基于光开关的多光源高分辨率光学成像装置及方法

技术领域

本发明属于非接触式光学相干成像技术领域，具体涉及一种基于光开关的多光源高分辨率光学成像装置及方法。

背景技术

光学相干层析(Optical Coherence Tomography,OCT)是集非接触式、无损伤、微米级高分辨率、高速实时成像等优点于一体的内部结构成像技术。内部结构成像技术指穿透物体表面，探知目标的内部结构并进行图像重构与显示的技术。在探测过程中，介质载体起穿透物体表面及物体结构信息携带的作用。OCT系统的深度分辨率与光源的中心波长和带宽相关联，光源中心波长越短，带宽越宽则系统的深度分辨率越高。然而，受制造技术的限制超辐射发光二极管的带宽难以无限制加宽，导致OCT系统深度分辨率受限。

发明内容

有鉴于此，针对现有技术存在的缺陷和不足本发明的主要目的是提供一种基于光开关的多光源高分辨率光学成像装置及方法，突破光源带宽对OCT系统深度分辨率的限制，大大提高系统的深度分辨率，实现超高精度三维成像。

本发明解决其技术问题具体采用的技术方案是：

一种基于光开关的多光源高分辨率光学成像装置，其特征在于：利用光开关将两种带宽范围的超辐射发光二极管与光纤耦合器相连接，在被测目标的同一个检测位置，上位机通过控制光开关的状态与光谱仪的采集实现两种带宽范围的干涉信号测量。

进一步地，包括两带宽范围不同的超辐射发光二极管、一光开关、一2×2单模光纤耦合器、一参考臂、一探测臂、一探测臂镜架、一光谱仪和一用于系统控制与数据采集的上位机；

两所述超辐射发光二极管辐射出不同带宽的宽带光源进入光开关；光开关经TTL信号控制选择超辐射发光二极管与2×2光纤耦合器相连接，2×2光纤耦合器将入射的宽带光按照耦合器分光比分为参考光与探测光；参考光经参考臂中的准直透镜准直成平行光并被凸透镜聚焦至反射镜，反射镜将参考光原路反射回光纤耦合器中；探测光被准直透镜准直成平行光并被聚焦物镜聚焦至被测目标，被测目标的不同结构层将探测光反射或背向散射回光纤耦合器中；从被测目标不同结构层反射或背向散射而回的探测光与从反射镜反射而回的参考光在光纤耦合器处相遇并形成干涉；干涉信号进入到光谱仪中，被光谱仪中的准直镜准直成平行光后照射到透射式光栅中，光束被光栅按波长展开后聚焦至CMOS相机并通过GIGE通讯协议传输至上位机。

进一步地，所述参考臂为长度可调式的参考臂，用于调节参考光与探测光的光程差。

进一步地，还包括一XY位移台，用于控制被测样品移动，以实现高精度三维扫描。

进一步地，所述光开关，用于接收上位机发出的TTL触发信号，控制两光源与光纤耦合器的通断。

进一步地，其成像方法包括以下步骤：

步骤S1：两带宽不同的超辐射发光二极管辐射出宽带光源进入到光开关中，上位机发出TTL方波信号控制光开关与一个脉冲信号控制光谱仪，光开关使得超辐射发光二极管与光纤耦合器分别完成一次连通；

步骤S2：连通后的光源进入到光纤耦合器后分成参考光与探测光，探测光将携带有被测样品的分层结构信息与参考光形成多频干涉信号进入到光谱仪中；

步骤S3：光谱仪接收到脉冲信号后开始采集，采集一次两个超辐射发光二极管分别探测到的干涉信号；

步骤S4：将采集到的两种干涉信号进行合成，转换至波数域并进行傅里叶变换得到样品的深度结构信息；

步骤S5：控制XY线性位移台带动被测样品移动至下一个被测点位，并循环步骤S1-S4完成被测样品的三维信息采集与成像。

进一步地，在步骤S3中，光谱仪所采集到的以第一个超辐射发光二极管为探测源时的多频干涉信号如下：

其中，第1项为直流项，第2项为自相干项，第3项为干涉信号项，其将被测样品的内部结构信息调制至干涉信号的频率中；S

光谱仪所采集到的以第二个超辐射发光二极管为探测源时的多频干涉信号如下：

其中，λ

进一步地，在步骤S4中，将式(1)和式(2)的多频干涉信号进行合成信号如下，具体为：

其中，S

将式(3)转换至波数域，具体为：

其中，k为波数，其与波长之间的关系为

进一步地，在步骤S4中，对式(4)的干涉信号进行快速傅里叶变换即可得到被测样品的内部结构信息，具体为：

其中，δ为尤拉克函数。

相比于现有技术，本发明及其优选方案利用光开关将两种带宽范围的超辐射发光二极管与光纤耦合器相连接，在被测目标的同一个检测位置，上位机通过控制光开关的状态与光谱仪的采集实现两种带宽范围的干涉信号测量。通过在软件上将两干涉信号进行合成，以实现光源带宽范围的拓展，从而提高系统的深度分辨率，实现光学非接触式、无损伤的超高精度三维光学成像。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：

