时域光学相干层析成像系统技术方案

本实用新型专利技术公开了一种时域光学相干层析成像系统，本系统中弱相干光源依次连接光隔离器、光纤耦合器、偏振调节器、第一准直镜和光学延时线，第一准直镜的反射光经偏振调节器、光纤耦合器后输入光电探测器，形成光学延时线的光程差信号，振镜设于样品端，第二准直镜连接光纤耦合器并且光线入射至振镜，由振镜反射的扫描光在样品表面发生散射经振镜、第二准直镜、光纤耦合器后输入光电探测器，光电探测器输出信号传输至数据采集单元，数据采集单元连接数据处理单元；光学延时线由直线音圈电机、直角棱镜反射镜、柱面镜和反射镜构成，用于产生叠加光程差的光学延时信号。本系统保证光学延迟线运动速度平稳，为检测信号提供稳定的多普勒频差，保证检测精度。

【技术实现步骤摘要】
时域光学相干层析成像系统
本技术涉及一种时域光学相干层析成像系统。
技术介绍
时域相干层析成像是一种利用宽带弱相干干涉与光学外差检测原理构建的光学成像技术，该技术具有抗噪声性能强，检测精度高的特点。其广泛应用于医疗、安防、计量等领域。现有的时域相干层析成像技术方案最主要的区别在于参考臂光学延迟线的构成，按照光学延迟线构成方式，现有系统主要分为以下两类：一、直线电机方案：如图1所示，直线电机方案的参考臂由直线电机构成，弱相干光源SLD经过光纤入射到光纤耦合器，经光纤耦合器分光，光源SLD发出光分别照射到参考镜与检测样品。之后，光经参考镜反射、样品散射重新进入光纤耦合器，最终在光电探测器上形成干涉信号，并经探测电路、A/D采样卡后输入PC机。在检测过程中，两个步进电机在Z方向与XY方向运动，其中，Z方向运动的电机产生外差信号并经RS232串口、单片机输入PC机，XY方向的电机移动样品产生检测平面位移信号并经RS232串口输入PC机，从而对样品进行三维检测扫描。该方案利用直线步进电机进行层析定位存在如下问题：1.外差信号的频率与直线步进电机的运动速度有关。由于步进电机为开环控制电机，所以直线运动速度不能进行反馈控制从而产生波动，造成外差信号频率漂移，外差信号频率漂移会引起信号处理过程噪音分量加大影响检测精度。2.如要获取较短的检测时间需要较快的直线电机运动速度。检测时间是时域光学相干层析成像技术的重要参数，如应用于眼科检测领域，被测眼很难保证固定的注视姿态，需要较快的检测速度。因此直线电机运动速度直接影响检测速度，在高速情况下，电机的运动速度保持以及平稳性对电机控制提出了极高要求，这是传统直线电机难以完成的任务，即使传统的伺服电机等闭环控制电机也难以达到要求。3.检测结果对运动精度要求较高。利用直线步进电机进行参考臂构成的系统，一般也利用它进行检测结果计算，这样系统的检测结果精度是与电机运动的准确性相关的。一般的直线电机虽然步进精度可以满足要求，但是其运动控制中存在丢步、漂移、回程差大、多次运动累计误差大等问题，会对检测结果造成非常大的影响，利用电机运动步数计算外差信号中检测包络出现位置难以保证检测精度。二、旋转电机方案：旋转电机是光学延迟线的另一种构成方式，与直线电机方案光路相似，光源SLD通过光纤耦合器分别进入参考臂光学延迟线和样品臂检测样品处发生反射和散射，两光路产生光程差后，再次入射至光纤耦合器内，进而在光电探测器处产生干涉信号。如图2所示，显示了由旋转电机组成的时域光学相干层析成像系统的光学延迟线方案，水平直角棱镜11、垂直直角棱镜12、棱镜13以及平面镜14设于旋转电机转盘1，光先入射到水平直角棱镜11上，经过水平直角棱镜11折光，光线方向改变180度后入射至垂直直角棱镜12上，光线方向再改变180度，而后重新入射到水平直角棱镜11上，光线方向改变180度入射至棱镜13上进行聚光，而后经平面镜14反射，光路原路返回形成光程差。与直线电机方案相似，旋转电机也用来为外差检测提供多普勒频移，比较直线电机方案，旋转电机方案存在以下问题：1.旋转电机方案需要添加标尺信号进行测量定位。对于一般的直线电机方案，电机运动当前位置可以由电机运动步数与步进精度确定；但是对于旋转电机，由于实际光路与调试相关，且电机旋转与光程变化存在非线性关系，所以很难根据旋转电机运动准确预测光程变化，由此需要为旋转电机添加标尺信号进行测量定位。如采用一个与测量光路同光路的窄带光源进行辅助测量定位，利用窄带光源的脉冲数与脉冲振动波长乘积实现辅助测量定位。与直线电机方案相比这会增加系统构建的成本。2.旋转电机方案调试难度比较高。与直线电机方案相比，旋转电机方案需要保证旋转一周过程中，光能在由水平直角棱镜11、垂直直角棱镜12、棱镜13以及平面镜14组成的子光路中原路返回。但是由于旋转电机在转动过程中存在抖动与偏心的问题，子光路不经专业调试很难保证原路返回，这就需要非常专业的电机与子光路装配调试。此外，由于旋转电机抖动等带来的信号不稳问题，也对信号处理等环节提出了更高的要求。综上所述，不论是直线电机还是旋转电机作为光学延迟线方案，都很难在保证检测速度的基础上，保持信号准确平稳，且运动定位精准。因此寻找一种在高速运动下能够平稳运动且定位准确的技术方案是改进直线电机或旋转电机方案的关键。
