一种光学成像系统

技术领域

本发明涉及光学相干层析成像的技术领域，特别是涉及一种光学成像系统。

背景技术

光学相干层析成像(OCT，Optical Coherence Tomography)是一种新兴的光学成像技术，相对于传统的临床成像手段来说，具有分辨率高、成像速度快、无辐射损伤、价格适中、结构紧凑等优点，是基础医学研究和临床诊断应用的重要潜在工具。当前，在多种使用光学仪器的眼科设备中，用于眼科检查和治疗的OCT装置已经成为眼科疾病诊断不可或缺的眼科设备。

而共焦点扫描成像技术，可通过使用空间针孔来阻挡散焦光来提高显微图像的光学分辨率和对比度。但本发明的发明人在长期研发中发现，若为实现大范围高清高速共焦点扫描成像，往往需要其扫描机构及信号采集处理系统一并具有高速扫描及高速采集性能，这将使得系统硬件复杂化，成本也相应提高许多。

申请号201610292370.6“一种多彩线扫描成像装置及多彩图像合成方法”，介绍了一种成像光学系统，但其并无OCT系统功能，另外采用的成像相机，成本较高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光学成像系统，以能够简便、可靠地将共焦扫描红外成像和/或眼底共焦扫描可见光彩色成像与OCT系统相结合，降低成本。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种光学成像系统，包括OCT成像模块和共焦点扫描成像模块，所述OCT成像模块包括OCT光源、参考臂模块、OCT样品臂模块、光纤耦合器以及OCT信号采集模块，所述共焦点扫描成像模块包括成像光源、成像耦合器、多色光探测装置以及与所述OCT成像模块共用的OCT样品臂模块；其中，所述光纤耦合器与所述成像耦合器连接所述OCT样品臂模块；其中，所述OCT光源发出的照射光经所述光纤耦合器后，一部分传输到所述参考臂模块后又传输至所述光纤耦合器，另一部分输入所述OCT样品臂模块；所述成像光源产生用于共焦扫描成像的红外光和/或可见光通过所述成像耦合器输入所述OCT样品臂模块；从所述OCT样品臂模块返回至所述光纤耦合器的信号光与所述参考臂模块返回的参考光发生干涉后传输到所述OCT信号采集模块以生成样品的OCT图像，从所述OCT样品臂模块返回至所述成像耦合器的信号光进入所述多色光探测装置以实现样品的共焦扫描红外成像和/或共焦扫描可见光彩色成像。

在本发明的一些实施例中，所述光纤耦合器与所述成像耦合器通过两路并行光纤连接所述OCT样品臂模块，或者，所述光纤耦合器与所述成像耦合器通过波分复用器共用单路光纤连接所述OCT样品臂模块。

在本发明的一些实施例中，所述成像光源输出的可见光由可见色光组合合成，可见色光例如为RGB或其他色光。

在本发明的一些实施例中，所述成像光源采用波分复用器将多个波段的各色光耦合至一路输出，或者采用多个分光镜将各色光耦合至一路输出。

在本发明的一些实施例中，所述共焦点扫描成像模块还包括连接在所述成像耦合器与所述多色光探测装置之间的解波分复用器。

在本发明的一些实施例中，所述OCT样品臂模块包括光路扫描器件、场镜以及物镜，进入所述OCT样品臂模块的光束经过所述光路扫描器件反射后，穿过所述场镜及所述物镜至待测样品。

在本发明的一些实施例中，所述OCT样品臂模块还包括光纤准直镜，来自所述两路并行光纤或所述单路光纤的光束经过所述光纤准直镜后进入所述光路扫描器件。

在本发明的一些实施例中，所述两路并行光纤或所述单路光纤与所述光纤准直镜之间设置有样品臂光纤头。

在本发明的一些实施例中，所述单路光纤为单模光纤或者多模光纤。

在本发明的一些实施例中，所述两路并行光纤包括OCT光路纤芯、OCT光路光纤包层、共焦点扫描成像光路纤芯、共焦点扫描成像光纤包层以及并行光纤护套，所述OCT光路纤芯被所述OCT光路光纤包层包裹，所述共焦点扫描成像光路纤芯被所述共焦点扫描成像光纤包层包裹，所述OCT光路光纤包层与所述共焦点扫描成像光纤包层并行设置，并被所述并行光纤护套包裹在一起。

