专利名称：正弦相位调制的并行复频域光学相干层析成像系统和方法
技术领域：
本发明涉及频域光学相干层析成像(Fourier-Domain Optical CoherenceTomography,简称FD-0CT),特别是一种正弦相位调制的并行复频域光学相干层析成像系统和方法。
背景技术：
光学相干层析成像(Optical Coherence Tomography,简称OCT)是近年来发展起来的一种光学层析成像技术，它能够对高散射介质如生物组织内部几个毫米深度范围内的微小结构进行高分辨率非侵入成像，在生物组织活体成像和医疗成像诊断等领域具有广泛的应用前景。
频域光学相干层析成像系统(FD-OCT)是一种新型OCT系统，它通过探测干涉谱并对其作逆傅里叶变换得到物体的层析图，相对于早先的时域光学相干层析成像系统(Time-Domain Optical Coherence Tomography,简称 TD-0CT)具有无需深度方向扫描、成像速度快和探测灵敏度高的优势，能更好地满足生物组织活体成像以及医疗成像诊断的实时性要求。频域光学相干层析成像系统主要由低相干光源(宽光谱光源)、迈克尔逊干涉仪和光谱仪(核心元件为分光光栅、聚焦透镜和CXD探测器)三部分组成，通过将低相干光源发出的宽光谱光经迈克尔逊干涉仪产生的干涉信号送入光谱仪，获取干涉信号随波长(λ )变化的强度分布(干涉谱)，然后对其做倒数变换后得到干涉信号在频域(V域，ν=1/ λ )的强度分布，即频域干涉条纹。基于待测物体内各层光反射或背向散射界面的深度对应频域干涉条纹的不同频率的原理，FD-OCT对频域干涉条纹作逆傅里叶变换得到待测物体沿照明光光轴方向的深度分辨的光反射率或背向散射率分布，即层析图。但是，FD-OCT获得的层析图中包含着若干寄生像，限制了 FD-OCT的应用。这些寄生像分别是直流背景，自相干噪声和复共轭镜像。其中，直流背景和自相干噪声的存在降低了 FD-OCT的信噪比，影响了成像质量；而复共轭镜像的存在，使FD-OCT无法区分正负光程差(探测光路相对参考光路的光程差)，测量时待测物体只能置于零光程差位置的一侧，导致有效探测深度范围减少一半。复频域光学相干层析成像通过重建频域干涉条纹的复解析信号，对该复解析频域干涉条纹信号作逆傅里叶变换得到物体的层析图，可以消除传统FD-OCT重建的层析图中存在的寄生像，特别是复共轭镜像，从而使FD-OCT可以区分正负光程差，探测深度范围扩大为原来的2倍，实现全深度探测。目前，已提出的复频域OCT方法主要包括基于移相干涉术和基于外差干涉术的复频域0CT。I、基于移相干涉(phase-shifting interferometry)的复频域 OCT2002年，A.F.Fercher等人最早基于移相干涉术重建复频域干涉条纹，实现了复频域 OCT (参见在先技术[I]，M. ffojtkowski, A. Kowalczyk, R. Leitgeb andA.F. Fercher, “Full range complex spectral optical coherence tomography techniquein eye imaging”，Optics Letters, Vol. 27，No. 16，1415-1417，2002)。然而，由于该方法需要连续或步进采集至少3幅相互之间具有固定相移量的移相干涉图，降低了频域OCT的成像速度，并对干涉仪和样品的稳定性提出了严格的要求，因此该方法不适用于生物组织的活体成像。2005年，Joseph A. Izatt等人提出基于同步移相干涉术实现复频域OCT(参见在先技术[2]，M. V. Sarunic, M. A. Choma, C. Yang and J. A. Izatt, “Instantaneouscomplex conjugate resolved spectral domain and swept—source OCT using 3 X 3fibercouplers”, Optics Express, Vol. 13, No. 3, 957-967，2005)。