光学相干断层成像系统中纵向扫描方法及其装置 一、技术领域
本发明涉及光学相干断层成像技术，特别是涉及光学相干断层成像系统中高速纵向扫描方法及其装置。
二、背景技术
现在发展较为成熟的断层成像技术主要有三种：计算断层成像(Computedtomography)、超声成像(Ultrasonic imaging)和核磁共振成像(Nuclear magneticresonance)。这三种技术各有特点，比如说在其用于人体检查时对人体的损害方面，虽然诊断用X射线的剂量在这些年来已减小了许多，但是仍有不少的资料表明存在着较小的损害效应，可能增加人体感染一些疾病如癌、白血病以及白内障的几率。然而，绝大多数数据都表明现今所用的超声诊断剂量或者核磁共振中相对强的磁场没有任何毒性效应。但是这三种断层成像技术还不能完全满足科学研究与临床诊断对实时、非侵入性以及高分辨率成像的要求(这三种断层图像的分辨率约在100μm～1mm左右)。
1991年麻省理工学院(MIT)的黄大卫(David Huang)等人将低相干光反射仪(Low-coherence reflectometry)与共焦显微镜的原理应用到生物医学断层成像领域中，提出了光学相干断层成像(Optical Coherence Tomography)，在这十几年的发展中，光学相干断层成像(OCT)以其无损伤成像、成像分辨率高、系统结构简单、造价低廉等优点而备受科学和工程研究者的瞩目。
光学相干断层成像(OCT)可以应用在其它成像技术存在潜在缺点的许多领域，特别是为精细的外科手术提供参考数据。例如，脑科手术中，传统的活组织切片检查是非常危险的，而其它成像技术由于分辨率太低而带来了很多局限性；又如对早期视网膜疾病的诊断，需要微米量级的成像技术，目前为止，还没有比光学相干断层成像(OCT)更合适的成像技术。
光学相干断层成像(OCT)的基本原理是通过光纤式迈克耳孙干涉仪使信号臂上的待测生物体的后向散射光，与参考臂上被全反镜反射回来地参考光进行干涉，检测该干涉信号即可得到待测生物体的信息。其中通过参考臂全反镜沿光轴方向的往返运动实现对待测生物体深度方向的扫描，即纵向扫描，通过沿光轴垂直的方向移动信号臂实现对待测生物体的横向扫描。由于光源使用低相干光源，其相干长度短，因此参考臂和信号臂的长度之差在相干长度内时，才能发生干涉现象，因此，待测生物体成像的纵向分辨率取决于光的相干长度lc：
lc=4ln2πλ02Δλ---(1)]]>
其中，λ0为中心波长，Δλ为光源的带宽(Bandwidth FWHM)。由于光信号是往返的，因此成像纵向分辨率为lc的一半。如，使用中心波长为830nm，带宽为25nm的超发光二极管(SLD)时，成像的纵向分辨率为12μm，如果使用图像恢复技术可以将分辨率提升到微米甚至亚微米量级。
光学相干断层成像(OCT)系统中的关键部件可以归为三个部分：光源、干涉仪和扫描装置。
光源必须满足三个基本条件：近红外光谱、短相干长度、高辐照度。由于光频率较高(蓝光或更高)时，平均散射长度较短，因此光学相干断层成像(OCT)需要长波光源，但是在2μm或更长的波段，水的吸收系数增大，因此只能选择波长在1.8μm以下的波段。另一方面，如果波长越短，分辨率越高，相应的，如果波长增大，为保持同样的分辨率，光源的带宽必须以2次方的趋势增大，因此，为了方便选择光源，应尽量选择短波光源，然而由于血红蛋白在700nm以下吸收系数较大，而且考虑到散射长度的关系，一般将光源波长选择在850nm附近。
干涉仪是基于迈克耳孙干涉仪的结构，通常的光学相干断层成像(OCT)系统均使用光纤结构，虽然光纤连接使得光路灵活、简化了很多，但也带来了系统效率的限制，由于使用的是宽带光源，因此光纤的色散将会使纵向分辨率大大降低。
扫描装置的纵向扫描速度与分辨率在光学相干断层成像(OCT)中处于同等重要的地位。对高分辨率成像系统而言，待测生物体的微小移动就可能导致图像的模糊，因此只有提高扫描速度才可以克服这种弊病。现有的纵向扫描技术大概分为以下6种：
