CN109171659A - 基于琼斯矩阵的光纤型扫频偏振敏感oct成像方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于琼斯矩阵的光纤型扫频偏振敏感OCT成像方法及系统。在扫频偏振敏感光学相干层析成像方法中，利用琼斯矩阵表示光的偏振态。利用延时单元使偏振方向相互垂直的两入射线偏振光产生一定的光程差，经光纤传输到带有相位调制的样品臂，后期通过数据处理消除光纤的影响，实现全深度范围、高灵敏度的OCT成像。本发明利用深度复用以及相位调制实现水平方向和垂直方向两个偏振态同时成像，得到信息更完善、高灵敏度的图像，并且算法简单、系统轻巧，可实现实时图像重建。
Description
技术领域
本发明涉及OCT成像技术和扫频OCT成像技术，尤其涉及一种基于琼斯矩阵的光纤型扫频偏振敏感OCT成像的方法及系统。
背景技术
光学相干层析(Optical Coherence Tomography，简称OCT)成像技术是一种新型的光学成像技术，能够对被测活体样品内部的组织结构与生理功能进行非侵入、非接触、高分辨率在体成像，在疾病的早期诊断和在体活检领域有着广泛应用前景。经试验证实，OCT技术在眼科、牙科、心血管疾病、皮肤癌的早期诊断以及发育生物学等研究中，都具有重要的应用价值。
传统OCT认为样品折射率随着样品深度变化，不同深度反射回探测器的光特性是不同的，利用这个原理来获得样品内部结构信息。Hee等人1992年认为样品的折射率在不同深度上是不同的，在同一深度的不同方向上也是不同的，即样品存在双折射，从而提出偏振敏感OCT(Polarization Sensitive Optical Coherence Tomography)，不仅能得到普通OCT的反射光强信息，还能同时得到反射光的偏振状态信息，特别是生物组织的双折射信息，从而确定被测物的偏振特性。目前，PS-OCT已经在皮肤烧伤检测、龋齿判别、青光眼和糖尿病水肿诊断、冠心病监测等方向取得显著研究进展。
在偏振敏感OCT的系统结构有空间PS-OCT和全光纤PS-OCT。空间PS-OCT分析起来相对比较简单，容易实现，成本也比较低，但空间光路的存在使空间PS-OCT的体积比较大，不紧凑。全光纤PS-OCT中，为了使结构紧凑，便于实际应用，光路中引入了光纤，所有光的传播都在光纤内进行。这一方面使系统体积减小，但另一方面光纤的引入也带来额外的偏振效应，Park等人2004年提出比较样品表面与样品内部反射光以补偿光纤的影响。
偏振敏感OCT分析方法主要有Jones矩阵分析法和Stokes分量分析法。Jiao等人2002年验证了可以用琼斯矩阵表征样品内部偏振信息。并且设计了一种基于空间光路的实验系统，使用两个超辐射发光二极管光源，分别为水平与垂直偏振态，并使用两个探测器分别探测，控制光源的两个函数发生器为同时且时序相同。2005年提出光源臂使用一个偏振调制器连续调制入射光的偏振态，由两个探测器分别探测水平与竖直两个分量，达到只需要单个光源以及单个扫描深度的目的。Yasuno等人2012年提出样品臂中加入使用达夫棱镜的延迟单元，产生两个有相对延时、偏振态相互垂直的输光入。探测臂中用平衡探测器分别探测水平与垂直两个方向的偏振态。同年，Fan等人提出样品臂中加入相位调制，使反射位置轻微地偏离振镜的转轴，消除镜像，实现全范围的探测。然而，前人方法中依然存在算法复杂、系统体积大、稳定性差、限制成像深度及信噪比等缺陷亟待解决。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于琼斯矩阵的光纤型扫频偏振敏感OCT成像方法及系统，克服了在先技术的不足。本发明不需要昂贵的电光调制器件，成本低，对两个偏振态的输入可同时、高灵敏度成像。
