CN106175689A - 全场光学相干层析方法及装置 - Google Patents

全场光学相干层析方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种全场光学相干层析方法及装置，所述方法包括：S1，确定平面，将待成像样品的顶部与平面重合；S2，调整反射镜使其连续往返运动，并使得经反射镜上各点反射的参考光和经待成像样品上反射的探测光，在高速面阵相机上的相位差在0～2π范围内连续变化；S3，高速面阵相机采集随时间变化的信号，计算所述待成像样品处于平面的断层图像；S4，带动待成像样品沿Z轴方向向上平移，重复步骤S2～S3，实现对样品的不同断层进行成像。本发明可快速、准确的获得待测样品各个断层的成像，外部环境不会影响断层图像重构的精确性。

Description

全场光学相干层析方法及装置
技术领域
本发明涉及一种全场光学相干层析方法及装置，属于全场光学相干层析技术领域。
背景技术
光学相干层析技术(Optical Coherence Tomography，OCT)利用从生物组织中反射回来的后向散射光与参考光进行干涉成像，是一种高分辨率断层成像模式，它将光学技术与超灵敏探测器合为一体，应用现代计算机图像处理，发展成为一种新兴的断层成像诊断技术。全场光学相干层析(Full Field Optical Coherence Tomography，FFOCT)是OCT的一个分支，利用二维CCD直接对样品的二维横向截面进行断层成像，全场OCT具有高分辨率、高灵敏度、深度分辨及全场成像的优点，可对生物组织等获取微米量级的在体光学断层成像，广泛应用于动物胚胎学、发育生物学等要求超高分辨的生物医学领域。传统FFOCT是基于多步移相干涉解调方法，对于每一待成像断层，在参考臂中连续引入多个相移(至少三个)，由相应的多幅干涉图像解调出断层图像(例如名称为“采用无色散相移器的全场光学相干层析成像系统”、专利号为200610052451.5的发明专利所公开的基于多步移相干涉解调方法)。具体的说，传统FFOCT的解调方法中，利用相移器在参考光中引进已知相移量来改变两相干光波的相对相位，从干涉场中某一点在不同相移量下的光强值来进行解调，比如采用基于四相位调制算法，每一个周期触发CCD四次，利用一个周期采集的四张干涉图算出相位，重构出样品信息。但是这种基于多步移相干涉解调的方法，对环境的要求非常高，如果在一个周期中采集四张干涉图时，由于外界干扰，使得探测光和参考光之间引入了干扰相位差，则会严重影响重构的精确度。因此仍需进行改进。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种全场光学相干层析方法及装置，它可以有效解决现有技术中存在的问题，尤其是FFOCT中采用多步移相干涉解调时易受外界干扰，严重影响重构精确度的问题。
为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：一种全场光学相干层析方法，包括以下步骤：
S1，确定平面，将待成像样品的顶部与平面重合；其中，所述的平面通过以下方法确定：从所述平面上各点反射的探测光和从反射镜上对应各点反射的参考光，在高速面阵相机上的光程差小于光源的相干长度，且所述的探测光和参考光在高速面阵相机上进行干涉(而从其他深度的平面反射的探测光和从反射镜上反射的参考光在高速面阵相机上不满足干涉条件，不进行干涉)；
S2，调整反射镜使其连续往返运动，并使得经反射镜上各点反射的参考光和经待成像样品上反射的探测光，在高速面阵相机上的相位差在0～2π范围内连续变化；
S3，高速面阵相机采集随时间变化的信号，计算所述待成像样品处于平面的断层图像；
S4，带动待成像样品沿Z轴方向向上平移，重复步骤S2～S3，实现对样品的不同断层进行成像。