1、步进电机驱动反射镜实现扫描。优点：线性、控制方便、价格低廉；缺点：速度慢、往复运动时定位精度差。
2、用压电晶体实现扫描。优点：高速、近似线性、控制方便、价格低廉；缺点：位移量较小、晶体易碎。
3、拉伸光纤实现扫描。优点：结构简单、控制方便、价格低廉；缺点：非线性、光束偏振态变化。
4、用旋转棱镜实现扫描。优点：高速、控制方便、价格低廉；缺点：非线性、占空比低、光束通过棱镜有色散。
5、光学延迟线实现扫描。优点：高速、近似线性；缺点：有一定占空比、结构复杂。
6、用螺旋镜实现扫描。优点：高速、线性、结构简单、反射型；缺点：加工精度难以保证。
可以看出，这些纵向扫描技术各有其优缺点，其中步进电机驱动反射镜实现扫描是第一代的纵向扫描技术，已经被其它的多种技术所取代。
光学延迟线实现纵向扫描是目前使用较多的方法，其结构较为复杂，并且是通过振镜的角度摆动实现纵向扫描的，因此，只能在小角度上近似线性。
用螺旋镜实现纵向扫描具有高速、线性、结构简洁等优点，由于是直接反射型的元件，因此光束没有色散问题，只是无法使用传统的光学元件加工方法，因此不得不采用机械加工手段。由于其结构上的特点，必须为其单独配置所需加工工具，而且很难打磨出所需的光学表面，即很难达到微米量级的精度。
利用压电陶瓷的电致伸缩效应，可实现亚微米量级定位精度和纳米量级分辨率的微位移，虽然也存在迟滞的缺点，但由于迟滞的原因是介质的介电常数与电场强度的变化史有关而造成的，因此如果采用直接控制电极化强度的方法，在开环状态下，将可以有效解决压电陶瓷的迟滞现象，也可通过增加微位移传感器实现闭环控制来解决压电陶瓷的迟滞现象。但是现有的压电/电致伸缩陶瓷只能实现从几微米到一百多微米位移量，其位移量较小，例如利用压电/电致伸缩陶瓷驱动反射镜均不能满足光学相干断层成像(OCT)系统中需要达到2mm至3mm纵向扫描深度的要求。
三、发明内容
本发明的目的正是为了克服上述现有纵向扫描技术所存在的缺陷，提供一种在光学相干断层成像系统中纵向扫描的方法及其装置，解决了现有微位移器驱动反射镜不能满足光学相干断层成像系统中需要达到2mm至3mm纵向扫描深度的要求，并能够直接利用高精度的传统光学元件加工方法加工所需的光学棱镜，从而实现高速高精度的线性扫描，进而提高测量的精确性。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的：
本发明光学相干断层成像系统中纵向扫描的方法，采用一种由可运动棱镜组和静止棱镜组构成的棱镜系统，用于本发明光学相干断层成像系统的纵向扫描装置中，再利用微位移器驱动棱镜系统中的可运动棱镜组，由压电/电致伸缩陶瓷等高精度微位移器的平移运动实现高速高精度的纵向扫描。
本发明光学相干断层成像系统中纵向扫描装置，包括有光源、光纤、光纤耦合器、透镜、数据采集系统、数据终端等元器件，光源与光纤连接，光纤与光纤耦合器连接，光纤耦合器又分别与两光纤连接，即经过光纤耦合器的光分为两束光分别进入两光纤，一光纤引出的光束进入两透镜实现准直和聚焦后再到待测生物体，按照本发明所说的装置还包括一个由静止棱镜组和可运动棱镜组构成的棱镜系统以及用以驱动可运动棱镜组的微位移器，静止棱镜组置于一准直透镜的后方，棱镜系统中的可运动棱镜组固定在微位移器上，并置于静止棱镜组后方，可运动棱镜组与静止棱镜组须配对使用。
本装置棱镜系统中的可运动棱镜组和静止棱镜组又分别由多个小反射型棱镜、平面反射镜和通光孔构成。棱镜系统的结构随可运动棱镜组和静止棱镜组结构参数的不同而有差别。可运动棱镜组和静止棱镜组的具体结构参数包括：每一个小反射型棱镜的长度、宽度和高度；棱镜组的长度和宽度；棱镜组长度方向的小反射型棱镜的个数；棱镜组宽度方向的小反射型棱镜的个数；通光孔的位置；是否有平面反射镜以及平面反射镜的位置。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
