CN103018203A - 一种移位复用复频域光学相干层析扫描探测方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及移位复用复频域光学相干层析扫描探测方法和系统，包括发射光路系统、接收光路系统、分光棱镜反射光路系统、以及分光棱镜透射光路系统，通过移动载物平移台，依次改变探测主点位置，针对每个探测主点位置，用压电陶瓷平移台产生相移，获取一组定步长相移干涉图，直到达到要求的探测深度，对于获得的多组定步长相移干涉图，分别进行相移去镜像和直流项处理，得到m幅与探测主点位置对应的无镜像和直流项样品层析图；分别截取每幅样品层析图中心位置横向前后各N/2个像素，得到m幅截取图像，将按探测方向排列的m幅截取图像合成为一张层析图。

Description

一种移位复用复频域光学相干层析扫描探测方法和系统

技术领域

本发明涉及一种光学相干成像探测的方法和系统，特别是涉及一种移位复用复频域光学相干层析扫描探测方法和系统。

背景技术

光学相干层析扫描技术又称为光学相干层析技术（Optical Coherence Tomography，简称OCT），主要利用干涉原理来实现对样品的深度信息采集。根据是否进行深度方向上的扫描，可以将其分为时域OCT和频域OCT。时域OCT是典型的OCT系统，通过改变参考臂和样品臂的光程差，探测获得不同深度的样品信息。由于时域OCT基于逐点扫描探测，每点测量都需要移动参考臂来改变参考臂和样品臂的光程差，耗费大量时间。频域OCT是在光路系统加入光栅，利用光栅的分光性能，不需要改变光程差，一次成像即可得到一定深度内的样品深度图像信息；复频域OCT探测方法是通过相移法去除镜像，可以使频域OCT最大探测范围扩大一倍。频域OCT和复频域OCT受到系统中的光栅分辨本领、图像采集器像元尺寸等因素的限制，其最大成像探测深度有限。

现有的复频域光学相干层析扫描探测技术主要包括以下两个步骤：

1. 图像采集过程：基于迈克尔逊干涉仪为核心结构的频域光学相干层析扫描系统，调整参考臂和样品臂的光程差满足干涉条件，采用平移台完成相移，并通过图像采集器记录下多幅相移干涉图。

2. 图像处理过程：对得到干涉图像进行相移去镜像处理，并对去镜像处理后的干涉图做傅里叶逆变换，可以得到所需要的样品层析信息。

现有复频域OCT探测存在的缺陷是，如果样品的深度大于复频域OCT探测系统的最大探测深度，则无法实现对整个样品深度的探测。

发明内容

本发明目的在于提供一种扩大频域OCT和复频域OCT系统最大探测深度的方法和系统，即移位复用复频域光学相干层析扫描探测方法和系统。

本发明的移位复用复频域光学相干层析扫描探测方法和系统，将反射镜虚像位置确定为探测主点位置，在以探测主点为中心的有效探测范围，获得有效探测范围内的样品深度信息；以确定的移位间隔距离进行探测主点移动，实现探测深度扩展。具体技术方案如下：

一种移位复用复频域光学相干层析扫描探测方法，其特征在于包括以下步骤：

1)改变探测主点位置，分别获取每一个探测主点位置对应的一组定步长相移干涉图，直到达到要求的探测深度；

2)对于获得的m组定步长相移干涉图，分别进行相移去镜像和直流项处理，得到m幅与探测主点位置对应的无镜像和直流项样品层析图；

3)分别截取每幅无镜像和直流项样品层析图中心位置横向前后各N/2个像素，样品层析图横向像素数N为截取参数，得到m幅截取图像，其中

$N=\frac{2d{n}_1({\mathrm{\λ}}_{\max }-{\mathrm{\λ}}_{\min })B}{{\mathrm{\λ}}_0^{2}A}$

式中，N为截取参数，d为有效探测范围，A为相移干涉图上干涉条纹所包含的横向像素值，步骤1中所述的相移干涉图上干涉条纹所包含的横向像素值均相等，B为无镜像和直流项样品层析图图像的横向像素值，λ₀是光源的中心波长，λ_min是最小波长，λ_max是最大波长，n₁是样品折射率；

4）将m幅截取图像按探测方向排列，相邻两幅截取图像中心位置的像素间距为合成参数M，再将相距距离为合成参数M、按探测方向排列的m幅截取图像合成为一张层析图，其中，

$M=\frac{2\mathrm{\Δ}{\mathrm{dn}}_2({\mathrm{\λ}}_{\max }-{\mathrm{\λ}}_{\min })B}{{\mathrm{\λ}}_0^{2}A}$

