] 不难发现，采用光路来实现这样的卷积运算，也就相当于构造了一个等效色散介 质，利用这个等效色散介质对信号做近似的傅里叶变换。显然，等效色散介质色散量D与a 的关系为a = 1A2D)，其中，a根据实际应用进行选取，使用时可先用Matlab做卷积和取包 络的数值运算，并对运算结果进行判定，如果结果符合预设的傅里叶变换，则认为此时a的 选取是合适的。
[0031] 基于上述原理，如图1所示，本发明基于光计算的光谱光学相干成像系统包括一 光计算系统和一图像显示系统，光计算系统包括宽带光源1、信号发生装置2、光强度调制 器3、色散器件4、第一耦合器5、第一环形器6、第二环形器7、第一聚焦透镜8、第二聚焦透 镜9、反射镜10、二维扫描系统11和第二耦合器12 ;图像显示系统包括平衡探测器13、包络 检波器14、数据采集卡15和计算机16,其中，第二耦合器12的耦合比例参数为50/50。宽 带光源1发出的直流宽带光经被信号发生装置2驱动的光强度调制器3调制为所需形状后 发送到色散器件4,经色散器件4出射的光进入第一耦合器5根据设定参数进行分光，经第 一親合器5出射的小部分光进入第一环形器6成为参考光，其余大部分光进入第二环形器 7成为样品光；参考光经第一聚焦透镜8会聚后发射到反射镜10后沿着原光路返回进入第 一环形器6 ;二维扫描系统11用于进行X和Y方向的扫描，样品光经二维扫描系统11发射 到待测样品17的不同位置，待测样品17不同位置的不同深度反射的光沿着原光路返回进 入第二环形器7 ;第一环形器6出射的经反射镜10反射的参考光和第二环形器7出射的经 待测样品17反射的样品光均发射到第二耦合器12进行耦合，经第二耦合器12出射的同比 例的光经平衡探测器13接收，平衡探测器13将光信号进行处理并将得到的电信号发送到 包络监测器14得到包络信号，包络信号经数据采集卡15输入到计算机16进行显示，获得 待测样品17的结构信息。
[0032] 在一个优选的实施例中，为了提高输出信号的功率，宽带光源1、光强度调制器3、 色散器件4和第一耦合器5之间的光路任一位置可以设置一助推光学放大器或一掺杂光纤 放大器用于放大信号，或者在第二耦合器12与平衡探测器13之间可以设置助推光学放大 器或掺杂光纤放大器。
[0033] 在一个优选的实施例中，如图1所示，色散器件4可以采用第三环形器41和光纤 布拉格光栅42 (线性啁啾光纤光栅），当色散器件4采用第三环形器41和光纤布拉格光栅 42时，经光强度调制器3调制后的宽带光发送到第三环形器41，经第三环形器41出射的宽 带光被光纤布拉格光栅42反射经第三环形器41进入第一耦合器5进行耦合。另外，色散 器件4还可以采用与光纤布拉格光栅42色散量相等的光纤，当色散器件4采用光纤时，经 光强度调制器3调制后的宽带光经光纤发射到第一耦合器5进行耦合。
[0034] 在一个优选的实施例中，宽带光源1的输出波长可以根据实际需要选择工作波 段，工作波段可以为850nm、1064nm、1310nm和1550nm，但是不限于此；相应地，光路中的相 应光学器件的工作波长与宽带光源1所选择的输出波长相适应。
[0035] 在一个优选的实施例中，如图1所示，信号发生装置2可以采用波形发生器21，由 于现有的光强度调制器的半波电压显著大于波形发生器21输出电压的幅度，因此波形发 生器21与光强度调制器3之间可以设置射频放大器22用于提高调制深度；波形发生器21 和射频放大器22用于驱动光强度调制器3将宽带光源1输出的直流宽带光在时域上调制 为cos (at2)+1的形状。
[0036] 在一个优选的实施例中，光强度调制器3可以采用电光强度调制器或声光强度调 制器。
[0037] 在一个优选的实施例中，二维扫描系统11为现有系统，包括X方向和Y方向的两 个扫描振镜，具体工作原理在此不再赘述。
[0038] 如图2和图3所示，当将镜面作为样品时，平衡探测器13输出信号的理论计算结 果与实验结果一致，因此证明本发明的基于光计算的光谱光学相干成像系统的原理正确可 行。
[0039] 下面通过具体实施例对本发明的基于光计算的光谱光学相干成像系统的使用过 程进行详细说明。其中，本实施例中宽带光源1的工作波段为1550nm，光强度调制器3采用 电光强度调制器，色散器件4采用第三环形器41和光纤布拉格光栅42,第一耦合器的耦合 参数为10/90,具体过程为：
