一種多樣品臂掃頻光學(xué)相干層析系統(tǒng)

一種多樣品臂掃頻光學(xué)相干層析系統(tǒng)

0多樣品臂掃頻oct光學(xué)分辨率成像（obs-ton）是一種新型的光學(xué)成像技術(shù)，在許多領(lǐng)域的生物認(rèn)證、材料結(jié)構(gòu)等方面發(fā)揮著重要作用。由于其非接觸、無損傷、高靈敏度和分辨率的特點(diǎn)，光學(xué)成像技術(shù)在許多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。由于具有無需縱向掃描的優(yōu)勢(shì),現(xiàn)在的OCT系統(tǒng)大都采用傅里葉域的技術(shù),主要包括使用寬譜光源和分光計(jì)的譜域OCT(Spectral-DomainOCT,SD-OCT)和使用快速掃頻光源的掃頻OCT(Swept-SourceOCT,SS-OCT)。相較于譜域OCT,掃頻OCT技術(shù)在成像速率與探測(cè)波段選擇上都具有較大優(yōu)勢(shì)。OCT技術(shù)的一個(gè)特點(diǎn)是其具有微米量級(jí)的空間分辨率,但相應(yīng)地,其最佳成像視場(chǎng)大小則通常為若干毫米,當(dāng)樣品位于這一成像范圍之外時(shí),成像性能會(huì)大幅下降。隨著OCT技術(shù)的發(fā)展,這一大小已經(jīng)難以滿足大部分OCT應(yīng)用的需求,在不犧牲成像分辨率與成像實(shí)時(shí)性的前提下擴(kuò)展成像視場(chǎng)的研究變得極具價(jià)值。Ravichandran等人提出使用兩路樣品臂與參考臂分別對(duì)薄樣品上下表面進(jìn)行成像,實(shí)現(xiàn)了對(duì)樣品深度上的完整成像本文提出了一種多樣品臂的掃頻OCT系統(tǒng),通過光開關(guān)將多個(gè)不同位置、不同角度的樣品臂接入到OCT成像系統(tǒng)中,各樣品臂近乎同步地進(jìn)行成像。相較于普通掃頻OCT系統(tǒng),該方案僅在樣品臂設(shè)計(jì)上有所區(qū)別,其余部分,包括成像處理算法等,均可沿用原有系統(tǒng)。單個(gè)樣品臂的成像性能與普通掃頻OCT相同,而通過多個(gè)樣品臂成像結(jié)果相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)了對(duì)樣品的大視場(chǎng)范圍、多視角的實(shí)時(shí)成像。1基于傅里葉變換的多光譜圖像成像掃頻OCT系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示其中,k=2π/λ為探測(cè)光波數(shù),S(k)為對(duì)應(yīng)波數(shù)k時(shí)探測(cè)器接收到的干涉信號(hào)強(qiáng)度,l為樣品的深度坐標(biāo),A(l)為與樣品深度l處背向散射強(qiáng)度相關(guān)的系數(shù),反映了樣品的結(jié)構(gòu)信息,R(k)為光源強(qiáng)度系數(shù),D(l)為樣品深度l處相對(duì)于參考臂反射鏡的光程差,一定程度上反映了樣品的結(jié)構(gòu)信息?？紤]到D(l)為單調(diào)連續(xù)函數(shù),可將式(1)化為由式(2)可知,探測(cè)光波數(shù)k與樣品相對(duì)光程差D為一對(duì)傅里葉變換對(duì),通過獲取干涉信號(hào)強(qiáng)度與探測(cè)光波數(shù)的關(guān)系S(k),經(jīng)過傅里葉變換之后即可得到樣品結(jié)構(gòu)信息B(D)。對(duì)于數(shù)字處理系統(tǒng),我們一般使用快速傅里葉變換(FastFourierTransformation,FFT)進(jìn)行計(jì)算,因此需要在波數(shù)空間對(duì)干涉信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行采樣。根據(jù)FFT原理可知,在波數(shù)空間的采樣密度Δk決定了OCT系統(tǒng)在深度方向上的視場(chǎng)大小:超出最大視場(chǎng)的樣品信息將以鏡像干擾的形式混疊在運(yùn)算結(jié)果中,對(duì)成像性能造成影響。另一方面,為了提升成像系統(tǒng)的橫向分辨率,在掃頻OCT系統(tǒng)的樣品臂會(huì)使用透鏡對(duì)探測(cè)光進(jìn)行聚焦,這一做法雖然使得在透鏡焦平面處有最佳的橫向分辨率與靈敏度,但在遠(yuǎn)離焦平面處,靈敏度會(huì)迅速下降成像視場(chǎng)的橫向范圍相對(duì)較為簡(jiǎn)單,基本由B-scan掃描的范圍決定。但由于需要保證足夠快的掃描速率以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)掃描,同時(shí)掃描過程應(yīng)盡可能線性以降低圖像失真,現(xiàn)有的一些掃描方案,包括電控振鏡、MEMS、多波束照射2多樣品臂掃頻oct完整的掃頻OCT成像系統(tǒng)是一個(gè)相對(duì)比較復(fù)雜而精密的系統(tǒng),包括器件的參數(shù)、控制系統(tǒng)的協(xié)同和信號(hào)的解算等均需要特別的設(shè)計(jì),因此,對(duì)于一個(gè)特定的掃頻OCT成像系統(tǒng),其往往具有一個(gè)固定的、難以隨意變更的成像視場(chǎng)區(qū)域,實(shí)際使用時(shí)需要樣品去匹配這一區(qū)域。