CN103815868B - 全眼光学相干层析成像仪 - Google Patents
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Abstract
全眼光学相干层析成像仪，包括：扫频光源、光纤起偏器、第一和第二光环行器，样品臂中的第一和第二宽带偏振分光棱镜、眼前节扫描成像光路和眼底扫描成像光路，参考臂中的第三宽带偏振分光棱镜和两个参考镜，探测端的第四和第五宽带偏振分光棱镜、第二和第三保偏光耦合器、第一和第二平衡探测器，以及函数发生卡、数据采集卡和计算机等。该仪器基于扫频光学相干层析成像技术，利用偏振光束的p分量和s分量分别对眼底和眼前节进行成像，实现在同一系统上无需任何器件转换即可同时对全眼结构进行三维高分辨实时成像。本发明可分别对眼前节和眼底成像进行光程和色散匹配、以及扫描设置，可同时获得眼前节和眼底成像的最佳图像质量和视场大小。
Description
技术领域
本发明涉及人眼成像仪器和光学相干层析成像(OCT)技术，尤其是涉及一种采用扫频OCT技术的、能对全眼结构同时进行成像的仪器。
背景技术
近视、远视、白内障和青光眼等眼科疾病都会影响到眼睛的形状与尺寸。为了检查因眼科疾病导致的视觉生理改变，全眼结构的同时高分辨成像必不可少。超声和核磁共振技术能实现全眼成像，但前者为接触测量，后者仪器成本高昂，且它们的分辨率太低而难于有效观察组织结构。光学相干层析成像(OCT)技术是一种能对组织的内部结构进行三维高分辨无损实时层析成像的技术，是活体人眼成像的最佳手段，已在眼科成像与疾病诊断方面获得了广泛应用。目前OCT发展出了时域和频域OCT技术，频域OCT又包含谱域和扫频OCT技术。频域OCT技术无需参考臂的轴向扫描即可同时获取样品深度方向的全部干涉光谱信息，再经傅里叶逆变换来得到结构信息，因此具有更快的成像速度和更高的探测灵敏度。
在Dai等人的文献(C Dai,et al.Optical coherence tomography for whole eye segmentimaging.Optics Express,2012,20(6):6109-6115.)和中国发明专利(申请号：201110195189.0)里，提出了基于谱域OCT技术的双通道全眼OCT成像系统，采用了各自独立的两套光源、两套参考臂、和两套探测臂分别对眼前节和眼底进行成像，而只使两套系统的样品臂光路通过一个分光棱镜合并起来，并共用一套扫描机构。该系统存在着以下不足：1)光源是OCT系统里最昂贵的器件，使用两个光源会大幅增加成本；2)样品臂里使用的分光棱镜，使得从光源来的照明光信号强度减半，从样品返回的光信号强度又将减半，极低的光能利用率会降低系统的探测灵敏度；3)眼前节的许多信息都分布在鼻侧和颞侧，需大范围扫描成像，而眼底成像的视场极为有限，共用一套扫描机构将不能根据各自视场大小的要求分别进行扫描设置。
在杜克大学J A Izatt小组的文献(A H Dhalla,et al.Simultaneous swept source opticalcoherence tomography of the anterior segment and retina using coherence revival.Optics Letters,2012,37(11):1883-1885.)里，提出了基于扫频OCT技术的全眼成像系统，在样品臂里用偏振光束的p分量和s分量分别对眼前节和眼底成像。他们把眼底成像光路与参考臂光程匹配，而使眼前节成像光路与参考臂光程失配，从而使通过傅里叶逆变换得到的眼底图像和眼前节图像不混叠，并可消除眼前节图像的共轭假象。该系统结构上大为简化，但也存在着不足：1)眼前节成像光路与参考臂光程失配严重，难于得到清晰的眼前节图像；另外，要使二者能够干涉，扫频光源必须具有非常长的相干长度，也即要求光源具有非常高的波长扫描分辨率，这给光源的制作带来了困难；2)不能同时消除眼前节和眼底的共轭假象；3)共用一套扫描机构，不能根据各自视场大小的要求分别进行扫描设置。