该方法虽然可以实现多幅移相干涉条纹的同时获取，但需要使用NXN (N ^ 3)光纤耦合器作为同步移相装置，增加了系统的复杂性和成本，且移相精度容易受到环境温度变化的影响，从而影响复共轭镜像的消除效果。2、基于外差干涉(heterodyne interferometry)的复频域 OCT基于外差干涉术的复频域OCT通过在频域干涉信号中引入时间或空间载波实现复频域干涉条纹的探测，与基于移相干涉术的复频域OCT相比，具有不受移相精度限制的优点。2006年，Bachmann等人采用两个声光晶体在干涉仪的参考光和探测光中引入光频差，产生一个含有时间载波的频域干涉条纹，然后通过锁相探测频域干涉条纹 的正交分量重建复频域干涉条纹(参见在先技术[3], A. H. Bachmann, R. A. Leitgeb andΤ· Lasser,“Heterodyne Fourier domain optical coherence tomography for full rangeprobing with high axial resolution, ^Optics Express, Vol. 14, No. 4, 1487-1496,2006)。该方法通过时间相位调制在对应待测物体同一横向位置的频域干涉条纹中引入时间载波，虽然避免了移相误差的影响，但每个时间相位调制周期内只能得到一个横向位置的全深度层析图像(full range A-line),降低了频域OCT的成像速度。2007年,Wang等人在对待测物体的横向扫描过程中，通过同步扫描参考镜的光程在对应待测物体不同横向位置的频域干涉条纹中引入空间载波，实现了横向扫描方向上对应连续横向位置的全深度层析图像的实时测量。(参见在先技术[4]，R. K. Wang, “ In vivo full range complex Fourier domainoptical coherence tomography”，Applied Physics Letters, Vol. 90，No. 054103，2007)。该方法虽然具有不降低频域OCT成像速度的优点，但它仍然是一种基于时间载波外差干涉术的复频域OCT技术，需要横向机械扫描，对数据采集和扫描位置控制的同步要求比较高；而且在探测动态物体时，横向机械扫描速率必须大于待测物体的运动速率，否则图像会出现运动模糊，即系统存在一个允许的物体最大速率，这限制了该方法的应用范围。2011年，中国科学院上海光机所提出了基于空间载波外差干涉术的复频域OCT技术。将空间载波外差干涉术与并行频域OCT相结合，通过倾斜的平面反射式衍射光栅在并行频域OCT的二维频域干涉条纹沿并行探测方向上引入线性空间相位调制，即在二维频域干涉条纹中引入空间载波，实现了并行探测方向上待测物体连续横向位置的全深度层析图像的并行获取。(参见在先技术[5]，黄炳杰，步鹏，王向朝，南楠，并行复频域光学相干层析成像方法与系统中国,ZL 201010116626. O (专利)，2010-03-03)。该技术避免了对待测物体的横向机械式扫描，成像速度快，对运动模糊不敏感。但是，随着横向并行探测范围的加大，待测物体部分横向位置会处于灵敏度较低区域，层析图像质量会降低；而且，倾斜的平面反射式衍射光栅会使空间载波频率出现色散现象，影响频域OCT寄生像去除效果
发明内容
