CN112587086A - 一种双模式偏振光学相干成像***及其成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双模式偏振光学相干层析成像***及其成像方法，利用偏振光探测技术，通过偏振分束立方和光纤起偏器组件将第一偏振光学相干成像***和第二偏振光学相干成像***构建一对正交偏振光结构，在探测时互不发生串扰，不易受到杂散光的干扰。而且，利用所述第二偏振光学相干成像***具备的扫描速度快，扫描深度大的特点对人眼结构进行粗测量并锁定关心区域，然后由所述第一偏振光学相干成像***实现关心区域的高分辨率成像，解决现有技术中无法兼顾大量程、高精度的人眼结构成像的问题，可同时实现大量程和高精度的人眼结构测量，满足飞秒激光白内障手术的检测要求。

Description

一种双模式偏振光学相干成像***及其成像方法

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，特别是涉及一种双模式偏振光学相干成像***及其成像方法。

背景技术

飞秒激光辅助白内障手术是一种利用飞秒激光脉冲、光学相干层析技术、以及计算机技术将传统白内障手术中由人工碎核等几个关键步骤实现自动化、智能化的眼科手术。术中需要精确测量晶状体和前后囊膜的位置及轮廓，特别是后囊膜的位置和轮廓。在传统的飞秒激光辅助白内障手术中，在测量数据不精确时，容易导致后囊膜被损伤，并导致玻璃液外溢。而且容易出现飞秒激光碎核不彻底的情况，导致超声乳化后在囊袋内会残余部分晶体上皮细胞，残余的晶体上皮细胞会在晶体的后囊膜表面生长，从而造成后囊膜浑浊，明显遮挡光线沿着视轴进入眼球，如此将会使得病人在飞秒激光辅助白内障手术后明显视力下降，进而引发术后白内障。

由于光学相干层析技术具有非接触、无辐射、高探测灵敏度、无损伤的特点，光学相干层析技术已经成为眼科手术中测量人眼结构的标准技术。光学相干层析人眼结构成像技术是利用低相干原理的迈克尔逊干涉仪，主要有三种技术方案：时域光学相干层析技术、谱域光学相干层析技术、扫频光学相干层析技术。时域光学相干层析技术是第一代光学相干层析技术，其利用照射在生物组织上散射的弹道光子、蛇形光子与参考臂上的反射光发生干涉，产生干涉条纹，利用干涉条纹信息计算出散射组织的结构信息，但该方法的扫描速度有限；谱域光学相干层析技术是第二代光学相干层析技术，该技术利用宽带光源低相干原理，利用波长的变化实现扫描深度的变化，该方法探测精度虽然高，但是探测范围却相对有限；扫频光学相干层析技术是第三代光学相干层析技术，该技术与谱域光学相干层析技术都是傅里叶域光学相干层析技术，虽然扫描速度快、扫描深度大、采集信号信噪比高，但是，由于是离散波长采样，检测结果精度相比于谱域光学相干层析技术有所降低。前述三种光学相干层析技术由于结合使用时光路构建较为复杂和困难，因此在现有技术中通常单独使用，因此仅能够具备单一的性能，无法兼顾多种性能。

目前，针对术后后囊膜白内障尚无特效治疗药物，只能采用手术治疗，这给患者带来不便。传统飞秒激光辅助白内障手术缺乏能够同时实现大量程和高精度的人眼结构成像的***，而且晶状体和后囊膜的位置和边界的检测精度低，容易产生超声乳化对后囊膜造成损伤或残余晶状体上皮细胞在晶状体后膜生长而引发术后白内障的情况。

发明内容

本发明的一目的是，提供一种双模式偏振光学相干成像***及其成像方法，所述双模式偏振光学相干成像***可实现大量程和高精度的人眼结构成像，提高晶状体和后囊膜的位置和边界的检测精度，避免产生超声乳化对后囊膜造成损伤或残余晶状体上皮细胞在晶状体后膜生长而引发术后白内障的情况。

本发明在一方面提供了一种双模式偏振光学相干成像***，包括通过电信号通路连接的第一偏振光学相干成像***、第二偏振光学相干成像***、中央处理单元以及数据寄存器，和通过光纤连接的偏振分束立方、扫描振镜、第一光学通道、第二光学通道以及第一聚焦透镜；所述第一偏振光学相干成像***和所述第二偏振光学相干成像***分别通过光纤连接于所述偏振分束立方；

其中，所述第一偏振光学相干成像***和所述第二偏振光学相干成像***发出的扫描光束输入所述偏振分束立方中进行调制后形成相互正交的两束偏振光，所述偏振分束立方将相互正交的两束偏振光进行合束后输出第一合束光，所述第一合束光依次传输至所述扫描振镜和所述第一光学通道，在所述第一光学通道中进行分光，分光后的光束进入所述第二光学通道反射后再次进入所述第一光学通道内进行合束，以输出第二合束光，所述第二合束光经所述第一聚焦透镜聚焦到目标成像区域，所述第二合束光经所述目标成像区域反射形成反射光束，所述反射光束经所述偏振分束立方进行分束而形成第一反射光束和第二反射光束，所述第一反射光束传输回所述第一偏振光学相干成像***与对应的反射宽带参考光束进行相干而产生第一相干光，所述第一相干光经光谱分析后传输至所述中央处理单元，所述第二反射光束传输回所述第二偏振光学相干成像***与对应的反射扫频参考光束进行外差探测处理后传输至所述中央处理单元，所述中央处理单元进行数据分析后，将分析结果传输至所述数据寄存器中保存。