在本发明的一些实施例中，所述两路并行光纤共用一个样品臂光纤头。

本发明具有如下有益效果：

本发明提出的光学成像系统，其中设置有OCT光源和成像光源，光纤耦合器与成像耦合器连接OCT样品臂模块；其中，OCT光源发出的照射光经光纤耦合器分光后，一部分传输到参考臂模块后又传输至光纤耦合器作为参考光，另一部分输入OCT样品臂模块；成像光源产生用于共焦扫描成像的红外光和/或可见光输入OCT样品臂模块；从OCT样品臂模块返回至光纤耦合器的信号光与参考臂模块返回的参考光发生干涉后传输到OCT信号采集模块以生成样品的OCT图像，从OCT样品臂模块返回至成像耦合器的信号光进入多色光探测装置以实现样品的共焦扫描红外成像和/或共焦扫描可见光彩色成像；从而能够低成本地结合OCT成像模块和共焦点扫描成像模块，共用OCT样品臂模块，不影响原OCT系统光路，结合波分复用技术，或者并行光纤方案，简化了传统成像技术中的光学系统设计与机械结构设计，提高系统稳定性与可靠性，降低成本。当该光学成像系统应用于眼科检测时，能够降低眼底成像系统的成从而能够让更多患者享受到该眼底无损检测技术，并能够为医生诊断提供直观的图形化的检测手段。

本发明实施例中的其他有益效果将在下文中进一步述及。

附图说明

图1是实施例1中光学成像系统的示意图；

图2是实施例1中OCT成像模块的示意图；

图3是实施例1中共焦点扫描成像模块的示意图；

图4是实施例1中单路光纤的示意图；

图5是实施例2中光学成像系统的示意图；

图6是实施例2中OCT成像模块的示意图；

图7是实施例2中共焦点扫描成像模块的示意图；

图8是实施例2中两路并行光纤的示意图；

图9是传统的双芯光纤的示意图。

附图标记如下：

100为OCT成像模块、150为共焦点扫描成像模块；

1101为OCT光源、1103为光纤耦合器、1106为单路光纤、1107为光纤准直镜、1109为光路扫描器件；

11091为X方向扫描器件、11093为Y方向扫描器件、11061为单路光纤纤芯、11063为单路光纤包层、11065为单路光纤护套；

1120为参考臂模块、1141为探测器、1143为计算机；

130为OCT样品臂模块、1301为场镜、1305为物镜；

1501为成像光源、1503为成像耦合器、1505为波分复用器、1506为解波分复用器、1509为多色光探测装置；1509IR为红外探测器、1509R为红光探测器、1509G为绿光探测器、1509B为蓝光探测器；

2106为两路并行光纤、21061为OCT光路纤芯、21062为共焦点扫描成像光路纤芯、21063为OCT光路光纤包层、21064为共焦点扫描成像光纤包层、21065为并行光纤护套；

L1为主光轴。

具体实施方式

下面对照附图并结合优选的实施方式对本发明作进一步说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，本实施例中的左、右、上、下、顶、底等方位用语，仅是互为相对概念，或是以产品的正常使用状态为参考的，而不应该认为是具有限制性的。

