技术领域
[0001] 本
发明涉及一种光谱光学相干成像系统(Spectral Domain Optical Coherence Tomograpgy，简称SD-OCT)，特别是关于一种基于光计算的光谱光学相干成像系统，属于
生物医学
光子学领域。
背景技术
[0002] 光学相干层析技术(Optical Coherence Tomograpgy，简称OCT)，目前已经由传统的时域光学相干层析(Time Domain-OCT，简称TD-OCT)发展为频域光学相干层析(Fourier Domain-OCT，简称FD-OCT)。其中，FD-OCT有两种类型：基于CCD(Charge-coupled Device)的光谱仪探测式的光谱光学相干层析(Spectral Domain-OCT，简称SD-OCT)和基于扫频
激光器的扫频光学相干层析(Swept Source-OCT，简称SS-OCT)。和传统的TD-OCT相比，SD-OCT不再依靠光学延迟线的机械扫描来获得
生物组织深度方向的一线(A-scan)
信号，而是通过光谱仪进行
频谱分析，一次得到一线信号，这样便避免了因运动惯性而导致的响应慢的缺点，并在系统
信噪比等方面的性能也得到了提高。
[0003] 现有的SD-OCT中，CCD测量的是样品光和参考光的干涉信号的频谱展开，相当于样品的空间信息被做了一次
傅立叶变换。因此，从CCD获得的每线频谱数据是
波长λ的函数，需要将这些数据转换为波矢k的函数然后再做一次傅立叶逆变换，从而得到一线样品深度方向的结构信息。目前，线扫描速度在几十kHz的线阵CCD技术已经十分成熟，但是如果要用于研制高
分辨率的三维实时成像SD-OCT，现有线阵CCD的扫描速度就显得捉襟见肘了。另外，在图像
数据处理过程中，样条插值(将频谱数据从波长λ空间转到波矢k空间的过程)和傅里叶逆变换的运算量对于现有计算机的
中央处理器(Central Processing Unit，简称CPU)或图形处理器(Graphic Processing Unit，简称GPU)来讲太过庞大，导致难以实现高分辨率三维实时成像。因此，SD-OCT成像速度的
瓶颈就是CCD
数据采集速度和图像数据处理的速度。
发明内容
[0004] 针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够有效提高成像速度的基于光计算的光谱光学相干成像系统。
[0005] 为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种基于光计算的光谱光学相干成像系统，其特征在于：包括一光计算系统和一图像显示系统，所述光计算系统包括宽带
光源、信号发生装置、光强度
调制器、色散器件、第一
耦合器、第一环形器、第二环形器、第一聚焦透镜、第二聚焦透镜、反射镜、二维扫描系统和第二耦合器；所述图像显示系统包括平衡探测器、包络
检波器、数据采集卡和计算机，其中，所述第二耦合器的耦合比例参数为50/50；所述宽带光源发出的直流宽带光经被所述信号发生装置驱动的所述光强度调制器调制后发送到所述色散器件，经所述色散器件出射的光进入所述第一耦合器根据设定参数进行分光，经所述第一耦合器出射的小部分光进入所述第一环形器成为参考光，其余大部分光进入所述第二环形器成为样品光；参考光经所述第一聚焦透镜会聚后发射到所述反射镜后沿着原光路返回进入所述第一环形器；所述二维扫描系统用于进行X和Y方向的扫描，样品光经所述二维扫描系统发射到待测样品的不同
位置，待测样品不同位置的不同深度反射的光沿着原光路返回进入所述第二环形器；所述第一环形器出射的经反射镜反射的参考光和所述第二环形器出射的经待测样品反射的样品光均发射到所述第二耦合器进行耦合，经所述第二耦合器出射的同比例的光经所述平衡探测器接收，所述平衡探测器将
光信号进行处理并将得到的
电信号发送到所述包络监测器得到包络信号，包络信号经所述数据采集卡输入到所述计算机进行显示，获得待测样品的结构信息。