在本发明的一实施例中，所述第一反射光束和所述第二反射光束互为正交偏振态。

在本发明的一实施例中，所述第一偏振光学相干成像***包括通过光纤连接的宽带光源、第一光纤耦合器、第一准直透镜、色散补偿器、第二聚焦透镜、反射镜以及通过光纤连接于所述第一光纤耦合器的光谱仪和第二准直透镜，其中，所述宽带光源发出的宽带光束经所述第一光纤耦合器分为宽带参考光束和宽带扫描光束，所述宽带参考光束通过光纤依次传输至所述第一准直透镜、所述色散补偿器、所述第二聚焦透镜以及所述反射镜后形成反射宽带参考光束，所述宽带扫描光束经所述第二准直透镜后形成宽带扫描平行光束，所述宽带扫描平行光束传输至所述偏振分束立方以获得所述第一反射光束，所述第一反射光束和所述反射宽带参考光束传输至所述第一光纤耦合器中进行相干而产生所述第一相干光，所述第一相干光传输至所述光谱仪中进行光谱分析。

在本发明的一实施例中，所述光谱仪包括通过光纤依次连接的第三准直透镜、反射式光栅、透射式光栅、柱面透镜以及线阵扫描相机，其中所述第一相干光入射至所述第三准直透镜后形成平行相干光，所述平行相干光入射到所述反射式光栅中进行一级分光而得到一级分光光束，所述一级分光光束入射到所述透射式光栅中进行二级分光而得到二级分光光束，所述二级分光光束通过所述柱面透镜聚焦到所述线阵扫描相机中获取干涉光谱信息。

在本发明的一实施例中，所述第一偏振光学相干成像***还包括直线位移平台，所述反射镜设置于所述直线位移平台上，所述直线位移平台由音圈电机驱动移动，用于调整所述反射镜和所述第二聚焦透镜之间的距离。

在本发明的一实施例中，所述第二偏振光学相干成像***包括通过光纤连接的扫频光源、第二光纤耦合器、第三光纤耦合器、光纤起偏器组件、扩束器组件、平行反射器组件、移频器、平衡探测器、高速采集卡、扫描触发器以及第四准直透镜，所述光纤起偏器组件包括第一光纤起偏器和第二光纤起偏器，所述扩束器组件包括第一扩束器和第二扩束器，所述平行反射器组件包括第一平行反射器和第二平行发射器，其中，所述扫频光源发出的光束经所述第二光纤耦合器分为第一光束和第二光束，所述第一光束通过光纤传输至所述扫描触发器，所述第二光束经所述第三光纤耦合器分为扫频参考光束和扫频扫描光束，所述扫频参考光束依次传输至所述第一光纤起偏器、所述第一扩束器后经由所述第一平行反射器和所述第二平行反射器反射形成反射扫频参考光束，所述反射扫频参考光束依次传输至所述第二扩束器、所述移频器、所述第二光纤起偏器后传输至所述平衡探测器，所述扫频扫描光束经所述第四准直透镜形成扫频扫描平行光束，所述扫频扫描平行光束传输至所述偏振分束立方以获得所述第二反射光束，所述第二反射光束和所述反射扫频参考光束传输至所述平衡探测器中进行外差探测处理，最后依次传输至所述高速采集卡和所述中央处理单元。

在本发明的一实施例中，所述扫描触发器包括通过光纤依次连接的光电探测器、光纤环形器以及光纤布拉格光栅，所述光纤布拉格光栅用于产生一个稳定相位的扫描触发信号，以消除固定模式的噪声。

在本发明的一实施例中，所述双模式偏振光学相干成像***还包括高速相机，所述高速相机通过电信号通路连接于所述数据寄存器并通过光纤连接于所述第一光学通道，用于实时呈现所述目标成像区域的图像。

本发明在另一方面还提供了一种双模式偏振光学相干成像***的成像方法，包括以下步骤：

A、第一偏振光学相干成像***和第二偏振光学相干成像***发出的扫描光束传输至偏振分束立方中进行调制后形成相互正交的两束偏振光，所述偏振分束立方将相互正交的两束偏振光进行合束后输出第一合束光；

B、所述第一合束光依次传输至扫描振镜和第一光学通道，在所述第一光学通道中进行分光，分光后的光束进入第二光学通道反射后再次进入所述第一光学通道内进行合束，以输出第二合束光；

C、所述第二合束光经第一聚焦透镜聚焦到目标成像区域，所述第二合束光经所述目标成像区域反射形成反射光束，所述反射光束经所述偏振分束立方进行分束而形成第一反射光束和第二反射光束；