[0040] 如图1所示，工作波段为1550nm的宽带光源1发出的直流宽带光发送到被波形发 生器21和射频放大器22驱动的电光强度调制器后，在时域上被调制为等效色散介质的冲 击响应函数h(t)的形状cos(at 2)+l。经电光强度调制器调制后的光通过第三环形器41后 被光纤布拉格光栅42反射再经第三环形器41进入第一耦合器5根据选定耦合参数进行耦 合，经第一親合器5親合后10 %的光进入第一环形器6成为参考光，90 %的光进入第二环形 器7成为样品光。参考光经第一聚焦透镜8会聚后发射到反射镜10,经反射镜10反射的参 考光沿着原光路返回进入第一环形器6,样品光经第二聚焦透镜9会聚后经二维扫描系统 11发射到待测样品17上，二维扫描系统11用于进行X和Y方向的扫描，经待测样品17的 不同位置的不同深度反射的样品光沿着原光路返回进入第二环形器7 ;第一环形器6出射 的经反射镜10反射的参考光和第二环形器7出射的经待测样品反射的样品光经耦合系数 为50/50的第二耦合器12耦合，经第二耦合器12出射的同比例的光被平衡探测器13接收 将光信号转化为电信号，其中的直流信号以及共模噪声均被平衡探测器13去除，平衡探测 器13输出的电信号通过包络检波器14得到其包络信号，该包络信号就是cos (at2)与返回 的参考光和样品光的干涉频谱的卷积结果的包络，即样品的结构信息。最后，电信号经由数 据采集卡15转换成数字信号，输入到计算机16进行三维渲染和显示，获得样品的三维分布 图。
[0041] 上述各实施例仅用于说明本发明，其中所有光学器件可以根据实际情况采用外部 支架进行固定，在此不作限定，各部件的结构等都是可以有所变化的，只要满足光路传播条 件即可，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的 保护范围之外。
【主权项】
1. 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，经所述第一親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。
2. 如权利要求1所述的一种基于光计算的光谱光学相干成像系统，其特征在于：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。
3. 如权利要求1或2所述的一种基于光计算的光谱光学相干成像系统，其特征在于： 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耦合器 进行耦合。
4. 如权利要求1或2所述的一种基于光计算的光谱光学相干成像系统，其特征在于： 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。
5. 如权利要求1~4任一项所述的一种基于光计算的光谱光学相干成像系统，其特征 在于：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。
6. 如权利要求1~5任一项所述的一种基于光计算的光谱光学相干成像系统，其特征 在于：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。
7. 如权利要求1~6任一项所述的一种基于光计算的光谱光学相干成像系统，其特征 在于：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。
【专利摘要】本发明涉及一种基于光计算的光谱光学相干成像系统，其特征在于：包括光计算系统和图像显示系统，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、扫描振镜和第二耦合器；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，实现了光频域信号的实时傅里叶变换。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，所以本发明的成像速度极快，可以广泛应用于光谱光学相干成像中。
【IPC分类】A61B5-00
【公开号】CN104688188
【申请号】CN201510107496
【发明人】薛平, 张晓 , 霍天成, 王成铭, 陈天元, 廖文超, 艾盛楠, 章文欣, 谢睿程
【申请人】清华大学
【公开日】2015年6月10日
【申请日】2015年3月12日