一种用于频域OCT系统的可调光谱仪及其调试方法

技术领域

本设计涉及一种可应用于频域OCT系统的光谱仪及其调试方法，属于可调光谱仪设计领域。

背景技术

视网膜疾病在全球范围内影响广泛，眼疾患者数量庞大，我国各类视网膜疾病患者数以亿计，且这个数字还在逐年攀升。“早发现、早治疗”是有效地防止疾病进展的重要条件，因此视网膜疾病的早期诊断意义重大。而光学成像是检查视网膜疾病的主要手段之一，它可以提供高精度视网膜结构图像，为视网膜疾病的临床诊治提供可靠的参考依据。SD-OCT是一种非接触、无创伤的在体生物组织成像技术，具有实时显示、高分辨率、高扫描深度的特点。

SD-OCT的重要组成部分就是光谱仪，光谱仪的作用是将带有组织信息的干涉光分解为不同的光谱分量，并利用线阵CCD相机获取其光谱强度，从而提取出组织信息。但现在市面上的用于频域OCT系统的光谱仪主要存在以下缺陷：

1.商用光谱仪的对准精度通常依赖于机械加工精度，调节余量有限；

2.无法针对特定光源光谱形状对商用光谱仪进行改动以提高成像质量；

3.商用光谱仪相比于自主设计成本昂贵。

发明内容

本发明旨在解决上述技术问题，提出了一种可应用于频域OCT系统的可调光谱仪设计及其调试安装方法。

本发明的技术方案：

一种用于频域OCT系统的可调光谱仪，包括：准直单元、笼式结构组件、光栅单元、旋转转接台单元、聚焦单元、相机单元和底板。

所述的准直单元包括同轴安装板5、光纤法兰9，准直透镜2、同轴位移调节架11。光纤法兰9共轴设置在同轴安装板5的中心孔处。准直透镜2共轴设置在同轴位移调节架11的中心处。

所述笼式结构组件包括同轴系统接杆10、接杆支架A14。同轴系统接杆10的一端穿过同轴安装板5周边的孔，并使用同轴安装板5侧面的顶丝将其与同轴系统接杆10固定。同轴系统接杆10的另一端穿过同轴位移调节架11周边的孔，通过同轴位移调节架11侧面的顶丝的松紧控制同轴位移调节架11在同轴系统接杆10上的位置，进而控制准直透镜2相对于光纤法兰9的距离。同轴安装板5底部与接杆支架A14固定。

笼式结构组件与准直单元构成笼式结构。

所述光栅单元包括光栅4、旋转调整架8、接杆支架B15。光栅4共轴安装在旋转调整架8的中心孔处。旋转调整架8底部通过螺纹结构与接杆支架B15转动连接。

所述旋转转接台单元包括：旋转转接台16、旋转底座17、手动旋转位移台19。接杆支架A14、接杆支架B15的底端均与旋转转接台16固定；旋转底座17固定于布置准直单元的旋转转接台16的一端的底部，手动旋转位移台19设置于布置光栅单元的旋转转接台16的一端的底部，手动旋转位移台19固定在底板18上，手动旋转位移台19的上端转轮与旋转转接台16转动连接，在旋转手动旋转位移台19的转轮时，旋转转接台16进行转动，进而带动旋转底座17转动。

所述聚焦单元包括三个卡环1、两个聚焦透镜3、透镜套筒6、转接固定件A12。两个聚焦透镜3的凸面相对，三个卡环1位于两个聚焦透镜3之间，两个聚焦透镜3和三个卡环1组成的整体置于透镜套筒6中，通过透镜套筒6中自带的前后两个卡环进行限位固定；所述的透镜套筒6设置于转接固定件A12的定位孔中，并通过转接固定件A12上的顶丝松紧来控制透镜套筒6与相机单元的水平距离，进而控制聚焦透镜3与相机单元的水平距离。