本发明的技术解决方案如下：
一种基于琼斯矩阵的光纤型扫频偏振敏感光学相干层析成像方法，其特征在于：在扫频偏振敏感OCT成像系统中，利用琼斯矩阵表示光的偏振态；利用延时单元使偏振方向相互垂直的两入射线偏振光产生一定的光程差；采用全光纤传输；采用深度复用以及相位调制的方法实现对两个输入偏振态同时且高灵敏度成像；算法简单、系统轻巧，可实现实时图像重建。
本发明的偏振敏感光学相干层析成像方法的具体步骤如下：
①在扫频光学相干层析成像系统中，使用起偏器(4)，将样品臂入射光变为与水平方向夹角为45°的线偏振光，并通过调节第一偏振控制器(3)使其强度最大；通过第一偏振分束器(504)将入射光分成两束偏振态相互垂直、强度相等的线偏振光；为了实现对两偏振态相互垂直的入射光，照射至样品后对样品的同时成像，采用深度复用的方法，使用延时单元，通过调节延时单元中两臂的光程差，使两束入射光具有一定的光程差：
其中，k为波数，d为延时单元两臂光程差的一半，取中间为零光程位置；
②通过光纤进行光信号的传输，并使用琼斯矩阵描述偏振信息，由延时系统至样品表面、样品内部来回、样品表面到探测器的琼斯矩阵分别为Jin、Jsamp、Jout，最后所测的琼斯矩阵为：
事先测量样品表面的琼斯矩阵Jsurf，以通过后期的数据处理消除光纤的影响；
③为了实现高灵敏度成像，使对两偏振方向相互垂直的入射线偏振光，照射至样品后对样品的成像在零光程两边，在偏振光学相干层析成像方法的基础上，在样品臂中对扫描振镜(802)设置一定的偏移量，引入线性相位调制fm为调制系数，x为横向扫描位置，通过线性相位调制消除镜像，使两个偏振态同时成像在零光程的两边，实现全深度范围、高灵敏度成像；
④系统工作后，所述的第一平衡探测器(907)、第二平衡探测器(908)分别探测水平偏振和垂直偏振两通道的含有线性相位调制项的干涉信号：
其中，Ih(k，x)为水平偏振通道的干涉信号；Iv(k，x)为垂直偏振通道的干涉信号；S(k)为低相干光源功率谱密度分布；ES、ER为样品臂与参考臂光的实振幅；zsamp、zref为样品臂与参考臂的光程；
取上述干涉信号的互相干项：
⑤将上述互相干项沿x轴做傅里叶变换，滤去负频率部分后做逆傅立叶变换；
⑥沿k轴做傅立叶变换：
其中，Γ(z)为S(k)的傅里叶变换，分别提取强度信息，得到J11，J12，J21，J22。
⑦数据处理，由样品表面返回的信息可测得Jsurf，且
Jsurf＝JoutJin
由上式可得：
令为JT
其中：
另外，可以通过比较输入与输出的状态得到JT
两式相等，可得：
解上式即可得到Jsamp。
实施上述方法的基于琼斯矩阵的光纤型扫频偏振敏感OCT成像方法的系统，包括扫频光源，入射光经第一光纤耦合器后分为样品臂和参考臂；样品臂通过光纤连接依次为第一偏振控制器、起偏器、延时单元、样品单元，照射至样品后返回经第二光纤耦合器进入探测单元；参考臂的入射光经第二偏振控制器进入探测单元与样品臂反射光汇合，并进入探测单元进行探测，将数据传入计算机。所述的延时单元中，与水平方向成45度夹角的线偏振光经第一准直镜进入第一偏振分束器，分成两束光后分别通过第一四分之一波片、第二四分之一波片，经第一平面反射镜、第二平面反射镜反射后在第一偏振分束器汇合由第二准直镜进入光纤。所述的样品单元中，入射光由第三准直镜照射至二维扫描振镜，再通过第一透镜、第二透镜组成的望远镜系统照射至样品，带有样品信息的反射光返回第二光纤耦合器。