专利名称：一种提高光学相干层析成像系统焦深范围的方法
技术领域：
本发明涉及光学相干层析成像技术，尤其涉及一种提高光学相干层析成像系统焦
深范围的方法。
背景技术：
光学相干层析成像(Optical Coherence Tomography,简称OCT)是一种新兴的光学成像技术，相对于传统的医学临床成像手段来说，具有分辨率高、成像速度快、无辐射损伤、价格适中、结构紧凑等优点，是基础医学研究和临床诊断应用的重要潜在工具。
传统的光学成像系统中，纵向分辨率和横向分辨率是相互影响的。然而光学相干层析成像系统的一个特点是，这两个分辨率是相互独立互不影响的。纵向分辨率的提高可以通过增加光源的带宽来实现；横向分辨率的提高是通过增大成像透镜的数值孔径来实现的。然而由瑞利准则的公式知道，横向分辨率的提高会导致焦深的减少。因此普通的成像透镜，在光斑大小一定的情况下焦深都很小，从而降低的图像的清晰度。焦深是指特定光学系统允许在焦面或像面位置的变化范围，在众多光学调焦系统中都占据及其重要的位置。提高焦深应是在保证一定的分辨率的前提下拉大焦深范围，即焦深范围内焦斑大小恒定。目前提高焦深的方法主要有1)改变数值孔径、2)折衍混合法、3)波前编码技术、4)轴锥镜(Axicon)和5)动态聚焦。但是这些方法分别存在一些局限性l)通过减小数值孔径的同时也降低了系统的光通量，造成图像的细节模糊；2)加工精度要求高，特别对于一些面型较复杂的衍射元件，可能已经超过现有的工艺分辨率；3)这些方法主要针对成像系统的离焦现象，焦深的扩大范围有限，而且系统比较复杂；4)经过后产生贝赛尔光，虽然贝赛尔光作为无衍射光束，但是根据贝赛尔光的特性知道，贝赛尔光是以环状进行传播的，因此光的利用效率不高；5)动态聚焦限制了成像速度，不能实现快速成像且体积庞大，不便于实现小型化。 分形波带片是根据分形几何原理得到的波带片，它不仅继承了普通波带片的优点，同时也带有自己显著地特点成像具有自相似性，焦距的长短可以根据要求设计，并且在主焦点附近会出现一系列的副焦点，通过优化设计可以使得主焦点和一系列的副焦点的光强实现均匀分布，用宽带光照明时各个波长的焦点会相互交叠，可以增大焦深范围；焦距可以自由设计，易于复制，成本低便于携带等，因此利用分形波带片也是一种新型的重要的提高焦深的光学元件。
发明内容
本发明的目的针对上述存在问题，提供一种分辨率高、成像速度快、焦深范围大、光利用效率高且结构简单、容易实施的提高光学相干层析成像系统焦深范围的方法。
本发明的技术方案 —种提高光学相干层析成像系统焦深范围的方法，在光学相干层析成像系统的样品臂中用分形波带片代替成像透镜，即所述光学相干层析成像系统包括宽带光源、2X2光
3纤耦合器、参考臂、样品臂、干涉光信号处理器和计算机，该样品臂由准直器和分形波带片组成。所述宽带光源为中心波长830nm、带宽200nm。 所述分形波带片为普通型或改进型，采用普通型分形波带片实现长焦深的功能时，明暗波带是等间距的，通过分形级次和分形段数来控制分形波带片聚焦后的特性；采用改进型分形波带片实现长焦深的功能时，通过控制透明波带与缺项的比值w来控制分形波带片聚焦后的特性。 所述干涉光信号处理器在频域光学相干层析成像系统中采用光谱仪和数据采集卡；在时域光学相干层析成像系统中采用平衡探测器和数据采集卡。
本发明的工作原理 分形波带片是由西班牙的Genaro Saavedra和Walter D. Furlan提出的
(OpticsLetters. 28， 12 (2003))，分形波带片是由按某一规律产生的多个同心圆环构成的，
其成像具有分形的特点并产生多焦点。在光学相干层析成像系统中，轴向分辨率和横向分
辨率分别是由光源的带宽和样品臂成像透镜的数值孔径决定的。轴向分辨率的提高可以通
过增加光源的带宽来实现，然而横向分辨率是与焦深密切相关的，并且是成反比关系，即提
高了横向分辨率也就意味着减小了焦深。在光学相干层析成像系统的样品臂上用分形波带
片代替成像透镜可以克服这个限制。因为分形波带片的特点是成像具有自相似性，对单色
