CN100386053C - 采用无色散相移器的全场光学相干层析成像*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种采用无色散相移器的全场光学相干层析成像***。光源发出的光依次经准直透镜、宽带分光棱镜、偏振片、无色散相移器和宽带偏振分光棱镜后被分成两路：一路经显微物镜到参考镜，显微物镜和参考镜装在精密电控平移台上；另一路经另一显微物镜到样品，另一显微物镜装在压电陶瓷驱动器上。在宽带分光棱镜反射从参考镜和样品返回光的一侧，经成像透镜接面阵CCD探测器。无色散相移器设置在宽带分光棱镜与宽带偏振分光棱镜之间，获得8倍于λ/2波片或偏振片旋转角的相移量。光束的起偏与检偏，参考臂和样品臂的光强匹配，由一块偏振片来完成。本发明具有器件少，结构简单，测量时间短的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于放射诊断的仪器，尤其涉及一种采用无色散相移器的全场光学相干层析成像***。
背景技术
光学相干层析成像(Optical Coherence Tomography，简称OCT)是近年发展起来的层析成像技术，能实现对活体内部的组织结构与生理功能进行非接触、无损伤、高分辨率成像。OCT技术在生物医学领域和临床诊断上得到广泛应用，可用于眼科、皮肤等疾病的早期诊断上，在材料科学和基础研究中也将发挥重要作用。
提高OCT的成像速度一直是人们追求的目标。全场OCT基于并行技术获取二维断面图像，相对于点扫描成像方式来说，成像速度显著提高。全场OCT的信号提取可以基于载频和相移两种方式，但载频所需的驱动电路和后续处理都相对复杂。利用压电陶瓷驱动器移动反射镜可以实现多步移相，但这种基于空间位移的相移量与波长有关，是典型的有色散相移器，在宽带光源OCT***中应用会降低信号提取精度。
Y.Watanabe等采用基于旋转波片的无色散相移器建立了全场OCT***(Y.Watanabe，Y.Hayasaka，M.Sato，and N.Tanno，“Full-field optical coherencetomography by achromatic phase shifting with a rotating polarizer”，Applied Optics，44(8)，1387-1392，2005)。如图1所示，使用宽带偏振分光棱镜4(简称PBS)分光，在PBS 4与参考镜9、PBS 4与样品10之间分别放置λ/4波片5和6，来改变光的偏振方向，使从参考镜9和样品10返回的光能够通过PBS 4抵达面阵CCD探测器14。但由于λ/4波片的设计是针对特定波长的，即使采用零级波片，其适用的波长范围也很有限，而且零级波片的价格昂贵。因此，对于宽带OCT***来说，λ/4波片5和6就不能正确改变所有光谱分量的偏振状态，因而无法保证从参考镜9和样品10返回的光高效通过PBS 4抵达面阵CCD探测器14。而且，由快轴与水平方向成15°的λ/2波片11、快轴与水平方向成75°的λ/4波片12和旋转偏振片13构成的无色散相移器，放置在探测臂中面阵CCD探测器14的前面，光束单次通过该无色散相移器，只能得到4倍于偏振片旋转角的相移量。
发明内容
本发明的目的是为了克服背景技术的不足，提供一种采用无色散相移器的全场光学相干层析成像***。使用宽带光源来获得高纵向分辨率，并用无色散相移器来解决宽带光的无色散相移问题。宽带分光棱镜(简称BS)和宽带偏振分光棱镜(简称PBS)的结合使用，省去了传统OCT***中在PBS与样品、PBS与参考镜之间的λ/4波片。把无色散相移器设置在BS与PBS之间，能获得8倍于λ/2波片或偏振片旋转角的相移量，大于现有的无色散相移器布局只能得到4倍于旋转角的相移量，在相同条件下可使测量时间缩短。而且，光束的起偏与检偏，参考臂和样品臂的光强匹配，都由一块偏振片来完成。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
