[实用新型]一种基于级联马赫曾德干涉仪的光谱相位校准系统

说明书

技术领域

本实用新型涉及光学相干层析成像（OCT）技术和相位敏感的扫频光学相干层析技术，尤其涉及一种基于级联马赫曾德干涉仪的光谱相位校准系统。

背景技术

光学相干层析（Optical Coherence Tomography，简称OCT）成像技术是一种新型的光学成像技术，能够对被测活体样品内部的组织结构与生理功能进行非侵入、非接触、高分辨率在体成像，在疾病的早期诊断和在体活检领域有着广泛应用前景。

相位敏感的OCT技术能够同时测量后向散射光的幅度和相位，通过测量组织对外部刺激产生的nm级位移，相对传统的OCT技术能够提供相位相关的功能对比信息，在定量相位显微、光热OCT、多普勒OCT、磁调制OCT等方面应用广泛。相位敏感的OCT技术根据探测方式的不同可分为相位敏感的时域OCT技术和相位敏感的频域OCT技术。相位敏感的时域OCT系统的采样率较低（50-250A-scans/s）并且位移探测灵敏度有限（DS＝17000pm）；相位敏感的频域OCT在位移探测灵敏度（DS＝5000pm）和采样率（10k A-scans/s）上都大为提高，相位敏感的频域OCT技术包括基于光谱仪探测的谱域OCT和基于扫频光源的扫频OCT。相位敏感的谱域OCT采用线阵探测，很难采用平衡探测方式，相比点探测其动态范围和信噪比受到限制，此外长波响应的CCD技术受限，探测长波的InGaAs CCD灵敏度不高且价格昂贵，目前相位敏感的谱域OCT主要应用在800nm波段范围；相位敏感的扫频OCT由于瞬时线宽扫频光源和点探测方式的联合可以避免这些问题，并且由于长波相比短波的光在生物组织中散射和吸收较少，有更好的穿透深度，在1060nm和1310nm波段有很大的优势。但是扫频干涉光谱在k空间采样的非线性严重影响了成像的分辨率和信噪比，此外扫频光源光谱扫描的稳定性对位相探测的灵敏度和稳定性带来极大挑战。

使扫频OCT的干涉光谱信号采样点平均分布于波数空间的方法，即干涉光谱k空间均匀采样的实时标定方法，国内外的研究机构已经提出了很多有效的解决方案，如基于MZI的实时均匀频率时钟方法，基于MZI的干涉光谱相位标定方法等，这里不再赘述。本实用新型专利重点关注扫频光源光谱相位的校准问题。

在扫频OCT系统中，扫频光源的光谱不稳定表现在相邻A-scan的波数跳变，波数跳变来自两个方面，一个是每个A-scan的触发并不是与某一个固定的波数相关，另一个是采样时钟和触发信号间时间延迟的非确定性；这两种波数跳变引起的相位跳变均与深度成线性关系，前者引起的相位跳变在最大成像深度处可能超过2π，而后者引起的相位跳变在最大成像深度处不会超过π。

为了提高相位敏感的扫频OCT技术的相位探测灵敏度，国外很多研究机构提出很多解决方案。

美国麻省理工大学的J.G.Fujimoto研究小组采用缓冲傅立叶域锁模（buffered Fourier domain mode-locked,FDML）扫频激光光源来提高光源的光谱稳定性从而保证系统的相位探测灵敏度，但是FDML激光腔内数千米长光纤环的偏振模色散和光程浮动对位相测量的稳定性产生极大挑战。

基于光学的方法产生采样时钟可以提高扫频光源和数据采集卡间的同步，降低时间延迟引起的相位跳变，Duck大学的J.A.Izatt小组将光源输出的小部分光送入一个周期性光滤波器，产生光时钟信号并将其转化成合适的TTL采样时钟信号，由于扫频激光在k空间并不是线性扫描的，从而产生的采样时钟容易发生频率啁啾，在一个扫频周期的结束和下个扫频周期开始间采样时钟频率任意变化，所以在光产生时钟和高速数据采集卡间存在兼容问题，需要在外置的采样时钟输入上插入锁相环电路。

哈佛医学院的B.J.Vokoc等人通过一个光程差接近最大成像深度的额外校准镜产生校准干涉信号，并测量校准干涉信号相邻A-scan间的相位变化，从测得的样品信号的相位差中按深度比例减去测得的校准信号的相位差得到校正好的实际相位差，但是当起始波数变化较大，引起最大成像深度处的相位跳变超过2π时，该方法产生的光谱相位校准可能产生错误，因而一般仅用来校准采样时钟和触发信号间时间延迟的不确定性引起的相位噪声。