参阅图1和图5，本发明下述实施例提出了一种光学成像系统，包括OCT成像模块100和共焦点扫描成像模块150，所述OCT成像模块100包括OCT光源1101、参考臂模块1120、OCT样品臂模块130、光纤耦合器1103以及OCT信号采集模块，所述共焦点扫描成像模块150包括成像光源1501、成像耦合器1503、多色光探测装置1509以及与所述OCT成像模块100共用的OCT样品臂模块130；其中，所述光纤耦合器1103与所述成像耦合器1503连接所述OCT样品臂模块130，例如，通过两路并行光纤2106连接所述OCT样品臂模块130，或通过波分复用器1505共用单路光纤1106连接所述OCT样品臂模块130；其中，所述OCT光源1101发出的照射光经所述光纤耦合器1103分光后，一部分传输到所述参考臂模块1120后又传输至所述光纤耦合器1103作为参考光，另一部分输入所述OCT样品臂模块130；所述成像光源1501产生用于共焦扫描成像的红外光和/或可见光输入所述OCT样品臂模块130；从所述OCT样品臂模块130返回至所述光纤耦合器1103的信号光与所述参考臂模块1120返回的参考光发生干涉后传输到所述OCT信号采集模块以生成样品的OCT图像，从所述OCT样品臂模块130返回至所述成像耦合器1503的信号光进入所述多色光探测装置以实现样品的共焦扫描红外成像和/或共焦扫描可见光彩色成像。

在优选的实施例中，所述共焦点扫描成像模块150还包括连接在所述成像耦合器1503与所述多色光探测装置1509之间的解波分复用器1506。

在优选的实施例中，所述OCT样品臂模块130包括光路扫描器件1109、场镜1301以及物镜1305，进入所述OCT样品臂模块130的光束经过所述光路扫描器件1109反射后，穿过所述场镜1301及所述物镜1305至待测样品。

在优选的实施例中，所述OCT样品臂模块还包括光纤准直镜1107，来自所述两路并行光纤2106或所述单路光纤1106的光束经过所述光纤准直镜1107后进入所述光路扫描器件1109。

在优选的实施例中，所述两路并行光纤2106或所述单路光纤1106与所述光纤准直镜1107之间设置有样品臂光纤头。

在优选的实施例中，所述单路光纤1106为单模光纤或者多模光纤。

在优选的实施例中，所述两路并行光纤2106包括OCT光路纤芯21061、OCT光路光纤包层21063、共焦点扫描成像光路纤芯21062、共焦点扫描成像光纤包层21064以及并行光纤护套21065，所述OCT光路纤芯21061被所述OCT光路光纤包层21063包裹，所述共焦点扫描成像光路纤芯21062被所述共焦点扫描成像光纤包层21064包裹，所述OCT光路光纤包层21062与所述共焦点扫描成像光纤包层21064并行设置，并被所述并行光纤护套21065包裹在一起。

本发明实施例提出的光学成像系统，低成本地结合OCT成像模块和共焦点扫描成像模块，共用OCT样品臂模块，不影响原OCT系统光路，结合波分复用技术，或者并行光纤方案，实现共焦点扫描成像。利用了原OCT系统的扫描机构，从而节约了器件成本，并实现了红外共焦点扫描成像和/或可见光共焦点扫描彩色成像与OCT系统相结合的光路系统。

当该光学成像系统应用于疾病检测时，能够为待测者提供OCT检测的低成本解决方案，不仅能有利于OCT设备的普及，也能够让更多患者享受到该无损检测技术，并能够为医生诊断提供直观的图形化的检测手段。

实施例1

参阅图1，图中所画的镜片只是一个示意，其可为胶合件或者镜组等形式构成。该光学成像系统包括：OCT成像模块100(含OCT样品臂模块130)及共焦点扫描成像模块150。各个模块能起到相应的功能，模块之间有些光学部件是共用的，各个模块通过适当的组合，构成了本实施例的光学成像系统。对各模块介绍如下：

一、OCT成像模块100

如图2所示，OCT成像模块100，包括OCT光源1101、光纤耦合器1103、波分复用器1505、单路光纤1106、参考臂模块1120、探测器1141、计算机1143及OCT样品臂模块130。