发明内容
本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种全眼光学相干层析成像仪，基于扫频OCT技术，利用偏振光束的p分量和s分量分别对眼底和眼前节进行成像，再通过图像重建来获得全眼结构的三维高分辨结果。因此本发明可分别对眼前节和眼底成像进行光程和色散匹配、以及扫描设置，可同时获得眼前节和眼底成像的最佳图像质量和视场大小。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种全眼光学相干层析成像仪，包括：扫频光源、光纤起偏器、第一保偏光耦合器、第一光环形器、第一透镜、第一宽带偏振分光棱镜、第一反射镜、第一二维扫描器、第二透镜、第二宽带偏振分光棱镜、第三透镜、第二反射镜、扩束器、第二二维扫描器、第二光环形器、第四透镜、第三宽带偏振分光棱镜、水盒、第一参考镜、第二参考镜、第一平移台、第二平移台、第四宽带偏振分光棱镜、第五宽带偏振分光棱镜、第二保偏光耦合器、第三保偏光耦合器、第一平衡探测器、第二平衡探测器、第一单模保偏光纤、第二单模保偏光纤、第三单模保偏光纤、第四单模保偏光纤、第五单模保偏光纤、第六单模保偏光纤、第七单模保偏光纤、函数发生卡、数据采集卡和计算机；
扫频光源发出的光信号经过光纤起偏器后，由第一单模保偏光纤传输至第一保偏光耦合器后分成两路：一路由第二单模保偏光纤传输至第一光环形器的端口a，再从第一光环形器的端口b出射，进入样品臂；另一路由第四单模保偏光纤传输至第二光环形器的端口d，再从第二光环形器的端口e出射，进入参考臂；
在样品臂中，从第一光环形器的端口b出射的光束，经第三单模保偏光纤传输和第一透镜准直后，入射第一宽带偏振分光棱镜，在这里光束分成透射和反射两部分：透射的p偏振光依次经第一反射镜、第一二维扫描器、和由第二透镜和第三透镜构成的扩束系统后，被眼前节聚焦在眼底上，第二宽带偏振分光棱镜位于第二透镜和第三透镜之间；反射的s偏振光依次经第二反射镜、扩束器、第二二维扫描器、和第二宽带偏振分光棱镜后，被第三透镜聚焦在眼前节上；
在参考臂中，从第二光环形器的端口e出射的光束，经第五单模保偏光纤传输和第四透镜准直后，入射第三宽带偏振分光棱镜，在这里光束分成透射和反射两部分：透射的p偏振光穿过水盒后，垂直入射固定在第一平移台上的第一参考镜；反射的s偏振光垂直入射固定在第二平移台上的第二参考镜；水盒用于平衡由眼睛引起的色散；
从眼前节返回的s偏振样品光和从眼底返回的p偏振样品光，分别沿原路返回至第一光环形器的端口b，再从第一光环形器的端口c出射，并由第六单模保偏光纤传输至第四宽带偏振分光棱镜，在这里s偏振样品光发生反射，而p偏振样品光发生透射；从第一参考镜返回的p偏振参考光和从第二参考镜返回的s偏振参考光，分别沿原路返回至第二光环形器的端口e，再从第二光环形器的端口f出射，并由第七单模保偏光纤传输至第五宽带偏振分光棱镜，在这里s偏振参考光发生反射，而p偏振参考光发生透射；
分别从第四和第五宽带偏振分光棱镜来的s偏振样品光和s偏振参考光，通过第二保偏光耦合器后，各自分成两部分并分别入射第一平衡探测器的正极和负极接收端；分别从第四和第五宽带偏振分光棱镜来的p偏振样品光和p偏振参考光，通过第三保偏光耦合器后，各自分成两部分并分别入射第二平衡探测器的正极和负极接收端；
扫频光源进行波长扫描的同时发出采样触发信号，去控制数据采集卡同步采集由第一和第二平衡探测器接收到的干涉光谱信号；由函数发生卡提供的扫描驱动信号与扫频光源发出的采样触发信号同步，分别控制第一和第二二维扫描器进行扫描；数据采集卡采集到的信号传输至计算机进行处理。
所述的扫频光源为近红外波段宽光谱光源。
