一種基于光計(jì)算的光譜光學(xué)相干成像系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種光譜光學(xué)相干成像系統(tǒng)（Spectral Domain Optical Coherence Tomograpgy，簡(jiǎn)稱SD-OCT)，特別是關(guān)于一種基于光計(jì)算的光譜光學(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] 光學(xué)相干層析技術(shù)（Optical Coherence Tomograpgy，簡(jiǎn)稱0CT)，目前已經(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)。和傳統(tǒng)的TD-OCT相比， SD-0CT不再依靠光學(xué)延遲線的機(jī)械掃描來(lái)獲得生物組織深度方向的一線（A-scan)信號(hào)， 而是通過(guò)光譜儀進(jìn)行頻譜分析，一次得到一線信號(hào)，這樣便避免了因運(yùn)動(dòng)慣性而導(dǎo)致的響 應(yīng)慢的缺點(diǎn)，并在系統(tǒng)信噪比等方面的性能也得到了提高。
[0003] 現(xiàn)有的SD-OCT中，CCD測(cè)量的是樣品光和參考光的干涉信號(hào)的頻譜展開，相當(dāng)于 樣品的空間信息被做了一次傅立葉變換。因此，從CCD獲得的每線頻譜數(shù)據(jù)是波長(zhǎng)λ的函 數(shù)，需要將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為波矢k的函數(shù)然后再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，線掃描速度在幾十kHz的線陣CCD技術(shù)已經(jīng)十分成熟，但是 如果要用于研制高分辨率的三維實(shí)時(shí)成像SD-0CT，現(xiàn)有線陣CCD的掃描速度就顯得捉襟見 肘了。另外，在圖像數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，樣條插值（將頻譜數(shù)據(jù)從波長(zhǎng)λ空間轉(zhuǎn)到波矢k空 間的過(guò)程）和傅里葉逆變換的運(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(guò)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，SD-OCT成像速度的瓶頸就是CCD數(shù)據(jù)采集速度和 圖像數(shù)據(jù)處理的速度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對(duì)上述問(wèn)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 光譜光學(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)算的光譜光學(xué)相干成 像系統(tǒng)，其特征在于：包括一光計(jì)算系統(tǒng)和一圖像顯示系統(tǒng)，所述光計(jì)算系統(tǒng)包括寬帶光 源、信號(hào)發(fā)生裝置、光強(qiáng)度調(diào)制器、色散器件、第一耦合器、第一環(huán)形器、第二環(huán)形器、第一 聚焦透鏡、第二聚焦透鏡、反射鏡、二維掃描系統(tǒng)和第二耦合器；所述圖像顯示系統(tǒng)包括 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)，其中，所述第二耦合器的耦合比例參數(shù)為 50/50;所述寬帶光源發(fā)出的直流寬帶光經(jīng)被所述信號(hào)發(fā)生裝置驅(qū)動(dòng)的所述光強(qiáng)度調(diào)制器 調(diào)制后發(fā)送到所述色散器件，經(jīng)所述色散器件出射的光進(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進(jìn)入所述第一環(huán)形器成為參考光，其余大部 分光進(jìn)入所述第二環(huán)形器成為樣品光；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)入所述第一環(huán)形器；所述二維掃描系統(tǒng)用于進(jìn)行X和Y方向的掃描， 樣品光經(jīng)所述二維掃描系統(tǒng)發(fā)射到待測(cè)樣品的不同位置，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)入所述第二環(huán)形器；所述第一環(huán)形器出射的經(jīng)反射鏡反射的參考 光和所述第二環(huán)形器出射的經(jīng)待測(cè)樣品反射的樣品光均發(fā)射到所述第二耦合器進(jìn)行耦合， 經(jīng)所述第二耦合器出射的同比例的光經(jīng)所述平衡探測(cè)器接收，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)監(jiān)測(cè)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、色散器件和第一耦合器之間的光路任一位置設(shè)置 一助推光學(xué)放大器或一摻雜光纖放大器；或者所述第二耦合器與所述平衡探測(cè)器之間設(shè)置 所述助推光學(xué)放大器或摻雜光纖放大器。
[0007] 所述色散器件采用第三環(huán)形器和光纖布拉格光柵，當(dāng)所述色散器件采用第三環(huán)形 器和光纖布拉格光柵時(shí)，經(jīng)所述光強(qiáng)度調(diào)制器調(diào)制后的寬帶光發(fā)送到所述第三環(huán)形器，經(jīng) 所述第三環(huán)形器出射的寬帶光被所述光纖布拉格光柵反射經(jīng)所述第三環(huán)形器進(jìn)入所述第 一親合器進(jìn)行親合。
[0008] 所述色散器件采用光纖，當(dāng)所述色散器件采用光纖時(shí)，經(jīng)所述光強(qiáng)度調(diào)制器調(diào)制 后的寬帶光經(jīng)光纖發(fā)射到所述第一耦合器進(jìn)行耦合。
[0009] 所述信號(hào)發(fā)生裝置采用波形發(fā)生器，所述波形發(fā)生器與所述光強(qiáng)度調(diào)制器之間設(shè) 置一射頻放大器；所述波形發(fā)生器和射頻放大器用于驅(qū)動(dòng)所述光強(qiáng)度調(diào)制器將所述寬帶光 源輸出的直流寬帶光在時(shí)域上調(diào)制為COS (at2)+1的形狀，a為常數(shù)。