所述相机单元包括：相机7、转接固定件B13。将相机7固定在转接固定件B13上，转接固定件B13固定在底板18上。

一种用于频域OCT系统的可调光谱仪的调试方法，步骤如下：

步骤一：松开同轴位移调节架11侧面的顶丝调节准直透镜2与光纤法兰9的距离使光线经过准直透镜2后出射的光束为平行光后固定同轴位移调节架11。

步骤二：松开接杆支架B15侧边的顶丝，绕竖直方向转动旋转调整架8将光栅4偏转角调整至合适位置。具体的：使用红外显色卡在光栅4后观察透射光，绕竖直方向转动旋转调整架8直至观察的透射光强最弱处通过接杆支架B15侧面的顶丝固定旋转调整架8。

步骤三：调节旋转调整架8正面的转轮使得衍射光线成水平状态。具体的：调节旋转调整架8正面的转轮同时观察衍射光，使衍射光落入聚焦透镜3中心处，将红外显色卡移到相机前，观察会聚线条，调整转轮使之处于水平状态、且落入相机感光范围内。

步骤四：粗调入射光线相对于聚焦透镜3轴线的角度。具体而言，首先转动手动旋转位移台19的转轮使得设置在旋转转接台16上的理论角度定位孔与设置在底板18上的理论角度定位孔同轴，此时光线入射角即处于理论角度处。

具体的：底板18上的理论角度定位孔设计过程如下：

记旋转转接台16上的理论角度定位孔与光栅4轴心在水平方向上的连线距离为R、聚焦透镜3在底板18上的轴线投影直线为L，且L穿过手动旋转位移台19的在底板的轴心投影点、旋转转接台19的轴心投影点为G点。

(1)通过公式

(2)通过公式β＝π-2a计算入射光线与出射光线的夹角β，出射光线即直线L，其中β为入射光线与直线L的夹角。

光谱仪设计的准则之一为入射角a等于出射角c，故而入射光线和出射光线的夹角为π-2a；

以G点为起点在底板18逆时针作一条与直线L成β角的射线H。

(3)在射线H上，以G点为起点，长度为R处在底板18作理论角度定位孔，得到底板18的理论角度定位孔。

步骤五：观察PC端光源谱线图，通过手动旋转位移台19的转轮微调入射光线与出射光线的角度直至PC端的谱线完整覆盖相机有效单元后将旋转底座17通过其槽口与底板18固定。

步骤六：不断调节聚焦透镜3到相机单元的距离使得PC端的谱线成像效果最佳时固定聚焦单元。

步骤七：将光谱仪通过光纤耦合器接入一个最简OCT测试单元中，通过移动测试单元中的一个臂产生光程差，观察光谱仪采集到的干涉条纹，在干涉条纹密度高处，重复步骤六，使得干涉条纹效果最佳，固定聚焦单元。

本发明的优势之一在于所提供的应用于频域OCT系统的便携式可调光谱仪设计及其调试安装方法，通过参数化的设计以机械加工粗定位初步降低光谱仪的调试难度，再通过自主设计的转接件以及安装方式将各个调整自由度进行分解以进一步降低调试难度。

除此之外由于本发明对系统保留了几处必要的调节自由度，能够针对特定的光源进行较大的调整以最优化系统性能，同时大大降低了机加工的精度要求，从而降低了系统的成本。

附图说明

图1是本发明的用于频域OCT系统的光谱仪装置零件示意图；

图2是本发明的用于频域OCT系统的光谱仪系统图；

图3是本发明用于频域OCT系统的底板示意图；

图4是本发明用于频域OCT系统的光谱仪装置转接台示意图；

图5是用于调试验证光谱仪的最简OCT测试系统；

图6是本发明用于频域OCT系统的光谱仪装置的光路仿真图；

图7是本发明用于频域OCT系统的光谱仪装置的点列图；

图8是本发明用于频域OCT系统的光谱仪装置的波前图；

图9是本发明用于频域OCT系统的光谱仪装置光源谱线图；

图10是本发明底板18的理论角度定位孔设计示意图；

图11是本发明中心波长入射角与出射角示意图。

图中：1卡环、2准直透镜、3聚焦透镜、4光栅、5同轴安装板、6透镜套筒、7相机、8旋转调整架、9光纤法兰、10同轴系统接杆、11同轴位移调整架、12转接固定件A、13转接固定件B、14接杆支架A、15接杆支架B、16旋转转接台、17旋转底座、18底板、19手动旋转位移台。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施步骤对本发明作具体介绍。