[0006] 所述宽带光源、光强度调制器、色散器件和第一耦合器之间的光路任一位置设置一助推光学
放大器或一掺杂光纤放大器；或者所述第二耦合器与所述平衡探测器之间设置所述助推光学放大器或掺杂光纤放大器。
[0007] 所述色散器件采用第三环形器和光纤布拉格光栅，当所述色散器件采用第三环形器和光纤布拉格光栅时，经所述光强度调制器调制后的宽带光发送到所述第三环形器，经所述第三环形器出射的宽带光被所述光纤布拉格光栅反射经所述第三环形器进入所述第一耦合器进行耦合。
[0008] 所述色散器件采用光纤，当所述色散器件采用光纤时，经所述光强度调制器调制后的宽带光经光纤发射到所述第一耦合器进行耦合。
[0009] 所述信号发生装置采用
波形发生器，所述波形发生器与所述光强度调制器之间设置一
射频放大器；所述波形发生器和射频放大器用于驱动所述光强度调制器将所述宽带光源输出的直流宽带光在时域上调制为cos(at2)+1的形状，a为常数。
[0010] 所述光强度调制器采用电光强度调制器或声光强度调制器。
[0011] 所述宽带光源的输出波长的工作波段为850nm、1064nm、1310nm和1550nm中的一种。
[0012] 本发明由于采取以上技术方案，具有以下优点：1、区别于传统的SD-OCT，本发明由于使用了新型光学实时傅里叶变换的方法，使得SD-OCT无须再使用光栅、CCD进行光谱采集，也无需使用
高性能计算机进行样条差值和离散傅里叶变换，因此摆脱了CCD积分时间不够短以及计算机运算速度不够快对SD-OCT成像速度的制约，能够大大地提高系统成像速度。2、基于光学实时傅里叶变换系统的SD-OCT从宽带光源到平衡探测器，整个光路不但结构简单，且均可以采用全光纤器件，使系统的
能量利用率、
稳定性、集成度更高。3、本发明由于设置有第二耦合器，经第二耦合器出射的同比例的光经平衡探测器接收，其中的直流信号以及共模噪声均被平衡探测器去除，有效提高信噪比。综上所述，由于实时傅里叶变换能够及时地处理光谱光学相干成像系统的图像数据，所以本发明成像速度极快。另外，本发明具有结构简单、全光纤化、工作稳定等优点，可以广泛应用在光谱光学相干成像中。
附图说明
[0013] 图1为本发明的光谱光学相干成像系统结构示意图；
[0014] 图2为采用镜面作为样品时，理论计算得到的平衡探测器的
输出信号示意图；
[0015] 图3为采用镜面作为样品时，实验测得的平衡探测器的输出信号示意图。
具体实施方式
[0016] 以下结合附图来对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅仅是用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0017] 假设一有限长度的光信号(例如：一个光脉冲)通过一色散量足够大的理想色散介质(仅有二阶色散，且二阶色散系数不随波长变化)，由于不同波长的光在色散介质中存在速度差，输出光的时域形状将近似为其频域上的光谱形状。众所周知，光信号的时域形状和频域上的光谱形状是傅里叶变换的关系，因此，色散介质就相当于对该光信号做了傅里叶变换。
[0018] 显然，色散介质是线性系统，线性系统的特性由其冲击响应函数描述，根据关于色散的方程：
[0019]
[0020] 可知若输入的光信号为一冲击函数δ，得到的冲击响应函数h(t)∝exp(-it2/(2D))。其中，t为时间，A(z,t)为光信号在色散介质的z处的时域波形，β为二阶色散系数，exp为e指数，若色散介质长度为z0，其色散量D＝z0β。
[0021] 对任一光信号f(t)，将其输入一色散量足够大的理想色散介质，输出波形(其近似的傅里叶变换结果)为|f(t)*h(t)|，*为卷积，||为求模运算。此数学形式也可写为|f(t)*h(t)|∝|f(t)*exp(-it2/(2D))|＝((f(t)*cos(t2/(2D)))2+(f(t)*sin(t2/(2D)))2)1/2。实际上，较之f(t)，cos(t2/(2D))和sin(t2/(2D))都是变化极快的函数，又因为(cos(t2/(2D)))2+(sin(t2/(2D)))2＝1，因此|f(t)*h(t)|实际就正比于f(t)*cos(t2/(2D))或者f(t)*sin(t2/(2D))的包络，这一点可以由数值计算验证。