1、本发明采用的棱镜系统由许多小反射型棱镜组装而成，因此可以使用传统的光学元件加工方法加工棱镜，其加工精度高，棱镜角度误差可控制在1″以内。
2、本发明使用压电/电致伸缩陶瓷等高精度微位移器驱动棱镜系统中可运动棱镜组，由于压电/电致伸缩陶瓷具有很高的响应速度(几十微秒)，正因为其响应速度快，它的机电耦合效应进行的速度也就很快，来不及与外界热交换，因此不存在发热问题，能达到高速、无机械摩擦、同时没有噪声的纵向扫描。
3、本发明使用的压电/电致伸缩陶瓷微位移器，其体积一般很小，与本发明的棱镜系统配合使用，具有结构紧凑、体积小的优点。
4、本发明采用的棱镜系统中可运动棱镜组的结构简单，对称性好，因此减小了运动中的不稳定因素，进而提高测量精度。
5、本发明采用的棱镜系统是一种全反射元件，避免了色散问题。
四、附图说明
图1是本发明棱镜系统用于光学相干断层成像系统中的连接示意图。
图2是本发明棱镜系统中与图3配对的具有4×4个区域的可运动棱镜组的结构示意图。
图3是本发明棱镜系统中具有4×4个区域的静止棱镜组的结构示意图。
图4是本发明棱镜系统中与图5配对的具有6×6个区域的可运动棱镜组的结构示意图。
图5是本发明棱镜系统中具有6×6个区域的静止棱镜组的结构示意图。
图6是本发明棱镜系统中与图7配对的具有4×4个区域的可运动棱镜组的结构示意图。
图7是本发明棱镜系统中具有4×4个区域并包括两个通光孔的静止棱镜组的结构示意图。
图8是本发明使用棱镜系统的二维等效光路图。
五、具体实施方式
下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步的说明。但本发明的内容不仅限于实施例中所涉及的内容。
本发明光学相干断层成像系统中纵向扫描方法，采用由可运动棱镜组112和静止棱镜组111构成的棱镜系统，用于光学相干断层成像系统的纵向扫描装置中，再利用压电/电致伸缩陶瓷微位移器113驱动棱镜系统中的可运动棱镜组112，通过压电/电致伸缩陶瓷微位移器113的平移运动实现高速高精度的线性纵向扫描。
参照图1，本发明光学相干断层成像系统中纵向扫描装置，包括有光源11、光纤12、14、15、光纤耦合器13、透镜16、17、数据采集系统115、数据终端116等元器件，光源11与光纤12连接，光纤12与光纤耦合器13连接，光纤耦合器13又分别与光纤14和光纤15连接，即经过光纤耦合器的光分为两束光分别进入光纤14和光纤15，由光纤14引出的光束进入透镜16和透镜17实现准直和聚焦后再到待测生物体18，按照本发明所说的装置还包括一个由可运动棱镜组112和静止棱镜组111构成的棱镜系统，以及用以驱动可运动棱镜组112的压电/电致伸缩陶瓷微位移器113，由光纤15引出的光束进入准直透镜110，静止棱镜组111置于准直透镜110的后方，可运动棱镜组112固定在微位移器113上，并置于静止棱镜组后方，可运动棱镜组与静止棱镜组须配对使用。
实现扫描的过程是：从光源11发出的光束耦合到光纤12中，光束经过光纤12后进入2×2光纤耦合器13，然后分为两束分别进入光纤14和光纤15。
第一束光经过光纤14传输后通过透镜16准直，再经过透镜17聚焦到待测生物体18上，待测生物体18的后向散射光又由透镜17收集后传输到透镜16聚焦耦合进入光纤14，再由光纤14进入2×2光纤耦合器13，并传输到探测器114。其中按图中箭头方向移动由光纤14、透镜16和透镜17组成的整体19来实现对待测生物体18的横向扫描。
第二束光经过光纤15传输后通过准直透镜110准直，再进入棱镜系统的静止棱镜组111，通过棱镜系统的静止棱镜组111和可运动棱镜组112的来回反射后，再由棱镜系统中的静止棱镜组111出射，出射的光束仍由准直透镜110收集，并耦合到光纤15中，再通过2×2光纤耦合器13传输到探测器114。其中由压电/电致伸缩陶瓷113按图中箭头方向平移棱镜系统中的可运动棱镜组112来实现纵向扫描。
探测器114将这两束光的干涉光信号转换为电信号进入数据采集系统115，最后进入数据终端116处理得出断层图像。