OCT成像模块100光路包括OCT光源1101，其输出的光经过光纤耦合器1103分为两路，一路经波分复用器1505后，向OCT样品臂模块130提供探测光，一路向参考臂模块1120提供参考光。参考臂模块1120具有已知长度能将参考光返回到光纤耦合器1103中。OCT样品臂模块130向被测样品S提供探测光，来自样品散射回来的光经过OCT样品臂模块130与参考臂模块1120返回的光在光纤耦合器1103中发生干涉，干涉光被探测器1141接收，再经过计算机1143处理，最后显示出被测样品S的OCT图像。通过光路扫描器件1109对样品S进行扫描，实现OCT的断层成像。

其中计算机1143于本实施例中并不是传统意义上的PC电脑，而是能够进行运算、控制、存储、显示等功能集合的电路控制及处理系统。

OCT样品臂模块130包括光纤准直镜1107，光路扫描器件1109、场镜1301及物镜1305。

光路扫描器件1109可以是一维光路扫描器件，亦可以是二维甚至三维的。光路扫描器件1109实现对待测样品的一维到多维的扫描。

本实施例中光路扫描器件1109采用二维扫描机构，由X方向扫描器件11091及Y方向扫描器件11093构成。

单路光纤1106经样品臂光纤头(未图示)出光，其与光纤准直镜1107相邻。样品臂光纤头与光纤准直镜1107一起，由电机带动，能够沿光纤准直镜1107主光轴L1平动，从而改变样品臂光路的光程。同理，对于样品臂及参考臂光程的匹配，亦可采用改变参考臂光程的方式实现。其中单路光纤1106连接样品臂光纤头。

当进行OCT成像时，由光纤耦合器1103出射的探测光，经波分复用器1505后，汇合入单路光纤1106，再经样品臂光纤头(未图示)出光。接着该探测光透射光纤准直镜1107，经光路扫描器件1109的反射。此时光路扫描器件1109由计算机1143控制，光束经过光路扫描器件1109反射后，穿过场镜1301及物镜1305至待测样品S。经待测样品S返回的光，沿原路返回，与参考臂的返回光在光纤耦合器1103中发生干涉，从而得到待测样品S的相干信号。

二、共焦点扫描成像模块150

共焦点扫描成像模块150参阅图3，亦可包含共焦点扫描红外成像和/或可见光共焦点扫描彩色成像。

其中成像光源1501输出多色光，可以包含近红外光和/或可见光。容易理解，成像光源1501输出的近红外光的波段，可区别于OCT成像模块100的OCT光源1101输出的光。

其中成像光源1501输出的可见光亦可由RGB三色光合成，或者其他可见色光合成。

此时成像光源1501可采用波分复用器将多个波段的光源耦合至一路输出。亦可采用多个分光镜将各色光耦合至一路输出。

其中OCT成像模块100的OCT光源1101输出的光经光纤耦合器1103传输至波分复用器1505，与成像光源1501输出的多色光，于波分复用器1505共用单路光纤1106输出。

当进行共焦点扫描红外成像时，成像光源1501输出的红外光，经成像耦合器1503传输至波分复用器1505，与OCT成像模块100的OCT光源1101输出的探测光汇合入单路光纤1106，再经样品臂光纤头(未图示)输出，透射光纤准直镜1107，再经光路扫描器件1109的反射，接着上述成像光穿过场镜1301及物镜1305，最后入射待测样品S。经待测样品S返回的光，沿原路返回至单路光纤1106，再经波分复用器1505传输至成像耦合器1503，接着上述成像光进入解波分复用器1506后，被多色光探测装置1509接收。从而获得待测样品S的单点红外图像信息。通过光路扫描器件1109的二维扫描，便能获得待测样品S的共焦点扫描红外图像。