如图1-图2所示为一种用于频域OCT系统的光谱仪硬件设计包括：准直单元、笼式结构组件、光栅单元、旋转转接台单元、聚焦单元、相机单元和底板。

所述的准直单元包括两个同轴安装板5、光纤法兰9，准直透镜2、同轴位移调节架11。其中，光纤法兰9通过螺纹连接的方式共轴安装在第一个同轴安装板5的中心孔处。准直透镜2共轴安装在同轴位移调节架11的中心处。

所述笼式结构组件包括：四根同轴系统接杆10、两个接杆支架A14。其中，使用四根同轴系统接杆10穿过上述准直单元中的两个同轴安装板5周边四个孔并使用同轴安装板5侧面的顶丝将其与同轴系统接杆10固定在一起。将四根同轴系统接杆10穿过同轴位移调节架11周边四个孔，使用同轴位移调整架11侧面的顶丝的松紧控制准直透镜2相对于光纤法兰5的距离。通过2个同轴安装板5底部的螺纹孔将其与2个接杆支架A14(50mm高)固定在一起。

上述由笼式结构以及准直单元组组成的结构称为笼式结构

所述光栅单元包括：光栅4、旋转调整架8、接杆支架B15。其中，光栅4共轴安装在旋转调整架的中心孔处。通过旋转调整架8底部的螺纹孔与接杆支架B15转动连接。

所述旋转转接台单元包括：旋转转接台16、旋转底座17、手动旋转位移台19。其中，旋转转接台16通过前端的螺纹孔(此孔与笼式结构定位孔重合)与旋转调整架固定。旋转转接台16通过尾端螺纹孔(此孔与光栅单元定位孔重合)与手动旋转位移台19中心定位孔固定。自主设计的旋转转接台16和标件旋转底座17、手动旋转位移台19组成旋转转接单元，为准直透镜提供一个维度上的旋转以实现光谱在相机靶面上的平移，以及为光栅提供两个维度上的旋转自由度。

上述笼式结构通过两个接杆支架A14底部的M6螺纹孔与旋转转接台16上的笼式结构定位孔固定。光栅单元通过接杆支架B15底部的M6螺纹孔与旋转转接台16的光栅单元定位孔固定。

所述聚焦单元包括：三个卡环1、两个聚焦透镜3、透镜套筒6、转接固定件A12。其中，首先将三个卡环1放在两个聚焦透镜3的之间，并使两个聚焦透镜凸面相对后同轴放入透镜套筒6中，通过透镜套筒6自带的前后两个卡环进行限位固定。(此处三个卡环1、两个聚焦透镜3、透镜套筒6形成聚焦透镜组，后续描述将三个卡环1、两个聚焦透镜3、透镜套筒6组成的部分统称为聚焦透镜组)将聚焦透镜组共轴设置于转接固定件A12的定位孔中，并通过转接固定件A12上的顶丝松紧来控制透镜套筒6于相机7的水平距离，进而控制聚焦透镜3与相机7的水平距离。

所述相机单元包括：相机7、转接固定件B13。其中，将相机7放置在转接件13上，使得相机7的前表面与转接件B13的前表面重合后使用M4螺钉通过转接固定件B13两侧的四个定位孔以及相机7自带的螺纹孔将相机7与转接固定件B13连接在一起。

