CN101732035B - 基于光程编码与相干合成的光学超分辨方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光程编码与相干合成的光学超分辨方法及系统。在光学相干层析成像(OCT)系统样品臂的准直镜和聚焦透镜之间插入光程编码分束器，形成多种对应于不同光程延迟的有效响应函数。基于OCT技术固有的光程分辨能力，分别得到同一样品对应于不同有效响应函数的多幅图像。基于多种有效响应函数的相干合成，从多幅独立图像信息中重建出光学超分辨图像。通过改变相干合成时的相对系数，可以数字控制多种有效响应函数的相对贡献，实现不同程度的超分辨。本发明将光程参量引入到聚焦光场的控制，提供了点扩散函数的加减运算功能，开辟了光学超分辨技术的新途径。

Description

基于光程编码与相干合成的光学超分辨方法

技术领域

本发明涉及光程编码技术、光学超分辨技术和光学相干层析成像技术，尤其涉及一种基于光程编码与相干合成的光学超分辨方法及系统。 

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，相对于传统的临床成像手段来说，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，是基础医学研究和临床诊断应用的重要潜在工具。 

分辨率是OCT技术发展的重要指标。OCT的横向分辨率是由探测光束的聚焦条件决定的。大数值孔径的聚焦条件可以提高系统的横向分辨率，但同时牺牲了焦深，因为在常规的成像方法中横向分辨率和焦深是一对矛盾。OCT的轴向分辨率主要由光源的带宽决定。光源带宽越宽，轴向分辨率就越高。目前用来提高OCT轴向分辨率的主要途径包括超短脉冲激光技术、非线性超连续谱技术、光谱合成技术等宽带光源技术，但这些技术存在成本昂贵、系统复杂、器件选择困难等缺陷。将光学超分辨技术和OCT技术相结合是一种有效的提高OCT系统分辨率的方法，通过在样品臂的准直光路中加入设计好的光瞳滤波器，可以压缩系统的有效响应函数的中心主瓣宽度，突破衍射极限，实现超分辨。光纤型OCT固有的共焦特性决定了系统的有效响应函数等于照明点扩散函数和接收点扩散函数的乘积，可以抑制超分辨引入的旁瓣强度。超分辨技术也有其不足，除了引入较强的旁瓣，中心主瓣的强度也会降低；另外，超分辨光瞳滤波器的制作比较复杂，如何精确的制作出各种振幅或相位透过率分布的超分辨元件在实际中成为一个难题。 

利用光自身的性质对光学系统响应特性的影响，振幅、相位、偏振等参量被引入光学超分辨技术用于聚焦光场的控制。目前在新加坡国立大学任职的Sheppard首先将中心遮挡型光瞳滤波器用于共焦显微镜中，这是一种典型的振幅型超分辨元件。罗彻斯特大学的Sales和Morris研究了环形、多级纯相位光瞳滤波器，与振幅型滤波器相比，在达到同等超分辨效果的前提下，其能量损失很小。上海光机所的云茂金等设计了改变第一区半径和透过率的三区复振幅滤波器，用于实现光学系统的三维超分辨。荷兰的Pereira等基于光瞳掩模通过高 数值孔径系统获得超分辨，其不仅调制了光场的振幅和相位，而且还调制了光场的偏振态，通过改变光瞳区域内偏振态、相位和振幅分布的空间变化，来优化焦面上的场分布，减小横向光斑尺寸。偏振态的引入又为超分辨增加了一个新的自由度，但光程参量尚未被引入超分辨领域。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于光程编码与相干合成的光学超分辨方法及系统，通过在光学相干层析成像系统的样品臂内插入光程编码分束器，形成多种对应于不同光程延迟的有效响应函数。基于OCT技术固有的光程分辨能力，分别得到同一样品对应于不同有效响应函数的多幅图像。基于多种有效响应函数的相干合成，从多幅独立图像信息中重建出光学超分辨图像。 

本发明的目的是通过如下技术方案实现的： 

一、一种基于光程编码与相干合成的光学超分辨方法： 

在光学相干层析成像(OCT)系统样品臂的准直镜和聚焦透镜之间插入光程编码分束器，形成多种对应于不同光程延迟的有效响应函数，基于多种有效响应函数的相干合成，重建出光学超分辨图像，通过改变相干合成时的相对系数，能数字控制多种有效响应函数的相对贡献，实现不同程度的超分辨，其具体步骤如下： 

