CN101040778A - 一种基于光学扫描延迟线的谱域oct成像方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光学扫描延迟线的谱域OCT(光学相干层析)成像方法和系统。在谱域OCT系统的参考臂引入光学扫描延迟线，可以同时实现参考光的无色散相移和系统色散补偿。特别的，当引入基于双光栅的光学扫描延迟线时，可产生大变化范围的任意符号组合的群速度色散和三阶色散，可使谱域OCT系统中参考臂和样品臂的色散得到精确匹配。通过无色散相移和色散补偿，可以在保证谱域OCT系统的轴向分辨率的情况下，同时消除相干噪声，并且把系统的成像深度扩展一倍。本发明对超高分辨率的复数谱域OCT系统有着重要意义。

Description

一种基于光学扫描延迟线的谱域OCT成像方法及系统

技术领域

本发明涉及光学相干层析成像(OCT)技术，尤其是涉及一种用基于光学扫描延迟线的谱域OCT成像方法及系统。

背景技术

光学相干层析成像(Optical Coherence Tomography，简称OCT)是一种新兴的光学成像技术，能实现对活体内部的组织结构与生理功能进行非接触、无损伤、高分辨率成像，在疾病的早期检测和在体活检领域有着广泛应用。

谱域OCT系统通过高速CCD来并行采集干涉信号的光谱分量，无需轴向扫描就可以得到样品的深度信息，具有快速和高灵敏度的特点。但是谱域OCT的缺点在于其固有的样品各层之间的相互干涉信号以及光源的自相干干涉信号等相干噪声。同时由于对CCD上采集到的实数形式的干涉光谱进行逆傅立叶变化来得到深度信息，而实函数的傅立叶变换的结果是厄米共轭的，导致了信息项是对称的，从而限制了谱域OCT系统的探测深度。

消除谱域OCT的相干噪声以及拓展其探测深度的方法是通过构成复数形式的光谱干涉信号来实现的。通常都是利用压电陶瓷驱动器移动参考臂的反射镜来实现移相，通常采用五步移相法，通过每次移相后得到的干涉光谱信号而重建出样品和参考臂的之间干涉信号的光谱分量的复数值，再进行逆傅立叶变化，从而消除了相干噪声，并且把成像深度扩展了一倍。

由于OCT系统采用宽带光源来获得微米级的轴向分辨率，因此采用压电陶瓷驱动器来实现移相的谱域OCT系统不可避免的存在色散的问题，会导致移相后重建干涉光谱复数信号的误差，这在超高分辨谱域OCT系统中更加明显。同时为了避免因系统色散而降低轴向分辨率，采用移相法的谱域OCT系统通过后续的数值色散补偿算法来使参考臂和样品臂的色散匹配而达到最佳分辨率。在软件色散补偿中，通过迭代过程来使预先定义的图像清晰度函数达到最大值，此时认为补偿了系统色散。但是由于迭代算法的局限性导致了软件色散补偿算法的实时性并不好，同时软件色散补偿算法只能在较小的范围内补偿系统色散。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于光学扫描延迟线的谱域OCT成像方法和系统。在谱域OCT系统的参考臂处，采用快速光学扫描延迟线来实现无色散的相位调制，同时使用快速光学扫描延迟线作为色散补偿元件，可以使参考臂和样品臂的色散匹配。特别的，当采用基于双光栅的快速光学扫描延迟线时，可以在较大范围内将系统色散补偿到三阶。

本发明的目的是通过如下技术方案实现的：

一、一种基于光学扫描延迟线的谱域OCT成像方法：

在谱域OCT系统的参考臂引入快速光学扫描延迟线系统，同时实现对参考光的相位调制和对系统的色散进行补偿；特别的当采用双光栅的快速光学扫描延迟线时，相比单光栅的光学扫描延迟线，能够在更大范围内精确补偿系统色散；其具体步骤如下：