式中，M为合成参数，Δd为移位间隔距离，A为相移干涉图上干涉条纹所包含的横向像素值，步骤1中所述的相移干涉图上干涉条纹所包含的横向像素值均相等，B为无镜像和直流项样品层析图图像的横向像素值，λ₀是光源的中心波长，λ_min是最小波长，λ_max是最大波长，n₂是空气折射率。

所述的截取参数N和合成参数M相等时，合成的层析图完整呈现样品沿探测方向的图像，适用于探测要求层析图呈现完整图像的样品；当截取参数N小于合成参数M时，合成的层析图是间隔呈现样品沿探测方向的图像，适用于探测要求层析图呈现部分图像的样品；当截取参数N大于合成参数M时，相邻探测主点得到的探测结果有重叠，合成的层析图部分重叠地呈现样品沿探测方向的图像，不属于最优选择。

所述的探测主点位置为反射镜虚像在样品臂的位置。所述的移位间隔距离Δd表示探测主点每次移动的间隔距离。所述的有效探测范围为无镜像和直流项样品层析图中所取的探测主点前后深度范围，其取值小于等于最大探测深度范围。

所述的最大探测深度范围D_imax的计算公式如下，

$D_{i\max }=\frac{{\mathrm{A\λ}}_0^2}{{2n}_1({\mathrm{\λ}}_{\max }-{\mathrm{\λ}}_{\min })}$

式中，A为相移干涉图上干涉条纹所包含的横向像素值，步骤1中所述的相移干涉图上干涉条纹所包含的横向像素值均相等，λ₀是光源的中心波长，λ_min是最小波长，λ_max是最大波长，n₁是样品折射率。

一种移位复用复频域光学相干层析扫描探测系统，其特征在于包括以下部分：发射光路系统，接收光路系统，分光棱镜反射光路系统，即样品臂，分光棱镜透射光路系统，即参考臂。发射光路系统包括超辐射发光二极管红外光源、扩束准直系统、衰减装置、以及分光棱镜；接收光路系统包括光栅、透镜、图像采集器；分光棱镜反射光路系统包括载物平移台，用于放置样品；分光棱镜透射光路系统包括压电陶瓷平移台、以及反射镜。

所述系统的工作过程：通过移动载物平移台，将探测主点位置移动移位间隔距离Δd，针对该探测主点位置，用电陶瓷平移台产生相移，获取一组定步长相移干涉图，获取定步长相移干涉图过程为，超辐射发光二极管红外光源产生的短相干红外光，经过扩束准直系统变为扩束平行光，通过衰减装置进行光强的衰减，到达分光棱镜，分光棱镜分出透射光和反射光，反射光到达样品并由样品反射回反射光回到分光棱镜，分光棱镜分出的透射光到达反射镜并由反射镜反射回反射光回到分光棱镜，两反射光汇聚到光栅上发生衍射，经过透镜将干涉图聚焦到图像采集器上，并由图像采集器接收相移干涉图传入电脑存储。依照上述方法按移位间隔距离Δd依次移动到m个探测主点位置，直到达到要求的探测深度，分别得到对应每个探测主点位置的定步长相移干涉图。

所述载物平移台和压电陶瓷平移台在系统中的位置有四种组合：（1）样品臂端安置载物平移台，在所述载物平移台上放置样品；参考臂端安置压电陶瓷平移台，在所述压电陶瓷平移台上放置反射镜；（2）样品臂端安置压电陶瓷平移台，在所述压电陶瓷平移台上放置样品；参考臂端安置载物平移台，在所述载物平移台上放置反射镜；（3）样品臂端安置载物平移台，其上安置压电陶瓷平移台，在所述压电陶瓷平移台上放置样品，参考臂端安置反射镜；（4）样品臂端安置样品，参考臂端安置载物平移台，其上安置压电陶瓷平移台，在所述压电陶瓷平移台上放置反射镜。

所述探测主点位置为反射镜虚像在样品臂的位置，所述载物平移台用于实现所述探测主点位置的移动。所述压电陶瓷平移台用于实现相移。

有益效果

本发明的移位复用复频域光学相干层析扫描探测方法和系统的有益效果是，大大扩展了原有技术的探测深度范围；可探测要求多个分离部分层析图的样品；提高了原有技术的探测成像灵敏度，能有效利用中心灵敏度较高区域探测；提高了对样品探测的灵活性，可设置合理的有效探测范围和移位间隔距离。

