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基于时域结构的光学相干层析系统的调试

2020-01-20 来源:华拓网
第33卷第3期 光学仪器 V0L 33,No.3 2011年6月 OPTICAL INSTRUMENTS June,2011 文章编号:1oO5—5630(2011)03一O022一O6 基于时域结构的光学相干层析系统的调试* 龙炳昌,唐海波,高应俊,何永健,蔡里禹 (暨南大学光电工程研究所,光电信息与传感技术广东普通高校重点实验室,广东广州510632) 摘要:基于时域结构的光学相干层析系统由于光线多次通过,按照光路可逆原理调整会很困难。 在理论分析和多次实验基础上,现总结出一套快速调试方法,大大缩短光路调试时间。详细分 步骤描述了纵向傅里叶快速扫描光学延迟线和横向扫描部分的调试方法,给出快速寻找干涉系 统光程匹配点的调试方法。利用构建好的光学相干层析系统进行层析成像实验调试,纵向扫描 深度标定后,对生物样品进行扫描并重建了光学相干层析图像。 关键词:光学相干层析(oCT);光学延迟线;光程匹配;光学系统调试 中图分类号:0 436.1 文献标识码:A doi:10.3969/j.issn.1005-5630.2011.03.005 Adj usting of OCT system based on time-domain structure LONGBingchang,TANGHaibo,GAOVingjUn,HEYongjian,CAILiyu (Key Laboratory of Optoelectronic Information and Sensing Technology of Guangdong Higher Education Institutes, Optoeleetronie Engineerign Institute,Jinan University,Guangzhou 510632,China) Abstract:Because of multiple pass of the optical rays in the optical coherence tomography (OCT)system based on time-domain structure,it would be difficult to adjust the system set in accordance with the principle of optical reversible.From theoretical analysis and experimental research,a rapid method which can shorten the operating time of the system adjusting is summarized.The adjusting techniques for the axial Fourier rapid scanning optica1 delay line and lateral scanning system are described step by step in detail,the approach for rapidly matching of optical path lengths is proposed and implemented.Experiments using the tomography system constructed were conducted,the OCT images were reconstructed through the scanning to the biological sample after the depth calibration of the axial scanning. Key words:optical coherence tomography(OCT);optical delay line;optical path lengths matching;optical system adj usting 引 言 光学相干层析(optiacl coherence tomography,OCT)技术是一种基于迈克尔逊干涉仪结构的层析 成像技术,它对生物医学活体具有极佳的层析成像性能 3。