D、所述第一反射光束传输回所述第一偏振光学相干成像***与对应的反射宽带参考光束进行相干而产生第一相干光，所述第一相干光经光谱分析后传输至中央处理单元；

E、所述第二反射光束传输回所述第二偏振光学相干成像***与对应的反射扫频参考光束进行外差探测处理后传输至所述中央处理单元；

F、所述中央处理单元进行数据分析后，将分析结果传输至所述数据寄存器中保存。

在本发明的一实施例中，所述步骤D具体包括步骤：

D1、宽带光源发出的宽带光束经第一光纤耦合器分为宽带参考光束和宽带扫描光束；

D2、所述宽带参考光束通过光纤依次传输至第一准直透镜、色散补偿器、第二聚焦透镜以及反射镜后形成反射宽带参考光束；

D3、所述宽带扫描光束经第二准直透镜后形成宽带扫描平行光束，所述宽带扫描平行光束传输至所述偏振分束立方以获得所述第一反射光束；

D4、所述第一反射光束和所述反射宽带参考光束传输至所述第一光纤耦合器中进行相干而产生所述第一相干光，所述第一相干光传输至光谱仪中进行光谱分析。

在本发明的一实施例中，在所述步骤D4中，所述第一相干光进行光谱分析的具体步骤为：

D41、所述第一相干光入射至所述光谱仪的第三准直透镜后形成平行相干光；

D42、所述平行相干光入射到所述光谱仪的反射式光栅中进行一级分光而得到一级分光光束；

D43、所述一级分光光束入射到所述光谱仪的透射式光栅中进行二级分光而得到二级分光光束；

D44、所述二级分光光束通过所述光谱仪的柱面透镜聚焦到所述光谱仪的线阵扫描相机中获取干涉光谱信息。

在本发明的一实施例中，所述步骤E具体包括步骤:

E1、扫频光源发出的光束经第二光纤耦合器分为第一光束和第二光束；

E2、所述第一光束通过光纤传输至扫描触发器；

E3、所述第二光束经第三光纤耦合器分为扫频参考光束和扫频扫描光束；

E4、所述扫频参考光束依次传输至第一光纤起偏器、第一扩束器后经由第一平行反射器和第二平行反射器反射形成反射扫频参考光束，所述反射扫频参考光束依次传输至第二扩束器、移频器、第二光纤起偏器后传输至平衡探测器；

E5、所述扫频扫描光束经第四准直透镜形成扫频扫描平行光束，所述扫频扫描平行光束传输至所述偏振分束立方以获得所述第二反射光束；

E6、所述第二反射光束和所述反射扫频参考光束传输至所述平衡探测器中进行外差探测处理，最后依次传输至高速采集卡和所述中央处理单元。

本发明的所述双模式偏振光学相干成像***的所述第一偏振光学相干成像***具有谱域光学相干层析技术所具备的高精度成像的优势，所述第二偏振光学相干成像***具有扫频光学相干层析技术所具备的扫描速度快、扫描深度大、采集信号信噪比高、深度成像的优势，因此所述双模式偏振光学相干成像***能够实现大量程和高精度的人眼结构成像，满足现有的白内障手术的检测需求。

本发明的所述双模式偏振光学相干成像***利用正交偏振光测量的方式，使得所述第一偏振光学相干成像***和所述第二偏振光学相干成像***发出的扫描光束不会相互之间产生串扰，而且由于自然环境中偏振光极少，能够避免工作过程中的杂散光的干扰，测量结果信噪比高，检测精度高。

本发明通过结合正交偏振测量方式、谱域光学相干层析技术以及扫频光学相干层析技术的方式，能够降低共光路测量中对单模光纤色散性能以及二向色镜镀膜性能的苛刻要求，以此有利于降低所述双模式偏振光学相干成像***的整体光路构建的难度，使得所述双模式偏振光学相干成像***的整体光路结构简单、易于实现以及构建成本低。

通过对随后的描述和附图的理解，本发明进一步的目的和优势将得以充分体现。

附图说明

图1为根据本发明的一优选实施例的所述双模式偏振光学相干成像***的光路结构示意图。

图2为根据本发明的上述优选实施例的所述双模式偏振光学相干成像***的第一偏振光学相干成像***的光路结构示意图。

图3为根据本发明的上述优选实施例的所述双模式偏振光学相干成像***的光谱仪的光路结构示意图。

图4为根据本发明的上述优选实施例的所述双模式偏振光学相干成像***的第二偏振光学相干成像***的光路结构示意图。

图5为根据本发明的上述优选实施例的所述双模式偏振光学相干成像***的扫描触发器的光路结构示意图。

图6为根据本发明的上述优选实施例的所述双模式偏振光学相干成像***的成像方法流程框图。

附图标号说明：第一偏振光学相干成像***100；宽带光源1；第一光纤耦合器2；第一准直透镜4；色散补偿器5；第二聚焦透镜6；反射镜7；直线位移平台8；第二准直透镜9；光谱仪3；第三准直透镜31；反射式光栅32；透射式光栅33；柱面透镜34；线阵扫描相机35；第二偏振光学相干成像***101；扫频光源27；第二光纤耦合器26；第三光纤耦合器25；光纤起偏器组件29；扩束器组件21；平行反射器组件20；移频器22；平衡探测器23；高速采集卡24；扫描触发器28；光电探测器281；光纤环形器282；光纤布拉格光栅283；第四准直透镜18；中央处理单元16；数据寄存器17；偏振分束立方10；扫描振镜11；第一光学通道13；第二光学通道14；第一聚焦透镜15；高速相机12；人眼19。

