[发明专利]基于迈克尔逊干涉仪的高速谱域光学相干层析成像系统

说明书

本发明提供的是一种基于迈克尔逊干涉仪的高速谱域光学相干层析成像系统。其特征是：它由宽带光源1、三端口光纤环行器2、1x2光纤耦合器3、偏振控制器4、准直透镜5、中性密度滤波片6、聚焦透镜7、反射镜8、扫描振镜9、四维调整支架10、被测样品11、精密滑移样品平台12、透射式体相全息衍射光栅13、光纤准直器14、1xN光开关15、雪崩光电二极管探测器阵列16、偏压控制模块17、信号读出电路18以及信号处理和系统控制模块19组成。本发明可用于工业领域中材料缺陷的快速检测和实时监测，可广泛用于生物光子医学成像、文物检验、工业测量和物证检测等领域。

(一)技术领域

本发明涉及的是一种基于迈克尔逊干涉仪的高速谱域光学相干层析成像系统。可用于工业领域中材料缺陷的快速检测和实时监测，属于光学成像技术领域。

(二)背景技术

光学相干层析成像技术是于上世纪九十年代提出的基于相干光学的一种无接触无损伤的光学成像技术。光学相干层析成像系统建立在低相干测量技术的基础上，其成像过程类似于超声波成像，通过光束横向扫描被测物体，采用外差探测技术，测量样品的背向散射或背向反射回波的相位延迟和光强，通过对干涉信号的解调和处理，重建得到样品的二维断层或者三维立体结构图像，从而达到对被测样品扫描成像的目的。相比于传统的成像方法比如传统光学显微术、超声成像、近场扫描成像和计算层析成像等，光学相干层析成像技术有效弥补了其他技术在成像深度以及成像分辨率方面的不足。

最初提出的光学相干层析成像技术是基于时域的低相干测量技术。时域光学相干层析成像技术(TDOCT)通过机械移动参考臂的反射镜改变光程，从而达到对样品深度扫描的目的，其扫描深度取决于参考臂中反射镜的移动距离，同时经过样品臂的扫描装置，最终得到二维图像或者三维图像。然而由于TDOCT依靠移动反射镜进行层析扫描，大大限制了其成像速率，同时引入了较大的误差与噪声。

因此，A.F.Fercher等人提出频域光学相干层析成像技术(FDOCT)，与TDOCT相比，FDOCT不用移动参考臂的反射镜，而是通过采集参考臂和样品臂发生干涉后产生的光谱信息经过傅里叶变换得到样品的深度信息，通过这种方式大大的提高了光学相干层析成像技术的采集速度和信噪比，进而提高了光学相干层析成像技术的成像速度和信噪比。

根据获取被测样品光谱信号方式不同，FDOCT可以分为两种：一种是基于光谱仪系统的谱域光学相干层析成像系统(SDOCT)，另一种是基于扫频光源的扫频光学相干层析成像系统(SSOCT)。与SSOCT相比，SDOCT虽然在成像速度和信噪比方面有所不如，但是其相位稳定性高于SSOCT。SDOCT主要采用光谱仪实现对干涉光谱信号的探测，通过对干涉信号的解调与处理，重建得到样品的三维图像，在SDOCT中是对于干涉光信号先使用光栅进行分光，之后采用基于线阵CCD/CMOS探测器探测光谱信号，也就是说SDOCT的采集速率受决定于CCD/CMOS的采集速度。

在实际应用中，尤其是在生物医学领域，SDOCT系统已广泛应用到眼科学、内窥检查和皮肤学等领域，并且在癌症的早期研究和诊断中发挥了不可替代的作用。然而，对于现有的SDOCT来说，受限于海量数据的处理速度和线阵CCD/CMOS的探测速度，其难以在保证高速成像的同时保持高质量成像；同时其系统灵敏度也会随着探测深度快速下降。

为解决上述问题，浙江大学丁志华团队通过分析了光谱仪中典型光谱的光斑聚焦尺寸和系统灵敏度下降之间的关系，通过使用ZEMAX模拟了光谱仪中各个光学器件，确定了线阵CCD上的光谱点列图，通过点列图，定性的分析了在一定的线阵CCD像素尺寸情况下，典型光谱的聚焦光斑尺寸不同时的系统灵敏度下降曲线。通过实验证明当光斑尺寸与CCD尺寸相比拟时，系统的灵敏度随探测深度的增加的下降趋势缓慢。