附图说明

图1是移位复用复频域光学相干层析扫描探测方法流程图；

图2是移位复用复频域光学相干层析扫描探测系统组成示意图；

图3是探测主点位置改变示意图。

1、超辐射发光二极管红外光源，2、扩束准直系统，3、衰减装置，4、分光棱镜，5、光栅，6、透镜，7、图像采集器，8、载物平移台，9、样品，10、压电陶瓷平移台，11、反射镜。

具体实施方式

下面参照附图详细说明本发明的典型实施例及其特征。

本发明的移位复用复频域光学相干层析扫描探测方法，按照如图1所示流程，完成以下步骤：1）根据样品探测需要确定探测主点开始位置、移位间隔距离、有效探测范围以及探测主点移动次数；2）改变探测主点位置，分别获取每一个探测主点位置对应的一组定步长相移干涉图，直到达到要求的探测深度；3）对于获得的所有组定步长相移干涉图，分别进行相移去镜像和直流项处理；4）截取每幅无镜像和直流项样品层析图中心位置横向前后各N/2个像素，得到截取图像；5）将相距距离为合成参数M、按探测方向排列的m幅截取图像合成为一张层析图，得到样品探测结果。

本发明的系统组成如图2所示，包括发射光路系统，接收光路系统，分光棱镜反射光路（样品臂）系统，分光棱镜透射光路（参考臂）系统；其中发射光路系统包括超辐射发光二极管红外光源1、扩束准直系统2、衰减装置3、分光棱镜4；接收光路系统包括光栅5、透镜6、图像采集器7；分光棱镜反射光路（样品臂）系统包括载物平移台8，所述载物平移台8用于放置样品9；分光棱镜透射光路（参考臂）系统包括压电陶瓷平移台10、反射镜11。所述超辐射发光二极管红外光源1的中心波长为840 nm，其最大波长和最小波长之差为80 nm；所述光栅5分辨率为每毫米1200线对；所述图像采集器7的像素尺寸大小为1600*1200；所述样品9为三片载玻片，载玻片具有简单的前后表面两层结构，其折射率约为1.5，单片厚度约为1200um，三片厚度约为3600um。干涉图上干涉条纹所包含的横向像素为1080，根据公式计算可知最大探测范围为3170um，复频域相干层析探测方法的探测范围也为3170um小于样品总厚度3600um。

本发明的实施例中的移位间隔距离Δd取值500.00um；以探测主点为中心的有效探测范围d取值333.33um，有效探测范围d小于复频域最大探测深度范围；根据样品探测要求，探测主点移动次数为10次，采集11组图像，移位复用复频域光学相干层析扫描探测法探测的有效探测范围总和为333.33*11=3666.63um，大于样品总厚度3600um，已经覆盖整个样品深度；采用四步定步长相移法去除镜像和直流项，相移角为π/2。

按图2所示光路建立移位复用复频域光学相干层析扫描探测系统，调整载物平移台8将探测主点位置置于样品前层表面12，如图3所示，13即为探测主点位置初始值，对于第一探测主点位置13，用压电陶瓷平移台产生相移，记录第一组四幅定步长相移干涉图，然后，纵向深度方向移动载物平移台8，移位间隔距离Δd为500um，定位第二主点位置14，用压电陶瓷平移台产生相移，记录第二组四幅定步长相移干涉图；依次定位第三主点位置15至第十一主点位置16，分别用压电陶瓷平移台产生相移，记录11组对应的四幅定步长相移干涉图。用计算机程序对每组图像做四步相移算法处理，进行去镜像和直流项处理，然后完成傅里叶逆变换，得到每组的层析图像。根据所述有效探测范围d，计算得到层析图上截取参数N为168像素，进一步依照计算得到的截取参数N完成层析图像所述有效探测范围的截取，得到11组截取图像。根据所述移位间隔距离Δd，计算得到合成参数M为168像素，并依照计算得到的合成参数M进行11组层析图像的合成，完成对样品的移位复用复频域光学相干层析扫描探测法成像。