具体实施方式

以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、形变方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。

本领域技术人员应理解的是，在本发明的揭露中，术语“竖向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底” “内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。

可以理解的是，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个，术语“一”不能理解为对数量的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1至图6所示，根据本发明的一优选实施例的双模式偏振光学相干成像***的具体结构和成像方法的具体步骤被阐明。

如图1至图5所示，所述双模式偏振光学相干成像***包括通过电信号通路连接的第一偏振光学相干成像***100、第二偏振光学相干成像***101、中央处理单元16以及数据寄存器17，和通过光纤连接的偏振分束立方10、扫描振镜11、第一光学通道13、第二光学通道14以及第一聚焦透镜15；所述第一偏振光学相干成像***100和所述第二偏振光学相干成像***101分别通过光纤连接于所述偏振分束立方10；其中，所述第一偏振光学相干成像***100和所述第二偏振光学相干成像***101发出的扫描光束输入所述偏振分束立方10中进行调制后形成相互正交的两束偏振光，所述偏振分束立方10将相互正交的两束偏振光进行合束后输出第一合束光，所述第一合束光依次传输至所述扫描振镜11和所述第一光学通道13，在所述第一光学通道13中进行分光，分光后的光束进入所述第二光学通道14反射后再次进入所述第一光学通道13内进行合束，以输出第二合束光，所述第二合束光经所述第一聚焦透镜15聚焦到目标成像区域，所述第二合束光经所述目标成像区域反射形成反射光束，所述反射光束经所述偏振分束立方10进行分束而形成第一反射光束和第二反射光束，所述第一反射光束传输回所述第一偏振光学相干成像***100与对应的反射宽带参考光束进行相干而产生第一相干光，所述第一相干光经光谱分析后传输至所述中央处理单元16，所述第二反射光束传输回所述第二偏振光学相干成像***101与对应的反射扫频参考光束进行外差探测处理后传输至所述中央处理单元16，所述中央处理单元16进行数据分析后，将分析结果传输至所述数据寄存器17中保存。

应该理解的是，在本发明的这一优选实施例中，所述目标成像区域为人眼19。也就是说，本发明的所述双模式偏振光学相干成像***能够用于飞秒激光白内障手术，实现大量程和高精度的人眼结构成像。在本发明的一些实施例中，所述双模式偏振光学相干成像***也可以用于切割技术领域、测量技术领域，本发明对所述双模式偏振光学相干成像***的应用领域不作限制。

特别地，经过人眼组织的散射作用，弹道光子和蛇形光子反射后沿着原来的路径返回，返回后的所述第一反射光束和所述第二反射光束依然互为正交偏振态。也就是说，所述双模式偏振光学相干成像***的所述第一偏振光学相干成像***100和所述第二偏振光学相干成像***101之间发出的对眼睛进行测量成像的扫描光束和接收由眼睛反射形成的反射光束均为正交偏振状态，因此，所述第一偏振光学相干成像***100和所述第二偏振光学相干成像***101发出的扫描光束和接收的反射光束均不会相互之间产生串扰，而且两者是一对相互耦合的成像***。

换句话说，所述双模式偏振光学相干成像***利用正交偏振光测量的方式，使得所述第一偏振光学相干成像***100和所述第二偏振光学相干成像***101发出的扫描光束和接收的反射光束不会相互之间产生串扰，而且由于自然环境中偏振光极少，能够避免工作过程中的杂散光的干扰，因此所述双模式偏振光学相干成像***的测量结果信噪比高，检测精度高。

还可以理解的是，所述双模式偏振光学相干成像***的所述第一偏振光学相干成像***100具有谱域光学相干层析技术所具备的高精度成像的优势，所述第二偏振光学相干成像***101具有扫频光学相干层析技术所具备的扫描速度快、扫描深度大、采集信号信噪比高、深度成像的优势，因此所述双模式偏振光学相干成像***能够实现大量程和高精度的人眼结构成像，满足现有的白内障手术的检测需求。

另外，通过结合正交偏振测量方式、谱域光学相干层析技术以及扫频光学相干层析技术的方式，能够降低共光路测量中对单模光纤色散性能以及二向色镜镀膜性能的苛刻要求，以此有利于降低所述双模式偏振光学相干成像***的整体光路构建的难度，使得所述双模式偏振光学相干成像***的整体光路结构简单、易于实现以及构建成本低。