1)从光纤耦合器样品臂端口发出的光先由准直镜准直，然后通过光程编码分束器，再由聚焦透镜聚焦于样品；从样品返回的反射光和散射光经由聚焦透镜收集，再次通过光程编码分束器和准直镜，然后返回光纤耦合器，与来自参考臂的参考光汇合并发生干涉；基于OCT技术固有的光程分辨能力，最终得到同一样品对应于不同有效响应函数的多个OCT复信号，分别对应由光程编码分束器决定的不同光程延迟； 

2)将多个OCT复信号分别乘以不同的系数然后相加，得到重建后的合信号，与不加光程编码分束器时得到信号的有效响应函数相比，合信号的有效响应函数的主瓣宽度被压缩，实现光学超分辨，超分辨的程度由重建时多个OCT复信号的相对系数决定。 

所述的光程编码分束器是两步分束器，最终形成三个光程延迟；或者是三步分束器，最终形成五个光程延迟。 

二、一种基于光程编码与相干合成的光学超分辨系统： 

包括宽带光源、光纤耦合器、参考臂、样品臂以及探测臂。所述样品臂依次由准直镜、光程编码分束器、振镜和聚焦透镜依光路组合而成，光程编码分 束器的圆心位于样品臂光路的光轴上，通过振镜的转动实现对样品的横向扫描。 

所述光程编码分束器是两步分束器，由一个外径等于准直光斑、内径小于准直光斑的圆环玻璃片构成，或者由一个半径小于准直光斑的圆形玻璃片构成，玻璃的厚度为t。 

所述光程编码分束器是三步分束器，由外径等于准直光斑的三区同心圆环构成，三个区分别为空气、厚度为t的玻璃和厚度为2t的玻璃。 

与背景技术相比，本发明具有的有益效果是： 

1)该方法简单易行，成本低廉。只需在常规OCT样品臂的准直镜和聚焦透镜之间插入光程编码分束器，形成多种对应于不同光程延迟的有效响应函数即可。对光程编码后的有效横向响应函数进行相干合成，实现合信号的超分辨。这种通过数字合成以提高OCT分辨率的方法，避免了设计和制作复杂的超分辨光瞳滤波器。 

2)灵活性高。通过改变相干合成时的相对系数，可以数字控制多种有效响应函数的相对贡献，实现不同程度的超分辨。相对于以往光瞳滤波器固定的光场贡献，本方法实现了光瞳滤波器的数字可控功能。 

3)成像速度快。无需不同点扩散函数条件下多幅图像的分离获取，而是基于光程编码与分离技术的多图像同步获取，避免了以往超分辨术中的信息获取速度限制。 

4)提供了点扩散函数的加减运算功能，结合共焦系统固有的乘法运算功能，点扩散函数工程的自由度大大提高。 

5)将光程参量引入到聚焦光场的控制，为光学超分辨技术提供了新途径。 

附图说明

图1是基于光程编码与相干合成实现超分辨的OCT系统示意图。 

图2是作为实施例的两步光程编码分束器示意图； 

图3是作为实施例的不同有效响应函数的示意图； 

图4是三步光程编码分束器示意图。 

图中：1、宽带光源，2、光纤耦合器，3、参考臂，4、样品臂，5、探测臂，6、准直镜，7、光程编码分束器，8、振镜，9、聚焦透镜。 

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明： 

图1所示为基于光程编码与相干合成实现超分辨的OCT系统示意图，宽带光源1发出的低相干光，经光纤耦合器2分光后，分别进入参考臂3和样品臂4。 参考臂4的光经参考面反射后原路返回到光纤耦合器2，样品臂4的光经样品反射和散射后原路返回到光纤耦合器2，与参考臂4返回的光汇合并发生干涉，产生的干涉信号被探测臂5中的CCD探测，得到与样品信息有关的干涉光谱。样品臂4中振镜8的转动实现对样品的横向扫描，探测臂5中CCD对不同波长光的并行探测得到样品的深度信息，由此重建出样品的二维图像。 