1)通过同步时序电路使参考臂中光学扫描延迟线中的振镜，样品臂的扫描探头以及探测单元中的线阵CCD同步，来采集干涉光谱信号；

2)通过调节光学扫描延迟线中振镜转轴和光轴的间距x₀和光栅的离焦量Δz，在对参考光进行无色散相位调制的同时对系统色散进行补偿；当采用双光栅的快速光学扫描延迟线时，调节两光栅的间距，可产生相比单光栅光学扫描延迟线更大变化范围的任意符号组合的群速度色散和三阶色散，使谱域OCT系统中参考臂和样品臂的色散得到精确匹配；

3)在光学扫描延迟线中振镜的一个扫描周期内，通过同步时序电路控制线阵CCD在不同时刻探测干涉光谱信号，通过专用接口传入PC；在PC中，通过现有的各种移相算法，如三步法、四步法、五步法来重建出干涉光谱信号的复数表达式；再通过逆傅立叶变换，就可以得出一次轴向扫描的信息。

二、一种基于光学扫描延迟线的谱域OCT成像系统：

包括宽带光源、光隔离器、宽带光纤耦合器、四个偏振控制器、扫描探头、探测单元和光学扫描延迟线；从宽带光源出来的低相干光，经第一偏振控制器、光隔离器入射到宽带光纤耦合器，分光后一路经第二偏振控制器进入由光学扫描延迟线构成的参考臂、另一路经第三偏振控制器进入扫描探头，两路返回的光干涉经第四偏振控制器接探测单元，最后在计算机进行处理，重建图像。

所述的扫描探头：包括准直透镜、扫描振镜和聚焦透镜；由第三偏振控制器进入的光信号，经准直透镜、扫描振镜和聚焦透镜照射到样品上。

所述的探测单元：包括第一准直镜、透射光栅、双胶合消色差透镜和线阵CCD；由第四偏振控制器进入的干涉光信号，经过第一准直镜、透射光栅、双胶合消色差透镜后，聚焦在线阵CCD上；线阵CCD上产生的电信号通过图象采集卡传入计算机中。

所述的光学扫描延迟线：包括第一闪耀光栅、第二准直镜、第一平面反射镜、第一傅立叶变换透镜和第一扫描振镜；其中第一闪耀光栅与第一傅立叶变换透镜平行，与其前焦面的距离为一可调节的离焦量Δz；第一扫描振镜位于第一傅立叶变换透镜的后焦面上；第二准直镜和第一平面反射镜的法线与第一闪耀光栅的法线的夹角为第一闪耀光栅的闪耀角；第二准直镜位于第一平面反射镜的正上方；第一扫描振镜转轴和光轴的间距为一可调节的变量x₀。

所述的光学扫描延迟线：包括第二闪耀光栅、第三闪耀光栅、第三准直镜、第二平面反射镜、第二傅立叶变换透镜和第二扫描振镜；其中第三闪耀光栅与第二傅立叶变换透镜平行，与其前焦面的距离为一可调节的离焦量Δz；第二扫描振镜位于第二傅立叶变换透镜的后焦面上；第二扫描振镜转轴和光轴的间距为一可调节变量x₀；第二闪耀光栅与第三闪耀光栅互相平行，且其刻线也互相平行，同时两者之间的间距为一可调节量d；第三准直镜与第二闪耀光栅法线的夹角为一可调节的倾角，其大小调节到使中心波长为λ₀的光经第二闪耀光栅、第三闪耀光栅衍射后沿着光轴方向出射；第三准直镜位于第二平面反射镜的正上方；第二扫描振镜转轴和光轴的间距为一可调节的变量x₀。

与背景技术相比，本发明具有的有益效果是：

1、实现无色散的相移。通过光学扫描延迟线可以对参考光进行无色散的相移，消除了由光源带宽带来的移相误差，从而避免了后续的算法错误。通过无色散相移，可以构建复数形式的样本和参考臂之间的干涉光。谱信号，从而消除了相干噪声，并且把成像深度扩展了一倍。

