[发明专利]单次采集无色散移相全场光学相干层析成像装置及方法

说明书

本发明公开了一种单次采集无色散移相全场光学相干层析成像装置及方法。该装置包括科勒照明、偏振分光器件、参考臂、样品臂、面阵CCD、FPGA和控制电路。该方法基于迈克尔逊干涉和低相干光源，采用偏振分光镜、四分之一玻片、偏振片和一对完全相同的CCD获得两组相位差相差π/2相位的干涉条纹，实现全波段无色散移相；配合希尔伯特算法，单次采集即可解调层析信号；由计算机处理得到样品的二维断层图，最终通过电控位移平台进行轴向扫描以获取三维信息；控制系统采用FPGA搭建电路以产生频率可调的高精度信号，同步控制双CCD、样品臂和参考臂电控位移平台。本发明可进行亚微米量级的生物组织的离体或在体成像，具有成像质量高、速度快的优点。

技术领域

本发明涉及全场光学相干层析成像(Full-field Optical CoherenceTomography,FF-OCT)技术领域，特别是一种单次采集无色散移相全场光学相干层析成像装置及方法。

背景技术

全场光学相干层析(Full-field Optical Coherence Tomography，FF-OCT)最早在1998年被提出，是一种非入侵性成像技术，可对生物组织等获取微米量级的在体光学断层成像，在生物医学领域具有重要的应用前景。FF-OCT系统以并行扫描方式的快速著称，一次扫描可得X-Y面的二维信息，在样品臂深度方向进行扫描即可获得三维结构。结合大NA显微物镜与宽带光源，FF-OCT可以同时获得超高横、纵分辨率约1微米，这种高分辨率的成像模式在组织细胞水平的成像中起着非常重要的作用。FF-OCT可以看作是全场照明显微镜与低相干干涉仪的结合。光源发出的光经由分光棱镜分束，分别入射参考臂和样品臂，由参考镜原路返回的参考光和样品光发生干涉，通过成像透镜，由面阵探测器采集图像，分析处理干涉图像，从而获得样品的光学信息。

为了解调出一幅正面光学断层图像的振幅，需要对干涉信号进行调制。采用压电陶瓷的移相法为调制相位的方法之一，通过在参考光束和样品光束间引入移相量，采集几幅干涉图像后，对其光强信号进行加减运算滤除干涉项与背景图像信息来获得样品的层析图，该方法具有操作简单、信息存储和处理量小的优点，常采用三步移相法、四步移相法。在全场OCT中，大多数全场OCT系统采用压电PZT(Piezoelectric transducer,PZT)陶瓷移相器移相，由于全场OCT采用宽带光源提高轴向分辨率，这会引起以下问题：一，PZT仅针对中心波长移相，存在色散，所以PZT移相需要算法补偿误差；二，无法运用在共光路系统中，当带宽小于60μm时，对比度误差小于2％；但当带宽在180μm时，对比度误差为22％。

因此，很多无色散移相器被研制。第一类为基于几何相位采用旋转波片的方式移相，该方法基于Pancharatnam相位或Berry相位的移相器。当光束偏振态沿某路径改变并回到初始态时，光束可获得一附加的移相量，该移相只依赖于偏振态改变的路径，而与波长无关，是一种无色散相移器。目前报道了在四分之一波片或者半波片后放置旋转偏振片的无色散移相装置。第二类QHQ(quarter-half-quarter)移相器的基本装置为两片四分之一波片之间插入旋转半波片。上述两类移相器的缺陷是：旋转光学器件改变相位，不仅效率低下而且会在成像系统引入机械振动。针对以上缺陷，液晶移相器LCPS(liquid-crystal phaseshifter)提供无机械振动的移相机制，将LQ(Liquid-crystal)或者铁电液晶FLC(ferroelectric liquid-crystal)代替旋转半波片改变相位。因为低触发电源电压和功率带来的快速可调谐双折射特性，液晶设备对偏振态的控制极为有效。2002年法国物理化学研究院采用偏振干涉，由光弹性双折射调制器产生频率(50kHz)极高的正弦信号调制两臂，参考光与样品光通过CCD前的检偏器后发生干涉，该方法采集速度快，但所使用的仪器复杂，实验过程不够简洁。2003年，日本山形大学采用基于移相法的双通道外差检测法，由两臂的液晶移相器(LCS)与脉冲配合对相干光引入π/2的相位差，且由两台CCD分别接收，同时采集两幅干涉图，使得成像时间大为缩短，但系统使用的迈克尔逊干涉结构两臂不能独立调节，且双CCD的同步与采集信号的计算量很大。

发明内容