高信噪比光学相干层析空分复用成像器件及其成像方法与流程
本发明涉及一种空分复用光学相干层析成像技术，具体涉及一种高信噪比光学相干层析空分复用成像器件及其成像方法。
背景技术：
1、光学相干层析成像(optical coherence tomography，oct)能够对生物组织和材料进行高分辨率、无创的层析成像。oct成像速度，用每秒的线扫描次数(a-scans/s)表征。在谱域oct和扫频源 oct中分别受到的线扫描相机的线速度和的激光扫描速率的限制。最近，许多提高oct成像速度的方法被提出。其中，一种方法通过开发高速线扫描相机或高扫描速率可调谐激光器，使用傅里叶锁模(fourier-domain mode-locking，fdml)激光技术实现了5.2mhz的扫描速率。然而，随着线扫描速率的增加，每个成像点的停留时间会按比例减少，从而导致图像灵敏度显着降低。一般来说，每次线扫描的采样点数量随着线扫描速率的增加而减少。对于可调谐激光器，当激光扫描速率增加时，波长扫描范围通常会受到影响，从而降低oct的轴向图像分辨率。另一种方法是使用并行检测通道来提高oct成像速度。利用多个光束同时对样品的不同部分成像，以实现高成像速度。空分复用光学相干层析成像(space-division multiplexing optical coherence tomography,sdm-oct)是近年来发展起来的一种并行oct成像方法，该技术能够显著提高 oct成像速度。然而，之前的oct-sdm部件会受到返回信号分光的影响，使得oct-sdm成像系统无法实现理想的高信噪比。
技术实现思路
1、本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种高信噪比光学相干层析空分复用成像器件及其成像方法。
2、本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
3、一方面，本发明公开一种高信噪比光学相干层析空分复用成像器件，器件的样本臂包括多层级联1×2分光器结构和等同于样本臂分路数量的光环行器。
4、进一步地，所述所述器件级联结构最后一层包含个n个1×2分光器，后续分成2n条光纤光路再各自接一个光环形器，从该n个1×2分光器到光环形器再到样本臂输出端，加上样本臂输出端到光环形器再到模块输出端，整个部分2n条路径使用等长度差的光纤连接。
5、另一方面，本发明公开一种高信噪比光学相干层析空分复用成像方法，所述方法基于上述的高信噪比光学相干层析空分复用成像器件，经过1×2分光器n层级联结构的2n路光束两两之间具有高精度的等光程差δl；所述方法包括如下步骤：
6、(1)激光输入通过光纤耦合器进入光纤型空分复用器件中的输入端口，入射光经过n层级联的1×2分光器形成2n条光路，每条光束各自接入其光路上光环行器的端口1；
7、(2)2n条光束从光环行器端口出射然后通过光纤抵达样本臂多光束扫描输出端口，然后照射在样本上对样本进行同时采样；
8、(3)从样本反射回的2n束光再通过样本臂多光束扫描输出端返回到各自光环行器的端口2，从端口3出射然后通过光纤抵达器件的输出端口。
9、在本发明设计的sdm-oct光纤型空分复用器件中，样品臂光束被分成多条光路，每条光路中有不同的光延迟，每束光从各自光环行器的端口1进入，从端口2输出到达样本臂多光束扫描输出端。使用多光束对样品的不同部分成像，成像速度增加倍率等于分光光束数量。同时从样品返回的反射光束从光环行器的端口2进入，从端口3输出到器件输出口。
10、如图3所示，基于互补频率扫描光信号与移频去斜的高速高精度延时测量装置完成对器件中每条光路之间长度差的精准测量，再进行精准剪裁从而完成器件的制作。该高速高精度延时测量装置通过互补频率扫描光探测待测延时器件的光延时，互补频率扫描光是将一个高速高线性度的线性调频微波信号调制到光域产生的，可实现高速的光延时测量。并使用了移频去斜以及光相位噪声抑制方法抑制光源相位噪声，实现了高精度的光延时测量。当光信号输入该测量装置后，电矢量分析仪会读取到输入与输出之间的相位差值，它们之间满足以下关系。
11、输入信号如下：
12、
13、输出信号如下：
14、
15、它们之间的相位差值与频率成如下正比例关系：
16、
17、互补频率扫描光信号的相位差值和ωrf已知，即可求得本发明中每一条光路的光延时及彼此其差值，从而得到每条光路之间的物理长度差值。
18、下面介绍本发明的主要理论原理。我们首先介绍了sdm-oct系统的一种可以实现的配置，然后介绍了本发明的高信噪比光学相干层析空分复用成像的光纤型空分复用器件设计。
19、sdm-oct技术的关键是使用多个成像光束同时对样本进行oct成像，每个光束具有不同的光学延迟。在基于光纤组件的sdm-oct系统中，是通过使用平面光波分路器和光纤阵列实现的。来自不同样本位置的返回信号在平面光波分路器处合并，并与来自参考臂的光产生干涉。利用单个探测器和高速数据采集卡同时记录所有光束的干涉信号。由于每个光束都经过光学延迟，因此不同位置的信号在不同的频率范围内呈现即成像深度。由于所有光束都是一起扫描的，因此采用了多个样本位置的同步成像。该技术允许从多个采样点进行并行成像，因此将oct轴向扫描速率提高了相当于同时使用的光束数的倍率。
20、高信噪比光纤型空分复用器件通过在样本臂的每条光路加入光环行器来消除返回信号在各级分光器处和光纤耦合器处的分光从而提升信噪比。在本发明设计的sdm-oct空分复用器件中，使用1×2分光器的n层级联结构将样本臂的入射光从1束分为2n束，每束光通过各自的通道经过光环行器再通过光纤照射到样本上，从样本返回的反射光通过光环行器再抵达器件输出口。通过使用一种基于互补频率扫描光信号与移频去斜的高速高精度延时测量装置，来精准测量并剪裁每个通道得到不同的长度，每条光路的物理长度差约为3mm。照射到样本之前的相邻通道之间输出间距设置为250μm，以最小化通道之间的串扰。
技术特征：
1.一种高信噪比光学相干层析空分复用成像器件，其特征在于，所述器件为一个光纤型空分复用器件，所述器件的样本臂包括多层级联1×2分光器结构和等同于样本臂分路数量的光环行器。
2.根据权利要求1所述的一种高信噪比光学相干层析空分复用成像器件，其特征在于，所述器件级联结构最后一层包含个n个1×2分光器，n个分光器后分成2n条光路，每条光路各自接一个光环形器；从分光器到光环形器再到样本臂输出端，再从样本臂输出端到光环形器再到模块输出端，这两个部分相加所得的2n条光纤路径具有等长度差。
3.一种高信噪比光学相干层析空分复用成像方法，其特征在于，所述成像方法基于权利要求1或权利要求2中所述的一种高信噪比光学相干层析空分复用成像器件，所述方法包括如下步骤：
技术总结
本发明公开了一种高信噪比光学相干层析空分复用成像器件及其成像方法。空分复用光学相干层析成像是近年来发展起来的一种并行OCT成像方法，该技术能够显著提高OCT成像速度。本发明通过使用一种基于互补频率扫描光信号与移频去斜的高速高精度延时测量装置使得OCT样本臂各路之间具有高精度的等光程差ΔL，并通过在该器件中加入光环形器来消除返回信号的分光从而提升信噪比。本发明制作的高精度光学相干层析空分复用成像的光纤型空分复用器件具有高精度高信噪比特性。
技术研发人员：陈琴
受保护的技术使用者：成都牧光人科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23