所述的第二透镜的前焦点与第三透镜的后焦点相重合，二者构成一个扩束系统。
所述的第一平移台带着第一参考镜作直线移动，直至由眼底返回的p偏振样品光和从第一参考镜返回的p偏振参考光形成干涉条纹。
所述的第二平移台带着第二参考镜作直线移动，直至由眼前节返回的s偏振样品光和从第二参考镜返回的s偏振参考光形成干涉条纹。
所述的第二和第三保偏光耦合器均为具有50:50分光比的2×2耦合器。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明在同一套系统上，无需任何器件转换，即可同时实现眼前节和眼底的三维高分辨成像；
(2)本发明可分别匹配眼前节及其参考臂、眼底及其参考臂之间的光程和色散等因素，并可分别进行眼前节和眼底成像的扫描设置，从而可同时获得眼前节和眼底成像的最佳图像质量和视场大小；
(3)本发明采用无需轴向扫描的扫频OCT技术，且现有扫频光源的扫频速率极高(103KHz量级甚至更高)，可实现实时成像，有利于减小成像时眼睛运动导致的图像失真；
(4)本发明采用偏振光干涉成像技术，对环境杂散光具有一定的抗干扰作用。
附图说明
图1是本发明的系统结构示意图；
图2是本发明的控制系统示意图。
图中：1.扫频光源，2.光纤起偏器，3.第一保偏光耦合器，4.第一光环形器，5.第一透镜，6.第一宽带偏振分光棱镜，7.第一反射镜，8.第一二维扫描器，9.第二透镜，10.第二宽带偏振分光棱镜，11.第三透镜，12.眼前节，13.眼底，14.第二反射镜，15.扩束器，16.第二二维扫描器，17.第二光环形器，18.第四透镜，19.第三宽带偏振分光棱镜，20.水盒，21-22.第一和第二参考镜，23-24.第一和第二平移台，25-26.第四和第五宽带偏振分光棱镜，27-28.第二和第三保偏光耦合器，29-30.第一和第二平衡探测器，31-37.第一至第七单模保偏光纤，38.函数发生卡，39.数据采集卡，40.计算机。
具体实施方式
本发明提出的全眼光学相干层析成像仪的结构如图1示，包括：扫频光源1、光纤起偏器2、第一保偏光耦合器3、第一光环形器4、第一透镜5、第一宽带偏振分光棱镜6、第一反射镜7、第一二维扫描器8、第二透镜9、第二宽带偏振分光棱镜10、第三透镜11、第二反射镜14、扩束器15、第二二维扫描器16、第二光环形器17、第四透镜18、第三宽带偏振分光棱镜19、水盒20、第一和第二参考镜21-22、第一和第二平移台23-24、第四和第五宽带偏振分光棱镜25-26、第二和第三保偏光耦合器27-28、第一和第二平衡探测器29-30、第一至第七单模保偏光纤31-37、函数发生卡38、数据采集卡39、计算机40。
扫频光源1为波长快速扫描的近红外波段宽光谱光源，由其发出的光信号经过光纤起偏器2后成为线偏振光，然后由第一单模保偏光纤31传输至第一保偏光耦合器3后分成两路：一路由第二单模保偏光纤32传输至第一光环形器4的端口a，再从第一光环形器4的端口b出射，进入样品臂；另一路由第四单模保偏光纤34传输至第二光环形器17的端口d，再从第二光环形器17的端口e出射，进入参考臂。
在样品臂中，从第一光环形器4的端口b出射的光束，由第三单模保偏光纤33传输后，被第一透镜5准直，然后入射第一宽带偏振分光棱镜6，在这里光束被分成透射和反射两部分：透射的p偏振光先后经第一反射镜7和第一二维扫描器8反射后，进入由第二透镜9和第三透镜11构成的扩束系统，由扩束系统出射的平行光被眼前节12聚焦在眼底13上，第一二维扫描器8使聚焦在眼底13上的光点进行横向二维扫描成像。其中，第二透镜9的前焦点与第三透镜11的后焦点相重合以构成扩束系统，第二宽带偏振分光棱镜10位于第二透镜9和第三透镜11之间。反射的s偏振光依次经第二反射镜14、扩束器15、第二二维扫描器16、和第二宽带偏振分光棱镜10后，被第三透镜11聚焦在眼前节12上，第二二维扫描器16使聚焦在眼前节12上的光点进行横向二维扫描成像。