本发明设计的棱镜系统的结构随结构参数的不同而有差别，图2、图3、图4、图5、图6、图7就是不同结构参数下的可运动棱镜组和静止棱镜组的结构，图中黑色的部分代表镀上了反射膜，黑色部分上面的白线是为了突出三维结构而作的辅助线，无任何物理意义；白色部分代表未镀反射膜的通光孔，白色部分上面的黑线是为了突出三维结构而作的辅助线，无任何物理意义。
棱镜系统的具体结构参数包括：每一个小反射型棱镜的长度di、宽度d′i和高度hi(其中i下标代表每一个小反射型棱镜的编号)；棱镜组的长度l和宽度w；棱镜组长度方向的小反射型棱镜的个数Ni；棱镜组宽度方向的小反射型棱镜的个数Nw；通光孔的位置；是否有平面反射镜以及平面反射镜的位置。
下面以图2、图3、图4、图5、图6、图7的不同例子说明结构参数可按需选择。
图2是与图3配合使用的可运动棱镜组，图3为静止棱镜组，两棱镜组均可视为有4×4个区域，每个区域既可放置一个小反射型棱镜或平面反射镜，也可作为通光孔，其中每个区域的长度和宽度即为每一个小反射型棱镜的长度和宽度，即为di＝d′i＝d(其中i下标代表每一个小反射型棱镜的编号)，每一个小反射型棱镜的高度为hi＝d；棱镜组的长度l＝4d，宽度w＝4d；棱镜组长度方向的小反射型棱镜的个数Nl＝l/d＝4；棱镜组宽度方向的小反射型棱镜的个数Nw＝w/d＝4；通光孔的位置为图3中的31区域，是光束的入射和出射窗；平面反射镜的位置在图3中的316区域。
图4是与图5配合使用的可运动棱镜组，图5为静止棱镜组，两棱镜组均可视为有6×6个区域，每个区域既可放置一个小反射型棱镜或平面反射镜，也可作为通光孔，其中每个区域的长度和宽度即为每一个小反射型棱镜的长度和宽度，即为di＝d′i＝d(其中i下标代表每一个小反射型棱镜的编号)，每一个小反射型棱镜的高度为hi＝d；棱镜组的长度l＝6d，宽度w＝6d；棱镜组长度方向的小反射型棱镜的个数Nl＝l/d＝6；棱镜组宽度方向的小反射型棱镜的个数Nw＝w/d＝6；通光孔的位置为图5中的51区域，是光束的入射和出射窗；平面反射镜的位置在图5中的536区域。
图6是与图7配合使用的可运动棱镜组，图7为静止棱镜组，两棱镜组均可视为有4×4个区域，每个区域既可放置一个小反射型棱镜或平面反射镜，也可作为通光孔，其中每个区域的长度和宽度即为每一个小反射型棱镜的长度和宽度，即为di＝d′i＝d(其中i下标代表每一个小反射型棱镜的编号)，每一个小反射型棱镜的高度为hi＝d；棱镜组的长度l＝4d，宽度w＝4d；棱镜组长度方向的小反射型棱镜的个数Nl＝l/d＝4；棱镜组宽度方向的小反射型棱镜的个数Nw＝w/d＝4；通光孔的位置为图7中的71区域和716区域，分别是光束的入射和出射窗；没有平面反射镜。
图8中，通过可运动棱镜组112和静止棱镜组111的二维等效结构，可以推导出需要的棱镜系统的结构参数取值。为了元件加工的方便，这里选择每一个小反射型棱镜的长度、宽度和高度相等，即di＝d′i＝hi＝d。
光束入射后在可运动棱镜组112和静止棱镜组111之间多次反射，最后通过静止棱镜组的平面反射镜83使光束沿原光路返回。当可运动棱镜组112位移Δx时，光束的光程差为
Δl＝2NΔx (2)
其中N即为可运动棱镜组112的小反射型棱镜的个数，可运动棱镜组112的位移量Δx由微位移器的位移量决定，使用压电/电致伸缩陶瓷作为微位移器，位移量通常可取在Δx＝100μm左右，再使用N＝16个棱镜，那么光程差将达到Δl＝3.2mm左右，完全可以满足光学相干断层成像系统中需要达到2mm至3mm纵向扫描深度的要求。
选择每一个小反射型棱镜的长度、宽度和高度di＝d′i＝hi＝d的取值时，需要考虑传统光学元件加工方法能够高精度加工棱镜的取值范围，这里选择d＝10mm。这样取值以后，可以看到，可运动棱镜组112的二维等效结构的长度l＝N×d＝16×10＝160mm，而宽度为一个小反射型棱镜的宽度w＝d＝10mm。
