增加焦深范圍的光學相干層析成像系統的制作方法

本發明涉及光學相干層析成像(opticalcoherencetomography，簡稱oct)，特別是一種增加焦深范圍的光學相干層析成像系統。

背景技術：

光學相干層析成像(opticalcoherencetomography，以下簡稱為oct)是一種基于低相干光干涉的生物醫學層析成像技術，具有非侵入、分辨率高、可在體檢測生物組織內部微結構信息等特點，在生物組織活體成像和醫療成像診斷等領域具有廣泛的應用前景，如眼科、皮膚科、心血管等。

oct可分為時域oct(timedomainoct，td-oct)和頻域oct(fourierdomainoct，fd-oct)，頻域oct又可分為基于光譜儀的頻域oct(spectraldomainoct，sd-oct)和基于掃頻光源的頻域oct(又稱掃頻光學相干層析成像，sweptsourceoct，ss-oct)。

在oct系統中，樣品臂的設計方式主要是平行光通過透鏡聚焦后照射樣品。當中心波長確定時，系統的橫向分辨率數值與透鏡的焦距成正比，與透鏡上入射光束的直徑成反比，數值越大，橫向分辨率越低；而焦深與橫向分辨率數值的平方成正比。因此，橫向分辨率和焦深相互制約。一般說來，在焦深范圍內橫向分辨率基本保持不變。大多數oct系統采用低數值孔徑的光學系統來獲得大的焦深，一般遠大于光源的相干長度，但大的焦深同時會降低系統的橫向分辨率。由于圖像質量與橫向分辨率相關，橫向分辨率越高，圖像越清晰，質量越高。因此，增加焦深可以提高圖像質量。

為了保證高分辨率的同時增加系統的焦深，研究人員提出了各種各樣的方法。目前主要分為兩類，分別是基于軟件和硬件的方法。與基于軟件的方法相比，基于硬件的方法不僅不受系統相位和系統數據量的影響，而且數據量小，可以用于活體樣品三維成像的實時顯示。其中，以貝塞爾光束照明樣品的方式應用最為廣泛。基于硬件的方法主要包含以下幾種方式：

1、非貝塞爾光束照明樣品的方式，主要包括自適應光學的方法(參見在先技術[1]，b.hermann,e.j.fernandez,a.unterhuber,h.sattmann,a.f.fercher,w.drexler,p.m.prieto,andp.artal,“adaptive-opticsultrahigh-resolutionopticalcoherencetomography,”opt.lett.29,2142–2144，2004)、基于多通道照明樣品的方式(參見在先技術[2]，holmesj,stonen,bazanthegemarkf.multi-channelfourierdomainoctsystemwithsuperiorlateralresolutionforbiomedicalapplications[j].proceedingsofspie-theinternationalsocietyforopticalengineering,2008,6847:68470o-68470o-9)、基于光程編碼的方法(參見在先技術[3]，中國專利申請號cn201710086522.1)、動態聚焦的方法(參見在先技術[4]，m.j.cobb,x.liu,andx.li,“continuousfocustrackingforreal-timeopticalcoherencetomography,”opt.lett.30,1680–1682，2005)和基于分形波帶片的方法(參見在先技術[5]，中國專利申請號cn200910071097.4)。這類技術或需要額外的器件增加了系統的復雜性，或限制了系統的成像速度不適合實時成像，或增加焦深的范圍有限，系統數據處理復雜。