光来说在主焦点附近有一系列的副焦点，对宽带光来说不同波长的焦点相互交叠从而使得
成像的焦深变长。准直光束入射到分形波带片上，并被分形波带片聚焦，在像空间会出现多
焦点，即在主焦点附近产生一系列的副焦点，随着分形波带片透过率函数的变化而变化，不
同波长的焦点之间会相互交叠，使得焦深变大。根据要求我们可以选择合适参数的分形波
带片来实现增大焦深的目的，提高图像的清晰度和对比度。 分形波带片的振幅型的透过率函数为<formula>formula see original document page 4</formula>
(1)
其中4 = (r。/a)2-0.5，p为波带片的周期，S为分形级数。
此表达式对应于振幅型的透过率函数。若透过率函数分布为二元型的，则振幅型和位相型式是可以相互转化的。 从2X2光纤耦合器的一个端口发出的光，先由准直器准直，然后入射到分形波带片上，并由其聚焦到样品上；从样品返回的反射光和散射光由分形波带片收集，再次回到准直器，然后在2 X 2光纤耦合器处与来自参考臂的参考光汇合并发生干涉。
根据菲涅耳近似，我们得到在距离透过率函数R出的光强分布为
<formula>formula see original document page 4</formula> 其中a是透过率函数的最大半径，A是入射光的中心波长。通过变量替换
; = (r。/a) 2_0. 5 ，使得q U ) = p (r。)，
我们得到经过分形波带片后的光强分布为<formula>formula see original document page 4</formula>(2)，
其中"=
2义及
是归一化的轴向坐标，因此光强分布是由透过率函数的傅里叶变换
决定的'
下面我们分别介绍普通型分形波带片和改进型分形波带片的工作原理c
普通型分形波带片是由菲涅耳波带片得到的，其周期分布为 =
2
为
(27V _ If
因此其透过率函数中的周期是由上式决定的。，
结合前面所给出的(1)、 (2)式子可以得到，经过普通型分形波带片后的光强分布
=4 sin
(2TV-i;f
y sinsin 普通型分形波带片的光强分布是由N和S决定的，只要控制N和S的取值，就能控制焦点的个数，从而也能控制焦深。 而改进型分形波带片是通过控制透明波带与缺项的比值w来优化普通型分形波带片的，经推导其周期分布为 ;
、v
1+丄
w乂
为
Mv+(iV-l)乂 v
则其透过率函数中的周期是由上式决定的。
结合前面所给出的(1)、 (2)式子可以得到，经过改进型分形波带片后的光强分布
<formula>formula see original document page 5</formula> 其中IGZP(u， N， S， w)是由下式决定<formula>formula see original document page 5</formula>sm 上式中M是分形波带片透明波带的数目，从改进型分形波带片的光强分布公式得
知改进型分形波带片是由N、S、w决定的。改进型分形波带片是在普通型分形波带片的基础
上进行了优化，使得各个波长交叠后焦深变大的同时能量分布也趋于均匀分布。 本发明的优点是1)该方法结构简单、易于实施、成本低廉，只需将常规光学相干
层析成像样品臂的普通透镜用分形波带片代替即可；2)由普通透镜成像，往往使得成像深
度与分辨率相互影响，图像的清晰度下降，利用分形波带片能够克服这一障碍，使得焦深变
大的同时分辨率保持不变甚至提高；3)提高能量的利用效率。
图2为普通型分形波带片N = 2， S = 3，取波长为G = 700nm， B = 800nm和R =900nm时的焦深图。 图3为改进型分形波带片N = 2， S = 3， w = 2，取波长为G = 700nm， B = 800nm和R = 900nm时的焦深图。 图中l.宽带光源 2.2X2光纤耦合器 3.参考臂 4.干涉光信号处理器5.计算机6.准直器7.分形波带片8.样品
具体实施方式