2、硬件补偿系统色散。在光学扫描延迟线中，通过调节光栅离焦量来补偿系统色散。特别的当使用双光栅的光学扫描延迟线时，增加了光栅间距这一独立变量，可以产生大范围内变化的群速度色散和三阶色散，因此可以对系统色散补偿到三阶。在超高分辨率的谱域OCT系统中有重要意义。

3、无色散相移和色散补偿同时通过光学扫描延迟线实现。可以实现谱域OCT系统的紧凑性和可靠性。

附图说明

图1是本发明所述的基于光学扫描延迟线的谱域OCT成像方法的具体实施例的系统示意图，其中参考臂为单光栅光学扫描延迟线；

图2是谱域OCT系统参考臂为双光栅光学扫描延迟线时，参考臂的结构示意图；

图3是本发明用基于光学扫描延迟线的谱域OCT系统的控制系统框图。

图中：1、宽带光源，2、光隔离器，3、宽带光纤耦合器，4、偏振控制器，5、准直透镜，6、扫描振镜，7、聚焦透镜，8、样品，9、闪耀光栅，10、准直镜，11、平面反射镜，12、傅立叶变换透镜，13、扫描振镜，14、准直镜，15、透射光栅，16、双胶合消色差透镜，17、线阵CCD，18、闪耀光栅，19、闪耀光栅，20、图像采集卡，21、计算机，22、扫描探头，23、光学扫描延迟线，24、探测单元。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明包括宽带光源1、光隔离器2、宽带光纤耦合器3、四个偏振控制器4、扫描探头22、探测单元24和光学扫描延迟线23；从宽带光源1出来的低相干光，经第一偏振控制器4、光隔离器2入射到宽带光纤耦合器3，分光后一路经第二偏振控制器4进入由光学扫描延迟线23构成的参考臂、另一路经第三偏振控制器4进入扫描探头22，两路返回的光干涉经第四偏振控制器4接探测单元24，最后在计算机21进行处理，重建图像。

所述的扫描探头22：包括准直透镜5、扫描振镜6和聚焦透镜7；由第三偏振控制器4进入的光信号，经准直透镜5、扫描振镜6和聚焦透镜7照射到样品8上。

所述的探测单元24：包括第一准直镜14、透射光栅15、双胶合消色差透镜16和线阵CCD17；由第四偏振控制器4进入的干涉光信号，经过第一准直镜14、透射光栅15、双胶合消色差透镜16后，聚焦在线阵CCD17上；线阵CCD17上产生的电信号通过图象采集卡20传入计算机21中。

所述的光学扫描延迟线23：包括第一闪耀光栅9、第二准直镜10、第一平面反射镜11、第一傅立叶变换透镜12和第一扫描振镜13；其中第一闪耀光栅9与第一傅立叶变换透镜12平行，与其前焦面的距离为一可调节的离焦量Δz；第一扫描振镜13位于第一傅立叶变换透镜12的后焦面上；第二准直镜10和第一平面反射镜11的法线与第一闪耀光栅9的法线的夹角为第一闪耀光栅9的闪耀角；第二准直镜10位于第一平面反射镜11的正上方；第一扫描振镜13转轴和光轴的间距为一可调节的变量x₀。

如图2所示，所述的光学扫描延迟线23：包括第二闪耀光栅18、第三闪耀光栅19、第三准直镜10、第二平面反射镜11、第二傅立叶变换透镜12和第二扫描振镜13；其中第三闪耀光栅19与第二傅立叶变换透镜12平行，与其前焦面的距离为一可调节的离焦量Δz；第二扫描振镜13位于第二傅立叶变换透镜12的后焦面上；第二扫描振镜13转轴和光轴的间距为一可调节变量x₀；第二闪耀光栅18与第三闪耀光栅19互相平行，且其刻线也互相平行，同时两者之间的间距为一可调节量d；第三准直镜10与第二闪耀光栅18法线的夹角为一可调节的倾角，其大小调节到使中心波长为λ0的光经第二闪耀光栅18、第三闪耀光栅19衍射后沿着光轴方向出射；第三准直镜10位于第二平面反射镜11的正上方；第二扫描振镜13转轴和光轴的间距为一可调节的变量x₀。