[0022] 综上所述，某个函数f(t)的傅里叶变换可以近似为其与函数cos(at2)的卷积运算结果的包络，即：f(t)*cos(at2)的包络。其中，a为一常数。
[0023] 另外，由色散介质的特性可知，色散介质可以实现时域信号与其频谱之间的卷积。数学表达式为：
[0024] Iout(t)∝Iin(t)*S(ω＝t/D0)
[0025] 其中，Iin(t)和Iout(t)分别为输入和输出色散介质的光信号强度，S(ω)为
输入信号的频谱，ω为
角频率，D0为色散介质的色散量。S(ω＝t/D0)表示将ω＝t/D0代入S(ω)表达式所得到的关于时间t的函数。为了对SD-OCT的干涉信号的频谱S(ω)做实时傅里叶变换，将输入光的强度调制为：
[0026] Iin(t)∝cos(at2)+1
[0027] 考虑到光强不能为负，所以上式中加入了常数项1。若将调制后的光信号注入到色散量为D0的色散介质，就可以实现时域信号Iin(t)与其频谱S(ω)的卷积运算，输出光强Iout(t)为：
[0028] Iout(t)∝cos(at2)*S(ω＝t/D0)+1*S(ω＝t/D0)
[0029] 其中，1*S(ω＝t/D0)为直流量。而cos(at2)*S(ω＝t/D0)就是cos(at2)与SD-OCT干涉光谱形状的卷积。其包络就是所测样品的一线空间结构信息，这样就实现了对SD-OCT的干涉信号的频谱做实时傅里叶变换。此处，SD-OCT干涉信号的光谱S(ω)是关于ω的函数而非关于λ的函数，所以实际上在做实时傅里叶变换之前就完成了将SD-OCT干涉信号的频谱从波长λ空间转到波矢k空间的过程。
[0030] 不难发现，采用光路来实现这样的卷积运算，也就相当于构造了一个等效色散介质，利用这个等效色散介质对信号做近似的傅里叶变换。显然，等效色散介质色散量D与a的关系为a＝1/(2D)，其中，a根据实际应用进行选取，使用时可先用Matlab做卷积和取包络的数值运算，并对运算结果进行判定，如果结果符合预设的傅里叶变换，则认为此时a的选取是合适的。
[0031] 基于上述原理，如图1所示，本发明基于光计算的光谱光学相干成像系统包括一光计算系统和一图像显示系统，光计算系统包括宽带光源1、信号发生装置2、光强度调制器3、色散器件4、第一耦合器5、第一环形器6、第二环形器7、第一聚焦透镜8、第二聚焦透镜9、反射镜10、二维扫描系统11和第二耦合器12；图像显示系统包括平衡探测器13、包络检波器14、数据采集卡15和计算机16，其中，第二耦合器12的耦合比例参数为50/50。宽带光源1发出的直流宽带光经被信号发生装置2驱动的光强度调制器3调制为所需形状后发送到色散器件4，经色散器件4出射的光进入第一耦合器5根据设定参数进行分光，经第一耦合器5出射的小部分光进入第一环形器6成为参考光，其余大部分光进入第二环形器7成为样品光；
参考光经第一聚焦透镜8会聚后发射到反射镜10后沿着原光路返回进入第一环形器6；二维扫描系统11用于进行X和Y方向的扫描，样品光经二维扫描系统11发射到待测样品17的不同位置，待测样品17不同位置的不同深度反射的光沿着原光路返回进入第二环形器7；第一环形器6出射的经反射镜10反射的参考光和第二环形器7出射的经待测样品17反射的样品光均发射到第二耦合器12进行耦合，经第二耦合器12出射的同比例的光经平衡探测器13接收，平衡探测器13将光信号进行处理并将得到的电信号发送到包络监测器14得到包络信号，包络信号经数据采集卡15输入到计算机16进行显示，获得待测样品17的结构信息。
[0032] 在一个优选的
实施例中，为了提高输出信号的功率，宽带光源1、光强度调制器3、色散器件4和第一耦合器5之间的光路任一位置可以设置一助推光学放大器或一掺杂光纤放大器用于放大信号，或者在第二耦合器12与平衡探测器13之间可以设置助推光学放大器或掺杂光纤放大器。
