CN101889188B - 光学相干层析成像装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种光学相干层析成像装置，其中，采用光源和光学线性光束形成***以在短时间内在不受任何机械运动影响的情况下获得高质量分辨率的二维图像。因此，光学线性光束形成***(20)包括半圆柱透镜(21)、凸透镜(22)和狭缝(23)，以实现频域光学相干层析成像装置。来自光源的平行光束入射在半圆柱透镜(21)的表面上，并且半圆柱透镜(21)的焦线位于凸透镜(22)的前方。凸透镜(22)具有短焦点和长焦点，平行光成分会聚在短焦点上，发散光成分会聚在长焦点上。狭缝(23)位于短焦点和长焦点之间。

Description

光学相干层析成像装置
技术领域
本发明涉及采用使用频率变换光源的线扫描方式的频域光学相干层析成像装置，具体地说涉及在对象(或样本)上扫描光线并且经由线阵CCD(电荷耦合器件)摄像机接收来自对象的反射光的光学相干层析成像装置(OCT)。
背景技术
现有两种常规的光学相干层析成像装置，即时域OCT和频域OCT，在这两种OCT中采用了使用宽带光源的点扫描方式，并且该时域OCT和频域OCT均需要多于一个独立扫描仪。图1示出常规时域OCT的示意图，而图2示出常规频域OCT的示意图。
在图1所示的时域OCT中，来自宽带光源(12)的光束被光分路器(或称分光器)(30)分为分别入射到参考反射镜(50)和对象上并被反射的两条光束。经反射的光束在光分路器(30)中进行合光，并且两条光束之间的光程长度差导致产生干涉信号(即，干涉图样)。干涉信号由光电二极管(90)来探测，并且经过A/D转换和解调处理，从而得到有关深度的图像信息。为了获得二维图像，需要完成使参考反射镜(50)和扫描仪(80)移动的二扫描方式，这称为x-z扫描。然而，该二扫描方式在使两种移动同步方面存在困难，获取图像所用的时间长，易受到由对象运动引起的噪音的影响并且具有低的信噪比(SNR)。
在图2所示的频域OCT中，与时域OCT中一样，来自宽带光源(12)的光束被光分路器(30)分为分别入射到参考反射镜(50)和对象上并被反射的两条光束。经反射的光束在光分路器(30)中进行合光。经合光的光束由分光仪(100)来探测，并经过傅里叶变换，从而得到有关深度的图像信息。频域OCT无需使用z向扫描仪，而只需使用x向扫描仪(80)来获得二维图像。与时域OCT相比，在频域OCT中可以得到更高的信噪比。然而，频域OCT也具有以下问题：图像仍然受到由对象运动引起的噪音的影响，并且需要提供分光仪(100)来探测光束。
发明内容
技术问题
本发明的目的在于改进常规OCT中的所述问题，并通过对对象进行线性光束(linear light beam)的线扫描而在较短时间内在被测对象不进行机械运动的情况下提供高分辨率的二维图像。
技术方案
为了实现上述目的，根据本发明的一方面，一种光学相干层析成像装置包括：光源(11)，其发射具有多种波长l1、l2、……、ln的光束；狭缝(23)，当从所述光源(11)发射的所述光束穿过半圆柱透镜(21)和凸透镜(22)之后，所述狭缝(23)使所述光束从中穿过，从而将所述光束形成为线性光束；光分路器(30)，其将来自所述狭缝(23)的所述线性光束分为两条光束，一条光束被导向参考反射镜(50)，而另一条光束被导向对象；两个第一凸透镜(40)，一个所述第一凸透镜(40)位于所述光分路器(30)和所述参考反射镜(50)之间，而另一个所述第一凸透镜(40)位于所述光分路器(30)和所述对象之间，以使由所述光分路器(30)分光的光束准直；第二凸透镜(60)，其中被所述参考反射镜(50)和所述对象反射的光束经由所述光分路器(30)进行合光，并且经合光的光束入射在所述第二凸透镜(60)上；摄像机(70)，其接收来自所述第二凸透镜(60)的所述经合光的光束；图像处理板，其探测所述摄像机(70)输出的对应于各个像素的信号；傅里叶变换部分，其根据所述多种波长l1、l2、……、ln对探测到的对应于像素的信号进行傅里叶变换，以获得有关深度的图像信息(z扫描)；以及监视器，其显示通过利用所述傅里叶变换部分所输出的信号沿x轴线将所述像素连接起来而得到的二维图像。