值得一提的是，所述中央处理单元16为计算机。

如图2所示，所述第一偏振光学相干成像***100的具体光路结构被阐明。具体地，所述第一偏振光学相干成像***100包括通过光纤连接的宽带光源1、第一光纤耦合器2、第一准直透镜4、色散补偿器5、第二聚焦透镜6、反射镜7以及通过光纤连接于所述第一光纤耦合器2的光谱仪3和第二准直透镜9，其中，所述宽带光源1发出的宽带光束经所述第一光纤耦合器2分为宽带参考光束和宽带扫描光束，所述宽带参考光束通过光纤依次传输至所述第一准直透镜4、所述色散补偿器5、所述第二聚焦透镜6以及所述反射镜7后形成反射宽带参考光束，所述宽带扫描光束经所述第二准直透镜9后形成宽带扫描平行光束，所述宽带扫描平行光束传输至所述偏振分束立方10以获得所述第一反射光束，所述第一反射光束和所述反射宽带参考光束传输至所述第一光纤耦合器2中进行相干而产生所述第一相干光，所述第一相干光传输至所述光谱仪3中进行光谱分析。

应该理解的是，所述第一偏振光学相干成像***100发出的扫描光束输入所述偏振分束立方10中的扫描光束指的是所述宽带扫描平行光束。

值得一提的是，所述宽带光源1中心波长为840nm。

更具体地，如图3所示，所述光谱仪3包括通过光纤依次连接的第三准直透镜31、反射式光栅32、透射式光栅33、柱面透镜34以及线阵扫描相机35，其中所述第一相干光入射至所述第三准直透镜31后形成平行相干光，所述平行相干光入射到所述反射式光栅32中进行一级分光而得到一级分光光束，所述一级分光光束入射到所述透射式光栅33中进行二级分光而得到二级分光光束，所述二级分光光束通过所述柱面透镜34聚焦到所述线阵扫描相机35中获取干涉光谱信息，最后传输至所述中央处理单元16进行数据分析，再传输至所述数据寄存器17中进行数据保存。

值得一提的是，所述第一偏振光学相干成像***100还包括直线位移平台8，所述反射镜7设置于所述直线位移平台8上，所述直线位移平台8由音圈电机驱动移动，用于调整所述反射镜7和所述第二聚焦透镜6之间的距离。

可以理解的是，由于在现有技术中谱域光学相干层析探测技术的有效探测深度约为3mm，不足以覆盖整个晶状体及前后囊膜约8mm的探测，因此本发明的所述第一偏振光学相干成像***100采用音圈电机驱动所述直线位移平台8的方式，实现探测深度可变化的成像探测模块，以能够满足所述双模式偏振光学相干成像***的大量程扫描成像的需求。

还可以理解的是，在一方面，所述双模式偏振光学相干成像***利用音圈电机高速的动态响应能力补偿由于人眼沿着光轴方向的颤动所引入的测量误差；在另一方面，所述双模式偏振光学相干成像***利用音圈电机驱动所述直线位移平台8在一维方向的移动，完成探测范围的轴向平移。

如图4所示，所述第二偏振光学相干成像***101的具体光路结构被阐明，具体地，所述第二偏振光学相干成像***101包括通过光纤连接的扫频光源27、第二光纤耦合器26、第三光纤耦合器25、光纤起偏器组件29、扩束器组件21、平行反射器组件20、移频器22、平衡探测器23、高速采集卡24、扫描触发器28以及第四准直透镜18，所述光纤起偏器组件29包括第一光纤起偏器和第二光纤起偏器，所述扩束器组件21包括第一扩束器和第二扩束器，所述平行反射器组件20包括第一平行反射器和第二平行发射器，其中，所述扫频光源27发出的光束经所述第二光纤耦合器26分为第一光束和第二光束，所述第一光束通过光纤传输至所述扫描触发器28，所述第二光束经所述第三光纤耦合器25分为扫频参考光束和扫频扫描光束，所述扫频参考光束依次传输至所述第一光纤起偏器、所述第一扩束器后经由所述第一平行反射器和所述第二平行反射器反射形成反射扫频参考光束，所述反射扫频参考光束依次传输至所述第二扩束器、所述移频器22、所述第二光纤起偏器后传输至所述平衡探测器23，所述扫频扫描光束经所述第四准直透镜18形成扫频扫描平行光束，所述扫频扫描平行光束传输至所述偏振分束立方10以获得所述第二反射光束，所述第二反射光束和所述反射扫频参考光束传输至所述平衡探测器23中进行外差探测处理，最后依次传输至所述高速采集卡24和所述中央处理单元16。

应该理解的是，所述第二偏振光学相干成像***101发出的扫描光束输入所述偏振分束立方10中的扫描光束指的是所述扫频扫描平行光束。

值得一提的是，所述扫频光源27的中心波长为1310nm。

可以理解的是，由于所述第二偏振光学相干成像***101具有扫频光学相干层析技术所具备的探测深度大、扫描速度快的特点，利用扫频光学相干层析技术能够探测人眼关键位置点数据，以有利于快速重建人眼三维结构模型，实现人眼空间位姿的实时跟踪。