图2中，可运动棱镜组112是将图8中所示的可运动棱镜组112的二维等效结构空间排布成为的三维结构，这种三维结构可以有效的减小棱镜组的大小，提高元件的对称性，如可运动棱镜组的小反射型棱镜个数N＝16，每个小反射型棱镜的长度为d＝10mm，那么图2所示的三维结构只需取棱镜组长度方向的小反射型棱镜的个数和棱镜组宽度方向的小反射型棱镜的个数相等Nl＝Nw＝4，就可以实现小反射型棱镜的个数N＝Nl×Nw＝16，而可运动棱镜组的长度和宽度为l＝w＝4d＝40mm。
这样本发明使用的三维结构将可运动棱镜组从长度l＝160mm，宽度w＝10mm整合为长宽相等即l＝w＝40mm的结构。这种结构的精简对于提高可运动棱镜组振动过程的稳定性具有重要的作用，特别是可运动棱镜组需要以大于100Hz的频率振动，那么其对称性的提高将会有效提高运动的稳定性。
现用图2、图3所示的棱镜系统来描述光束在棱镜系统中的传输过程，光束由静止棱镜组的通光孔31入射到可运动棱镜组的小反射型棱镜21上，经小反射型棱镜21反射到小反射型棱镜22上，光束经小反射型棱镜22反射到静止棱镜组的小反射型棱镜32上，再反射到小反射型棱镜33，又由小反射型棱镜33反射到可运动棱镜组的小反射型棱镜23，再反射到小反射型棱镜24，再反射到静止棱镜组的小反射型棱镜34，由于小反射型棱镜34和小反射型棱镜35的方向不同，光束由小反射型棱镜34反射到小反射型棱镜35后，将会反射到可运动棱镜组的下一排棱镜的小反射型棱镜25上，从而重复前面的反射过程，最后由静止棱镜组的平面反射镜316将光束沿原路返回到入射时的通光孔31后出射。其具体的反射过程由可运动棱镜组和静止棱镜组中的通光孔、小反射型棱镜和平面反射镜的编号描述为：31→21→22→32→33→23→24→34→35→25→26→36→37→27→28→38→39→29→210→310→311→211→212→312→313→213→214→314→315→215→216→316→216→215→315→314→214→213→313→312→212→211→311→310→210→29→39→38→28→27→37→36→26→25→35→34→24→23→33→32→22→21→31。
图2所示的可运动棱镜组的结构虽然是由Nl＝Nw＝4；di＝d′i＝hi＝d＝10mm的4×4＝16个小反射型棱镜胶合而成，但在使用传统光学元件加工方法制作时，可以将其视为3个棱镜来加工和胶合。第1个需加工的棱镜是由小反射型棱镜21、小反射型棱镜28、小反射型棱镜29、小反射型棱镜216组合而成的10mm×40mm的棱镜；第2个需加工的棱镜是由小反射型棱镜22、小反射型棱镜27、小反射型棱镜210、小反射型棱镜215、小反射型棱镜23、小反射型棱镜26、小反射型棱镜211、小反射型棱镜214组合而成的20mm×40mm的棱镜；第3个需加工的棱镜是由小反射型棱镜24、小反射型棱镜25、小反射型棱镜212、小反射型棱镜213组合而成的10mm×40mm的棱镜。其中第1个需加工的棱镜和第3个需加工的棱镜的形状和尺寸均一样，可批量加工。
图3所示的静止棱镜组的结构虽然由Nl＝Nw＝4；di＝d′i＝hi＝d＝10mm的4×4＝16个区域组成，其中有小反射型棱镜14个，平面反射镜1个和通光孔1个，但在使用传统光学元件加工方法制作时，可以将其视为8个棱镜和1个平面反射镜来加工和胶合。其中有6个需加工的棱镜的形状和尺寸均一样，即小反射型棱镜34；小反射型棱镜35；小反射型棱镜312；小反射型棱镜313；小反射型棱镜38；小反射型棱镜39的形状和尺寸均一样，可批量加工；第7个需加工的棱镜是由小反射型棱镜32、小反射型棱镜37、小反射型棱镜310、小反射型棱镜315组合而成的10mm×40mm的棱镜；第8个需加工的棱镜是由小反射型棱镜33、小反射型棱镜36、小反射型棱镜311、小反射型棱镜314组合而成的10mm×40mm的棱镜，第7个需加工的棱镜和第8个需加工的棱镜的形状和尺寸均一样，可批量加工。再加工一个尺寸为10mm×10mm的平面反射镜，胶合在区域316位置即可。