2、貝塞爾光束照明樣品的方式，主要包括錐透鏡(參見在先技術[6]、[7]和[8])、相位切趾法(參見在先技術[9]和[10])和振幅切趾法(參見在先技術[11])。利用錐透鏡產生貝塞爾光束并照明樣品的方式，最早是ding等人將錐透鏡應用到系統的樣品臂并直接收集樣品散射光(參見在先技術[6],z.ding,h.ren,y.zhao,j.s.nelson,andz.chen,“high-resolutionopticalcoherencetomographyoveralargedepthrangewithanaxiconlens,”opt.lett.27,243–245，2002)；r.a.leitgeb等人重新設計了系統的樣品臂，利用錐透鏡、一個4f透鏡系統和分束器對樣品臂進行設計(參見在先技術[7]，leitgeb,r.a.,etal.(2006)."extendedfocusdepthforfourierdomainopticalcoherencemicroscopy."optlett31(16):2450.)和將錐透鏡與掃描振鏡相結合，提高了系統的成像速度(參見在先技術[8]，blatter,c.,etal.(2012)."insitustructuralandmicroangiographicassessmentofhumanskinlesionswithhigh-speedoct."biomedoptexpress3(10):2636-2646.)。然而，這類方法中都存在錐透鏡尖端對貝塞爾光束質量的影響，同時前兩種技術還降低了樣品散射光的收集效率和系統的靈敏度。為了獲得貝塞爾光束，d.lorenser等人采用相位切趾法，如slm(參見在先技術[9]，d.lorenser,c.christiansinge,a.curatolo,andd.d.sampson,“energy-efficientlow-fresnel-numberbesselbeamsandtheirapplicationinopticalcoherencetomography,”opt.lett.39,548–551，2014)和七區域相位濾波器(參見在先技術[10]，bousi,evgenia,s.timotheou,andc.pitris."designofpupilfilterforextendeddepthoffocusandlateralsuperresolutioninopticalcoherencetomography."spiebiosinternationalsocietyforopticsandphotonics,2014:2978-2982)，增加了系統的焦深，但該兩種方式同樣降低了樣品散射光的收集效率，影響系統的靈敏度。liulinbo等人采用振幅切趾法，如環形照明(參見在先技術[11]，yux,liux,guj,etal.depthextensionandsidelobesuppressioninopticalcoherencetomographyusingpupilfilters.[j].opticsexpress，vol.22,no.22，26956-26966，2014)，重新設計系統的樣品臂，也獲得了貝塞爾光束，增加了系統的焦深，但也降低了系統的靈敏度。

3、研究人員提出了一種新的低菲涅爾數的漸變折射率光纖的相位掩模結構設計方法(參見在先技術[12]，d.lorenser,x.yang,andd.d.sampson,“ultrathinfiberprobeswithextendeddepthoffocusforopticalcoherencetomography,”opt.lett.37,1616–1618，2012)，該方法可以直接將光纖做成內窺探頭，但是系統的焦深僅僅增加一倍。

技術實現要素：

本發明的目的是為了克服上述在先技術的不足，提供一種增加焦深范圍的光學相干層析成像系統。該系統包括寬帶光源、干涉儀、探測器、數據采集卡和計算機，通過設計所述的光學相干層析成像系統中干涉儀的樣品臂，利用圓環達曼光柵產生的貝塞爾光束照明樣品替代傳統高斯光束照明的方式增加了系統的焦深。

本發明的技術解決方案如下：

一種增加焦深范圍的光學相干層析成像系統，包括掃頻光源、干涉儀、平衡探測器、數據采集卡和計算機，所述的掃頻光源的輸出端與所述的干涉儀的第一耦合器的第一端口相連，第一耦合器將輸入光分為樣品光路和參考光路，其特點在于所述的樣品光路依次是第一光束準直器、圓環達曼光柵、第一聚焦透鏡、空間濾波器、反射鏡、第二聚焦透鏡和待測樣品，經待測樣品的部分散射光經第二聚焦透鏡變成平行光，再經反射鏡反射后經平行光收集器件、第一光纖輸入第二耦合器的第一端口；參考光路依次包括第二光束準直器、色散補償快和第三光束準直器、第二光纖、第二耦合器的第二端口；第二耦合器的輸出端口連接至所述的平衡探測器，再通過數據采集卡與計算機相連；其中所述的反射鏡除了具有反射待測樣品散射光的作用，還具有濾除空間濾波器后出射的雜散光的作用。

所述的待測樣品置于精密機械位移臺上，該精密機械位移臺沿光軸的垂直方向移動。

所述的第一聚焦透鏡和第二聚焦透鏡是共焦透鏡，所述的樣品光路和參考光路等光程。

所述的空間濾波器是一種用于濾除雜散光的器件，放置在第一聚焦透鏡和第二聚焦透鏡之間，用于優化獲得的貝塞爾光束的質量。

本發明的工作原理如下：

寬帶光源發出的光進入干涉儀后到達干涉儀的參考臂和樣品臂，參考臂的光與樣品臂的返回光發生干涉后被探測器探測后，再經數據采集卡采集后輸入到計算機中進行處理。進入樣品臂的光依次經過第一光束準直器、圓環達曼光柵、第一聚焦透鏡、空間濾波器和第二聚焦透鏡，然后照射待測樣品；待測樣品的散射光經第二聚焦透鏡后變成平行光，部分平行光經反射鏡反射后被平行光收集器件收集。其中，空間濾波器和反射鏡均用于濾除雜散光，而且反射鏡還具有反射待測樣品散射光的作用。