所述的探测单元中，参考光经第四准直镜、起偏器进入分束器，样品光经第五准直镜进入分束器，由分束器将干涉信号分为两束，分别经第二偏振分束器、第三偏振分束器后由第一平衡探测器、第二平衡探测器测得强度信息。该系统的特点是：采用全光纤传输，实现了系统的紧凑、灵活、稳定；设置延时单元，使强度相同、偏振方向相互垂直的两入射线偏振光产生一定的光程差，采用深度复用的方法实现对两偏振态的同时成像；样品臂的入射光照射至有一定的偏移量的扫描振镜上，产生了线性相位调制，在振镜转动的同时，对干涉信号加入了空间载频，以消除镜像，实现对两个偏振态的高灵敏度成像。
所述的光源为波长扫描激光光源。
所述的样品是具有双折射性质的样品。
所述的延时单元可通过改变两臂光程实现两偏振方向相互垂直的线偏振光的光程差变化。
所述的样品臂二维振镜对于入射光设置一定的偏移量，产生线性相位调制。
所述的延时单元中的分束器是偏振分束器。
所述的延时单元中的两个四分之一波片与水平方向成45°。
所述的探测单元中的分束器是非偏振分束器。
所述的迈克尔逊干涉仪其特征在于具有两个接近等光程的干涉光路，分别为参考臂和样品臂，并且是光纤光学系统。
该系统的工作情况如下：
扫频光源发出的光经过第一光纤耦合器耦合进迈克尔逊干涉仪，并分为样品臂和参考臂。样品臂入射光经起偏器后成为与水平方向成45°夹角的线偏振光并通过第一偏振分束器使其光强最大。样品光路经过一个延时单元，由第一偏振分束器将与水平方向成45°夹角的线偏振光分为水平和垂直两个方向的线偏振光，分别射入光程不同的延时单元的两臂，分别经过第一四分之一波片、第二四分之一波片以及第一平面反射镜、第二平面反射镜反射，偏振方向旋转90°后返回第一偏振分束器汇合，形成两束有一定光程差且偏振方向相互垂直的入射光，经过二维扫描振镜的相位调制，照射到样品后返回第二光纤耦合器，并到达探测单元；参考光经第二偏振控制器、起偏器进入探测单元。参考光与样品光在探测单元汇合，并通过分束器分为两束，通过平衡探测器得到干涉信号中的互相干项，从中提取出强度信息，通过图像采集卡进入计算机，得到所测琼斯矩阵。事先获得样品表面的琼斯矩阵，以补偿光纤的影响。
与在先技术相比，本发明具有以下优点：
本发明摒弃了体积大、不紧凑、稳定性差的空间型光路，采用全光纤实现，保证了系统的紧凑、灵活、稳定性。
本发明不需要昂贵的偏振调制器，而通过延时单元实现偏振方向相互垂直的两入射线偏振光的输入，采用深度复用的方式实现对两个偏振态输入的同时成像。
本发明基于琼斯矩阵的光纤型扫频偏振敏感OCT成像方法的特点是将线性相位调制用于偏振频域光学相干层析成像，入射光照射至有一定偏移量的扫描振镜上，产生线性相位调制，在振镜转动的同时，对干涉信号加入了空间载频，以消除镜像，使对两个偏振方向相互垂直的入射线偏振光，照射至样品后的反射光成像在零光程的两边，且靠近零光程，实现全范围高灵敏度成像。
附图说明
图1为本发明基于琼斯矩阵的光纤型扫频偏振敏感OCT成像系统的系统结构图。
图2为本发明中延时单元代替偏振调制器的结构示意图。
图3为本发明中带有相位调制的二维振镜的样品单元结构示意图。
图4为本发明中带有分束器和平衡探测器的探测单元的结构示意图。
图5为本发明中采用深度复用与线形相位调制方法实现两个正交偏振分量同时且高灵敏度成像原理示意图与前人方法示意图的比较。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此实施例限制本发明的保护范围。