其中共焦点扫描红外图像，往往用于预览或者指导操作者操作探头时采用。若待测样品S无需红外图像，亦可让成像光源1501直接输出可见光，进行可见光共焦点扫描彩色成像。

同理，当进行可见光共焦点扫描彩色成像时，成像光源1501输出的可见光，经成像耦合器1503传输至波分复用器1505，与OCT成像模块100的OCT光源1101输出的探测光汇合入单路光纤1106，再经样品臂光纤头(未图示)输出，透射光纤准直镜1107，再经光路扫描器件1109的反射，接着上述成像光穿过场镜1301及物镜1305，最后入射待测样品S。经待测样品S返回的光，沿原路返回至单路光纤1106，再经波分复用器1505传输至成像耦合器1503，接着上述成像光进入解波分复用器1506后，被多色光探测装置1509接收。从而获得待测样品S的单点可见图像信息。通过光路扫描器件1109的二维扫描，便能获得待测样品S的可见光共焦点扫描彩色图像。

当待测样品S为待测人眼E时，由于可见光较刺激待测人眼E，若以可见光进行预览成像来辅助操作医生操作，此时，待测人眼E将无法长时间一直检测，并且对待测人眼E也易造成伤害。故光学成像系统先以红外成像进行辅助医生操作设备，待能够获得较好的OCT图像及红外图像时，便能够切换至共焦点扫描可见光成像。利用光路扫描器件1109的快速二维扫描，来获得一张彩色图像。

由上述知，共焦点扫描成像模块150的成像光源1501、光路扫描器件1109及部分光路均与OCT成像系统共用，从而能够大大地降低系统硬件成本。由于共用OCT样品臂模块130光路，故OCT扫描线清晰投影于待测样品S时，共焦点扫描成像模块150亦处于清晰成像的最佳调屈位置。

其中多色光探测可如图3所示，由解波分复用器1506及多色光探测装置1509构成。图3中示意性地表征出含红外探测器1509IR、红光探测器1509R、绿光探测器1509G、蓝光探测器1509B。多色光探测装置1509可由一路探测器或者多路探测器构造。待测样品S返回的成像光，被解波分复用器1506分光，再分别被多色光探测装置1509接收。

另外，经多色光探测装置1509获得的多色信号SR(红光信号)、SG(绿光信号)、SB(蓝光信号)，由于各色可见光经光路系统及待测样品S的透过率及吸收率不同，故最终的合成的可见光信号SW，可利用RGB三色光信号加权后再合成，即SW＝a*SR+b*SG+c*SB。a、b、c对应三色光信号权重。

其中单路光纤1106，不限于单模光纤，或者多模光纤，但对于OCT成像系统而言，单路光纤1106优选采用单模光纤。单路光纤1106如图4所示，其具有单路光纤纤芯11061。单路光纤纤芯11061的外层是单路光纤包层11063。单路光纤护套11065包裹着单路光纤包层11063，起到保护光纤的作用。

实施例2

参阅图5，实施例2与实施例1最主要的区别是，取消了波分复用器1505，改用两路并行光纤2106代替实施例1中的单路光纤1106。其他介绍如下：

一、OCT成像模块100

参阅图6，OCT成像模块100，包括OCT光源1101、光纤耦合器1103、两路并行光纤2106、参考臂模块1120、探测器1141、计算机1143及OCT样品臂模块130。

OCT成像模块100光路包括OCT光源1101，其输出的光经过光纤耦合器1103分为两路，一路经两路并行光纤2106，向OCT样品臂模块130提供探测光，一路向参考臂模块1120提供参考光。参考臂模块1120具有已知长度能将参考光返回到光纤耦合器1103中。OCT样品臂模块130向被测样品S提供探测光，来自样品散射回来的光经过OCT样品臂模块130与参考臂模块1120返回的光在光纤耦合器1103中发生干涉，干涉光被探测器1141接收，再经过计算机1143处理，最后显示出被测样品S的OCT图像。

两路并行光纤2106经样品臂光纤头(未图示)出光，其与光纤准直镜1107相邻。样品臂光纤头与光纤准直镜1107一起，由电机带动，能够沿光纤准直镜1107主光轴平动，从而改变样品臂光路的光程。