本發明與現有技術相比有益的效果是：

1.與在先技術[1]、[2]和[3]相比，本發明不需要額外復雜的器件，降低了系統的復雜性。

2.與在先技術[4]相比，本發明可以不受系統的成像速度限制，適合實時成像。

3.與在先技術[5]相比，本發明數據處理簡單，焦深更大。

4.與在先技術[6]、[7]和[8]相比，本發明不受錐透鏡尖端的影響而降低貝塞爾光束的質量，成像效果更好。

5.與在先技術[9]、[10]和[11]相比，本發明不受相位/振幅切趾器件的影響，具有更高的樣品散射光收集效率，提高了系統的靈敏度。

6.與在先技術[12]相比，本發明利用圓環達曼光柵產生的貝塞爾光束照明樣品替代傳統高斯光束照明的方式增加了系統的焦深。所述的空間濾波器是一種用于濾除雜散光的器件，放置在第一聚焦透鏡和第二聚焦透鏡之間，用于優化獲得的貝塞爾光束的質量。系統焦深更長，圖像質量更好。

附圖說明

圖1是本發明增加焦深范圍的光學相干層析成像系統的結構示意圖。

具體實施方式

下面結合實施例和附圖對本發明作進一步說明，但不應以此限制本發明的保護范圍。

請參閱圖1，圖1為本發明增加焦深范圍的光學相干層析成像系統結構示意圖。由圖可見，本發明增加焦深范圍的光學相干層析成像系統包括掃頻光源1，掃頻光源1的輸出端口與干涉儀2的第一耦合器21的第一端口211相連，第二端口212未使用，第一耦合器21將光分為樣品光路22和參考光路23。樣品光路22中，第一耦合器21的第三端口213連接至第一光束準直器221，準直后的光出射方向順序放置圓環達曼光柵222、第一聚焦透鏡223、空間濾波器224、反射鏡225、第二聚焦透鏡226和待測樣品227，待測樣品227的部分散射光經第二聚焦透鏡226變成平行光，再經反射鏡225反射后由平行光收集器件228耦合進光纖229，并連接到第二耦合器24的第一端口241；參考光路23中，第一耦合器21的另一個出射端口214，輸出光的出射方向順序放置第二光束準直器231、色散補償快232和第三光束準直器233，第三光束準直器233的輸出端口連接光纖234的一端，光纖234的另一端至第二耦合器24的第二端口242；。第二耦合器24的兩個輸出端口243和244連接至平衡探測器3，再通過數據采集卡4與計算機5相連。

掃頻光源1的輸出掃頻激光進入第一耦合器21中并分成兩路213和214，一路213進入樣品臂光路22，并經過第一光束準直器221、圓環達曼光柵222、第一聚焦透鏡223、空間濾波器224、反射鏡225和第二聚焦透鏡226后照射到待測樣品227，待測樣品227的內部不同深度處背向散射回來的光經第二聚焦透鏡226變成平行光，再經反射鏡225反射后被平行光收集器件228收集至進光纖229；另一路214進入參考臂光路23，經過第二準直透鏡231、色散補償塊232和第三準直透鏡233后輸出并耦合進光纖234。光纖229的輸出光與光纖234輸出的耦合光，分別輸入到第二耦合器24的第一端口241和第二端口242，在第二耦合器24產生干涉信號，該干涉信號經平衡探測器3將光信號轉換成電信號，經數據采集卡4采集后送入計算機5中。該干涉信號在計算機5中進行逆傅里葉變換的數據處理和圖像重建算法，即可獲得待測樣品227沿深度方向的層析結構圖像。

通過待測樣品227放置的精密機械位移臺沿光軸垂直方向掃描獲得待測樣品227的二維或三維層析圖。

實驗表明，本發明利用圓環達曼光柵產生的貝塞爾光束照明樣品替代傳統高斯光束照明的方式增加了系統的焦深。所述的空間濾波器是一種用于濾除雜散光的器件，放置在第一聚焦透鏡和第二聚焦透鏡之間，用于優化獲得的貝塞爾光束的質量。所述的反射鏡除了具有反射待測樣品散射光的作用，還具有濾除空間濾波器后出射的雜散光的作用。系統焦深更長，圖像質量更好。