为了实现上述目的，根据本发明的另一方面，在所述光学相干层析成像装置中，来自光源的光束被光分路器(30)分为导向参考反射镜(50)和对象的两条光束，经分光的光束经由各个第一凸透镜(40)而准直，两条经过准直的光束分别被所述参考反射镜(50)和所述对象反射，在所述光分路器(30)中进行合光，并且经合光的光束经由第二凸透镜(60)入射在摄像机(70)上，所述光学相干层析成像装置还包括：半圆柱透镜(21)、凸透镜(22)和狭缝(23)，其位于所述光源和所述光分路器(30)之间，以形成入射在所述光分路器(30)上作为所述光束的线性光束。
为了实现上述目的，根据本发明的另一方面，一种光学相干层析成像装置至少包括：光源(11)，其发射具有多种波长l1、l2、……、ln的光束；狭缝(23)，当从所述光源(11)发射的所述光束穿过半圆柱透镜(21)和凸透镜(22)之后，所述狭缝(23)使所述光束从中穿过，从而将所述光束形成为线性光束，其将所述光束形成为线性光束；光分路器(30)，其将来自所述狭缝(23)的所述线性光束分为两条光束，一条光束被导向参考反射镜(50)，而另一条光束被导向对象；两个第一凸透镜(40)，一个所述第一凸透镜(40)位于所述光分路器(30)和所述参考反射镜(50)之间，而另一个所述第一凸透镜(40)位于所述光分路器(30)和所述对象之间，以使由所述光分路器(30)分光的光束准直；第二凸透镜(60)，其中被所述参考反射镜(50)和所述对象反射的光束经由所述光分路器(30)进行合光，并且经合光的光束入射在所述第二凸透镜(60)上；摄像机(70)，其接收来自所述第二凸透镜(60)的所述经合光的光束。
在本发明的所有方面中，所述光学线性光束形成***(20)包括半圆柱透镜(21)、凸透镜(22)和狭缝(23)。
来自所述光源的平行光束入射在所述半圆柱透镜(21)的表面上，并且所述半圆柱透镜(21)的焦线位于所述凸透镜(22)的前方，从而平行光成分和发散光成分入射在所述凸透镜(22)上。
所述凸透镜(22)具有短焦点和长焦点，所述平行光成分会聚在所述短焦点上，所述发散光成分会聚在所述长焦点上。
所述狭缝(23)位于所述短焦点和所述长焦点之间，所述狭缝(23)的方向平行于所述半圆柱透镜(21)的纵向，从而形成所述线性光束。
为了实现上述目的，在本发明的另一方面中，一种光学相干层析成像装置包括：光学线性光束形成***(20)，其包括半圆柱透镜(21)、凸透镜(22)和狭缝(23)，其中，来自所述光源的平行光束入射在所述半圆柱透镜(21)的表面上，并且所述半圆柱透镜(21)的焦线位于所述凸透镜(22)的前方，从而平行光成分和发散光成分入射在所述凸透镜(22)上，所述凸透镜(22)具有短焦点和长焦点，所述平行光成分会聚在所述短焦点上，所述发散光成分会聚在所述长焦点上，并且所述狭缝(23)位于所述短焦点和所述长焦点之间，所述狭缝(23)的方向平行于所述半圆柱透镜(21)的纵向，从而形成所述线性光束。
有益效果
根据如上所述的本发明，本发明的频域光学相干层析成像装置将线性光束应用于对象并可以在不进行机械移动的情况下利用x-z扫描产生二维图像。
因此，可以在较短时间内以高信噪比获得二维图像，并且可以使对象的移动最小。
附图说明
图1示出常规时域OCT的示意图。
图2示出常规频域OCT的示意图。
图3示出采用线扫描方式的本发明的OCT的示意图，该线扫描方式利用波长变换光源。
图4示出图3中的本发明的光学线扫描***的内部构造的示意图。
具体实施方式
如图3所示，最优选类型的光学相干层析成像装置包括：光源(11)，其发射出具有多种波长l1、l2、……、ln的光；光学线性光束形成***(20)，其用于形成线性光束；光分路器(30)，其将来自光学线性光束形成***(20)的线性光束分为两条光束，一条光束被导向参考反射镜(50)，而另一条光束被导向对象；两个第一凸透镜(40)，一个第一凸透镜(40)位于光分路器(30)和参考反射镜(50)之间，而另一个第一凸透镜(40)位于光分路器(30)和对象之间，以使经由光分路器(30)分束的光束准直；第二凸透镜(60)，其中由参考反射镜(50)和对象反射的光束在光分路器(30)处进行合光；摄像机(70)，其接收来自第二凸透镜(60)的合光光束；图像处理板，其探测摄像机(70)输出的对应于各个像素的信号；傅里叶变换部分，其根据多种波长l1、l2、……、ln对探测到的对应于像素的信号进行傅里叶变换，以得到有关深度的图像信息(z扫描)；以及监视器，其显示通过利用傅里叶变换部分所输出的信号沿x轴线将像素连接起来而得到的二维图像。