还可以理解的是，所述第二反射光束和所述反射扫频参考光束传输至所述平衡探测器23中进行外差探测处理，能够避免由于受到环境温度、湿度、振动等因素影响而引起的背景噪声影响。

值得一提的是，所述第二偏振光学相干成像***101采用了所述移频器22来扩展成像深度，能够实现从角膜顶表面到晶状体后囊膜的整个人眼前节成像。

更具体地，如图5所示，所述扫描触发器28包括通过光纤依次连接的光电探测器281、光纤环形器282以及光纤布拉格光栅283，所述光纤布拉格光栅283用于产生一个稳定相位的扫描触发信号，以消除固定模式的噪声。

值得一提的是，在本发明的这一优选实施例中，所述扫描触发器28为A-scan触发器，所述光纤布拉格光栅283用于产生一个稳定相位的A-scan触发信号，以代替信号源中的A扫描触发信号，从而消除固定模式的噪声。

此外，还值得一提的是，所述双模式偏振光学相干成像***还包括高速相机12，所述高速相机12通过电信号通路连接于所述数据寄存器17并通过光纤连接于所述第一光学通道13，用于实时呈现所述目标成像区域的图像。

可以理解的是，所述双模式偏振光学相干成像***在进行人眼结构成像过程中可实时观察。在所述双模式偏振光学相干成像***用于辅助飞秒激光白内障手术时，医生可以通过高速相机12实时观察患者手术进程，同时所述双模式偏振光学相干成像***对人眼结构实时成像，能够同时完成人眼结构三维模型成像和手术实施过程观察。

如图6所示，本发明在另一方面还提供了一种双模式偏振光学相干成像***的成像方法，包括以下步骤：

A、所述第一偏振光学相干成像***100和所述第二偏振光学相干成像***101发出的扫描光束传输至偏振分束立方10中进行调制后形成相互正交的两束偏振光，所述偏振分束立方10将相互正交的两束偏振光进行合束后输出第一合束光；

B、所述第一合束光依次传输至扫描振镜11和第一光学通道13，在所述第一光学通道13中进行分光，分光后的光束进入第二光学通道14反射后再次进入所述第一光学通道13内进行合束，以输出第二合束光；

C、所述第二合束光经所述第一聚焦透镜15聚焦到目标成像区域，所述第二合束光经所述目标成像区域反射形成反射光束，所述反射光束经所述偏振分束立方10进行分束而形成第一反射光束和第二反射光束；

D、所述第一反射光束传输回所述第一偏振光学相干成像***100与对应的反射宽带参考光束进行相干而产生第一相干光，所述第一相干光经光谱分析后传输至所述中央处理单元16；

E、所述第二反射光束传输回所述第二偏振光学相干成像***101与对应的反射扫频参考光束进行外差探测处理后传输至所述中央处理单元16；

F、所述中央处理单元16进行数据分析后，将分析结果传输至所述数据寄存器17中保存。

具体地，所述步骤D具体包括步骤：

D1、宽带光源1发出的宽带光束经第一光纤耦合器2分为宽带参考光束和宽带扫描光束；

D2、所述宽带参考光束通过光纤依次传输至第一准直透镜4、色散补偿器5、第二聚焦透镜6以及反射镜7后形成反射宽带参考光束；

D3、所述宽带扫描光束经第二准直透镜9后形成宽带扫描平行光束，所述宽带扫描平行光束传输至所述偏振分束立方10以获得所述第一反射光束；

D4、所述第一反射光束和所述反射宽带参考光束传输至所述第一光纤耦合器2中进行相干而产生所述第一相干光，所述第一相干光传输至光谱仪3中进行光谱分析。

更具体地，在所述步骤D4中，所述第一相干光进行光谱分析的具体步骤为：

D41、所述第一相干光入射至所述光谱仪3的第三准直透镜31后形成平行相干光；

D42、所述平行相干光入射到所述光谱仪3的反射式光栅32中进行一级分光而得到一级分光光束；

D43、所述一级分光光束入射到所述光谱仪3的透射式光栅33中进行二级分光而得到二级分光光束；

D44、所述二级分光光束通过所述光谱仪3的柱面透镜34聚焦到所述光谱仪3的线阵扫描相机35中获取干涉光谱信息。

进一步地，所述步骤E具体包括步骤:

E1、扫频光源27发出的光束经第二光纤耦合器26分为第一光束和第二光束；

E2、所述第一光束通过光纤传输至扫描触发器28；

E3、所述第二光束经第三光纤耦合器25分为扫频参考光束和扫频扫描光束；

E4、所述扫频参考光束依次传输至第一光纤起偏器、第一扩束器后经由第一平行反射器和第二平行反射器反射形成反射扫频参考光束，所述反射扫频参考光束依次传输至第二扩束器、移频器22、第二光纤起偏器后传输至平衡探测器23；

