一种基于光计算的光谱光学相干成像系统的利记博彩app
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种光谱光学相干成像系统（Spectral Domain Optical Coherence Tomograpgy，简称SD-OCT)，特别是关于一种基于光计算的光谱光学相干成像系统，属于生 物医学光子学领域。
【背景技术】
[0002] 光学相干层析技术（Optical Coherence Tomograpgy，简称0CT)，目前已经由传统 的时域光学相干层析（Time Domain-OCT，简称TD-0CT)发展为频域光学相干层析（Fourier Domain-OCT，简称 FD-0CT)。其中，FD-OCT 有两种类型：基于 CCD(Charge-coupled Device) 的光谱仪探测式的光谱光学相干层析（Spectral Domain-OCT，简称SD-0CT)和基于扫频 激光器的扫频光学相干层析（Sw印t Source-OCT，简称SS-0CT)。和传统的TD-OCT相比， SD-0CT不再依靠光学延迟线的机械扫描来获得生物组织深度方向的一线（A-scan)信号， 而是通过光谱仪进行频谱分析，一次得到一线信号，这样便避免了因运动惯性而导致的响 应慢的缺点，并在系统信噪比等方面的性能也得到了提高。
[0003] 现有的SD-OCT中，CCD测量的是样品光和参考光的干涉信号的频谱展开，相当于 样品的空间信息被做了一次傅立叶变换。因此，从CCD获得的每线频谱数据是波长λ的函 数，需要将这些数据转换为波矢k的函数然后再做一次傅立叶逆变换，从而得到一线样品 深度方向的结构信息。目前，线扫描速度在几十kHz的线阵CCD技术已经十分成熟，但是 如果要用于研制高分辨率的三维实时成像SD-0CT，现有线阵CCD的扫描速度就显得捉襟见 肘了。另外，在图像数据处理过程中，样条插值（将频谱数据从波长λ空间转到波矢k空 间的过程）和傅里叶逆变换的运算量对于现有计算机的中央处理器（Central Processing Unit，简称CPU)或图形处理器（Graphic Processing Unit，简称GPU)来讲太过庞大，导致 难以实现高分辨率三维实时成像。因此，SD-OCT成像速度的瓶颈就是CCD数据采集速度和 图像数据处理的速度。
【发明内容】
[0004] 针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够有效提高成像速度的基于光计算的 光谱光学相干成像系统。
[0005] 为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种基于光计算的光谱光学相干成 像系统，其特征在于：包括一光计算系统和一图像显示系统，所述光计算系统包括宽带光 源、信号发生装置、光强度调制器、色散器件、第一耦合器、第一环形器、第二环形器、第一 聚焦透镜、第二聚焦透镜、反射镜、二维扫描系统和第二耦合器；所述图像显示系统包括 平衡探测器、包络检波器、数据采集卡和计算机，其中，所述第二耦合器的耦合比例参数为 50/50;所述宽带光源发出的直流宽带光经被所述信号发生装置驱动的所述光强度调制器 调制后发送到所述色散器件，经所述色散器件出射的光进入所述第一耦合器根据设定参数 进行分光，经所述第一耦合器出射的小部分光进入所述第一环形器成为参考光，其余大部 分光进入所述第二环形器成为样品光；参考光经所述第一聚焦透镜会聚后发射到所述反射 镜后沿着原光路返回进入所述第一环形器；所述二维扫描系统用于进行X和Y方向的扫描， 样品光经所述二维扫描系统发射到待测样品的不同位置，待测样品不同位置的不同深度反 射的光沿着原光路返回进入所述第二环形器；所述第一环形器出射的经反射镜反射的参考 光和所述第二环形器出射的经待测样品反射的样品光均发射到所述第二耦合器进行耦合， 经所述第二耦合器出射的同比例的光经所述平衡探测器接收，所述平衡探测器将光信号进 行处理并将得到的电信号发送到所述包络监测器得到包络信号，包络信号经所述数据采集 卡输入到所述计算机进行显示，获得待测样品的结构信息。
[0006] 所述宽带光源、光强度调制器、色散器件和第一耦合器之间的光路任一位置设置 一助推光学放大器或一掺杂光纤放大器；或者所述第二耦合器与所述平衡探测器之间设置 所述助推光学放大器或掺杂光纤放大器。
[0007] 所述色散器件采用第三环形器和光纤布拉格光栅，当所述色散器件采用第三环形 器和光纤布拉格光栅时，经所述光强度调制器调制后的宽带光发送到所述第三环形器，经 所述第三环形器出射的宽带光被所述光纤布拉格光栅反射经所述第三环形器进入所述第 一親合器进行親合。
[0008] 所述色散器件采用光纤，当所述色散器件采用光纤时，经所述光强度调制器调制 后的宽带光经光纤发射到所述第一耦合器进行耦合。
[0009] 所述信号发生装置采用波形发生器，所述波形发生器与所述光强度调制器之间设 置一射频放大器；所述波形发生器和射频放大器用于驱动所述光强度调制器将所述宽带光 源输出的直流宽带光在时域上调制为COS (at2)+1的形状，a为常数。
[0010] 所述光强度调制器采用电光强度调制器或声光强度调制器。
[0011] 所述宽带光源的输出波长的工作波段为850nm、1064nm、1310nm和1550nm中的一 种。
