CN100401974C - 一种实现光学相干层析成像轴向超分辨的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现光学相干层析成像(OCT)轴向超分辨的方法及系统。在光学相干层析成像样品臂的准直镜和探测物镜之间插入光瞳滤波器，使轴向响应函数的主瓣宽度缩小到相干门之内，从而实现光学相干层析成像的轴向超分辨。同时，由超分辨光瞳滤波器导致的旁瓣则被相干门抑制，不对OCT相干成像产生有效贡献，从而确保成像对比度不因轴向超分辨而下降。本发明是一种经济简易的新型超分辨技术，可促进实现OCT系统的小型化与商业化。

Description

一种实现光学相干层析成像轴向超分辨的方法及系统

技术领域

本发明涉及光学相干层析成像(OCT)技术和光学超分辨技术，尤其涉及一种利用光瞳滤波器实现光学相干层析成像轴向超分辨的方法及系统。

背景技术

光学相干层析成像(Optical Coherence Tomography，简称OCT)是一种新兴的光学成像技术，相对于传统的临床成像手段来说，具有分辨率高、成像速度快、无辐射损伤、价格适中、结构紧凑等优点，是基础医学研究和临床诊断应用的重要潜在工具。

分辨率是OCT技术发展的重要指标。OCT的轴向分辨率由光源带宽和探测光束的聚焦条件共同决定。在探测光束弱聚焦条件下，相应的轴向响应函数的主瓣宽度远远大于相干门宽度，此时的轴向分辨率主要由相干门决定。光源带宽越宽，相干门宽度就越窄。相干门宽度越窄，轴向分辨率就越高。因此，目前用来提高OCT轴向分辨率的主要途径包括短脉冲激光技术、非线性超连续谱产生技术、组合光源光谱合成技术等。但这些宽带光源技术存在以下局限性：1)对成像透镜等光学元件的消色差要求大大提高；2)超宽带高效率单模光纤器件不易获得；3)超短脉冲激光器价格昂贵，操作不便，小型化和商业化存在一定难度。所以，采用宽带光源技术来提高OCT的轴向分辨率，往往价格昂贵，系统复杂，而且存在器件上的瓶颈，很难在现有基础上继续提高。光谱整形技术也可在某种程度上改善OCT的轴向分辨率，如抑制中间谱分量使光谱形状趋于平坦，实现相对意义上的光谱拓宽，进而提高OCT的轴向分辨率。

在探测光束强聚焦条件下，其轴向响应函数的主瓣宽度已与相干门接近。光源带宽和轴向响应函数的主瓣宽度都与OCT的轴向分辨率直接相关。在此情形下，压缩轴向响应函数的主瓣宽度是提高OCT轴向分辨率的另一途径。

发明内容

本发明的目的在于提供一种实现光学相干层析成像轴向超分辨的方法及系统，该方法及系统通过插入适当形式的光瞳滤波器，将轴向响应函数的主瓣宽度缩小到相干门之内，从而实现OCT的轴向超分辨；同时，由超分辨光瞳滤波器导致的旁瓣则由相干门来抑制，不对OCT相干成像产生有效贡献，从而确保成像对比度不因轴向超分辨而下降。

本发明的目的是通过如下技术方案实现的：

一、一种实现光学相干层析成像轴向超分辨的方法：

在光学相干层析成像样品臂的准直镜和探测物镜之间插入光瞳滤波器，使轴向响应函数的主瓣宽度缩小到相干门之内，从而实现光学相干层析成像的轴向超分辨；其具体步骤如下：

1)从光纤耦合器一个端口发出的光先由准直镜准直，然后通过光瞳滤波器，再由探测物镜聚焦于样品，此时的照明点扩散函数的轴向主瓣宽度因光瞳滤波器的作用而得到压缩；

2)从样品返回的反射光和散射光经由探测物镜收集，再次通过光瞳滤波器和准直镜，然后返回光纤耦合器，与来自参考臂的参考光汇合并发生干涉；此时的接收点扩散函数和照明点扩散函数一致，由二者共同决定的轴向响应函数的主瓣宽度小于相干门宽度。

所述的光瞳滤波器由N个同心圆环构成，其中N为大于2的自然数，具体值根据不同光学系统的分辨率要求确定，

为光瞳滤波器的光瞳函数，

为光瞳函数的极坐标；其中k_i表示第i个圆环的振幅透过率，0≤k_i≤1；

表示第i个圆环的位相延迟，

r_i-1和r_i表示第i环归一化内外半径；当只有参数k_i变化时，此表达式对应于振幅型光瞳滤波器；当只有参数

变化时，此表达式对应于位相型光瞳滤波器；当参数k_i和

都变化时，此表达式对应于复振幅型光瞳滤波器。

二、一种实现光学相干层析成像轴向超分辨的系统：

包括宽带光源、2×2光纤耦合器、探测器、数据采集卡、计算机、参考臂以及依次由准直镜、探测物镜和样品组成的样品臂。样品臂的准直镜和探测物镜光路之间插入光瞳滤波器，从准直镜出来的光通过光瞳滤波器后，由探测物镜聚焦于样品，从样品返回的反射光和散射光经由探测物镜收集，再次通过光瞳滤波器和准直镜，然后返回光纤耦合器。