技术实现思路
本技术所要解决的技术问题是提供一种时域光学相干层析成像系统，本系统克服传统直线和旋转电机方案的光学相干层析成像缺陷，在高速运动情况下，保证了光学延迟线运动速度平稳，为检测信号提供了稳定的多普勒频差，保证了检测精度。为解决上述技术问题，本技术时域光学相干层析成像系统包括弱相干光源、光纤耦合器、光电探测器、数据采集单元、数据处理单元、光学延迟线、光隔离器、偏振调节器、第一准直镜、第二准直镜和振镜，所述弱相干光源经光纤依次连接所述光隔离器、光纤耦合器、偏振调节器、第一准直镜和光学延迟线，所述第一准直镜的反射光经偏振调节器、光纤耦合器后输入所述光电探测器，形成光学延迟线的光程差信号，所述振镜由微动机构带动并设于样品端，所述第二准直镜经光纤连接所述光纤耦合器并且光线入射至所述振镜，由所述振镜反射的扫描光在样品表面发生散射，样品表面的散射光经所述振镜、第二准直镜、光纤耦合器后输入所述光电探测器，所述光电探测器输出信号传输至所述数据采集单元，所述数据采集单元输出端连接所述数据处理单元输入端，所述光学延迟线包括直线音圈电机、直角棱镜反射镜、柱面镜和反射镜，所述直角棱镜反射镜设于所述直线音圈电机的运动机构上，所述第一准直镜的出射光经所述直角棱镜反射镜两次反射后入射至所述柱面镜，所述柱面镜的入射光经所述反射镜形成反射并沿原路返回至所述第一准直镜，并经所述偏振调节器和光纤耦合器输入所述光电探测器，产生叠加光程差的光学延时信号。进一步，所述光学延迟线中，所述直线音圈电机带动直角棱镜反射镜作直线运动，在直角棱镜反射镜直线运动过程中，光学延迟线端产生的光程差与直线音圈电机速度成线性变化关系，并使所述光学延迟线端的光发生多普勒频移，该频移采用下式计算：f频移＝4ν/λ(1)其中，ν为光学延迟线电机运动的速度，λ为弱相干光源的中心波长。该频移信号叠加在所述光学延迟线端的反射光上，由第一准直镜汇聚再次进入光纤耦合器分光，最终在所述光电探测器上形成搜索光学延迟线端的干涉信号。进一步，所述第二准直镜和振镜构成的样品臂与光学延迟线端产生的光信号在所述光电探测器端产生干涉光电信号，所述干涉光电信号表述为：其中，Δv表示光谱强度大于1/2最大强度的频谱宽度，τ表示光在样品臂与光学延迟线端光程差下的传播时间，τo表示各波长初始振动相位造成的初始包络信号相位移，λ0表示弱相干光的中心波长，Δf表示余弦信号多普勒频差偏移，t表示直线音圈电机运动时间，Δφ表示各波长初始振动相位造成的多普勒频差余弦信号的相位本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种时域光学相干层析成像系统，包括弱相干光源、光纤耦合器、光电探测器、数据采集单元、数据处理单元和光学延迟线，其特征在于：还包括光隔离器、偏振调节器、第一准直镜、第二准直镜和振镜，所述弱相干光源经光纤依次连接所述光隔离器、光纤耦合器、偏振调节器、第一准直镜和光学延迟线，光电探测器，所述第一准直镜的反射光经偏振调节器、光纤耦合器后输入所述光电探测器，形成光学延迟线的光程差信号，所述振镜由微动机构带动并设于样品端，所述第二准直镜经光纤连接所述光纤耦合器并且光线入射至所述振镜，由所述振镜反射的扫描光在样品表面发生散射，样品表面的散射光经所述振镜、第二准直镜、光纤耦合器后输入所述光电探测器，所述光电探测器输出信号传输至所述数据采集单元，所述数据采集单元输出端连接所述数据处理单元信号输入端，所述光学延迟线包括直线音圈电机、直角棱镜反射镜、柱面镜和反射镜，所述直角棱镜反射镜设于所述直线音圈电机的运动机构上，所述第一准直镜的出射光经所述直角棱镜反射镜两次反射后入射至所述柱面镜，所述柱面镜的入射光经所述反射镜形成反射并沿原路返回至所述第一准直镜，并经所述偏振调节器和光纤耦合器输入所述光电探测器，产生叠加光程差的光学延时信号。/n...