为了能对蠕动的生物活体得到实时的、 清晰的层析图像,纵向快速扫描光学延迟线(rapid scanning optical delay line,RSODL)技术在OCT层 析扫描成像中非常关键嘲。在OCT系统中,实现纵向光学延迟有多种方法 引。常用的多普勒频域 法采用步进电机驱动可直线平移的反射镜,利用多普勒效应实现光外差调制。该方法具有适用性 收稿日期:2010-11—19 作者简介:龙炳昌(1976一),男,广东廉江人,硕士研究生,主要从事光学相干层析成像技术方面的研究。 第3期 龙炳昌,等:基于时域结构的光学相干层析系统的调试 ・23・ 广、扫描深度大和位移的线性程度好等特点,但是很难满足高速、清晰层析成像的双重要求,不能用 于快速成像[4 ];也可采用电控压电陶瓷拉伸光纤的方法纵向实现快速扫描[7 ],速度达到每秒几帧 图像。该方法的缺点是压电器件的非线性和回差特性会引起调制相位畸变,造成相干信号的不规则 低频扰动Eg],并且有偏振模色散和动态双折射效应的影响。目前,一种新的纵向快速扫描光学延迟 线——基于时域结构的傅里叶快速扫描光学延迟线,不仅能满足快速层析成像的要求,而且具有可 独立控制扫描的群速度和相速度、可调节色散等优点l1。。¨],因而在生物医学光学层析成像系统中得 到广泛的应用 ,地。 。 但这种基于时域结构的光学相干层析系统由于光线多次通过,按照光路可逆原理调整会很困难。鉴 于0CT系统的复杂性和稳定性的要求,特别是RSODL调节和光程匹配直接影响了oCT系统性能。文 中在理论分析和多次实验基础上,在OCT调试过程中摸索出一套行之有效的快速调试方法,大大缩短光 路调试时间。详细分步骤描述了纵向傅里叶快速扫描光学延迟线和横向扫描部分的调试方法,给出快速 寻找干涉系统光程匹配点的调试方法。对已构建的光学相干层析系统进行层析成像实验调试,并对样品 进行有关实验观察研究。 1光纤时域OCT系统结构 光纤时域结构OCT系统由宽带光源、轴向傅里叶快速扫描光学延迟线、横向扫描系统和信号采集 与处理系统等几部分构成,典型结构如图1所示。由于宽带光源的相干长度很短,故只有信号光与参 考光的光程严格匹配时才能产生干涉。驱动纵向扫描振镜,改变参考光的光程,就可对样品实行轴向 逐层扫描,就可以获得样品的层析信息,结合样品上的横向扫描就可以得到样品组织的断层图像或三 维结构。 系统光源部分有低相干主光源、可见光辅助光源(红光)。可见光辅助光源采用波长为650nm、最大 输出功率为5mW的光纤故障探测笔,其作用为辅助光路调试并指示低相干信号光在样品上的位置。主 光源采用圣麒公司HBS-2型ASE宽带光源,其中心波长为1550nm,带宽为45nm,激励电流0 ̄250mA, 最大光功率53.8mW。 准直镜 685ram, 7.737mm .平面镜 /7 l光栅常数 1.671am 嚣 m 衍 射 光 栅 … 1.5: 2。、 透镜 扫描振镜 70mm 图1典型的光纤时域OCT系统结构图 Fig.1 Structure diagram of typical fiber time domain OCT system 图2 ROSDL结构图 Fig.2 Structure diagram of ROSDL 2光学相干层析成像系统的搭建和调试 2.1纵向RSODL光路结构及调试方法 纵向扫描系统是OCT系统最重要组成部分,基于决速成像要求,现采用由衍射光栅、傅里叶透镜、显 微物镜、扫描振镜和平面镜等组成所谓傅里叶双通快速扫描光学延迟线,结构如图2所示。由图2可知, 参考光通过平面镜后,光线原路返回并通过扫描振镜,使光延迟增大一倍,这样就能以小角度振动实现大 ・24・ 光学仪器 第33卷 的群光程差,从而同时实现纵向扫描和相位调制,载频的中心频率可根据需要调节而不影响扫描范围。 基于双通快速扫描光学延迟线的结构和特性,调节时应当注意:衍射光栅和扫描振镜分别位于傅里叶变 换透镜的两个焦面上,经衍射光栅出射的光线应重合或平行于透镜主光轴,平面反射镜必须与其入射光 线垂直。 