所述光程编码分束器是两步分束器，由一个外径等于准直光斑、内径小于准直光斑的圆环玻璃片构成，或者由一个半径小于准直光斑的圆形玻璃片构成，玻璃的厚度为t。 

所述光程编码分束器是三步分束器，由外径等于准直光斑的三区同心圆环构成，三个区分别为空气、厚度为t的玻璃和厚度为2t的玻璃。 

作为实施例，图2所示为两步光程编码分束器的两种结构。如图2(a)所示，两步光程编码分束器由一个外径等于准直光斑、内径小于准直光斑的圆环玻璃片构成，内径的归一化半径为r(样品臂准直光斑的半径被归一化为1)，玻璃片的厚度为t。如图2(b)所示，两步光程编码分束器由一个半径小于准直光斑的圆形玻璃片构成，归一化半径为r，玻璃片的厚度为t。t的大小根据样品的厚度确定。两步光程编码分束器的圆心和准直光斑的中心重合，玻璃部分用深色下对角线表示。 

以图2(a)所示的两步光程编码分束器为例，如图1所示，从光纤耦合器2的样品臂端口发出的光先由准直镜6准直，然后通过两步光程编码分束器7，经振镜8反射后，由聚焦透镜9聚焦于样品。由样品反射和散射的光原路返回，再次通过光程编码分束器7，由准直镜6耦合回光纤耦合器2。光束按通过两步光程编码分束器7的空气部分和玻璃部分的次数不同而分为三个子光束，分别对应不同的光程延迟和有效响应函数。从空气部分入射并且从空气部分返回的，光程延迟为0；从空气部分入射并且从玻璃部分返回的，以及从玻璃部分入射并且从空气部分返回的，产生的光程延迟均为δ＝(n-1)t；从玻璃部分入射并且从玻璃部分返回的，产生的光程延迟为2δ＝2(n-1)t。其中n是两步光程编码分束器7的玻璃部分的折射率。设样品的光学长度为l，为了得到同一样品对应不同光程延迟的图像，必须满足δ/2＞l即(n-1)t/2＞l。 

下面以聚焦透镜焦平面上的点为例来分析相干合成后实现横向超分辨的过程。对于焦平面上的点，横向点扩散函数的表达式为： 

$h\left(v\right)=2{\∫}_0^{1}P\left(\mathrm{\ρ}\right)J_0\left(\mathrm{v\ρ}\right)\mathrm{\ρd\ρ}---\left(1\right)$

其中P(ρ)为光瞳函数，ρ为归一化的极坐标，v对应接收面上的横向坐标r，由式v＝krsinα决定，k＝2π/λ为光源中心波长对应的波数，sinα表示数值孔径。 

如图2(a)所示，两步光程编码分束器的空气部分对应的横向点扩散函数为： 

$h_a=2{\∫}_0^r{J}_0\left(\mathrm{v\ρ}\right)\mathrm{\ρd\ρ}---\left(2\right)$

两步光程编码分束器的玻璃部分对应的横向点扩散函数为： 

$h_g=2{\∫}_r^1{J}_0\left(\mathrm{v\ρ}\right)\mathrm{\ρd\ρ}---\left(3\right)$

有效横向响应函数h_eff由照明横向点扩散函数h_in和接收横向点扩散函数h_out的乘积决定，即h_eff＝h_in·h_out。因此光程延迟为0的子光束对应的有效横向响应函数为h_a·h_a，光程延迟为δ的子光束对应的有效横向响应函数为h_a·h_g+h_g·h_a＝2h_a·h_g，光程延迟为2δ的子光束对应的有效横向响应函数为h_g·h_g。 

在基于光谱仪探测的谱域OCT系统中，探测到的干涉光谱的傅立叶变换是与深度信息有关的复信号Γ(z)，同样只考虑焦平面上的样品的情况，假设焦平面上样品的后向散射为s(r，z₀)，其中z₀对应焦平面处于的轴向位置，r为横向光学坐标。因为探测信号是系统有效横向响应函数与样品结构信息的卷积，则有： 

Γ(z₀)＝(h_a·h_a)*s(r，z₀)    (4) 

Γ(z₀+δ)＝(2h_a·h_g)*s(r，z₀)    (5) 

Γ(z₀+2δ)＝(h_g·h_g)*s(r，z₀)    (6) 

将公式(4)、(5)和(6)分别乘以系数k₁ ²、k₁k₂和k₂ ²然后相加，得到合成信号为： 

Γ_sum＝k₁ ²·Γ(z₀)+k₁k₂·Γ(z₀+δ)+k₂ ²·Γ(z₀+2δ) 

     ＝k₁ ²·(h_a·h_a)*s(r，z₀)+k₁k₂·(2h_a·h_g)*s(r，z₀)+k₂ ²·(h_g·h_g)*s(r，z₀)    (7) 

     ＝(k₁·h_a+k₂·h_g)²*s(r，z₀) 