所述底板包括：底板18。其中，底板上各个定位孔的空间位置是依据理论计算参数设计的，包括使用Zemax光路仿真以及理论公式计算相结合得出的理论光束入射角度值，以及使用Zemax和Solidworks仿真得到的相机单元相对聚焦单元的距离。通过参数化设计的底板将各个单元的空间位置做一个初步确定，最后通过支撑件的设计给予系统一定的调节自由度来补偿机加工的精度误差、安装误差等，从而降低系统的调试难度。底板18设有理论角度孔、非理论角度孔、手动旋转位移台定位孔、聚焦单元定位孔、相机单元定位孔。上述旋转转接单元通过手动旋转位移台19周边的四个定位孔与底板18固定，通过手动旋转位移台19的旋钮整体调整笼式结构以及光栅单元的角度。在完成调整后可通过旋转底座17的槽口以及底板18的非理论角度孔将旋转转接单元固定在底板上或者通过旋转转接台16上的理论角度定位孔与底板18的理论角度定位孔将旋转转接单元固定在底板18上(具体使用哪种固定方式需依照实际调整情况而定)。聚焦单元通过转接固定件A12侧边耳孔固定在底板18的聚焦单元定位孔处。相机单元通过转接固定件B13侧边的耳孔固定在底板18的相机单元定位孔处。

通过螺纹对接的方式将同轴安装板5和光纤法兰9共轴组装后用于接入光纤，随后笼式结构中准直透镜2将光束准直为平行光。准直后的光束经过笼式结构后到达光栅4。干涉光束经过光栅分束之后被其偏转至聚焦透镜组。分束光经过聚焦透镜组之后被投射到相机7的感光面处(即CCD阵列)。

本设计的独特之处在于使用了自主设计辅助固定件以及独特的安装方式大大降低了光谱仪的调试难度。作为一种可应用于频域OCT系统的可调光谱仪系统包括底板18。旋转转接台16通过手动旋转位移台19的周边孔以及旋转底座17槽口使用M6螺钉固定在底板对应的定位孔上。聚焦单元以及相机单元通过其转接固定件的两侧耳孔与底板连接(使用M4螺钉固定)。

具体而言，底板通过Zemax以及Solidworks软件仿真进行了参数化设计。底板的细节如图3所示，各个定位孔的位置误差通过机加工的方式控制在0.05mm以内。

准直单元通过笼式结构构成了笼式结构并通过接杆支架B15的底部M6螺纹孔固定在转接台16前端。其中光纤法兰的位置是固定的，而准直透镜通过笼式结构的设计预留了一部分调节余量以补偿机械加工的误差(通过同轴位移调整架11侧面的顶丝松紧来调节准直透镜相对于光纤法兰的距离)。光栅4通过旋转调整架8以及接杆支架B15固定在旋转转接台的尾端(光栅共轴安装在旋转调整架8上，旋转调整架8通过底部的M6螺孔和转接支架15转动连接)从而保证在调节入射角度以及光栅偏转角的过程中始终保持入射光线与光栅的中心高保持一致且始终处于光栅的竖直轴线上。笼式结构和光栅单元一起固定在旋转转接台16上能够使准直透镜2和光栅4一起旋转从而不改变入射光线与光栅的夹角保证光栅的衍射效率。旋转转接台16通过手动旋转位移台19以及旋转底座17使用M6螺钉与底板18相连。

聚焦单元包括卡环1、聚焦透镜3和透镜套筒6、以及转接固定件A12组成，其中两个聚焦透镜3、三个卡环1和透镜套筒6组成聚焦透镜组。聚焦透镜组共轴穿过转接固定件A12的正面定位孔并通过转接固定件A12正上方的顶丝松紧控制聚焦透镜组与相机单元的水平距离(松开顶丝，前后移动聚焦透镜组调整距离，完成后拧紧顶丝固定聚焦透镜组)。最后转接固定件A12通过耳孔使用M4螺钉固定在底板对应的定位孔上。

