专利名称：采用无色散相移器的全场光学相干层析成像系统的制作方法
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系统。
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系统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系统(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系统来说，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系统。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系统中在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。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。
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系统布局，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系统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系统中在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、本发明建立的系统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。
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系统示意图；图2为本发明使用无色散相移器全场OCT系统示意图；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的控制系统示意图。
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。
具体实施例方式
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系统，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系统，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。
本发明的控制系统结构如图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I=2[(I1-I3)2+(I2-I4)2]1/2I1+I2+I3+I4]]>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。
权利要求
1.采用无色散相移器的全场光学相干层析成像系统，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。在宽带分光棱镜(17)反射从参考镜(25)和样品(26)返回光的一侧，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系统，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系统，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系统，其特征在于所述的光源(15)为白光光源、超辐射二极管、发光二极管或激光光源。
全文摘要
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系统。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。
文档编号G01N21/84GK1887219SQ20061005245
公开日2007年1月3日 申请日期2006年7月13日 优先权日2006年7月13日
发明者丁志华, 杨亚良, 吴凌 申请人:浙江大学