请参阅图1。图1为本发明基于琼斯矩阵的光纤型扫频偏振敏感OCT成像系统的结构示意图。基于琼斯矩阵的光纤型扫频偏振敏感光学相干层析成像系统，包括扫频光源1，入射光经第一光纤耦合器2后分为样品臂和参考臂6；样品臂通过光纤连接依次为第一偏振控制器3、起偏器4、延时单元5、样品单元8，照射至样品后返回经第二光纤耦合器7进入探测单元9；参考臂6的入射光经第二偏振控制器10进入探测单元9与样品臂反射光汇合，并进入探测单元9进行探测，将数据传入计算机11。
请参阅图2。图2为本发明中延时单元结构示意图。与水平方向成45度夹角的线偏振光经第一准直镜501进入第一偏振分束器504，分成两束光后分别通过第一四分之一波片502、第二四分之一波片506，经第一平面反射镜503、第二平面反射镜507反射后在第一偏振分束器504汇合由第二准直镜505进入光纤。
请参阅图3。图3为本发明中带有线性相位调制的二维振镜的样品单元结构示意图。入射光由第三准直镜801照射至二维扫描振镜802，再通过第一透镜803、第二透镜804组成的望远镜系统照射至样品805，带有样品信息的反射光返回第二光纤耦合器7。
请参阅图4。图4为本发明中带有分束器和平衡探测器的探测单元的结构示意图。参考光经第四准直镜901、起偏器902进入分束器905，样品光经第五准直镜903进入分束器905，由分束器905将干涉信号分为两束，分别经第二偏振分束器904、第三偏振分束器906后由第一平衡探测器907、第二平衡探测器908测得强度信息。
请参阅图5。图5为本发明中采用深度复用与线形相位调制方法实现两个正交偏振分量同时且高灵敏度成像原理示意图与前人方法示意图的比较。(a)为前人方法成像消镜像前的示意图，在实现两个正交偏振态同时成像的同时牺牲了深度，(b)为本发明中采用深度复用的方法和在振镜中设置偏移量引入线性相位调制完成消镜像的示意图，实现了两个正交偏振态同时且大深度、高灵敏度成像。
所述的两偏振态相互垂直的入射线偏振光为：
经过延时系统后，样品臂的入射光为：
其中，k为波数，d为延时单元两臂光程差的一半，取中间为零光程位置。
通过光纤进行光信号的传输，由延时系统至样品表面、样品内部来回、样品表面到探测器的琼斯矩阵分别为Jin、Jsamp、Jout，最后测得琼斯矩阵为：
事先测量样品表面的琼斯矩阵Jsurf，再通过后期的数据处理消除光纤的影响。
样品臂和参考臂的光场矢量分别为：
其中zsamp、zref为样品臂与参考臂的光程，ES、ER为样品臂与参考臂光的实振幅。为引入的相位调制。
探测臂中，取(4)式中水平方向，光场矢量表示为：
由(5)式可得干涉信号为：
取(6)式中干涉信号的互相干项：
将(7)式中互相干项沿x轴做傅里叶变换，滤去负频率部分：
将(8)式做傅里叶逆变换：
将(9)式沿k轴做傅立叶变换：
同理，垂直方向为：
其中，Γ(z)为S(k)的傅里叶变换。
在(10)、(11)式中分别提取强度信息，得到J11，J12，J21，J22，求出(3)式。
由样品表面返回的信息可测得Jsurf，且
Jsurf＝JoutJin (12)
由(12)式可得：
其中：
另外，可以通过比较输入与输出的状态得到JT
解得：
令(13)式与(17)式相等，可得：
将(14)、(15)式代入(18)式，可得：
即可得到Jsamp。
Claims (6)
1.一种基于琼斯矩阵的光纤型扫频偏振敏感OCT成像方法与系统，在扫频偏振敏感OCT成像系统中，利用琼斯矩阵表示光的偏振态；利用延时单元使偏振方向相互垂直的两入射线偏振光产生一定的光程差；采用全光纤传输；其特征在于：采用深度复用的方法使水平方向和垂直方向两个正交偏振态成像在零光程的两边，并采用线性相位调制的方法消除镜像，实现对两个输入偏振态同时且高灵敏度成像。