當(dāng)希望實(shí)現(xiàn)更大的成像范圍時(shí),往往需要更換大量的器件,甚至于整個(gè)系統(tǒng)都可能需要重新設(shè)計(jì),這對(duì)于掃頻OCT技術(shù)應(yīng)用范圍的擴(kuò)展來說是一個(gè)巨大的阻礙。特別地,當(dāng)需要對(duì)樣品進(jìn)行多視角的成像,并且各視角的成像結(jié)果需要在時(shí)間上具有關(guān)聯(lián)性時(shí),傳統(tǒng)的單樣品臂的OCT成像系統(tǒng)顯然難以滿足。為此我們提出了多樣品臂掃頻OCT成像系統(tǒng)。如圖2所示,多個(gè)樣品臂在空間上互相獨(dú)立,并通過光開關(guān)共享一個(gè)OCT成像系統(tǒng)。光開關(guān)由電信號(hào)控制在各個(gè)樣品臂之間進(jìn)行循環(huán)切換,將各路樣品臂采集到的樣品信息輪流送入成像系統(tǒng)進(jìn)行解算,得到對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)圖像,用較少的硬件實(shí)現(xiàn)了掃頻OCT成像視場(chǎng)范圍成倍的擴(kuò)展,且無需對(duì)原有系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。各路樣品臂在空間上相互獨(dú)立,因而可以對(duì)樣品的不同位置、不同視角進(jìn)行成像,能夠觀察到樣品更全面的信息。從嚴(yán)格意義上講,多樣品臂掃頻OCT的各路樣品臂并非同時(shí)成像,而是存在一個(gè)由光開關(guān)切換速率決定的微小的時(shí)間差別;當(dāng)光開關(guān)切換得足夠快時(shí),這一時(shí)間差別相對(duì)于樣品的變化而言足夠小,我們便可以認(rèn)為成像結(jié)果是準(zhǔn)同步的,從而可以對(duì)成像結(jié)果進(jìn)行諸如圖像拼接、實(shí)時(shí)重建、運(yùn)動(dòng)分析等關(guān)聯(lián)分析。當(dāng)光開關(guān)在樣品臂之間切換時(shí),需要保證各路樣品臂都具有最佳成像結(jié)果,即要求各樣品臂的透鏡焦平面與對(duì)應(yīng)于參考臂反射鏡的等光程面之間的距離相等。由于參考臂保持不動(dòng),因而只需保證各路樣品臂具有相同的光路長(zhǎng)度即可。3干涉信號(hào)檢測(cè)雙樣品臂掃頻OCT實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示,由掃頻光源、校準(zhǔn)系統(tǒng)、干涉系統(tǒng)、參考臂、光開關(guān)、雙路樣品臂,以及計(jì)算機(jī)控制與處理系統(tǒng)組成。掃頻光源使用Axsun商用掃頻光源,中心波長(zhǎng)為1310nm,譜寬為110nm,掃頻速率為100kHz,輸出功率為20mW。光源輸出光通過一個(gè)99∶1的耦合器分路,其1%的功率接入校準(zhǔn)系統(tǒng),99%的功率則接入干涉系統(tǒng)。校準(zhǔn)系統(tǒng)由兩路光程差固定為3mm的馬赫-曾德爾干涉儀與平衡光電探測(cè)器組成,探測(cè)器輸出的干涉條紋信號(hào)用來對(duì)光源進(jìn)行波數(shù)標(biāo)定。干涉儀使用集成平衡光電探測(cè)器的邁克爾遜干涉儀(INT-MSB-1300B,ThorlabsInc.),其樣品臂接口通過一個(gè)1×2的光開關(guān)(SXLT1×2-9N,SercaloInc.)連接兩路樣品臂。高性能模擬輸出卡(PCI-1721,四通道12bit,10MHz,研華科技)提供控制信號(hào)控制光開關(guān)在兩路樣品臂之間進(jìn)行切換,切換周期為10ms。兩路樣品臂具有相同的光路長(zhǎng)度,互成45°角對(duì)準(zhǔn)同一樣品,其成像視場(chǎng)有一定的重合區(qū),以方便圖像后處理。校準(zhǔn)信號(hào)與干涉信號(hào)通過高速數(shù)據(jù)采集卡(ATS9870,雙通道8bit,1GS/s,AlazarTechInc.)采集進(jìn)入計(jì)算機(jī),經(jīng)校準(zhǔn)、快速傅里葉變換、色階調(diào)節(jié)后進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示,單幀圖像大小512×850×2,顯示幀率50f/s。圖4展示了兩路樣品臂的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)和滾降結(jié)果,從圖中可以得到兩路的縱向分辨率、6dB滾降長(zhǎng)度、靈敏度分別為10.6μm、10.2μm,7.4mm、8.6mm,106dB、112dB。圖5為手指皮膚成像經(jīng)圖像拼接之后的結(jié)果,通過不同角度的兩個(gè)樣品臂成像,成像視場(chǎng)得到了較大的擴(kuò)展。圖中的手指縱向范圍達(dá)到了5.15mm,超過了單個(gè)樣品臂的最大成像視場(chǎng),而橫向范圍則擴(kuò)展到了7.21mm。此外,通過使用45°角對(duì)側(cè)邊皮膚進(jìn)行成像,使得整個(gè)皮膚圖像都是在樣品臂透鏡焦平面附近較小的范圍內(nèi)進(jìn)行成像,有效地降低了因遠(yuǎn)離焦平面所帶來的成像分辨率與靈敏度的惡化而導(dǎo)致的圖像質(zhì)量的下降。4掃頻oct的應(yīng)用利用光開關(guān)在兩路樣品臂之間快速切