包括光源、准直透镜、宽带分光棱镜、偏振片、无色散相移器、宽带偏振分光棱镜、一对相同的显微物镜、精密电控平移台、压电陶瓷驱动器、参考镜、成像透镜和面阵CCD探测器；光源发出的光依次经准直透镜、宽带分光棱镜、偏振片、无色散相移器和宽带偏振分光棱镜后被分成两路：一路经显微物镜到参考镜，显微物镜和参考镜装在精密电控平移台上；另一路经另一显微物镜到样品，另一显微物镜装在压电陶瓷驱动器上；从参考镜和样品分别沿原路返回到宽带分光棱镜的光被反射后，经成像透镜接面阵CCD探测器。
所述的无色散相移器由快轴与水平方向成45°的λ/4波片、快轴方向可旋转的λ/2波片和快轴与水平方向成45°的λ/4波片组成，快轴方向可旋转的λ/2波片接电控旋转台。
所述的无色散相移器由快轴与水平方向成15°的λ/2波片、快轴与水平方向成75°的λ/4波片和透光轴可旋转的偏振片组成，透光轴可旋转的偏振片接电控旋转台。
所述的光源为白光光源、超辐射二极管、发光二极管或激光光源。
与背景技术相比，本发明具有如下优点：
1、本发明缩短了测量时间：由于建立了独特的***布局，使光线两次通过无色散相移器，可获得8倍于λ/2波片或偏振片旋转角的相移量。而传统的无色散相移器布局，光线只能一次通过，得到4倍于旋转角的相移量。在相同条件下，本发明可使测量时间大为缩短，这对追求快速检测的OCT来说意义重大；
2、本发明具有很强的相移算法适应性：在不对***硬件做任何改变的情况下，只需在无色散相移器的λ/2波片或偏振片旋转过程中，在需要的时刻采集图像，使之旋转所需的角度，就可以得到所需的相移步长和相移量，从而可以使用现有的各种相移算法，如三步法、四步法、五步法等；
3、本发明通过宽带分光棱镜和宽带偏振分光棱镜的结合使用，减去了传统OCT***中在PBS与样品、PBS与参考镜之间的λ/4波片；尤为重要的是，在宽带光源条件下，使用单一λ/4波片来改变所有光谱分量的偏振方向是不可行的；
4、本发明建立的***结构把器件的使用数量降低到最少：除了上述3中提到的减少了2块λ/4波片外，使用的一块偏振片同时起到了三个作用：对从光源传来的光实施起偏，对从参考镜和样品返回的光实施检偏，通过旋转透光轴方向实施参考臂与测量臂的光强匹配。
附图说明
图1为本发明提到的Y.Watanabe等采用旋转偏振片无色散相移器建立的全场OCT***示意图；
图2为本发明使用无色散相移器全场OCT***示意图；
图3为本发明中无色散相移器的一种组成结构示意图；
图4为本发明中无色散相移器的另一种组成结构示意图；
图5为本发明使用无色散相移器全场OCT的控制***示意图。
图中：1.超辐射二极管(superluminescent diode)光源，2.准直透镜，3.透光轴与水平方向成45°的起偏器，4.宽带偏振分光棱镜，5、6.快轴与水平方向成45°的λ/4波片，7、8.一对相同的显微物镜，9.参考镜，10.样品，11.快轴与水平方向成15°的λ/2波片，12.快轴与水平方向成75°的λ/4波片，13.透光轴可旋转的偏振片，14.面阵CCD探测器，其中11、12、13的组合构成一种基于旋转偏振片的无色散相移器，15.光源，16.准直透镜，17.宽带分光棱镜，18.偏振片，19.无色散相移器，20.宽带偏振分光棱镜，21、22.一对相同的显微物镜，23.精密电控平移台，24.压电陶瓷驱动器，25.参考镜，26.样品，27.成像透镜，28.面阵CCD探测器，29.快轴与水平方向成45°的λ/4波片，30.快轴方向可旋转的λ/2波片，31.快轴与水平方向成45°的λ/4波片，32.电控旋转台，33.快轴与水平方向成15°的λ/2波片，34.快轴与水平方向成75°的λ/4波片，35.透光轴方向可旋转的偏振片，36.图像采集与模数转换卡，37.计算机，38.多路数模转换卡，39.电控旋转台驱动电路，40.精密电控平移台驱动电路，41.压电陶瓷驱动器驱动电路。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明：