实施方式
下面将结合附图对本发明的光学相干层析成像装置的构造和操作进行示例性的说明。
图3示出采用线扫描方式的本发明的OCT的示意图，该线扫描利用了线性光束。该OCT包括：光源(11)、光学线性光束形成***(20)、光分路器(30)、第一凸透镜(40)、参考反射镜(50)、第二凸透镜(60)、摄像机(70)、图像处理板、傅里叶变换部分和监视器。
光源(11)依次连续地发射波长为l1、l2、……、ln的光束。因此，该光源(11)与图2中的分光仪(100)的作用相似。
来自光源(11)的光束穿过光学线性光束形成***(20)，该光学线性光束形成***(20)将来自光源(11)的光束形成为线性光束。将在下文中说明光学线性光束形成***(20)的详细构造。
线性光束被光分路器(30)分为两条光束，这两条光束分别传播至参考反射镜(50)和对象。两个第一凸透镜(40)分别使两条经分光的光束准直为平行光束。这两条平行光束被参考反射镜(50)和对象反射，并且经反射的光束在光分路器(30)中进行合光。
在光分路器(30)中合光的光束穿过第二凸透镜(60)而入射在摄像机(70)上。入射在摄像机(70)上的入射光束产生每个像素的信号，由图像处理板来探测该信号。
可以通过对在每个像素中探测到的波长为l1、l2、……、ln的光信号进行傅里叶变换来获得有关对象深度的图像信息(z扫描)。并且通过沿x轴线将摄像机(70)的像素连接来获得二维图像。
图4示出图3中的本发明的光学线扫描***的内部构造的示意图。该光学线扫描***包括半圆柱透镜(21)、凸透镜(22)和狭缝(23)。因此，图4示出本发明的采用线扫描方式的光学线扫描***的详细视图。
图4示出如何形成线性光束。如图4所示，来自波长变换光源(11)的平行光束垂直地入射在半圆柱透镜(21)的表面上。入射在该表面的沿纵向中心轴线的中心处的平行光束成分在不发生折射的情况下穿过半圆柱透镜(21)，从而从半圆柱透镜(21)输出平行光束成分。入射在与纵向中心轴线间隔开的位置上的平行光束成分会聚到在图4中以短的黑色粗线绘出的焦线上。因此，入射在半圆柱透镜(21)的表面上的平行光束聚焦在半圆柱透镜(21)的焦线上，并且在穿过焦线后，光束沿着与半圆柱透镜(21)的纵向轴线垂直的横向发散。
穿过半圆柱透镜(21)的光束入射在凸透镜(22)上。如图4所示，入射在凸透镜(22)上的平行光束成分聚焦在短焦点上，而入射在凸透镜(22)上的发散光束成分聚焦在长焦点上。
如图4所示，狭缝(23)位于短焦点和长焦点之间。狭缝(23)的纵向平行于半圆柱透镜(21)的纵向中心轴线方向。来自凸透镜(22)的光束穿过狭缝(23)，从而形成图4中的以长的黑色粗线表示的线性光束。
穿过狭缝(23)的线性光束被导向光分路器(30)。这样，线性光束入射在对象上，并且无需使用像常规层析成像装置那样易受对象的机械运动影响的x扫描过程。
上面已经阐明了本发明的特征和优点。应当理解，对优选实施例的描述在许多方面仅是示例性的。可以在不超出本发明的范围的情况下对细节进行修改，尤其是在部件的选择以及部件的形状、尺寸和布置方面进行修改。结合附图描述了优选实施例，可以看到实现了多个目的和目标，并且本领域的技术人员可以在不超出本发明的精神和范围的情况下做出变型和扩展。
工业实用性
根据本发明，可以通过使用波长转换光源和光学线扫描***容易地实现频域光学相干层析成像装置，并且可以在短时间内在没有机械运动的情况下获得高质量分辨率的二维图像。由于材料成本低并且简化了处理过程，可使整个层析成像***的价格显著地降低。
同样，本发明的层析成像装置还可以专门用于医疗服务的多个领域，包括眼科学。

Claims (7)

1.一种光学相干层析成像装置，包括：
光源(11)，其发射具有多种波长l1、l2、……、ln的光束；