所述的光瞳滤波器为振幅型光瞳滤波器或位相型光瞳滤波器，光瞳滤波器由N个同心圆环构成，其中N为大于2的自然数，具体值根据不同光学系统的分辨率要求确定。

本发明的原理为：准直光束经光瞳滤波器后，由探测物镜聚焦，其焦点附近的光分布因光瞳滤波器而发生变化，对应的轴向响应函数也随之改变。采用适当形式的光瞳滤波器，可以将OCT轴向响应函数的主瓣宽度缩小到相干门之内。此时OCT的轴向分辨率不再由光源带宽决定，而是由轴向响应函数的主瓣宽度所决定。通过这种方式实现了OCT轴向分辨率的提高。同时，轴向响应函数的旁瓣则被相干门抑制，不参与相干成像，从而确保了成像对比度不因轴向超分辨而下降。

与背景技术相比，本发明具有如下优点：

1)该方法简单易行，成本低廉。只需在常规OCT样品臂的准直镜和探测物镜之间插入光瞳滤波器，使轴向响应函数的主瓣宽度缩小到相干门之内即可。采用成熟的二元光学技术和薄膜技术制作光瞳滤波器，可以达到很高的精度和较低的成本。这种低成本的提高OCT轴向分辨率的方法，避免了采用宽带光源技术所存在的成本昂贵、系统复杂、器件选择困难等缺陷。

2)由超分辨光瞳滤波器产生的旁瓣，往往会导致图像对比度的下降，这是传统光学系统中实施光学超分辨术的最大障碍。但在OCT中旁瓣对成像的影响可以消除，利用OCT所固有的相干门可以完全抑制旁瓣参与相干成像，这是在OCT中实施光学超分辨的重要优势。

3)初步实验表明，通过上述方法可以将OCT的轴向分辨率至少提高10％。

本发明是一种经济简易的新型超分辨技术，可促进实现OCT系统的小型化与商业化。

附图说明

图1是OCT轴向超分辨的样品臂结构示意图；

图2是光学轴向超分辨的振幅型光瞳滤波器示意图(以N＝3为例)；

图3是光学轴向超分辨的位相型光瞳滤波器示意图(以N＝3为例)；

图4是OCT轴向超分辨方法的系统示意图。

图中：1、准直镜，2、光瞳滤波器，3、探测物镜，4、样品，5、宽带光源，6、2×2光纤耦合器，7、探测器，8、数据采集卡，9、计算机，10、参考臂。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明：

图1所示为实施OCT轴向超分辨的样品臂结构示意图，图中1为准直镜，2为光瞳滤波器，3为探测物镜，4为样品。样品4处于探测物镜3的焦点附近。准直镜1、光瞳滤波器2和探测物镜3同轴放置。光瞳滤波器2的有效孔径与探测物镜3的全口径相等，并归一化为1。光瞳滤波器2有效孔径之外的边缘部分因探测物镜3口径的限制不参与成像，可用于光瞳滤波器2的固定。

如图1所示，从2×2光纤耦合器一个端口发出的光，先由准直镜1准直，然后通过光瞳滤波器2，再由探测物镜3聚焦于样品4上。从样品4返回的反射光和散射光经由探测物镜3收集，再次通过光瞳滤波器2和准直镜1，然后在光纤耦合器处与来自参考臂的参考光汇合并发生干涉。鉴于探测臂中照明光路与接收光路的一致性，对应的照明点扩散函数h_in和接收点扩散函数h_out也一致，并由下式决定：

为光瞳滤波器的光瞳函数，其定义式为：

p(ρ)和

分别表示光瞳滤波器的振幅分布和位相分布，(

)为光瞳函数的极坐标，u为轴向光学坐标，由式u＝(2π/λ)zsin²α＝kzsin²α决定，z代表实际的轴向坐标，k＝2π/λ为光源中心波长对应的波数，sinα表示探测物镜的数值孔径。照明点扩散函数和接收点扩散函数共同决定了OCT的轴向响应函数：

I＝|h_in×h_out|²      (2)

光瞳滤波器2的光瞳函数取不同形式时，轴向响应函数随之变化。当采取适当形式的光瞳函数时，轴向响应函数的主瓣宽度收缩到OCT的相干门Δl之内，从而实现OCT轴向分辨率的提高。