[0012] 本发明由于采取以上技术方案，具有以下优点：1、区别于传统的SD-0CT，本发明 由于使用了新型光学实时傅里叶变换的方法，使得SD-OCT无须再使用光栅、C⑶进行光谱 采集，也无需使用高性能计算机进行样条差值和离散傅里叶变换，因此摆脱了 CCD积分时 间不够短以及计算机运算速度不够快对SD-OCT成像速度的制约，能够大大地提高系统成 像速度。2、基于光学实时傅里叶变换系统的SD-OCT从宽带光源到平衡探测器，整个光路不 但结构简单，且均可以采用全光纤器件，使系统的能量利用率、稳定性、集成度更高。3、本发 明由于设置有第二耦合器，经第二耦合器出射的同比例的光经平衡探测器接收，其中的直 流信号以及共模噪声均被平衡探测器去除，有效提高信噪比。综上所述，由于实时傅里叶变 换能够及时地处理光谱光学相干成像系统的图像数据，所以本发明成像速度极快。另外，本 发明具有结构简单、全光纤化、工作稳定等优点，可以广泛应用在光谱光学相干成像中。
【附图说明】
[0013] 图1为本发明的光谱光学相干成像系统结构示意图；
[0014] 图2为采用镜面作为样品时，理论计算得到的平衡探测器的输出信号示意图；
[0015] 图3为采用镜面作为样品时，实验测得的平衡探测器的输出信号示意图。
【具体实施方式】
[0016] 以下结合附图来对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，附图的提供仅为了更 好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。在本发明的描述中，需要理解的是， 术语"第一"、"第二"等仅仅是用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0017] 假设一有限长度的光信号（例如：一个光脉冲）通过一色散量足够大的理想色散 介质（仅有二阶色散，且二阶色散系数不随波长变化），由于不同波长的光在色散介质中存 在速度差，输出光的时域形状将近似为其频域上的光谱形状。众所周知，光信号的时域形状 和频域上的光谱形状是傅里叶变换的关系，因此，色散介质就相当于对该光信号做了傅里 叶变换。
[0018] 显然，色散介质是线性系统，线性系统的特性由其冲击响应函数描述，根据关于色 散的方程：
[0019] IdAIdz=Piid2Aidt2
[0020] 可知若输入的光信号为一冲击函数δ，得到的冲击响应函数h(t) exp(-it2/ (2D))。其中，t为时间，A(z，t)为光信号在色散介质的Z处的时域波形，β为二阶色散系 数，exp为e指数，若色散介质长度为Zci，其色散量D = Zci β。
[0021] 对任一光信号f(t)，将其输入一色散量足够大的理想色散介质，输出波形（其 近似的傅里叶变换结果）为|以0#1(0|，*为卷积，||为求模运算。此数学形式也可 写为 |f(t)*h(t)| |f(t)*exp(-it2/(2D))| = ((f(t)*cos(t2/(2D)))2+(f(t)*sin(t2/ (20)))2)1/2。实际上，较之€(〇，〇〇8(〇(20))和&11(^(20))都是变化极快的函数，又因 为（C〇S(tV(2D)))2+(sin(tV(2D)))2= 1，因此 |f(t)*h(t)| 实际就正比于 f(t)*c〇s(t2/ (2D))或者f(t)*sin(tV(2D))的包络，这一点可以由数值计算验证。
[0022] 综上所述，某个函数f(t)的傅里叶变换可以近似为其与函数cos(at2)的卷积运 算结果的包络，即：f(t)*c 〇s(at2)的包络。其中，a为一常数。
[0023] 另外，由色散介质的特性可知，色散介质可以实现时域信号与其频谱之间的卷积。 数学表达式为：
[0024] Iout (t) - Iin(t)*S(〇 = t/D〇)
[0025] 其中，Iin(t)和Iwt(t)分别为输入和输出色散介质的光信号强度，S(?)为输入 信号的频谱，ω为角频率，D tl为色散介质的色散量。S(? = VDtl)表示将ω = VDtl代入 S(?)表达式所得到的关于时间t的函数。为了对SD-OCT的干涉信号的频谱S(?)做实时 傅里叶变换，将输入光的强度调制为：
[0026] Iin (t) 00 cos (at2) +1
[0027] 考虑到光强不能为负，所以上式中加入了常数项1。若将调制后的光信号注入到色 散量为D tl的色散介质，就可以实现时域信号Iin(t)与其频谱S(?)的卷积运算，输出光强 I 〇ut⑴为：
[0028] Iout (t) 00 cos (at2) *S (ω = t/D0)+1*S (ω = t/D0)
[0029] 其中，l*S(〇 = t/DQ)为直流量。而 cos(at2)*S(〇 = t/DQ)就是 cos(at2)与 SD-OCT干涉光谱形状的卷积。其包络就是所测样品的一线空间结构信息，这样就实现了对 SD-OCT的干涉信号的频谱做实时傅里叶变换。此处，SD-OCT干涉信号的光谱S(Q)是关于 ω的函数而非关于λ的函数，所以实际上在做实时傅里叶变换之前就完成了将SD-OCT干 涉信号的频谱从波长λ空间转到波矢k空间的过程。
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