[0010] 所述光強(qiáng)度調(diào)制器采用電光強(qiáng)度調(diào)制器或聲光強(qiáng)度調(diào)制器。
[0011] 所述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。
[0012] 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SD-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SD-OCT無(wú)須再使用光柵、C⑶進(jìn)行光譜 采集，也無(wú)需使用高性能計(jì)算機(jī)進(jìn)行樣條差值和離散傅里葉變換，因此擺脫了 CCD積分時(shí) 間不夠短以及計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度不夠快對(duì)SD-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SD-OCT從寬帶光源到平衡探測(cè)器，整個(gè)光路不 但結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且均可以采用全光纖器件，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)置有第二耦合器，經(jīng)第二耦合器出射的同比例的光經(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，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)地處理光譜光學(xué)相干成像系統(tǒng)的圖像數(shù)據(jù)，所以本發(fā)明成像速度極快。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)用在光譜光學(xué)相干成像中。
【附圖說(shuō)明】
[0013] 圖1為本發(fā)明的光譜光學(xué)相干成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0014] 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；
[0015] 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】
[0016] 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。
[0017] 假設(shè)一有限長(zhǎng)度的光信號(hào)（例如：一個(gè)光脈沖）通過(guò)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。
[0018] 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：
[0019] IdAIdz=Piid2Aidt2
[0020] 可知若輸入的光信號(hào)為一沖擊函數(shù)δ，得到的沖擊響應(yīng)函數(shù)h(t) exp(-it2/ (2D))。其中，t為時(shí)間，A(z，t)為光信號(hào)在色散介質(zhì)的Z處的時(shí)域波形，β為二階色散系 數(shù)，exp為e指數(shù)，若色散介質(zhì)長(zhǎng)度為Zci，其色散量D = Zci β。
[0021] 對(duì)任一光信號(hào)f(t)，將其輸入一色散量足夠大的理想色散介質(zhì)，輸出波形（其 近似的傅里葉變換結(jié)果）為|以0#1(0|，*為卷積，||為求模運(yùn)算。此數(shù)學(xué)形式也可 寫為 |f(t)*h(t)| |f(t)*exp(-it2/(2D))| = ((f(t)*cos(t2/(2D)))2+(f(t)*sin(t2/ (20)))2)1/2。實(shí)際上，較之€(〇，〇〇8(〇(20))和&11(^(20))都是變化極快的函數(shù)，又因 為（C〇S(tV(2D)))2+(sin(tV(2D)))2= 1，因此 |f(t)*h(t)| 實(shí)際就正比于 f(t)*c〇s(t2/ (2D))或者f(t)*sin(tV(2D))的包絡(luò)，這一點(diǎn)可以由數(shù)值計(jì)算驗(yàn)證。
[0022] 綜上所述，某個(gè)函數(shù)f(t)的傅里葉變換可以近似為其與函數(shù)cos(at2)的卷積運(yùn) 算結(jié)果的包絡(luò)，即：f(t)*c 〇s(at2)的包絡(luò)。其中，a為一常數(shù)。
[0023] 另外，由色散介質(zhì)的特性可知，色散介質(zhì)可以實(shí)現(xiàn)時(shí)域信號(hào)與其頻譜之間的卷積。 數(shù)學(xué)表達(dá)式為：
[0024] Iout (t) - Iin(t)*S(〇 = t/D〇)
[0025] 其中，Iin(t)和Iwt(t)分別為輸入和輸出色散介質(zhì)的光信號(hào)強(qiáng)度，S(?)為輸入 信號(hào)的頻譜，ω為角頻率，D tl為色散介質(zhì)的色散量。S(? = VDtl)表示將ω = VDtl代入 S(?)表達(dá)式所得到的關(guān)于時(shí)間t的函數(shù)。為了對(duì)SD-OCT的干涉信號(hào)的頻譜S(?)做實(shí)時(shí) 傅里葉變換，將輸入光的強(qiáng)度調(diào)制為：
[0026] Iin (t) 00 cos (at2) +1
[0027] 考慮到光強(qiáng)不能為負(fù)，所以上式中加入了常數(shù)項(xiàng)1。若將調(diào)制后的光信號(hào)注入到色 散量為D tl的色散介質(zhì)，就可以實(shí)現(xiàn)時(shí)域信號(hào)Iin(t)與其頻譜S(?)的卷積運(yùn)算，輸出光強(qiáng) I 〇ut⑴為：
[0028] Iout (t) 00 cos (at2) *S (ω = t/D0)+1*S (ω = t/D0)
[0029] 其中，l*S(〇 = t/DQ)為直流量。而 cos(at2)*S(〇 = t/DQ)就是 cos(at2)與 SD-OCT干涉光譜形狀的卷積。其包絡(luò)就是所測(cè)樣品的一線空間結(jié)構(gòu)信息，這樣就實(shí)現(xiàn)了對(duì) SD-OCT的干涉信號(hào)的頻譜做實(shí)時(shí)傅里葉變換。此處，SD-OCT干涉信號(hào)的光譜S(Q)是關(guān)于 ω的函數(shù)而非關(guān)于λ的函數(shù)，所以實(shí)際上在做實(shí)時(shí)傅里葉變換之前就完成了將SD-OCT干 涉信號(hào)的頻譜從波長(zhǎng)λ空間轉(zhuǎn)到波矢k空間的過(guò)程。
[0030