图1为本发明实施例的系统结构图，其中，1、2为两种带宽范围的超辐射发光二极管，3为光开关，4为2×2单模光纤耦合器，5为参考臂，6为准直镜，7为聚焦透镜，8为反射镜，9为探测臂，10为准直镜，11为聚焦物镜，12为探测臂镜架，13为XY位移台，14为被测样品(包括：生物样品、复合材料和光学元件等)，15为光纤准直镜，16为透射式光栅，17为聚焦透镜，18为CMOS相机，19为光谱仪，20为上位机。

图2为本发明实施例的光谱仪采集信号。

图3为本发明实施例的信号处理过程图。

图4为本发明实施例的单一带宽光源系统与本系统的成像分辨率对比图。

具体实施方式

为让本专利的特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，作详细说明如下：

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本说明书使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

如图1-图4所示，本发明实施例提供一种基于光开关的多光源高分辨率光学成像装置，提供一样品，包括两种带宽范围的超辐射发光二极管1和2，光开关3，单模光纤耦合器4，参考臂5，准直镜6，聚焦透镜7，反射镜8，探测臂9，准直镜10，聚焦物镜11，探测臂镜架12，XY位移台13，被测样品14(包括：生物样品、复合材料和光学元件等)，光纤准直镜15，透射式光栅16，聚焦透镜17，CMOS相机18，光谱仪19，上位机20。

其中，两超辐射发光二极管1和2辐射出不同带宽的宽带光源进入到光开关中3；光开关3受上位机20发出的TTL信号控制后选择超辐射发光二极管与光纤耦合器4相连接，光纤耦合器4将入射的宽带光按照耦合器分光比分为参考光与探测光；参考光被参考臂5中的准直透镜6准直成平行光并被凸透镜7聚焦至反射镜8上，反射镜8将参考光原路反射回光纤耦合器4中；探测光被准直透镜10准直成平行光并被聚焦物镜11聚焦至被测目标14(包括：生物样品、复合材料和光学元件等)上，被测目标14的不同结构层将探测光反射或背向散射回光纤耦合器4中；从被测目标14不同结构层反射或背向散射而回的探测光与从反射镜反射而回的参考光在光纤耦合器4处相遇并形成干涉；干涉信号进入到光谱仪19中，被光谱仪19中的光纤准直器15准直成平行光后照射到透射式光栅16中，光束被光栅16按波长展开后聚焦至CMOS相机18并通过GIGE通讯协议传输至上位机20。

在本实例中，参考臂5的长度可调节，用于调节参考光与探测光的光程差。

在本实例中，XY位移台用于控制被测目标移动，以实现高精度三维扫描。

在本实例中，光开关用于接收上位机发出的TTL触发信号，控制两光源与光纤耦合器的通断。

优选的，本装置可用于生物样品、复合材料和光学元件等样品的检测。

优选的，在本实施例中，还提供一种基于光开关的多光源高分辨率光学成像方法，包括以下步骤：

步骤S1：两带宽不同的超辐射发光二极管辐射出宽带光源进入到光开关中，上位机发出TTL方波信号控制光开关与一个脉冲信号控制光谱仪，光开关使得超辐射发光二极管与光纤耦合器分别完成一次连通；

步骤S2：连通后的光源进入到光纤耦合器后分成参考光与探测光，探测光将携带有被测样品的分层结构信息与参考光形成多频干涉信号进入到光谱仪中；

步骤S3：光谱仪接收到脉冲信号后开始采集，分别采集一次超辐射发光二极管1和2所探测到的干涉信号；

步骤S4：将采集到的两种干涉信号进行合成，转换至波数域并进行傅里叶变换便可得到样品的深度结构信息；

步骤S5：控制XY线性位移台带动被测样品移动至下一个被测点位，并循环步骤S1-S4完成被测样品的三维信息采集与成像。

本专利不局限于上述最佳实施方式，任何人在本专利的启示下都可以得出其它各种形式的基于光开关的多光源高分辨率光学成像装置及方法，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本专利的涵盖范围。