2.实现权利要求1所述的基于琼斯矩阵的光纤型扫频偏振敏感OCT成像方法与系统，包括扫频光源(1)，入射光经第一光纤耦合器(2)后分为样品臂和参考臂(6)；样品臂通过光纤连接至第一偏振控制器(3)，通过调整第一偏振控制器(3)可调整输入样品臂光强最大，经过起偏器(4)后，进入两臂光程不同且分别在零光程两侧的延时单元(5)，产生两束有一定光程差且偏振方向相互垂直的入射线偏振光，再进入样品单元(8)，照射至样品后返回经第二光纤耦合器(7)进入带有两路平很探测器的探测单元(9)；参考臂(6)的入射光经第二偏振控制器(10)进入探测单元(9)与样品臂反射光汇合，并进入探测单元(9)进行探测，将数据传入计算机(11)。
3.权利要求2所述的延时单元(5)中，与水平方向成45度夹角的线偏振光经第一准直镜(501)进入第一偏振分束器(504)，分成两束光后分别通过第一四分之一波片(502)、第二四分之一波片(506)，经第一平面反射镜(503)、第二平面反射镜(507)反射后在第一偏振分束器(504)汇合由第二准直镜(505)进入光纤。
4.权利要求2所述的样品单元(8)中，入射光由第三准直镜(801)照射至二维扫描振镜(802)，再通过第一透镜(803)、第二透镜(804)组成的望远镜系统照射至样品(805)，带有样品信息的反射光返回第二光纤耦合器(7)。
5.权利要求2所述的探测单元(9)中，参考光经第四准直镜(901)、起偏器(902)进入分束器(905)，样品光经第五准直镜(903)进入分束器(905)，由分束器(905)将干涉信号分为两束，分别经第二偏振分束器(904)、第三偏振分束器(906)后由第一平衡探测器(907)、第二平衡探测器(908)测得强度信息。
6.根据权利要求1所述的扫频偏振敏感OCT成像方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
①在扫频光学相干层析成像系统中，使用起偏器(4)，将样品臂入射光变为与水平方向夹角为45°的线偏振光，并通过调节第一偏振控制器(3)使其强度最大；通过第一偏振分束器(504)将入射光分成两束偏振态相互垂直、强度相等的线偏振光；为了实现对两偏振态相互垂直的入射光，照射至样品后对样品的同时成像，采用深度复用的方法，使用延时单元，通过调节延时单元中两臂的光程差，使两束入射光具有一定的光程差；
②通过光纤进行光信号的传输，并使用琼斯矩阵描述偏振信息，用延时系统至样品表面、样品内部来回、样品表面到探测器的琼斯矩阵表示最后所测的琼斯矩阵，并且事先测量样品表面的琼斯矩阵，以通过后期的数据处理消除光纤的影响；
③为了实现高灵敏度成像，使对两偏振方向相互垂直的入射线偏振光，照射至样品后对样品的成像在零光程两边，在偏振光学相干层析成像方法的基础上，在样品臂中对扫描振镜(802)设置一定的偏移量，引入线性相位调制，通过线性相位调制消除镜像，使两个偏振态同时成像在零光程的两边，实现全深度范围、高灵敏度成像；
④系统工作后，所述的第一平衡探测器(907)、第二平衡探测器(908)分别探测水平偏振和垂直偏振两通道的含有线性相位调制项的干涉信号，取其中的互相干项沿横向做傅立叶变换，滤去负频率部分后沿横向做逆傅立叶变换，沿波数方向做傅立叶变换后提取强度信息即为测得的琼斯矩阵，再通过样品表面的琼斯矩阵解调得到样品的琼斯矩阵。
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