如图2所示，本发明所述的一种采用无色散相移器的全场光学相干层析成像***，包括：光源15、准直透镜16、宽带分光棱镜17、偏振片18、无色散相移器19、宽带偏振分光棱镜20、一对相同的显微物镜21和22、精密电控平移台23、压电陶瓷驱动器24、参考镜25、样品26、成像透镜27和面阵CCD探测器28。其中光源15可以是白光光源、超辐射二极管、发光二级管或激光光源。
图3是本发明中无色散相移器19的一种组成结构示意图，它由快轴与水平方向成45°的λ/4波片29、快轴方向可旋转的λ/2波片30和快轴与水平方向成45°的λ/4波片31组成，快轴方向可旋转的λ/2波片30接电控旋转台32。
图4是本发明中无色散相移器19的另一种组成结构示意图，它由快轴与水平方向成15°的λ/2波片33、快轴与水平方向成75°的λ/4波片34和透光轴可旋转的偏振片35组成，透光轴可旋转的偏振片35接电控旋转台32。
如图2所示，光源15发出的光由准直透镜16准直后，被宽带分光棱镜17分光，其中反射部分的光不予使用而使之逸出***，只使用透射部分的光。透射光被偏振片18分解成相互垂直的P偏振光和S偏振光，然后进入无色散相移器19。通过电控旋转台32来驱动λ/2波片30、或者偏振片35，无色散相移器19就可以把P偏振光的相位后移2倍的旋转角，而把S偏振光的相位前移2倍的旋转角，从而使从无色散相移器19出射的P、S偏振光之间的相位差变为了4倍的旋转角。接着，P、S偏振光入射到宽带偏振分光棱镜20上，其中：P偏振光透过宽带偏振分光棱镜20，然后被显微物镜21聚焦在参考镜25上；S偏振光被宽带偏振分光棱镜20反射，然后被显微物镜22聚焦在样品26上。经参考镜25反射回来的P偏振光仍然透过宽带偏振分光棱镜20，经样品26反射或散射回来的S偏振光仍然被宽带偏振分光棱镜20反射，而分别入射到无色散相移器19上。与前述的作用过程一样，无色散相移器19仍然使经过它的P、S偏振光之间的相位差变为4倍的旋转角。从而，无色散相移器19使来回两次经过它的P、S偏振光之间总的相位差变为了8倍的旋转角，也即参考臂(P偏振光)和样品臂(S偏振光)之间获得了8倍于旋转角的相移量。从无色散相移器19出射的P、S偏振光，通过偏振片18后，P、S偏振光的偏振方向变为一致而能够发生干涉。从偏振片18传来的光又被宽带分光棱镜17分光，其中反射部分的光是我们所需的光线，被成像透镜27聚焦在面阵CCD探测器28的像面上。当参考臂和样品臂的光程在光源相干长度以内，并且从参考镜25和样品26返回的光点在面阵CCD探测器28的像面重合时，就能发生干涉。把面阵CCD探测器28经由图像采集与模数转换卡36连接到计算机37上，就能显示出干涉条纹图。
本发明的控制***结构如图5所示，由图像采集与模数转换卡36来控制面阵CCD探测器28的图像采集，并把探测器28输出的模拟电信号转换为数字信号，然后输入给计算机37进行信号处理与图像显示等。计算机37通过多路数模转换卡38把数字指令转换成模拟电信号，其中第一路输入给电控旋转台驱动电路39，去驱动电控旋转台32。由电控旋转台32带动无色散相移器的λ/2波片30或者偏振片35旋转，进行无色散相移。
如图5所示，由多路数模转换卡38输出的第二路模拟电信号，输入给电控平移台驱动电路40，去驱动电控平移台23。由电控平移台23带动显微物镜21和参考镜25一起移动，进行光程调节。由多路数模转换卡38输出的第三路模拟电信号，输入给压电陶瓷驱动器的驱动电路41，去驱动压电陶瓷驱动器24。由压电陶瓷驱动器24带动显微物镜22移动，来进行样品的对焦调节。以上图像采集与模数转换卡36、多路数模转换卡38、电控旋转台驱动电路39、电控平移台驱动电路40和压电陶瓷驱动器的驱动电路41均可从市场上购买。
有关样品对焦调节的具体情况请参考Y.Watanabe等人的论文“Full-fieldoptical coherence tomography by achromatic phase shifting with a rotating polarizer”，Y.Watanabe，Y.Hayasaka，M.Sato，and N.Tanno.Applied Optics，44(8)，1387-1392，2005.