本发明的典型实施例的实验结果证明，移位复用复频域光学相干层析扫描探测方法和系统能有效完成对样品的层析探测，并且可以将探测深度扩展到任意所需探测范围。

尽管参考特定优选实施例详细描述了本发明，在此描述的本发明实施例没有打算是详尽的或者局限于所公开的具体形式。相反，所选的用于说明问题的实施例是为了使本技术领域内的技术人员实施本发明而选择的。尽管本公开是结合采用压电陶瓷平移台进行相移和四步相移去镜像处理描述的，但是应当明白，可以采用其他类型装置进行相移和其他相移法去镜像处理。在不脱离下面的权利要求所描述和限定的本发明的实质范围的情况下，存在变型例和修改例。

Claims (8)

1.一种移位复用复频域光学相干层析扫描探测方法，其特征在于包括以下步骤：

1)改变探测主点位置，分别获取每一个探测主点位置对应的一组定步长相移干涉图，直到达到要求的探测深度；

2)对于获得的m组定步长相移干涉图，分别进行相移去镜像和直流项处理，得到m幅与探测主点位置对应的无镜像和直流项样品层析图；

3)分别截取每幅无镜像和直流项样品层析图中心位置横向前后各N/2个像素，样品层析图横向像素数N为截取参数，得到m幅截取图像，其中

式中，N为截取参数，d为有效探测范围，A为相移干涉图上干涉条纹所包含的横向像素值，步骤1中所述的相移干涉图上干涉条纹所包含的横向像素值均相等，B为无镜像和直流项样品层析图图像的横向像素值，λ₀是光源的中心波长，λ_min是最小波长，λ_max是最大波长，n₁是样品折射率；

4）将m幅截取图像按探测方向排列，相邻两幅截取图像中心位置的像素间距为合成参数M，再将相距距离为合成参数M、按探测方向排列的m幅截取图像合成为一张层析图，其中，

式中，M为合成参数，Δd为移位间隔距离，A为相移干涉图上 干涉条纹所包含的横向像素值，步骤1中所述的相移干涉图上干涉条纹所包含的横向像素值均相等，B为无镜像和直流项样品层析图图像的横向像素值，λ₀是光源的中心波长，λ_min是最小波长，λ_max是最大波长，n₂是空气折射率。

2.根据权利要求1所述的探测主点位置为反射镜虚像在样品臂的位置。 

3.根据权利要求1所述的有效探测范围为无镜像和直流项样品层析图中所取的探测主点前后深度范围，其取值小于等于最大探测深度范围。

4.根据权利要求3所述的最大探测深度范围D_imax的计算公式如下，

式中，A为相移干涉图上干涉条纹所包含的横向像素值，步骤1中所述的相移干涉图上干涉条纹所包含的横向像素值均相等，λ₀是光源的中心波长，λ_min是最小波长，λ_max是最大波长，n₁是样品折射率。

5.根据权利要求1所述的移位间隔距离Δd表示探测主点每次移动的间隔距离。 

6.一种移位复用复频域光学相干层析扫描探测系统，其特征在于包括以下部分：发射光路系统，接收光路系统，分光棱镜反射光路系统，即样品臂，分光棱镜透射光路系统，即参考臂；

其中，发射光路系统包括超辐射发光二极管红外光源1、扩束准直系统2、衰减装置3、以及分光棱镜4；接收光路系统包括光栅5、透镜6、图像采集器7；分光棱镜反射光路系统包括载物平移台8，用于放置样品9；分光棱镜透射光路系统包括压 电陶瓷平移台10、以及反射镜11；

通过移动载物平移台8，将探测主点位置移动移位间隔距离Δd，针对该探测主点位置，用电陶瓷平移台10产生相移，获取一组定步长相移干涉图，获取定步长相移干涉图过程为超辐射发光二极管红外光源1产生的短相干红外光，经过扩束准直系统2变为扩束平行光，通过衰减装置3进行光强的衰减，到达分光棱镜4，分光棱镜4分出透射光和反射光，反射光到达样品9并由样品9反射回反射光回到分光棱镜4，分光棱镜4分出的透射光到达反射镜11并由反射镜反射回反射光回到分光棱镜4，两反射光汇聚到光栅5上发生衍射，经过透镜6将干涉图聚焦到图像采集器7上，并由图像采集器7接收相移干涉图传入电脑存储。依照上述方法按移位间隔距离Δd依次移动到m个探测主点位置，直至达到要求的探测深度，分别得到对应每个探测主点位置的定步长相移干涉图。

7.根据权利要求6所述载物平移台用于实现探测主点位置的移动，所述压电陶瓷平移台用于实现相移。

8.根据权利要求6所述的探测主点位置为反射镜虚像在样品臂的位置。 

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