在参考臂中，从第二光环形器17的端口e出射的光束，经第五单模保偏光纤35传输后，被第四透镜18准直，然后入射第三宽带偏振分光棱镜19，在这里光束被分成透射和反射两部分：透射的p偏振光穿过水盒20后，垂直入射固定在第一平移台23上的第一参考镜21；反射的s偏振光垂直入射固定在第二平移台24上的第二参考镜22。水盒20用于平衡由眼睛引起的色散。
从眼前节12返回的s偏振样品光和从眼底13返回的p偏振样品光，分别沿原路返回至第一光环形器4的端口b，再从第一光环形器4的端口c出射，并由第六单模保偏光纤36传输至第四宽带偏振分光棱镜25，在这里s偏振样品光被反射，而p偏振样品光被透射。从第一参考镜21返回的p偏振参考光和从第二参考镜22返回的s偏振参考光，分别沿原路返回至第二光环形器17的端口e，再从第二光环形器17的端口f出射，并由第七单模保偏光纤37传输至第五宽带偏振分光棱镜26，在这里s偏振参考光被反射，而p偏振参考光被透射。
分别从第四宽带偏振分光棱镜25和第五宽带偏振分光棱镜26来的s偏振样品光和s偏振参考光，通过第二保偏光耦合器27后，各自分成两部分并分别入射第一平衡探测器29的正极和负极接收端。分别从第四宽带偏振分光棱镜25和第五宽带偏振分光棱镜26来的p偏振样品光和p偏振参考光，通过第三保偏光耦合器28后，各自分成两部分并分别入射第二平衡探测器30的正极和负极接收端。第二保偏光耦合器27和第三保偏光耦合器28均为具有50:50分光比的2×2耦合器。
第一平移台23带着第一参考镜21作直线移动，直至由眼底13返回的p偏振样品光和从第一参考镜21返回的p偏振参考光形成干涉条纹。第二平移台24带着第二参考镜22作直线移动，直至由眼前节12返回的s偏振样品光和从第二参考镜22返回的s偏振参考光形成干涉条纹。
本发明的控制系统如图2所示。扫频光源1进行波长扫描的同时发出采样触发信号，去控制数据采集卡39同步采集由第一平衡探测器29和第二平衡探测器30接收到的干涉光谱信号；由函数发生卡38提供的扫描驱动信号与扫频光源1发出的采样触发信号同步，分别控制第一二维扫描器8和第二二维扫描器16进行扫描；数据采集卡39采集到的信号传输至计算机40进行处理。
上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制。在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
Claims (6)
1.全眼光学相干层析成像仪，其特征在于：包括扫频光源(1)、光纤起偏器(2)、第一保偏光耦合器(3)、第一光环形器(4)、第一透镜(5)、第一宽带偏振分光棱镜(6)、第一反射镜(7)、第一二维扫描器(8)、第二透镜(9)、第二宽带偏振分光棱镜(10)、第三透镜(11)、第二反射镜(14)、扩束器(15)、第二二维扫描器(16)、第二光环形器(17)、第四透镜(18)、第三宽带偏振分光棱镜(19)、水盒(20)、第一参考镜(21)、第二参考镜(22)、第一平移台(23)、第二平移台(24)、第四宽带偏振分光棱镜(25)、第五宽带偏振分光棱镜(26)、第二保偏光耦合器(27)、第三保偏光耦合器(28)、第一平衡探测器(29)、第二平衡探测器(30)、第一单模保偏光纤(31)、第二单模保偏光纤(32)、第三单模保偏光纤(33)、第四单模保偏光纤(34)、第五单模保偏光纤(35)、第六单模保偏光纤(36)、第七单模保偏光纤(37)、函数发生卡(38)、数据采集卡(39)和计算机(40)；
扫频光源(1)发出的光信号经过光纤起偏器(2)后由第一单模保偏光纤(31)传输至第一保偏光耦合器(3)后分成两路，一路由第二单模保偏光纤(32)传输至第一光环形器(4)的端口a，再从第一光环形器(4)的端口b出射，进入样品臂；另一路由第四单模保偏光纤(34)传输至第二光环形器(17)的端口d，再从第二光环形器(17)的端口e出射，进入参考臂；