实施例1 : 光学相干层析成像系统包括宽带光源1、2X2光纤耦合器2、参考臂3、样品臂、干涉光信号转换器4和计算机5，所述样品臂由准直器6和分形波带片7组成；宽带光源为中心波长830nm、带宽200nm ;分形波带片为普通型，实现长焦深的功能时，明暗波带是等间距的，通过分形级次和分形段数来控制分形波带片聚焦后的特性；干涉光信号处理器采用光谱仪。 宽带光源1入射2X2光纤耦合器2，从2X2光纤耦合器2的一个端口发出的光，先由准直器6准直，然后入射到分形波带片7上，并由其聚焦到样品8上；从样品8返回的反射光和散射光由分形波带片7收集，再次回到准直器6，然后在光纤耦合器2处与来自参考臂3的参考光汇合并发生干涉，通过光谱仪转换后的干涉光信号，由计算机5进行显示和处理。 检测显示，该光学相干层析成像系统增大焦深的效果明显，见图2。 图2中我们用了三条曲线，其中曲线R代表波长为900nm的光，曲线B代表波
长为800nm的光，G曲线代表波长为700nm的光。我们利用带宽为200nm的宽带光是在
700nm-900nm之间，因此我们选取了其中的这三束光来表示宽带光。从图中可以看出，不同
波长的焦点相互交叠，使焦深得到提高。宽带光普通型分形波带片后的光强分布虽然有零
点的存在，但是总体上焦深得到了提高。 实施例2 : 光学相干层析成像系统组成与实施例1基本相同，但分形波带片为改进型，实现长焦深的功能时，通过控制透明波带与缺项的比值w来控制分形波带片聚焦后的特性；干涉光信号转换器采用平衡探测器和数据采集卡。光信号路线与实施例1基本相同，但干涉光信号由平衡探测器和数据采集卡进行探测和转换，同样由计算机5进行显示和处理。
检测显示，该光学相干层析成像系统增大焦深的效果明显，见图3。
图3中我们用了三条曲线，其中曲线R代表波长为900nm的光，曲线B代表波长为800nm的光，G曲线代表波长为700nm的光。我们利用带宽为200nm的宽带光是在700nm-900nm之间，因此我们选取了其中的这三束光来表示宽带光。从图中可以看出，不同波长的焦点相互交叠，使焦深得到提高。宽带光经改进型分形波带片后的光强分布没有零
权利要求
一种提高光学相干层析成像系统焦深范围的方法，其特征在于在光学相干层析成像系统的样品臂中用分形波带片代替成像透镜，即所述光学相干层析成像系统包括宽带光源、2×2光纤耦合器、参考臂、样品臂、干涉光信号处理器和计算机，该样品臂由准直器和分形波带片组成。
2. 根据权利要求1所述提高光学相干层析成像系统焦深范围的方法，其特征在于所述宽带光源为中心波长830nm、带宽200nm。
3. 根据权利要求1所述提高光学相干层析成像系统焦深范围的方法，其特征在于所 述分形波带片为普通型或改进型，采用普通型分形波带片实现长焦深的功能时，明暗波带 是等间距的，通过分形级次和分形段数来控制分形波带片聚焦后的特性；采用改进型分形 波带片实现长焦深的功能时，通过控制透明波带与缺项的比值w来控制分形波带片聚焦后 的特性。
4. 根据权利要求1所述提高光学相干层析成像系统焦深范围的方法，其特征在于所 述干涉光信号处理器在频域光学相干层析成像系统中采用光谱仪和数据采集卡；在时域光 学相干层析成像系统中采用平衡探测器和数据采集卡。
全文摘要
一种提高光学相干层析成像系统焦深范围的方法，在光学相干层析成像系统的样品臂中用分形波带片代替成像透镜，即所述光学相干层析成像系统包括宽带光源、2×2光纤耦合器、参考臂、样品臂、干涉光信号处理器和计算机，该样品臂由准直器和分形波带片组成。本发明的优点是1)该方法结构简单、易于实施、成本低廉，只需将常规光学相干层析成像样品臂的普通透镜用分形波带片代替即可；2)由普通透镜成像，往往使得成像深度与分辨率相互影响，图像的清晰度下降，利用分形波带片能够克服这一障碍，使得焦深变大的同时分辨率保持不变甚至提高；3)提高能量的利用效率。
文档编号A61B5/00GK101703389SQ20091007109
公开日2010年5月12日 申请日期2009年11月3日 优先权日2009年11月3日
发明者张芹芹, 朱思伟, 袁小聪 申请人:南开大学