本发明的目的是为了克服上述在先技术的不足，将基于正弦相位调制的空间载波外差干涉术与并行频域光学相干层析成像结合，提供一种正弦相位调制的并行复频域光学相干层析成像的方法与系统。本发明只需一次曝光即可实现全深度的复频域光学相干层析成像，具有结构简单、成像速度快、对运动模糊不敏感、使待测样品始终处于灵敏度较高区域的特点。本发明的技术解决方案如下一种正弦相位调制的并行复频域光学相干层析成像系统，包括低相干光源，在低相干光源的光束前进方向上顺序放置准直扩束器、柱面镜、迈克尔逊干涉仪，该迈克尔逊干涉仪的分光器将入射光分为探测臂光路和参考臂光路，参考臂光路的末端为第一聚焦透镜和反射式空间正弦相位调制器件，探测臂光路的末端为第二聚焦透镜和待测样品，待测样品放置在一个精密移动平台上；该迈克尔逊干涉仪的输出端连接一光谱仪；该光谱仪由分光光栅、第三聚焦透镜和二维光电探测器阵列组成；二维光电探测器阵列通过图像数据采集卡和计算机连接；其特点在于所述的反射式空间正弦相位调制器件与入射光路垂直摆放，使反射光沿原入射光路逆向返回，并在反射光波前上引入空间正弦相位调制，所述的柱 面镜将一束入射平行光会聚为一个线状照明光；所述的第一聚焦透镜、第二聚焦透镜的焦距相同；所述的柱面镜与迈克尔逊干涉仪中的第一聚焦透镜、第二聚焦透镜是共焦关系；所述的迈克尔逊干涉仪中的第一聚焦透镜、第二聚焦透镜分别与光谱仪中的第三聚焦透镜是共焦关系；所述的待测样品和反射式空间正弦相位调制器件分别与二维光电探测器阵列在系统光路上呈物像共轭关系。所述的低相干光源为宽带光源，为发光二极管、超辐射发光二极管、飞秒激光器或超连续谱光源。所述的二维光电探测器阵列是面阵(XD、面阵CMOS、面阵InGaAs或其它具有光电信号转换功能的二维探测器阵列。所述的精密移动平台是具有沿三个互相垂直方向精密平移的平台。利用上述正弦相位调制的并行复频域光学相干层析成像系统进行并行复频域光学相干层析成像的方法，其特征在于该方法的具体步骤如下①利用干涉参考臂的反射式空间正弦相位调制器件在二维光电探测器阵列(53)获得的二维频域干涉条纹上沿并行探测方向引入空间正弦相位调制Ψ (X) =2k · acos (2 n fcx/ σ + θ )，即在二维频域干涉条纹中引入空间载波；其中a为空间正弦相位调制振幅，Θ为空间正弦相位调制初始相位，fc是空间正弦相位调制频率；λ代表波长，k=2Ji/λ代表波数；X代表待测样品和干涉参考臂反射式空间正弦相位调制器件沿线状照明光长度方向的横向位置经一维成像系统成像在光谱仪中二维光电探测器阵列上的横向位置；所述的一维成像系统分别由迈克尔逊干涉仪中反射式空间正弦相位调制器件前的第一聚焦透镜和待测样品前的第二聚焦透镜与光谱仪中二维光电探测器阵列前第三聚焦透镜(52)组成，O=F2ZiF1代表一维成像系统的横向放大率，F1代表迈克尔逊干涉仪中在反射式空间正弦相位调制器件前第一聚焦透镜和待测样品前第二聚焦透镜的焦距，F2代表光谱仪中二维光电探测器阵列前第三聚焦透镜的焦距-y代表待测样品沿线状照明光长度方向的横向位置，V =χ/σ ；②系统工作后，所述的二维光电探测器阵列记录了含有空间载波的二维频域干涉信号
权利要求
1.一种正弦相位调制的并行复频域光学相干层析成像系统，包括低相干光源(1)，在低相干光源(I)的光束前进方向上顺序放置准直扩束器(2)、柱面镜(3)、迈克尔逊干涉仪(4)，该迈克尔逊干涉仪(4)的分光器(41)将入射光分为探测臂光路(44)和参考臂光路(42)，参考臂光路(42)的末端为第一聚焦透镜(46)和反射式空间正弦相位调制器件(43)，探测臂光路(44)的末端为第二聚焦透镜(47)和待测样品(45)，待测样品(45)放置在一个精密移动平台上；该迈克尔逊干涉仪(4)的输出端连接一光谱仪(5);该光谱仪(5)由分光光栅(51)、第三聚焦透镜(52)和二维光电探测器阵列(53)组成；二维光电探测器阵列(53)通过图像数据采集卡(6)和计算机(7)连接；其特征在于所述的反射式空间正弦相位调制器件(43)与入射光束垂直摆放，使反射光沿原入射光路逆向返回，并在反射光波前上引入空间正弦相位调制，所述的柱面镜(3)将一束入射平行光会聚为一个线状照明光；所述的第一聚焦透镜(46)、第二聚焦透镜(47)的焦距相同；所述的柱面镜(3)与迈克尔逊干涉仪(4)中的第一聚焦透镜(46)、第二聚焦透镜(47)是共焦关系；所述的迈克尔逊干涉仪(4)中的第一聚焦透镜(46 )、第二聚焦透镜(47 )分别与光谱仪(5 )中的第三聚焦透镜(52 )是共焦关系；所述的待测样品(45)和反射式空间正弦相位调制器件(43)分别与二维光电探测器阵列(53)在系统光路上呈物像共轭关系。
2.根据权利要求I所述的正弦相位调制的并行复频域光学相干层析成像系统，其特征在于所述的低相干光源(I)为宽带光源，为发光二极管、超辐射发光二极管、飞秒激光器或超连续谱光源。
3.根据权利要求I所述的正弦相位调制的并行复频域光学相干层析成像系统，其特征在于所述的二维光电探测器阵列(53)是面阵CCD、面阵CMOS、面阵InGaAs或其它具有光电信号转换功能的二维探测器阵列。
4.根据权利要求I所述的正弦相位调制的并行复频域光学相干层析成像系统，其特征在于所述的精密移动平台是具有沿三个互相垂直方向精密平移的平台。
5.利用权利要求I所述的正弦相位调制的并行复频域光学相干层析成像系统进行并行复频域光学相干层析成像的方法，其特征在于该方法的具体步骤如下 ①利用干涉参考臂的反射式空间正弦相位调制器件(43)在二维光电探测器阵列(53)获得的二维频域干涉条纹上沿并行探测方向引入空间正弦相位调制Ψ (X) =2k · acos (2 n fcx/ σ + θ )，即在二维频域干涉条纹中引入空间载波； 其中a为空间正弦相位调制振幅，Θ为空间正弦相位调制初始相位，f。是空间正弦相位调制频率；λ代表波长，k=2 π / λ代表波数；χ代表待测样品(45)和干涉参考臂反射式空间正弦相位调制器件(43)沿线状照明光长度方向的横向位置经一维成像系统成像在光谱仪(5)中二维光电探测器阵列(53)上的横向位置；所述的一维成像系统分别由迈克尔逊干涉仪(4)中反射式空间正弦相位调制器件(43)前的第一聚焦透镜(46)和待测样品(45)前的第二聚焦透镜(47)与光谱仪(5)中二维光电探测器阵列(53)前第三聚焦透镜(52)组成，σ =F2ZiF1代表一维成像系统的横向放大率，F1代表迈克尔逊干涉仪(4)中在反射式空间正弦相位调制器件(43)前第一聚焦透镜(46)和待测样品(45)前第二聚焦透镜(47)的焦距，F2代表光谱仪中二维光电探测器阵列(53)前第三聚焦透镜(52)的焦距；X'代表待测样品(46)沿线状照明光长度方向的横向位置，X' =χ/σ ； ②系统工作后，所述的二维光电探测器阵列(53)记录了含有空间载波的二维频域干涉信号
全文摘要
一种正弦相位调制的并行复频域光学相干层析成像系统和方法，该方法和系统是在并行频域光学相干层析成像方法和系统的基础上，通过用反射式空间正弦相位调制器件代替干涉参考臂的参考平面反射镜，在二维光电探测器阵列上获得的二维频域干涉条纹沿并行探测方向上引入空间正弦相位调制，即在二维频域干涉条纹中引入空间载波；然后对含有空间载波的二维频域干涉条纹进行空间傅里叶变换分析，得到二维复频域干涉条纹，最后再通过沿光频方向的逆傅里叶变换获得待测样品层析图。本发明具有结构简单、成像速度快、对运动模糊不敏感、使待测样品始终处于灵敏度较高区域的特点，只需一次曝光即可获得待测样品层析图。
文档编号G01N21/45GK102818786SQ20121029582
公开日2012年12月12日 申请日期2012年8月17日 优先权日2012年8月17日
发明者黄炳杰, 王向朝, 李中梁, 南楠, 郭昕, 陈艳 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所