利用多维调节支架,将尾纤和显微物镜连一起,调节其间的距离,使光线水平平行射出。选择合适的 角度放置光栅,使衍射一级光束沿与光栅平面垂直的方向(-q主光轴重合)出射,光束通过透镜后到达翟 于透镜焦面处的稍微偏转的扫描镜上,偏转角的大小以反射光束能达到透镜的另一半的中部为准。 b束 从扫描振镜反射通过透镜回射到光栅时,这个入射点会随着振镜的振动而微动,表现在平面镜上的光斑 也会微动,致使平面镜没能严格垂直其入射光束。因此,回射光束会在出射光瞳附近来回移动。振镜l豹 振幅稍大,光束就不会回进光纤,这大大限制了纵向扫描深度。现取扫描振镜平衡位置与主光轴法线韵 夹角2。左右,正负1.5。偏转,这样可以接近最大扫描范围。透过透镜的光束到达光栅时,入射点与原入射 点错开一小段距离,使再次衍射后形成的光束几乎平行于入射光束出射。在适当位置摆放平面反射镜, 调整三维调节架使光束沿原路返回。需要注意的是,入射光束和反射光束的空间距离很近,容易将平面 镜的背面反射光误认为是参考光。为了保证参考臂中返回光的光强(不能小于最大光强的80%)和扫描 振镜振动时参考光光强波动范围不大,需在光纤尾纤加上一显微物镜,就是利用其集光能力和较大的 光瞳。 然后给扫描振镜施加驱动信号,先给小角度振幅,逐步寻找偏转角的最佳值。应保持扫描振镜振动 时返回光的平均功率在最大功率的80 。至此,纵向扫描系统光路的搭建调试就基本完成,后期系统整 体调试时还会有些微调。 纵向光路的具体调节步骤: (1)入射光的水平准直 光路要求人射光水平准直输出,可以通过测量准直镜出射光斑在不同距离的高度和大小是否相等来 判断光束是否达到水平准直。 (2)扫描振镜与入射光的垂直 光路要求扫描振镜表面与准直镜输出的水平光垂直。可以先使用辅助可见光红光通过肉眼观察完 成粗调。然后更换波长为1550nm ASE主光源,进行细调,直到接收光功率计测得反射光达到最大为止。 (3)傅里叶透镜主光轴与入射光中心轴的重合 将傅里叶透镜置于准直镜和扫描振镜之间,调节它与扫描振镜的距离和角度,使反射光功率达到最 大。此时傅里叶透镜与扫描振镜之间距离是1倍焦距。将红外测试卡置于振镜前,用红光标记该照射 位置 (4)光栅倾角和位置调节 如图3将光栅垂直于主光轴放置在傅里叶透镜焦面附近,调整光栅仰角,保证入射光经光栅后的一 级衍射沿光轴传输,即可透过轴上光阑并与红外卡上标记重合。然后左右微平移光栅,当光功率计接收 的光功率达到最大,说明光栅上的入射点与焦点重合。 (5)双通光路调节 移去图3中光阑和红外探测卡,顺时针转动振镜(1。~2。即可),此时反射光在光栅上的位置与入射位 置分离。在反射光衍射方向加入反射镜(如图4),调节反射镜与反射后的衍射光垂直(光功率计接收达到 最大),即可实现光路双通可逆。调节过程中可以通过其它级衍射光来判断光路,在图4中光轴下方放置 红外卡,可以观察到三束衍射光;入射光经光栅后的0级衍射光R ,振镜反射光经光栅后的一1级衍射光 R。和反射镜反射光经光栅后的0级衍射光R。。当光路调好可逆时,Rz和Rs将重合(在红外卡上可以观察 到两光斑重合)。 (6)反射光功率估算 经过多次光栅衍射后,参考光功率会有大量损失。由于光信号来自1级衍射光,双通结构中,参考光 第3期 龙炳昌,等:基于时域结构的光学相干层析系统的调试 ・25・ 共经历了4次衍射,假设1级衍射光可保留3O 。则经4次衍射后光功率只剩下入射光功率的0.81 。 如果光源出射光功率为1mw,则光功率计最大探测光功率不超过2 w。 图3单通可逆光路调节示意图 Fig.3 Single-pass reversible optical 图4双通可逆光路调节示意图 Fig.4 Double-pass reversible optical path adjustment diagram path adjustment diagram 2.2横向扫描系统光路结构及调试方法 横向扫描系统采用共焦显微技术,具有结构简单、抑制散光、分辨力高等特点。由于系统数值孔径会 影响横向分辨力和信号光的会聚深度,因此选择合适的透镜数值孔径尤为重要,现选用放大倍数为1O,数 值孔径为0.25的显微物镜。在横向扫描系统中只采用一个横向扫描振镜作二维扫描,其扫描频率等同 于纵向扫描振镜扫描频率,偏转角度决定横向扫描的长度。 