如图1所示，从宽带光源1发出的低相干光，经偏振控制器4、光隔离器2入射到宽带光纤耦合器3，分光后分别经偏振控制器4进入参考臂和样品臂，参考臂的光经过准直镜10准直后由闪耀光栅分光，各个光谱分量通过傅立叶变换透镜12聚焦在扫描透镜13上，经过扫描透镜13调制后，再次通过傅立叶变换透镜12返回闪耀光栅9，并被闪耀光栅9再次衍射后投射在平面反射镜上11。经过平面反射镜11反射的各个光谱分量沿着原路返回，最终合成为同一束光返回宽带光纤耦合器3，同样品臂返回的光干涉后，进入探测单元24，由透射光栅15分成各个波长，再由双胶合消色差透镜16聚焦在线阵CCD17上。最后这些干涉光谱分量通过图像采集卡20传入计算机21中进行处理。

图1中参考光经过光学扫描延迟线23后，波长为λ的光波，其相位改变量为：

φ(k)＝2kδ+2kΔzcosβ+2kx₀θ-2kθfsinβ       (1)

其中k是波数且k＝2π/λ，δ是初始光程差，可以认为δ＝0，θ是扫描振镜13的旋转角，f是傅立叶变换透镜12的焦距，β由psinβ＝m(λ-λ₀)决定，p是光栅常数，λ₀是中心波长，把φ(k)泰勒展开为：

$\mathrm{\φ}\left(k\right)=\mathrm{\φ}\left(k_0\right)+\mathrm{\φ}\′\left(k_0\right)(k-k_0)+\mathrm{\φ}\′\′\left(k_0\right)\frac{{(k-k_0)}^2}{2!}+\mathrm{\φ}\left(k_0\right)\′\′\′\frac{{(k-k_0)}^3}{3!}+---\left(2\right)$

$\mathrm{\φ}\left(k\right)\≈(2\mathrm{\Δz}+2x_0\mathrm{\θ})k_0+(2\mathrm{\Δz}+2x_0\mathrm{\θ}+\frac{4\mathrm{\πm\θf}}{p{k}_0})(k-k_0)+D_k\frac{{(k-k_0)}^2}{2!}+{D_k}^{\′}\frac{{(k-k_0)}^3}{3!}+...\left(3\right)$

其中D_k＝-8π²m²Δz/p²k₀ ³  D_k′＝24π²m²Δz/p²k₀ ⁴，改变Δz，就可以改变D_k和D_k′的大小，从而可以对系统中的群速度色散(GVD)和三阶色散(TOD)进行补偿。在样本臂放置一个平面反射镜，对干涉光谱信号做逆傅立叶变换，得到A-scan的值，此时通过调节Δz来改变包络的宽度，当包络的半宽度与宽带光源1的相干长度基本匹配时，可以认为此时的Δz补偿了系统的色散。同时调节x₀＝-mfλ₀/p，此时φ(k)≈2x₀θk₀+2Δzk

经过色散补偿后的干涉信号，经过透射光栅15分光后，由双胶合消色差透镜16聚焦在线阵CCD17上，线阵CCD17任一个像素点采集到的干涉光谱信号为：

$I\left(k\right)=s\left(k\right)+s\left(k\right)\underset{i}{\mathrm{\Σ}}2a_i\cos [2\mathrm{\φ}\left(k\right)-2k{z}_i]+s\left(k\right)\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{a_i}^2+s\left(k\right)\underset{i\≠j}{\mathrm{\Σ}}2a_i{a}_j\cos \left(k2z_{\mathrm{ij}}\right)$