相机7通过自身的侧边孔与自主设计的转接固定件B13固定在一起使得相机的前表面与转接固定件的前表面重合。转接固定件B13通过侧边耳孔与底板上对应的定位孔固定。

针对本设计，本文还指出了适用于本设计的调试安装方法，包含了以下步骤：

步骤一：将准直单元与笼式结构组件安装组成笼式结构。

步骤二：将笼式结构通过接杆支架A14底部的M6螺纹孔固定在旋转转接台16上。

步骤三：将光栅单元通过接杆支架B15底部的M6螺纹孔固定在转接台的尾端光栅单元定位孔处。

步骤三：将带有笼式结构以及光栅单元的旋转转接台16通过手动旋转位移台19周边四个固定孔以及旋转底座17的槽口固定在底板18对应的定位孔处。

步骤四：将聚焦透镜组通过转接固定件A12固定在底板18对应的定位孔处。

步骤五：将相机7通过对应的转接固定件B13固定在底板对应的定位孔处。

步骤六：松开同轴位移调节架11侧面的顶丝调节准直透镜与光线法兰的距离使光线经过准直透镜2后出射的光束为平行光后固定同轴位移调节架11。

步骤七：松开转接支架15侧边的顶丝，绕竖直方向转动旋转调整架8将光栅偏转角调整至合适位置。具体而言，使用红外显色卡在光栅后观察透射光，绕竖直方向转动旋转调整架8直至观察的透射光强最弱处通过转接支架15侧面的顶丝固定旋转调整架。

步骤八：调节旋转调整架8正面的转轮使得衍射光线成水平状态。具体而言，调节转轮的同时观察衍射光使之落入会聚透镜中心处，将红外显色卡移到相机前，观察会聚线条，调整转轮使之处于水平状态、且落入相机感光范围内。

步骤九：粗调入射光线相对于聚焦透镜组轴线的角度。具体而言，首先转动手动旋转位移台19的转轮使得旋转转接台16上的理论角度定位孔与底板的理论角度定位孔同轴，此时光线入射角即处于理论角度处。

此处，如下图10所示底板18的理论角度定位孔设计细节如下：记旋转转接台16的光栅单元定位孔与理论角度定位孔中心连线距离为R、聚焦透镜组在底板的轴线投影直线为L，且L穿过手动旋转位移台19的在底板的轴心投影点、手动旋转位移台19的轴心投影点为G点。

①通过公式

②通过公式β＝π-2a计算入射光线与出射光线(本文为聚焦透镜组的轴线，即直线L)的夹角β，其中β为入射光线与直线L的夹角。

上述公式详情如图11所示：光谱仪设计的准则之一为入射角等于出射角，即角度a和角度c相等，故而入射光线和出射光线的夹角为π-2a

③以G点为起点在底板18逆时针作一条与直线L成β角的射线H。

④在射线H上，以G点为起点，长度为R处在底板18作理论角度定位孔。此时，底板18的理论角度定位孔位置即可确定。

步骤十：观察PC端光源谱线图，通过手动旋转位移台19的转轮微调入射光线与出射光线(出射光线与聚焦透镜组轴线重合)的角度直至PC端的谱线完整覆盖相机有效单元(即谱线图的重心处于图像的中心处)后将旋转底座17通过其槽口与底板18固定。

步骤十一：不断调节聚焦透镜组到相机单元的距离使得PC端的谱线成像效果最佳时固定聚焦透镜组。

步骤十二：将光谱仪通过光纤耦合器接入一个最简OCT测试单元中(图5所示)，通过移动测试单元中的一个臂产生光程差，观察光谱仪采集到的干涉条纹，在干涉条纹密度较高处，重复步骤十三，使得干涉条纹效果最佳，固定聚焦透镜组。

以上说明描述了本发明的基本原理、主要构造以及特点之处。上述案例不以任何形式限制本发明，凡是采用个别零件替换或相同设计思路等方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。