在样品臂中，从第一光环形器(4)的端口b出射的光束，经第三单模保偏光纤(33)传输和第一透镜(5)准直后，入射第一宽带偏振分光棱镜(6)，在这里光束分成透射和反射两部分：透射的p偏振光依次经第一反射镜(7)、第一二维扫描器(8)和由第二透镜(9)和第三透镜(11)构成的扩束系统后，被眼前节(12)聚焦在眼底(13)上，第二宽带偏振分光棱镜(10)位于第二透镜(9)和第三透镜(11)之间；反射的s偏振光依次经第二反射镜(14)、扩束器(15)、第二二维扫描器(16)、和第二宽带偏振分光棱镜(10)后，被第三透镜(11)聚焦在眼前节(12)上；
在参考臂中，从第二光环形器(17)的端口e出射的光束，经第五单模保偏光纤(35)传输和第四透镜(18)准直后，入射第三宽带偏振分光棱镜(19)，在这里光束分成透射和反射两部分：透射的p偏振光穿过水盒(20)后，垂直入射固定在第一平移台(23)上的第一参考镜(21)；反射的s偏振光垂直入射固定在第二平移台(24)上的第二参考镜(22)；水盒(20)用于平衡由眼睛引起的色散；
从眼前节(12)返回的s偏振样品光和从眼底(13)返回的p偏振样品光，分别沿原路返回至第一光环形器(4)的端口b，再从第一光环形器(4)的端口c出射，并由第六单模保偏光纤(36)传输至第四宽带偏振分光棱镜(25)，在这里s偏振样品光发生反射，而p偏振样品光发生透射；从第一参考镜(21)返回的p偏振参考光和从第二参考镜(22)返回的s偏振参考光，分别沿原路返回至第二光环形器(17)的端口e，再从第二光环形器(17)的端口f出射，并由第七单模保偏光纤(37)传输至第五宽带偏振分光棱镜(26)，在这里s偏振参考光发生反射，而p偏振参考光发生透射；
分别从第四宽带偏振分光棱镜(25)和第五宽带偏振分光棱镜(26)来的s偏振样品光和s偏振参考光，通过第二保偏光耦合器(27)后，各自分成两部分并分别入射第一平衡探测器(29)的正极和负极接收端；分别从第四宽带偏振分光棱镜(25)和第五宽带偏振分光棱镜(26)来的p偏振样品光和p偏振参考光，通过第三保偏光耦合器(28)后，各自分成两部分并分别入射第二平衡探测器(30)的正极和负极接收端；
扫频光源(1)进行波长扫描的同时发出采样触发信号，去控制数据采集卡(39)同步采集由第一平衡探测器(29)和第二平衡探测器(30)接收到的干涉光谱信号；由函数发生卡(38)提供的扫描驱动信号与扫频光源(1)发出的采样触发信号同步，分别控制第一二维扫描器(8)和第二二维扫描器(16)进行扫描；数据采集卡(39)采集到的信号传输至计算机(40)进行处理。
2.根据权利要求1所述的全眼光学相干层析成像仪，其特征在于：所述的扫频光源(1)为近红外波段宽光谱光源。
3.根据权利要求1所述的全眼光学相干层析成像仪，其特征在于：所述的第二透镜(9)的前焦点与第三透镜(11)的后焦点相重合，二者构成一个扩束系统。
4.根据权利要求1所述的全眼光学相干层析成像仪，其特征在于：所述的第一平移台(23)带着第一参考镜(21)作直线移动，直至由眼底(13)返回的p偏振样品光和从第一参考镜(21)返回的p偏振参考光形成干涉条纹。
5.根据权利要求1所述的全眼光学相干层析成像仪，其特征在于：所述的第二平移台(24)带着第二参考镜(22)作直线移动，直至由眼前节(12)返回的s偏振样品光和从第二参考镜(22)返回的s偏振参考光形成干涉条纹。
6.根据权利要求1所述的全眼光学相干层析成像仪，其特征在于：所述的第二和第三保偏光耦合器(27，28)为具有50:50分光比的2×2耦合器。
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