本发明对于OCT轴向分辨率的提高通过轴向响应函数主瓣宽度与相干门宽度之间的比较来衡量。对于高斯型光谱分布的OCT光源来说，其相干门宽度为：

$\mathrm{\Δl}=\frac{2\ln 2}{\mathrm{\π}}\frac{{\mathrm{\λ}}^2}{\mathrm{\Δ\λ}}---\left(3\right)$

其中，λ为光源的中心波长，Δλ为光源带宽。

本发明中的光瞳滤波器2由N区环状结构组成，其归一化光瞳函数

的表达式为：

其中k_i表示第i个圆环的振幅透过率，0≤k_i≤1。

表示第i个圆环的位相延迟，

r_i-1和r_i表示第i环归一化内外半径。当只有参数k_i或者

变化时，此表达式分别对应于振幅型光瞳滤波器和位相型光瞳滤波器。作为实施例，图2示意了三区振幅型光瞳滤波器，其光瞳函数的振幅分布为：

$p\left(\mathrm{\&rho;}\right)=\left\{\begin{array}{cc}1& 0\&le;\mathrm{\&rho;}\&le;0.392\\ 0& 0.392<\mathrm{\&rho;}\&le;0.92\\ 1& 0.92<\mathrm{\&rho;}\&le;1\end{array}\right.---\left(5\right)$

图3示意了三区位相型光瞳滤波器，其光瞳函数的位相分布为：

图4所示是实施OCT轴向超分辨方法的系统示意图。包括宽带光源5(B&WTek，Inc.公司的BWC-SLD，中心波长1310nm，带宽65nm)、2×2光纤耦合器6(富通昭和公司的WBC型，中心波长1310nm，带宽80nm)、探测器7、数据采集卡8、计算机9、参考臂10以及依次由准直镜1、光瞳滤波器2、探测物镜3和样品4组成的样品臂。样品臂的准直镜1和探测物镜3光路之间插入光瞳滤波器2。理论和初步实验表明：采用光瞳函数如式(5)和(6)所示的光瞳滤波器，可以将OCT的轴向分辨率至少提高10％。

Claims (4)

1.一种实现光学相干层析成像轴向超分辨的方法，其特征在于：在光学相干层析成像样品臂的准直镜和探测物镜之间插入光瞳滤波器，使轴向响应函数的主瓣宽度缩小到相干门之内，从而实现光学相干层析成像的轴向超分辨；其具体步骤如下：

1)从光纤耦合器一个端口发出的光先由准直镜准直，然后通过光瞳滤波器，再由探测物镜聚焦于样品，此时的照明点扩散函数的轴向主瓣宽度因光瞳滤波器的作用而得到压缩；

2)从样品返回的反射光和散射光经由探测物镜收集，再次通过光瞳滤波器和准直镜，然后返回光纤耦合器，与来自参考臂的参考光汇合并发生干涉；此时的接收点扩散函数和照明点扩散函数一致，由二者共同决定的轴向响应函数的主瓣宽度小于相干门宽度。

2.根据权利要求1所述的一种实现光学相干层析成像轴向超分辨的方法，其特征在于：所述的光瞳滤波器由N个同心圆环构成，其中N为大于2的自然数，具体值根据不同光学系统的分辨率要求确定，

为光瞳滤波器的光瞳函数，

为光瞳函数的极坐标；其中k_i表示第i个圆环的振幅透过率，0≤k_i≤1；

表示第i个圆环的位相延迟，

r_i-1和r_i表示第i环归一化内外半径；当只有参数k_i变化时，此表达式对应于振幅型光瞳滤波器；当只有参数

变化时，此表达式对应于位相型光瞳滤波器；当参数k_i和

都变化时，此表达式对应于复振幅型光瞳滤波器。

3.一种实现光学相干层析成像轴向超分辨的系统，包括宽带光源(5)、2×2光纤耦合器(6)、探测器(7)、数据采集卡(8)、计算机(9)、参考臂(10)以及依次由准直镜(1)、探测物镜(3)和样品(4)组成的样品臂；其特征在于：样品臂的准直镜(1)和探测物镜(3)光路之间插入光瞳滤波器(2)，从准直镜(1)出来的光通过光瞳滤波器(2)后，由探测物镜(3)聚焦于样品(4)，从样品(4)返回的反射光和散射光经由探测物镜(3)收集，再次通过光瞳滤波器(2)和准直镜(1)，然后返回光纤耦合器(6)。

4.根据权利要求3所述的一种实现光学相干层析成像轴向超分辨的系统，其特征在于：所述的光瞳滤波器(2)为振幅型光瞳滤波器或位相型光瞳滤波器，光瞳滤波器由N个同心圆环构成，其中N为大于2的自然数，具体值根据不同光学系统的分辨率要求确定。

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