E5、所述扫频扫描光束经第四准直透镜18形成扫频扫描平行光束，所述扫频扫描平行光束传输至所述偏振分束立方10以获得所述第二反射光束；

E6、所述第二反射光束和所述反射扫频参考光束传输至所述平衡探测器23中进行外差探测处理，最后依次传输至高速采集卡24和所述中央处理单元16。

本发明提供了一种双模式偏振光学相干层析成像***及其成像方法，利用偏振光探测技术，将所述第一偏振光学相干成像***100和所述第二偏振光学相干成像***101通过偏振分束立方和光纤起偏器组件构建一对正交偏振光结构，在探测时互不发生串扰，不易受到杂散光的干扰。而且，利用所述第二偏振光学相干成像***101具备的扫描速度快，扫描深度大的特点对人眼结构进行粗测量并锁定关心区域，然后由所述第一偏振光学相干成像***100实现关心区域的高分辨率成像，解决现有技术中无法兼顾大量程、高精度的人眼结构成像的问题，可同时实现大量程和高精度的人眼结构测量，满足飞秒激光白内障手术的检测要求。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上实施例仅表达了本发明的优选的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (12)

1.一种双模式偏振光学相干成像***，其特征在于，包括通过电信号通路连接的第一偏振光学相干成像***、第二偏振光学相干成像***、中央处理单元以及数据寄存器，和通过光纤连接的偏振分束立方、扫描振镜、第一光学通道、第二光学通道以及第一聚焦透镜；所述第一偏振光学相干成像***和所述第二偏振光学相干成像***分别通过光纤连接于所述偏振分束立方；

其中，所述第一偏振光学相干成像***和所述第二偏振光学相干成像***发出的扫描光束输入所述偏振分束立方中进行调制后形成相互正交的两束偏振光，所述偏振分束立方将相互正交的两束偏振光进行合束后输出第一合束光，所述第一合束光依次传输至所述扫描振镜和所述第一光学通道，在所述第一光学通道中进行分光，分光后的光束进入所述第二光学通道反射后再次进入所述第一光学通道内进行合束，以输出第二合束光，所述第二合束光经所述第一聚焦透镜聚焦到目标成像区域，所述第二合束光经所述目标成像区域反射形成反射光束，所述反射光束经所述偏振分束立方进行分束而形成第一反射光束和第二反射光束，所述第一反射光束传输回所述第一偏振光学相干成像***与对应的反射宽带参考光束进行相干而产生第一相干光，所述第一相干光经光谱分析后传输至所述中央处理单元，所述第二反射光束传输回所述第二偏振光学相干成像***与对应的反射扫频参考光束进行外差探测处理后传输至所述中央处理单元，所述中央处理单元进行数据分析后，将分析结果传输至所述数据寄存器中保存。

2.根据权利要求1所述的双模式偏振光学相干成像***，其特征在于，所述第一反射光束和所述第二反射光束互为正交偏振态。

3.根据权利要求2所述的双模式偏振光学相干成像***，其特征在于，所述第一偏振光学相干成像***包括通过光纤连接的宽带光源、第一光纤耦合器、第一准直透镜、色散补偿器、第二聚焦透镜、反射镜以及通过光纤连接于所述第一光纤耦合器的光谱仪和第二准直透镜，其中，所述宽带光源发出的宽带光束经所述第一光纤耦合器分为宽带参考光束和宽带扫描光束，所述宽带参考光束通过光纤依次传输至所述第一准直透镜、所述色散补偿器、所述第二聚焦透镜以及所述反射镜后形成反射宽带参考光束，所述宽带扫描光束经所述第二准直透镜后形成宽带扫描平行光束，所述宽带扫描平行光束传输至所述偏振分束立方以获得所述第一反射光束，所述第一反射光束和所述反射宽带参考光束传输至所述第一光纤耦合器中进行相干而产生所述第一相干光，所述第一相干光传输至所述光谱仪中进行光谱分析。

4.根据权利要求3所述的双模式偏振光学相干成像***，其特征在于，所述光谱仪包括通过光纤依次连接的第三准直透镜、反射式光栅、透射式光栅、柱面透镜以及线阵扫描相机，其中所述第一相干光入射至所述第三准直透镜后形成平行相干光，所述平行相干光入射到所述反射式光栅中进行一级分光而得到一级分光光束，所述一级分光光束入射到所述透射式光栅中进行二级分光而得到二级分光光束，所述二级分光光束通过所述柱面透镜聚焦到所述线阵扫描相机中获取干涉光谱信息。

