一种用于光学相干层析成像的集成参考臂
技术领域
本实用新型涉及光学扫描成像的技术领域，特别涉及一种用于光学相干层析成像的集成参考臂。
背景技术
光学相干层析成像（OCT）是一种实时无创的三维成像技术。自从1996年OCT技术诞生以来，它已经被广泛应用到了眼科、消化道、心血管、皮肤等多个医疗领域，目前实验室的相关课题研究以及商业化的产品均处于蓬勃发展的阶段。OCT技术基于低相干光干涉原理，其设备核心是一个干涉仪。干涉仪通常有自由空间和光纤两种形式，由于光纤具有体积小、稳定性高等特点，一般OCT均采用2x2光纤耦合器或者其它变化形式的光纤器件作为干涉仪核心部件。干涉仪包含四个端口，分别对应光源、样品臂、参考臂和光信号采集设备，这几个部分加在一起构成了OCT的核心组件。
早期的OCT属于时域OCT，即在时序空间内对宽带光信号进行采样。现在市场上的主流OCT产品均为频域OCT，即在频率空间内对光信号进行采样。频域OCT又分为两种形式：其一是采用宽带光源，用光谱仪作为采集设备；其二是采用扫频光源，用高速的光电二极管或者平衡探测器作为采集设备。除了光源和光信号采集设备，在其它方面这两种形式的OCT是类似的。
样品臂主要功能是将探测光送到被检测样品处，并从样品处收集返回信号。样品臂的设计主要依赖于被检测样品的形式。例如普通离体样品，对应的样品臂一般为类似扫描显微镜的光学结构；对于活体管腔，样品臂需要包含类似内窥镜的扫描探头；而对于眼底，样品臂设计就要保证光信号尽可能不受阻碍的穿过瞳孔到达眼底，同时要考虑眼前节的聚焦调节。
OCT的参考臂相对变化较少，主要功能是提供稳定的参考信号，以便和样品臂返回的信号产生干涉，从而进一步采集成像。参考臂包括两种形式：一类为自由空间的参考臂，此类参考臂主要构成部分为光学延迟线，一般提供光程调节，以便和样品臂光程进行匹配；另一类为光纤参考臂，此类参考光束完全在光纤中传播，受外界影响小，比较稳定，但是无法自由调节光程，一般采用此类参考臂的OCT将光程调节功能放在样品臂内。自由空间的参考臂相比光纤参考臂体积较大，但是它的优势主要在于光程方便调节，适应性强，甚至同一个参考臂可以和不同的样品臂配合组成完整的OCT。无论哪种参考臂，直接反射回来的信号往往远高于样品臂返回来的信号强度，为了使两路信号强度相匹配，一般需要在参考臂部分加入一个衰减器，以适当减弱参考臂信号。另外，考虑到光纤的双折射等现象，一般需要在OCT光路内加入一个光纤偏振调节装置，以使两路信号在偏振方面尽可能匹配，最终获得优良的信号。所以从广义上来讲，OCT参考臂不仅包括光学延迟线，还应包括光学衰减器和偏振调节器。
目前市场上用于OCT的光学延迟线产品一般是单一功能的，需要自己分别购买或加工光学延迟线、光纤调偏器、可调衰减器进行组装调试，而且以手动调节为主，只适用于实验室平台的搭建，开发速度慢，集成难度大。
实用新型内容
为了解决上述技术问题，本实用新型提供一种用于光学相干层析成像的集成参考臂。
本实用新型的技术方案是：一种用于光学相干层析成像的集成参考臂，包括光纤耦合器、偏振调节器和光学延迟器，所述光纤耦合器的一个端口连接的光纤缠绕在偏振调节器至少一圈后连接到光学延迟器。
优选的，所述光纤缠绕在偏振调节器前、后分别进行固定。
优选的，所述偏振调节器包括调偏电机和调偏摇臂，所述调偏摇臂通过曲柄连接在调偏电机的输出轴，所述光纤缠绕在调偏摇臂上至少一圈，所述调偏摇臂的两侧设置固定光纤的固定座。
优选的，所述光学延迟器包括准直镜和延迟组件，所述光纤为延迟光纤且连接在准直镜的准直光纤端口，所述延迟组件包括滑动反射角锥和固定反射角锥，所述滑动反射角锥安装在沿直线滑轨滑动的滑块上，所述准直镜的光束出口朝向滑动反射角锥，所述固定反射角锥安装在滑动反射角锥和准直镜之间且紧挨所述准直镜，所述固定反射角锥的中心线与所述滑动反射角锥的中心线之间的距离等于所述固定反射角锥的中心线与所述准直镜的中心线之间的距离，所述固定反射角锥的中心线、所述滑动反射角锥的中心线、所述准直镜的中心线位于同一平面。
优选的，所述滑块与丝杠螺母副的调节螺母固定连接，所述丝杠螺母副的调节丝杠连接光学延迟电机的输出轴。