当进行OCT成像时，由光纤耦合器1103出射的探测光，进入两路并行光纤2106，再经样品臂光纤头(未图示)出光。接着该探测光透射光纤准直镜1107，经光路扫描器件1109的反射。此时光路扫描器件1109由计算机1143控制，光束经过光路扫描器件1109反射后，穿过场镜1301及物镜1305至待测样品S。经待测样品S返回的光，沿原路返回，与参考臂的返回光在光纤耦合器1103中发生干涉，从而得到待测样品S的相干信号。

二、共焦点扫描成像模块150

如图7所示，相较于实施例1，实施例2中OCT成像模块100的OCT光源1101输出的光经光纤耦合器1103传输，与成像光源1501输出的多色光，并行进入两路并行光纤2106输出。此时两束光相互独立，并未汇合。

当进行共焦点扫描成像时，成像光源1501输出的红外光和/或可见光，经成像耦合器1503传输，与OCT成像模块100的OCT光源1101输出的探测光并行进入两路并行光纤2106，再经样品臂光纤头(未图示)输出，此时两束光相互独立，并未汇合。接着两束光透射光纤准直镜1107，再经光路扫描器件1109的反射，接着上述成像光穿过场镜1301及物镜1305，最后入射待测样品S。经待测样品S返回的光，沿原路返回至两路并行光纤2106，进入成像耦合器1503，接着上述成像光进入解波分复用器1506后，被多色光探测装置1509接收。从而获得待测样品S的单点红外/可见图像信息。通过光路扫描器件1109的二维扫描，便能获得待测样品S的共焦点扫描图像。

如图7所示，相较于实施例1，实施例2的从光纤耦合器1103输入OCT样品臂的探测光与成像耦合器1503出光进入两路并行光纤2106，再经样品臂光纤头(未图示)出射。

其中，两路并行光纤2106结构如图8所示，其具有OCT光路纤芯21061，其用于传输从光纤耦合器1103输入OCT样品臂的探测光。该OCT光路纤芯21061被OCT光路光纤包层21063包裹。而共焦点扫描成像光路纤芯21062，用于传输成像光源1501输出的光。该共焦点扫描成像光路纤芯21062被共焦点扫描成像光纤包层21064包裹。而OCT光路光纤包层21063与共焦点扫描成像光纤包层21064并行设置，并被并行光纤护套21065包裹在一起。并行光纤2106共用一个样品臂光纤头(未图示)，从光纤耦合器1103输入OCT样品臂的探测光和传输成像光源1501输出的光，经光纤头输出后，进入OCT样品臂模块130光路。该共用的光纤头形成两个发光光源，这两光源的距离即为OCT光路纤芯21061与共焦点扫描成像光路纤芯21062的间距d。

传统的双芯光纤3106如图9所示，其采用纤芯31061/31062分别被光纤包层21063/21064包裹，再分别被护套31065/31066包裹后，两光纤再进一步被大护套31069包裹，此时两光纤双芯的间距d3往往较大。两纤芯31061/31062出光，无法近似于同一个发光点出光，经OCT样品臂模块130光路后，入射待测样品S时，两探测点的间隔也会较大。与传统的双芯光纤相比，本发明实施例的并行光纤2106由于采用OCT光路光纤包层21063与共焦点扫描成像光纤包层21064并行设置，并被并行光纤护套21065包裹在一起的设计，使得OCT光路纤芯21061与共焦点扫描成像光路纤芯21062的间距d小于传统的双芯光纤的双芯的间距d3，因此，本发明实施例的并行光纤2106共用一个样品臂光纤头可接近于一个发光点出光，这样经OCT样品臂模块130光路后，入射待测样品S时，两探测点的间隔也会较小，获得更优的成像性能。

需要指出的是，上述两路并行光纤2106为本申请的优选实施例，但本申请也可以采用传统的双芯光纤，这种替换方案仍属于本申请的保护范围。

实施例2的OCT成像光路与实施例1类似，区别就是从光纤耦合器1103输入OCT样品臂的探测光进入两路并行光纤2106中的OCT光路纤芯21061，再经样品臂光纤头(未图示)出射。

实施例2相较于实施例1，无需添加波分复用器1505。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。