以四步相移算法为例，四幅干涉图I1、I2、I3和I4为分别在相移量为0°、90°、180°和270°时所采集，这些相移量由旋转无色散相移器中的λ/2波片30或者偏振片35来引入。当λ/2波片30或者偏振片35的旋转角分别为0°、11.25°、22.5°和33.75°时采集图像，对应的相移量即为所需的0°、90°、180°和270°。由于对所有波长引入的是相同的相移量，所以如下的单色光四步相移公式仍然适用：
式中的I即为样品在垂直于入射光光轴的断面内的一幅组织结构图。也可以使用三步、五步、Carré等相移算法。
然后使精密电控平移台23作移动，就可以选择样品内部的另一个断面进行成像。必须注意的是，精密电控平移台23的移动必须在光源相干长度范围以内进行，超出这个范围就不再有干涉现象发生。
Claims (6)
1.采用无色散相移器的全场光学相干层析成像***，其特征在于：包括光源(15)、准直透镜(16)、宽带分光棱镜(17)、偏振片(18)、无色散相移器(19)、宽带偏振分光棱镜(20)、一对相同的显微物镜(21、22)、精密电控平移台(23)、压电陶瓷驱动器(24)、参考镜(25)、成像透镜(27)和面阵CCD探测器(28)；光源(15)发出的光依次经准直透镜(16)、宽带分光棱镜(17)、偏振片(18)、无色散相移器(19)和宽带偏振分光棱镜(20)后被分成两路：一路经显微物镜(21)到参考镜(25)，显微物镜(21)和参考镜(25)装在精密电控平移台(23)上；另一路经另一显微物镜(22)到样品(26)，另一显微物镜(22)装在压电陶瓷驱动器(24)上；从参考镜(25)和样品(26)分别沿原路返回到宽带分光棱镜(17)的光被反射后，经成像透镜(27)接面阵CCD探测器(28)。
2.根据权利要求1所述的采用无色散相移器的全场光学相干层析成像***，其特征在于：所述的无色散相移器(19)由快轴与水平方向成45°的λ/4波片(29)、快轴方向可旋转的λ/2波片(30)和快轴与水平方向成45°的λ/4波片(31)组成，快轴方向可旋转的λ/2波片(30)接电控旋转台(32)。
3.根据权利要求1所述的采用无色散相移器的全场光学相干层析成像***，其特征在于：所述的无色散相移器(19)由快轴与水平方向成15°的λ/2波片(33)、快轴与水平方向成75°的λ/4波片(34)和透光轴可旋转的偏振片(35)组成，透光轴可旋转的偏振片(35)接电控旋转台(32)。
4.根据权利要求1所述的采用无色散相移器的全场光学相干层析成像***，其特征在于：所述的光源(15)为白光光源。
5.根据权利要求1所述的采用无色散相移器的全场光学相干层析成像***，其特征在于：所述的光源(15)为超辐射二极管或发光二极管。
6.根据权利要求1所述的采用无色散相移器的全场光学相干层析成像***，其特征在于：所述的光源(15)为激光光源。
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