[0033] 在一个优选的实施例中，如图1所示，色散器件4可以采用第三环形器41和光纤布拉格光栅42(线性啁啾光纤光栅)，当色散器件4采用第三环形器41和光纤布拉格光栅42时，经光强度调制器3调制后的宽带光发送到第三环形器41，经第三环形器41出射的宽带光被光纤布拉格光栅42反射经第三环形器41进入第一耦合器5进行耦合。另外，色散器件4还可以采用与光纤布拉格光栅42色散量相等的光纤，当色散器件4采用光纤时，经光强度调制器3调制后的宽带光经光纤发射到第一耦合器5进行耦合。
[0034] 在一个优选的实施例中，宽带光源1的输出波长可以根据实际需要选择工作波段，工作波段可以为850nm、1064nm、1310nm和1550nm，但是不限于此；相应地，光路中的相应光学器件的工作波长与宽带光源1所选择的输出波长相适应。
[0035] 在一个优选的实施例中，如图1所示，信号发生装置2可以采用波形发生器21，由于现有的光强度调制器的半波
电压显著大于波形发生器21
输出电压的幅度，因此波形发生器21与光强度调制器3之间可以设置射频放大器22用于提高调制深度；波形发生器21和射频放大器22用于驱动光强度调制器3将宽带光源1输出的直流宽带光在时域上调制为cos(at2)+1的形状。
[0036] 在一个优选的实施例中，光强度调制器3可以采用电光强度调制器或声光强度调制器。
[0037] 在一个优选的实施例中，二维扫描系统11为现有系统，包括X方向和Y方向的两个扫描振镜，具体工作原理在此不再赘述。
[0038] 如图2和图3所示，当将镜面作为样品时，平衡探测器13输出信号的理论计算结果与实验结果一致，因此证明本发明的基于光计算的光谱光学相干成像系统的原理正确可行。
[0039] 下面通过具体实施例对本发明的基于光计算的光谱光学相干成像系统的使用过程进行详细说明。其中，本实施例中宽带光源1的工作波段为1550nm，光强度调制器3采用电光强度调制器，色散器件4采用第三环形器41和光纤布拉格光栅42，第一耦合器的耦合参数为10/90，具体过程为：
[0040] 如图1所示，工作波段为1550nm的宽带光源1发出的直流宽带光发送到被波形发生器21和射频放大器22驱动的电光强度调制器后，在时域上被调制为等效色散介质的冲击响2
应函数h(t)的形状cos(at)+1。经电光强度调制器调制后的光通过第三环形器41后被光纤布拉格光栅42反射再经第三环形器41进入第一耦合器5根据
选定耦合参数进行耦合，经第一耦合器5耦合后10％的光进入第一环形器6成为参考光，90％的光进入第二环形器7成为样品光。参考光经第一聚焦透镜8会聚后发射到反射镜10，经反射镜10反射的参考光沿着原光路返回进入第一环形器6，样品光经第二聚焦透镜9会聚后经二维扫描系统11发射到待测样品17上，二维扫描系统11用于进行X和Y方向的扫描，经待测样品17的不同位置的不同深度反射的样品光沿着原光路返回进入第二环形器7；第一环形器6出射的经反射镜10反射的参考光和第二环形器7出射的经待测样品反射的样品光经耦合系数为50/50的第二耦合器
12耦合，经第二耦合器12出射的同比例的光被平衡探测器13接收将光信号转化为电信号，其中的直流信号以及共模噪声均被平衡探测器13去除，平衡探测器13输出的电信号通过包络检波器14得到其包络信号，该包络信号就是cos(at2)与返回的参考光和样品光的干涉频谱的卷积结果的包络，即样品的结构信息。最后，电信号经由数据采集卡15转换成
数字信号，输入到计算机16进行三维
渲染和显示，获得样品的三维分布图。
[0041] 上述各实施例仅用于说明本发明，其中所有光学器件可以根据实际情况采用外部
支架进行固定，在此不作限定，各部件的结构等都是可以有所变化的，只要满足光路传播条件即可，凡是在本发明技术方案的
基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。