【技术特征摘要】
1.一种时域光学相干层析成像系统，包括弱相干光源、光纤耦合器、光电探测器、数据采集单元、数据处理单元和光学延迟线，其特征在于：还包括光隔离器、偏振调节器、第一准直镜、第二准直镜和振镜，所述弱相干光源经光纤依次连接所述光隔离器、光纤耦合器、偏振调节器、第一准直镜和光学延迟线，光电探测器，所述第一准直镜的反射光经偏振调节器、光纤耦合器后输入所述光电探测器，形成光学延迟线的光程差信号，所述振镜由微动机构带动并设于样品端，所述第二准直镜经光纤连接所述光纤耦合器并且光线入射至所述振镜，由所述振镜反射的扫描光在样品表面发生散射，样品表面的散射光经所述振镜、第二准直镜、光纤耦合器后输入所述光电探测器，所述光电探测器输出信号传输至所述数据采集单元，所述数据采集单元输出端连接所述数据处理单元信号输入端，所述光学延迟线包括直线音圈电机、直角棱镜反射镜、柱面镜和反射镜，所述直角棱镜反射镜设于所述直线音圈电机的运动机构上，所述第一准直镜的出射光经所述直角棱镜反射镜两次反射后入射至所述柱面镜，所述柱面镜的入射光经所述反射镜形成反射并沿原路返回至所述第一准直镜，并经所述偏振调节器和光纤耦合器输入所述光电探测器，产生叠加光程差的光学延时信号。


2.根据权利要求1所述的时域光学相干层析成像系统，其特征在于：所述光学延迟线中，所述直线音圈电机带动直角棱镜反射镜作直线运动，在直角棱镜反射镜直线运动过程中，光学延迟线端产生的光程差与直线音圈电机速度成线性变化关系，并使所述光学延迟线端的光发生多普勒频移，该频移采用下式计算：
f频移＝4ν/λ
其中，ν为光学延迟线电机运动的速度，λ为弱相干光源的中心波长；
该频移信号叠加在所述光学延迟线端的反射光上，由第一准直镜汇聚再次进入光纤耦合器分光，最终在所述光电探测器上形成搜索光学延迟线端的干涉信号。


3.根据权利要求1所述的时域光学相干层析成像系统，其特征在于：所述第二准直镜和振镜构成的样品臂与光学延迟线端产生的光信号在所述光电探测器端产生干涉光电信号，所述干涉光...

【专利技术属性】
技术研发人员：祝永进，杜海法，申晖，李有森，陈阳，
申请(专利权)人：上海雄博精密仪器股份有限公司，
类型：新型
国别省市：上海;31