优选的，所述集成参考臂还包括可调光衰减器，所述可调光衰减器包括衰减电机和衰减片，所述衰减片与所述衰减电机的输出轴连接，所述衰减片为偏心设置的半圆形结构，所述衰减片位于所述准直镜的前方。
优选的，所述衰减片的圆心与所述衰减电机的输出轴沿着衰减片的直边偏心设置，所述衰减片的弧边位于所述准直镜的正前方。
优选的，所述集成参考臂包括封闭的壳体，所述调偏电机、所述固定座、所述光学延迟电机、所述直线滑轨、所述衰减电机及所述准直镜均固定在壳体的底部，所述壳体的底部设有光纤定位槽，所述壳体的内部设置有控制调偏电机、光学延迟电机和衰减电机的驱动控制器，所述壳体的侧壁上设有与驱动控制器连接的电源接口和USB接口。
优选的，所述光纤耦合器为2x2光纤耦合器，所述光纤耦合器的四个端口分别为输入端、参考臂端、样品臂端和光信号采集端，所述延迟光纤连接在参考臂端，所述输入端连接输入光纤，所述样品臂端和所述光信号采集端分别连接样品光纤和信号采集光纤，所述样品光纤和所述信号采集光纤从壳体侧壁上的光纤输出端口伸出，所述输入光纤连接到壳体侧壁上的光纤接头。
优选的，所述光纤接头的一半位于壳体内部与输入光纤连接、另一半位于壳体外部连接光源光纤。
本实用新型的有益效果是：
本实用新型中光纤耦合器的参考臂端连接的延迟光纤与光学延迟器连接来延长光线行程，从而达到好的耦合干涉效果，还在中间通过偏振调节器改变光纤内部应力，进而改变光线的折射状态，从而对光线进行偏振控制。
本实用新型还设置可调光衰减器，能够使准直镜发出的准直光束从衰减片外圆周处通过，使部分光束被衰减片外圆周遮挡，衰减片为偏心设置的半圆形结构，能够通过衰减片的转动改变衰减片光束被遮挡的面积，从而达到连续调节光衰减的目的。
本实用新型的集成参考臂电动控制偏振调节器、可调光衰减器和光学延迟器对集成参考臂内的延迟光纤的光路进行实时调节，使其与样品光纤的光路对应，从而使延迟光纤、样品光纤返回的光在光纤耦合器中进行干涉，提升了信号采集光纤输出光路的稳定性。
本实用新型的集成参考臂用简单巧妙的设计将偏振调节器、可调光衰减器和光学延迟器进行组合，集成度高，维护简单。
本实用新型通过驱动控制器及各个接口与上位机和其它OCT部件连接，构成了闭环系统，能够对系统中光信号的漂移变化进行实时补偿，提升了OCT系统的稳定性和可用性。
附图说明
图1为本实用新型内部结构的俯视示意图；
图2为本实用新型的壳体的立体结构示意图；
图3为衰减片的结构示意图；
图4为驱动控制器的控制原理框图；
图5为驱动控制器的电路原理图；
图6为驱动控制器中步进电机驱动电路原理图；
图7为驱动控制器中USB转接芯片电路原理图；
图8为驱动控制器中供电电路原理图；
图9为本实用新型在OCT中应用时的原理框图；
图中：1—驱动控制器；2—调偏电机；3—调偏摇臂；4—固定座；5—光纤耦合器；6—光纤定位槽；8—衰减电机；9—准直光纤端口；10—准直镜；11—光学延迟电机；12—光电开关；13—直线滑轨；14—调节螺母；15—滑动反射角锥；16—滑块；17—衰减片；18—固定反射角锥；20—电源接口；21—USB接口；22—壳体；23—光纤接头；24—光纤输出端口。
具体实施方式
本实用新型的具体实施方式参见图1-图9：
本实用新型的技术方案为：
实施例1，一种用于光学相干层析成像的集成参考臂，如图1，包括光纤耦合器5、偏振调节器和光学延迟器，光纤耦合器5的一个端口连接的光纤缠绕在偏振调节器至少一圈后连接到光学延迟器，光纤缠绕在偏振调节器前、后分别进行固定。
如图1，该集成参考臂中偏振调节器包括调偏电机2和调偏摇臂3，调偏摇臂3通过曲柄连接在调偏电机2的输出轴，光纤缠绕在调偏摇臂3上至少一圈，调偏摇臂3的两侧设置固定光纤的固定座4，该集成参考臂中光学延迟器包括准直镜10和延迟组件，该光纤为延迟光纤且连接在准直镜10的准直光纤端口9，延迟组件包括滑动反射角锥15和固定反射角锥18，滑动反射角锥15安装在沿直线滑轨13滑动的滑块16上，准直镜10的光束出口朝向滑动反射角锥15，固定反射角锥18安装在滑动反射角锥15和准直镜10之间且紧挨准直镜10，固定反射角锥18的中心线与滑动反射角锥15的中心线之间的距离等于固定反射角锥18的中心线与准直镜10的中心线之间的距离，固定反射角锥18的中心线、滑动反射角锥15的中心线、准直镜10的中心线位于同一平面，滑块16与丝杠螺母副的调节螺母14固定连接，丝杠螺母副的调节丝杠连接光学延迟电机11的输出轴。
