(5)、第二準直器(6)、光纖(7)、第三準直器(8)、第四準直器(9)、光纖(10)、第五準直器(11)、光柵(12)、柱面透鏡(13)、探測器(14);低相干光源(I)發(fā)出的光順序經(jīng)過第一準直器(2)、起偏器(3)后變?yōu)槠窆怦詈线M邁克爾遜干涉儀(4)的分束器(41)，該分束器(41)將光束分為參考臂光路和樣品臂光路，參考臂的光經(jīng)過四分之一波片(42)后照射在參考鏡(43)上，樣品臂的光經(jīng)過四分之一波片(44)后經(jīng)過二維振鏡(45)被成像物鏡(46)聚焦在待測樣品(47)內(nèi)，從待測樣品(47)反射回的帶有待測樣品信息的光和從參考鏡(43)反射回的參考光在所述的分束器(41)處發(fā)生干涉；邁克爾遜干涉儀(4)的輸出端連接偏振分束器(5),該偏振分束器(5)將干涉光束分為水平偏振光(H)和垂直偏振光(V)兩路光，水平偏振光(H)通過第二準直器(6 )耦合進第一光纖(7 )中，在第一光纖(7 )的另一端經(jīng)第三準直器(8 )后平行入射到所述的光柵(12)上，所述的垂直偏振光(V)通過第四準直器(9)耦合進第二光纖(10)中，在第二光纖(10)的另一端經(jīng)第五準直器(11)后平行入射到所述的光柵(12)上，所述的水平偏振光(H)和垂直偏振光(V)入射到光柵(12)的位置不同，經(jīng)光柵(12)分光后同時被所述的柱面透鏡(13)成像在同一探測器(14)的不同區(qū)域上，探測器不同位置同時探測到水平偏振信號和垂直偏振信號，這兩路信號經(jīng)圖像采集卡采集后被送入計算機進行數(shù)據(jù)處理，得到樣品的強度圖像、延遲圖像和快軸方向圖像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于單探測器的偏振頻域光學(xué)相干層析成像系統(tǒng)，其特征在于:所述的探測器(14)是面陣CCD或其他的具有光電信號轉(zhuǎn)換功能且能同時探測至少兩路信號的面陣探測器陣列。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于單探測器的偏振頻域光學(xué)相干層析成像系統(tǒng)，其特征在于:所述的光柵(12)是透射光柵或反射光柵。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于單探測器的偏振頻域光學(xué)相干層析成像系統(tǒng)，其特征在于:所述的低相干光源(I)為寬帶光源，其光譜帶寬為幾十納米到幾百納米，包括發(fā)光二極管(LED)或超輻射發(fā)光二極管(SLD)或飛秒激光器或超連續(xù)譜光源。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于單探測器的偏振頻域光學(xué)相干層析成像系統(tǒng)，其特征在于:所述的邁克爾遜干涉儀(4)具有兩個接近等光程的干涉光路，分別為參考臂和樣品臂，采用光纖化邁克爾遜干涉儀和空間化邁克爾遜干涉儀中的一種；參考臂光路中包括四分之一波片(42)和參考鏡(43),樣品臂光路中包括四分之一波片(44)、二維振鏡(45)、成像物鏡(46)、樣品(47);所述的邁克爾遜干涉儀(4)中的分束器(41)是非偏振敏感分束器。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于單探測器的偏振頻域光學(xué)相干層析成像系統(tǒng)，其特征在于:所述參考鏡(43)采用能夠使所述寬帶光按照原傳播路徑返回的光學(xué)器件；所述成像物鏡(46)采用能夠使入射到樣品上的所述寬帶光聚焦的光學(xué)器件。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于單探測器的偏振頻域光學(xué)相干層析成像系統(tǒng)，其特征在于:所述的邁克爾遜干涉儀(4)輸出端連接的分束器是偏振敏感分束器(5)，是分束棱塊或光纖化的偏振分束器。
【文檔編號】G01N21/23GK203720071SQ201420051873
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2014年1月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月27日
【發(fā)明者】陳艷, 李中梁, 王向朝, 南楠, 郭昕, 王瑄, 張行 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所