$=s\left(k\right)\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{a}_i\cos (4\mathrm{k\Δz}+4x_0{k}_0\mathrm{\θ}-2k{z}_i)+\mathrm{coherent\; noises}---\left(4\right)$

从上式可以看出参考臂和样品臂之间的干涉光谱分量，其相位项4x₀k₀θ不随k变化，因此实现了无色散的相位调制。同时通过同步电路来控制参考臂的扫描振镜6，光学扫描延迟线23中的扫描振镜13，以及探测单元中线阵CCD17的曝光时间来采集信号。如样品臂中扫描振镜6的频率设为30Hz，光学扫描延迟线23中扫描振镜13的频率设为500Hz，在光学扫描延迟线23中扫描振镜13的一个周期内，通过同步电路控制线阵CCD17间隔相等的时间采集5个干涉光谱信号，即得到不同移相量下干涉光谱信号值，此时就可以使用现有五步相移算法来计算出干涉光谱信号的相位和振幅，得出复数形式的干涉光谱信号为：

$I\left(k\right)=s\left(k\right)\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{a}_i\exp (4\mathrm{k\Δz}-2k{z}_i+4x_0{k}_0\mathrm{\θ})$

此时将所得到的复数干涉光谱信号进行逆傅立叶变换就可以得到消除了镜像和相干噪声的一次A-scan的深度信息，并且探测深度扩大了一倍。

如图2所示，为参考臂为双光栅的光学扫描延迟线的示意图。其中闪耀光栅18和闪耀光栅19平行放置，且其刻线相互平行。相比图1中的参考臂所示的单光栅的光学扫描延迟线，参考光通过准直镜10进入光学扫描延迟线，先后经过闪耀光栅18和闪耀光栅19分光，再依次经过傅立叶变换透镜12、扫描振镜13、并被平面反射镜11反射后沿原路返回宽带光纤耦合器3。波数为k的光波的相位改变量φ(k)与两闪耀光栅之间的间距d有关。双光栅的光学扫描延迟线通过调节光栅间距d和光栅离焦量Δz可以产生相比单光栅光学扫描延迟线更大范围的色散补偿量，能够同时补偿系统的群速度色散(GVD)和三阶色散(TOD)。

如图3所示，为基于光学扫描延迟线的谱域OCT系统的控制系统框图。其中线阵CCD17采集到的干涉光谱信号，经图像采集卡20传入计算机21中。计算机21同时产生同步时序来控制光学扫描延迟线中23的扫描振镜13和样品臂的扫描探头22。在光学扫描延迟线中23的扫描振镜13的一个扫描周期内，计算机21控制线阵CCD17间隔相同的时间采集5个干涉光谱信号，在扫描振镜13的一个扫描周期结束后，计算机21控制扫描探头22扫描下一个横向位置。

Claims (6)

1、一种基于光学扫描延迟线的谱域OCT成像方法，其特征在于：在谱域OCT系统的参考臂引入快速光学扫描延迟线系统，同时实现对参考光的相位调制和对系统的色散进行补偿；特别的当采用双光栅的快速光学扫描延迟线时，相比单光栅的光学扫描延迟线，能够在更大范围内精确补偿系统色散；其具体步骤如下：

1)通过同步时序电路使参考臂中光学扫描延迟线中的振镜，样品臂的扫描探头以及探测单元中的线阵CCD同步，来采集干涉光谱信号；

2)通过调节光学扫描延迟线中振镜转轴和光轴的间距x₀和光栅的离焦量Δz，在对参考光进行无色散相位调制的同时对系统色散进行补偿；当采用双光栅的快速光学扫描延迟线时，调节两光栅的间距，可产生相比单光栅光学扫描延迟线更大变化范围的任意符号组合的群速度色散和三阶色散，使谱域OCT系统中参考臂和样品臂的色散得到精确匹配；