实施例2，与实施例1基本相同，不同之处在于，如图1、3、4，集成参考臂还包括可调光衰减器，可调光衰减器包括衰减电机8和衰减片17，衰减片17与衰减电机8的输出轴连接，衰减片17为偏心设置的半圆形结构，衰减片17位于准直镜10的前方，衰减片17的圆心与衰减电机8的输出轴沿着衰减片17的直边偏心设置，衰减片17的弧边位于准直镜10的正前方，如图4，衰减片17的圆心B相对衰减电机8的输出轴的中心A向一侧偏移。
实施例3，与实施例2基本相同，不同之处在于，如图1-图3，集成参考臂包括封闭的壳体22，调偏电机2、固定座4、光学延迟电机11、直线滑轨13、衰减电机8、光纤耦合器5及准直镜10均固定在壳体22的底部，壳体22的底部设有光纤定位槽6，壳体22的内部设置有控制调偏电机2、光学延迟电机11和衰减电机8的驱动控制器1，壳体22的侧壁上设有与驱动控制器1连接的电源接口20和USB接口21，光纤耦合器5为2x2光纤耦合器5，光纤耦合器5的四个端口分别为输入端、参考臂端、样品臂端和光信号采集端，延迟光纤连接在参考臂端，输入端连接输入光纤，样品臂端和光信号采集端分别连接样品光纤和信号采集光纤，样品光纤和信号采集光纤从壳体22侧壁上的光纤输出端口24伸出，输入光纤连接到壳体22侧壁上的光纤接头23，光纤接头23的一半位于壳体22内部与输入光纤连接、另一半位于壳体22外部连接光源光纤，在壳体的底部还设置有三个光电开关12，三个光电开关12分布设置在调偏摇臂3的下方、直线滑轨13的左侧、衰减片17的下方，三个光电开关12分布连接到调偏电机2、光学延迟电机11和衰减电机8的控制电路，起到限位作用。
在实施例1-3中，调偏电机2、光学延迟电机11和衰减电机8均为通过驱动控制器1控制的步进电机，驱动控制器1采用STM32F103VE芯片，驱动控制器1连有步进电机驱动电路，具体连接如图5和6，驱动控制器1的USB转接芯片电路和供电电路如图7和8。
本实用新型中光纤耦合器的参考臂端连接的延迟光纤与光学延迟器连接来延长光线行程，参考臂端出射的光束经延迟光纤到达准直镜10准直后，传播至滑动反射角锥15，光束经滑动反射角锥15反射后反向返回，由于入射光束略向上偏离滑动反射角锥15的中心，故返回光束向下有一平移，反射光束和入射光束反向平行且相对滑动反射角锥15的中心的距离相等；反射光束继续传播至固定反射角锥18的中心，固定反射角锥18反射的光束完全沿原路返回至光纤耦合器的参考臂端，其中滑动反射角锥15和固定反射角锥18优先使用全内反射角锥，入射面可镀增透膜以提高光传输效率，滑动反射角锥15可在光学延迟电机11驱动下沿直线滑轨13前后移动，以改变参考臂端光束的光程并和样品臂端光束的光程匹配，从而达到好的干涉效果再通过信号采集光纤输出至光信号采集设备，还在中间通过偏振调节器改变光纤内部应力，进而改变光线的折射状态，从而对光线进行偏振控制，该参考臂中光纤的位置状态会直接影响到干涉信号，因此光纤通过壳体22底部的光纤定位槽6进行固定，避免光纤进行不受控制的移动。
该参考臂中设置可调光衰减器，能够使准直镜10发出的准直光束从衰减片17外圆周处通过，使部分光束被衰减片17外圆周遮挡，衰减片17为偏心设置的半圆形结构，能够通过衰减片17的转动改变衰减片17光束被遮挡的面积，从而达到连续调节光衰减的目的。
本实用新型的集成参考臂电动控制偏振调节器、可调光衰减器和光学延迟器对集成参考臂内的延迟光纤的光路进行实时调节，使其与样品光纤的光路对应，从而使延迟光纤、样品光纤返回的光在光纤耦合器中进行干涉，提升了信号采集光纤输出光路的稳定性。
本实用新型的集成参考臂用简单巧妙的设计将偏振调节器、可调光衰减器和光学延迟器进行组合，集成度高，维护简单。
如图9，图中虚线代表光路、实线代表电路，本实用新型通过驱动控制器1及各个接口与上位机（PC）和其它OCT部件连接，构成了闭环系统，能够通过集成参考臂对系统中光信号的漂移变化进行实时补偿，提升了OCT系统的稳定性和可用性。