由于一般生物样品中来自深层的反射或散射信号光强很微弱,只有入射光强的l0 。~l0叫。,因此横 向扫描系统光路搭建的首要目的就是能尽可能多收集从样品反射、散射返回的光。 将尾纤、显微物镜分别固定在两个多维调节支架上,并使光束水平准直出射,经样品物镜射到倾斜 45。的扫描振镜中轴上。若在水平载物平台上放置一平面镜,就可以得到较强的返回光。在样品臂光程确 定后,通过调整显微物镜支架和横向扫描振镜的微动可得到最大的返回光。这样,横向扫描系统光路基 本调试完毕。 2.3等光程调节和干涉信号的观测 OCT系统采用宽带光源,相干长度仅为微米量级,参考光和信 号光的光程要几乎相等,因此精确寻找等光程点比较困难。由于参 考臂结构复杂,难于大范围调整光程,这样就必须调整样品臂中显 微镜和样品物镜间的距离,使参考光和信号光的光程大致匹配在 1120mm附近。 现先利用简单的干涉系统进行相干测试。将2×2光纤耦合 器、纵向扫描系统光路、横向扫描系统光路、手持探测器和示波器连 图5等光程光路简化调节示意图 Fig.5 Simplified schematic diagram the Optical path lengths adjusting 接起来组成简化等光程调节系统(见图5)。连接上中心波长为1550nm、带宽窄、相干长度较长的激光光 源后,快速上下移动载物平台,使平台上平面镜上下往返运动,可在示波器观察到被调制过的干涉信号波 形,该信号波形可作为光程匹配点的判断依据。 然后换上OCT系统拟用的ASE宽带低相干光源和光谱仪,快速移动信号臂中的平面镜搜索光程匹 配点,通过光谱仪可观察干涉峰之间的稀疏变化,可以粗略判断两干涉臂的长短关系和光程差大小,获得 光程匹配点的大致位置,在光谱仪上显示的干涉光谱分布则如图6和图7。 当光程差小于lmm以后,就可以通过纵向扫描或移动样品的方法来准确寻找等光程点。换上示波 器,启动纵向扫描振镜,当扫描经过等光程点时,在示波器上可以观察到调幅形式的干涉信号。利用示波 器的暂存功能可截取到不同光程差时的干涉信号图,图8表示参考光和信号光的光程接近匹配,而图9中 干涉信号的振幅最大,意味着光程匹配较佳。 ・26・ 光学仪器 第33卷 昌 暑 兽 、 鲁 \ 鼍 褥 图6光程差不大时干涉频谱分布图 Fig.6 Interference spectrum when the 0lPLs nearly match 图7等光程点相干光频谱分布图 Fig.7 Interference spectrum when the 0PLs perfectly match 3 2 名1  1VV VVVVV V V Vvv… 墓一 —2 -3 图8光程匹配一般时示波器输出信号 Fig.8 Output signal when the 0PLs nearly match 图9光程匹配时示波器输出信号 Fig.9 Output signal when the OPLs perfectlymatch 3实验结果 在完成oCT系统的相干调试后,便可组建整套oCT系统,并 对系统性能进行测试,对相关参数做标定。 利用标准样品对系统的纵向扫描深度标定后,选择静止的生物 样品进行测试,图10为获得的花生仁的光学相干层析图像。由图 可以看出,由于样品光吸收严重[1引,故OCT系统纵向扫描深度不 深,仅为表面下很短距离。 4 结 论 图10花生仁的光学相干层析图像 pearlU 文中从整个OCT光路系统结构出发,探讨了如何快速调试快 Fig.10 The u n'lage 速扫描光学延迟线,在构建OCT系统后,利用简单的干涉系统进行相干测试,并以此信号波形作为光程 匹配点的判断依据。置换系统拟用宽带光源后,借助光谱仪可观察到干涉峰的稀疏变化,获得光程匹配 点的大致位置,并利用示波器进一步准确找出光程匹配点。在整个系统调试过程中,实现可视化操作,大 大减少系统调节的盲目性,为缺乏光路调节经验的研究者,提供了一套行之有效的方法。 参考文献: [1]龙炳昌.光学相干层析成像系统研究[D].广州:暨南大学,2009:1—5. 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