3)在光学扫描延迟线中振镜的一个扫描周期内，通过同步时序电路控制线阵CCD在不同时刻探测干涉光谱信号，通过专用接口传入PC；在PC中，通过现有的各种移相算法，如三步法、四步法、五步法来重建出干涉光谱信号的复数表达式。再通过逆傅立叶变换，就可以得出一次轴向扫描的信息。

2、一种基于光学扫描延迟线的谱域OCT成像系统，其特征在于：包括宽带光源(1)、光隔离器(2)、宽带光纤耦合器(3)、四个偏振控制器(4)、扫描探头(22)、探测单元(24)和光学扫描延迟线(23)；从宽带光源(1)出来的低相干光，经第一偏振控制器(4)、光隔离器(2)入射到宽带光纤耦合器(3)，分光后一路经第二偏振控制器(4)进入由光学扫描延迟线(23)构成的参考臂、另一路经第三偏振控制器(4)进入扫描探头(22)，两路返回的光干涉经第四偏振控制器(4)接探测单元(24)，最后在计算机(21)进行处理，重建图像。

3、根据权利要求2所述的一种基于光学扫描延迟线的谱域OCT成像系统，其特征在于所述的扫描探头(22)：包括准直透镜(5)、扫描振镜(6)和聚焦透镜(7)；由第三偏振控制器(4)进入的光信号，经准直透镜(5)、扫描振镜(6)和聚焦透镜(7)照射到样品(8)上。

4、根据权利要求2所述的一种基于光学扫描延迟线的谱域OCT成像系统，其特征在于所述的探测单元(24)：包括第一准直镜(14)、透射光栅(15)、双胶合消色差透镜(16)和线阵CCD(17)；由第四偏振控制器(4)进入的干涉光信号，经过第一准直镜(14)、透射光栅(15)、双胶合消色差透镜(16)后，聚焦在线阵CCD(17)上；线阵CCD(17)上产生的电信号通过图象采集卡(20)传入计算机(21)中。

5、根据权利要求2所述的一种基于光学扫描延迟线的谱域OCT成像系统，其特征在于所述的光学扫描延迟线(23)：包括第一闪耀光栅(9)、第二准直镜(10)、第一平面反射镜(11)、第一傅立叶变换透镜(12)和第一扫描振镜(13)；其中第一闪耀光栅(9)与第一傅立叶变换透镜(12)平行，与其前焦面的距离为一可调节的离焦量Δz；第一扫描振镜(13)位于第一傅立叶变换透镜(12)的后焦面上；第二准直镜(10)和第一平面反射镜(11)的法线与第一闪耀光栅(9)的法线的夹角为第一闪耀光栅(9)的闪耀角；第二准直镜(10)位于第一平面反射镜(11)的正上方；第一扫描振镜(13)转轴和光轴的间距为一可调节的变量x₀。

6、根据权利要求2所述的一种基于光学扫描延迟线的谱域OCT成像系统，其特征在于所述的光学扫描延迟线(23)：包括第二闪耀光栅(18)、第三闪耀光栅(19)、第三准直镜(10)、第二平面反射镜(11)、第二傅立叶变换透镜(12)和第二扫描振镜(13)；其中第三闪耀光栅(19)与第二傅立叶变换透镜(12)平行，与其前焦面的距离为一可调节的离焦量Δz；第二扫描振镜(13)位于第二傅立叶变换透镜(12)的后焦面上；第二扫描振镜(13)转轴和光轴的间距为一可调节变量x₀；第二闪耀光栅(18)与第三闪耀光栅(19)互相平行，且其刻线也互相平行，同时两者之间的间距为一可调节量d；第三准直镜(10)与第二闪耀光栅(18)法线的夹角为一可调节的倾角，其大小调节到使中心波长为λ₀的光经第二闪耀光栅(18)、第三闪耀光栅(19)衍射后沿着光轴方向出射；第三准直镜(10)位于第二平面反射镜(11)的正上方；第二扫描振镜(13)转轴和光轴的间距为一可调节的变量x₀。

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