因此，Γ_sum等效于有效横向响应函数(k₁·h_a+k₂·h_g)²与样品结构信息的卷积。有效横向响应函数(k₁·h_a+k₂·h_g)²等效于h_in＝h_out＝k₁·h_a+k₂·h_g的情况，即横向点扩散函数为： 

$h\left(v\right)=k_1{h}_a+k_2{h}_g=2{\∫}_0^r{k}_1{J}_0\left(\mathrm{v\ρ}\right)\mathrm{\ρd\ρ}+2{\∫}_r^1{k}_2{J}_0\left(\mathrm{v\ρ}\right)\mathrm{\ρd\ρ}---\left(8\right)$

结合公式(1)和(8)，得到等效的超分辨光瞳滤波器的光瞳函数为： 

$P\left(\mathrm{\&rho;}\right)=\left\{\begin{array}{c}{k}_1,0\&le;\mathrm{\&rho;}\&le;r\\ k_2,r<\mathrm{\&rho;}\&le;1\end{array}\right.---\left(9\right)$

这是一个两区的振幅型光瞳滤波器，对k₁和k₂取不同的值，可以实现不同 程度的横向超分辨。例如，当r＝0.85时，取k₁＝0.4，k₂＝1，得到横向超分辨因子G_T＝1.21，横向分辨率得到了10％的提高。 

图3所示是不同有效横向响应函数的曲线图(r＝0.85)。图3(a)、(b)和(c)分别对应光程延迟为0、δ和2δ的有效横向响应函数，可以看到，图3(a)的横向分辨率降低了，图3(b)和(c)的横向分辨率虽然得到了提高，但也引入了较大的旁瓣。如图3(d)所示，通过对图3(a)、(b)和(c)中有效横向响应函数的相干合成(k₁＝0.4，k₂＝1)，横向分辨率得到提高的同时，旁瓣的强度也在可以接收的范围之内。 

图4所示为三步光程编码分束器的示意图。如图4所示，三步光程编码分束器由外径等于准直光斑的三区同心圆环构成，半径为0到r₁的区域为第一区，半径为r₁到r₂的区域为第二区，半径为r₂到1的区域为第三区，r₁＜r₂＜1。三个区分别为空气、厚度为t的玻璃和厚度为2t的玻璃。 

综上所述，通过在OCT系统中插入光程编码分束器，基于OCT技术固有的光程分辨能力，最终得到同一样品对应于不同有效响应函数的多个OCT复信号，将多个OCT复信号分别乘以不同的系数然后相加，得到重建后的合信号，相比没加光程编码分束器时得到信号的有效响应函数，合信号的有效响应函数的主瓣宽度被压缩，实现了超分辨，超分辨的程度由重建时多个OCT复信号的相对系数决定。该方法操作简单，不需增加额外的系统器件，相干合成的数值重建可以实时进行，并且根据需要调整合成时的相对系数也使得这种超分辨方法更具灵活性。 

Claims (2)

1.一种基于光程编码与相干合成的光学超分辨方法，其特征在于：在OCT系统样品臂的准直镜和聚焦透镜之间插入光程编码分束器，形成多种对应于不同光程延迟的有效响应函数，基于多种有效响应函数的相干合成，重建出光学超分辨图像，通过改变相干合成时的相对系数，能数字控制多种有效响应函数的相对贡献，实现不同程度的超分辨，其具体步骤如下：

1)从光纤耦合器样品臂端口发出的光先由准直镜准直，然后通过光程编码分束器，再由聚焦透镜聚焦于样品；从样品返回的反射光和散射光经由聚焦透镜收集，再次通过光程编码分束器和准直镜，然后返回光纤耦合器，与来自参考臂的参考光汇合并发生干涉；基于OCT技术固有的光程分辨能力，最终得到同一样品对应于不同有效响应函数的多个OCT复信号，分别对应由光程编码分束器决定的不同光程延迟；

2)将多个OCT复信号分别乘以不同的系数然后相加，得到重建后的合信号，与不加光程编码分束器时得到信号的有效响应函数相比，合信号的有效响应函数的主瓣宽度被压缩，实现光学超分辨，超分辨的程度由重建时多个OCT复信号的相对系数决定。

2.根据权利要求1所述的一种基于光程编码与相干合成的光学超分辨方法，其特征在于：所述的光程编码分束器是两步分束器，最终形成三个光程延迟；或者是三步分束器，最终形成五个光程延迟。

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