狭缝(23)，当从所述光源(11)发射的所述光束穿过半圆柱透镜(21)和凸透镜(22)之后，所述狭缝(23)使所述光束从中穿过，从而将所述光束形成为线性光束；
光分路器(30)，其将来自所述狭缝(23)的所述线性光束分为两条光束，一条光束被导向参考反射镜(50)，而另一条光束被导向对象；
两个第一凸透镜(40)，一个所述第一凸透镜(40)位于所述光分路器(30)和所述参考反射镜(50)之间，而另一个所述第一凸透镜(40)位于所述光分路器(30)和所述对象之间，以使由所述光分路器(30)分光的光束准直；
第二凸透镜(60)，其中，被所述参考反射镜(50)和所述对象反射的光束在所述光分路器(30)中进行合光，并且经合光的光束入射在所述第二凸透镜(60)上；
摄像机(70)，其接收来自所述第二凸透镜(60)的所述经合光的光束；
图像处理板，其探测所述摄像机(70)输出的对应于各个像素的信号；
傅里叶变换部分，其根据所述多种波长l1、l2、……、ln对探测到的对应于像素的信号进行傅里叶变换，以获得有关深度的图像信息；以及
监视器，其显示通过利用所述傅里叶变换部分所输出的信号沿x轴线将所述像素连接起来而得到的二维图像。
2.一种光学相干层析成像装置，其中，来自光源的光束被光分路器(30)分为被导向参考反射镜(50)和对象的两条光束，经分光的光束经由各个第一凸透镜(40)而准直，两条经过准直的光束分别被所述参考反射镜(50)和所述对象反射以在所述光分路器(30)中进行合光，并且经合光的光束经由第二凸透镜(60)入射在摄像机(70)上，所述光学相干层析成像装置还包括：
半圆柱透镜(21)、凸透镜(22)和狭缝(23)，其位于所述光源和所述光分路器(30)之间，以形成入射在所述光分路器(30)上作为所述光束的线性光束。
3.一种光学相干层析成像装置，至少包括如下部件：
光源(11)，其发射具有多种波长l1、l2、……、ln的光束；
狭缝(23)，当从所述光源(11)发射的所述光束穿过半圆柱透镜(21)和凸透镜(22)之后，所述狭缝(23)使所述光束从中穿过，从而将所述光束形成为线性光束；
光分路器(30)，其将来自所述狭缝(23)的所述线性光束分为两条光束，一条光束被导向参考反射镜(50)，而另一条光束被导向对象；
两个第一凸透镜(40)，一个所述第一凸透镜(40)位于所述光分路器(30)和所述参考反射镜(50)之间，而另一个所述第一凸透镜(40)位于所述光分路器(30)和所述对象之间，以使由所述光分路器(30)分光的光束准直；
第二凸透镜(60)，其中，被所述参考反射镜(50)和所述对象反射的光束经由所述光分路器(30)进行合光，并且经合光的光束入射在所述第二凸透镜(60)上；
摄像机(70)，其接收来自所述第二凸透镜(60)的所述经合光的光束。
4.如权利要求1-3中任一项所述的光学相干层析成像装置，其中，来自所述光源的平行光束入射在所述半圆柱透镜(21)的表面上，并且所述半圆柱透镜(21)的焦线位于所述凸透镜(22)的前方，从而平行光成分和发散光成分入射在所述凸透镜(22)上。
5.如权利要求4所述的光学相干层析成像装置，其中，所述凸透镜(22)具有短焦点和长焦点，所述平行光成分会聚在所述短焦点上，所述发散光成分会聚在所述长焦点上。
6.如权利要求5所述的光学相干层析成像装置，其中，所述狭缝(23)位于所述短焦点和所述长焦点之间，所述狭缝(23)的方向平行于所述半圆柱透镜(21)的纵向，从而形成所述线性光束。
7.一种光学相干层析成像装置，包括：光学线性光束形成***(20)，其包括半圆柱透镜(21)、凸透镜(22)和狭缝(23)，其中，来自所述光源的平行光束入射在所述半圆柱透镜(21)的表面上，并且所述半圆柱透镜(21)的焦线位于所述凸透镜(22)的前方，从而平行光成分和发散光成分入射在所述凸透镜(22)上，所述凸透镜(22)具有短焦点和长焦点，所述平行光成分会聚在所述短焦点上，所述发散光成分会聚在所述长焦点上，并且所述狭缝(23)位于所述短焦点和所述长焦点之间，所述狭缝(23)的方向平行于所述半圆柱透镜(21)的纵向，从而形成所述线性光束。
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