5.根据权利要求3所述的双模式偏振光学相干成像***，其特征在于，所述第一偏振光学相干成像***还包括直线位移平台，所述反射镜设置于所述直线位移平台上，所述直线位移平台由音圈电机驱动移动，用于调整所述反射镜和所述第二聚焦透镜之间的距离。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的双模式偏振光学相干成像***，其特征在于，所述第二偏振光学相干成像***包括通过光纤连接的扫频光源、第二光纤耦合器、第三光纤耦合器、光纤起偏器组件、扩束器组件、平行反射器组件、移频器、平衡探测器、高速采集卡、扫描触发器以及第四准直透镜，所述光纤起偏器组件包括第一光纤起偏器和第二光纤起偏器，所述扩束器组件包括第一扩束器和第二扩束器，所述平行反射器组件包括第一平行反射器和第二平行发射器，其中，所述扫频光源发出的光束经所述第二光纤耦合器分为第一光束和第二光束，所述第一光束通过光纤传输至所述扫描触发器，所述第二光束经所述第三光纤耦合器分为扫频参考光束和扫频扫描光束，所述扫频参考光束依次传输至所述第一光纤起偏器、所述第一扩束器后经由所述第一平行反射器和所述第二平行反射器反射形成反射扫频参考光束，所述反射扫频参考光束依次传输至所述第二扩束器、所述移频器、所述第二光纤起偏器后传输至所述平衡探测器，所述扫频扫描光束经所述第四准直透镜形成扫频扫描平行光束，所述扫频扫描平行光束传输至所述偏振分束立方以获得所述第二反射光束，所述第二反射光束和所述反射扫频参考光束传输至所述平衡探测器中进行外差探测处理，最后依次传输至所述高速采集卡和所述中央处理单元。

7.根据权利要求6所述的双模式偏振光学相干成像***，其特征在于，所述扫描触发器包括通过光纤依次连接的光电探测器、光纤环形器以及光纤布拉格光栅，所述光纤布拉格光栅用于产生一个稳定相位的扫描触发信号，以消除固定模式的噪声。

8.根据权利要求7所述的双模式偏振光学相干成像***，其特征在于，所述双模式偏振光学相干成像***还包括高速相机，所述高速相机通过电信号通路连接于所述数据寄存器并通过光纤连接于所述第一光学通道，用于实时呈现所述目标成像区域的图像。

9.一种双模式偏振光学相干成像***的成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

A、第一偏振光学相干成像***和第二偏振光学相干成像***发出的扫描光束传输至偏振分束立方中进行调制后形成相互正交的两束偏振光，所述偏振分束立方将相互正交的两束偏振光进行合束后输出第一合束光；

B、所述第一合束光依次传输至扫描振镜和第一光学通道，在所述第一光学通道中进行分光，分光后的光束进入第二光学通道反射后再次进入所述第一光学通道内进行合束，以输出第二合束光；

C、所述第二合束光经第一聚焦透镜聚焦到目标成像区域，所述第二合束光经所述目标成像区域反射形成反射光束，所述反射光束经所述偏振分束立方进行分束而形成第一反射光束和第二反射光束；

D、所述第一反射光束传输回所述第一偏振光学相干成像***与对应的反射宽带参考光束进行相干而产生第一相干光，所述第一相干光经光谱分析后传输至中央处理单元；

E、所述第二反射光束传输回所述第二偏振光学相干成像***与对应的反射扫频参考光束进行外差探测处理后传输至所述中央处理单元；

F、所述中央处理单元进行数据分析后，将分析结果传输至数据寄存器中保存。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述步骤D具体包括步骤：

D1、宽带光源发出的宽带光束经第一光纤耦合器分为宽带参考光束和宽带扫描光束；

D2、所述宽带参考光束通过光纤依次传输至第一准直透镜、色散补偿器、第二聚焦透镜以及反射镜后形成反射宽带参考光束；

D3、所述宽带扫描光束经第二准直透镜后形成宽带扫描平行光束，所述宽带扫描平行光束传输至所述偏振分束立方以获得所述第一反射光束；

D4、所述第一反射光束和所述反射宽带参考光束传输至所述第一光纤耦合器中进行相干而产生所述第一相干光，所述第一相干光传输至光谱仪中进行光谱分析。

11.根据权利要求10所述方法，其特征在于，在所述步骤D4中，所述第一相干光进行光谱分析的具体步骤为：

D41、所述第一相干光入射至所述光谱仪的第三准直透镜后形成平行相干光；

D42、所述平行相干光入射到所述光谱仪的反射式光栅中进行一级分光而得到一级分光光束；

D43、所述一级分光光束入射到所述光谱仪的透射式光栅中进行二级分光而得到二级分光光束；

D44、所述二级分光光束通过所述光谱仪的柱面透镜聚焦到所述光谱仪的线阵扫描相机中获取干涉光谱信息。

12.根据权利要求9-11中任一项所述方法，其特征在于，所述步骤E具体包括步骤:

E1、扫频光源发出的光束经第二光纤耦合器分为第一光束和第二光束；

E2、所述第一光束通过光纤传输至扫描触发器；

E3、所述第二光束经第三光纤耦合器分为扫频参考光束和扫频扫描光束；

E4、所述扫频参考光束依次传输至第一光纤起偏器、第一扩束器后经由第一平行反射器和第二平行反射器反射形成反射扫频参考光束，所述反射扫频参考光束依次传输至第二扩束器、移频器、第二光纤起偏器后传输至平衡探测器；

E5、所述扫频扫描光束经第四准直透镜形成扫频扫描平行光束，所述扫频扫描平行光束传输至所述偏振分束立方以获得所述第二反射光束；

E6、所述第二反射光束和所述反射扫频参考光束传输至所述平衡探测器中进行外差探测处理，最后依次传输至高速采集卡和所述中央处理单元。

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