优选的，步骤S2中，反射镜连续往返运动的振动幅度为1～5个光源的波长。
优选的，步骤S3中，根据高速面阵相机所采集图像上的每个像素所记录的光强随时间的涨落幅度，计算所述待成像样品处于平面的断层图像，从而避免了外部环境的干扰，可以快速、准确的确定待成像样品处于平面的断层所成的图像。
更优选的，步骤S3中，具体通过以下方式计算所述待成像样品处于平面的断层图像：
连续采集N幅图像，将所述N幅图像的同一位置的像素点的灰度值按时间顺序排列，组成信号序列，表示为S(x,y；n),其中，S(x,y；n)为连续采集的N幅图像中的第n幅图像，1≤n≤N，(x，y)表示高速面阵相机(4)感光面的空间位置；S(x,y；n)表示为，
S ( x , y ; n ) = a 2 ( x , y ; n ) + a 1 ( x , y ; n ) + b ( x , y ; n ) + 2 a 2 ( x , y ; n ) b ( x , y ; n ) cos ( θ ( x , y ; n ) )
式中，a1(x,y；n)表示来自于非平面(12)的反射光，a2(x,y；n)表示来自于平面(12)的反射光，b(x,y；n)表示来自于反射镜(6)的反射光，θ(x,y；n)表示由于参考光和来自于平面(12)的探测光存在光程差而产生的相位；
通过下式，计算待成像样品(11)处于平面(12)的断层图像：
a 2 ( x , y ) = ( M A X [ L P F ( d i f f ( S ( x , y ; n ) ) 2 ) ] ) 4 b ( x , y )
式中，a2(x,y)为待成像样品(11)处于平面(12)的断层图像上的像素的光强，MAX[]表示取极大值，LPF()表示低通滤波，diff()表示进行差分计算。
由于反射镜连续往返运动，其振动幅度为1～5个光源的波长，则θ(x,y；n)的变化范围为0～2π，cos(x,y；n)的变化范围为-1～1；S(x,y；n)的变化幅度为由S(x,y；n)的变化幅度即可计算出a2(x,y)。
实现前述方法的一种全场光学相干层析装置，包括：光源、A透镜、分光镜、高速面阵相机、B透镜、反射镜、压电陶瓷、计算机、压电陶瓷驱动器和电动平移台，所述的低相干光源发出的低相干光经A透镜扩束，再经分光镜分为两部分，一部分为参考光，一部分为探测光；所述的探测光照射到待成像样品上，由待成像样品反射回来的光再经过分光镜、B透镜进入高速面阵相机；所述的参考光照射到反射镜后，由反射镜反射回来的参考光再经过分光镜、B透镜进入高速面阵相机，高速面阵相机采集随时间变化的信号并传给计算机，计算机计算所述待成像样品处于平面的断层图像；其中，压电陶瓷驱动器驱动压电陶瓷带动反射镜连续往返运动，电动平移台带动待成像样品沿Z轴方向向上平移。
与现有技术相比，本发明通过确定某个平面，使得待成像样品逐步通过该平面，再调整反射镜使其连续往返运动，并使得经反射镜上各点反射的参考光和经待成像样品上反射的探测光，在高速面阵相机上的相位差在0～2π范围内连续变化，最后根据高速面阵相机采集的随时间变化的信号，即可准确快速的确定所述待成像样品处于该平面的断层所成的图像，以此类推，进而实现对样品的不同断层进行成像。本发明不需要再使用参考臂多步相移的方法进行解调、成像，而且本发明的层析技术还具有传统FFOCT高分辨率、高灵敏度、深度分辨的优点。此外，在本发明中，由于调整反射镜使其连续往返运动，并使得经反射镜上各点反射的参考光和经待成像样品上反射的探测光，在高速面阵相机上的相位差在0～2π范围内连续变化，再利用高速面阵相机采集的随时间变化的信号来确定某个断层所成的像，因此外部的干扰并不会影响断层图像的重构，而且所述的外部干扰(类似于在压电陶瓷的作用，使参考光和探测光的相位差发生变化，而产生干涉信号的涨落)反而对本发明是有利的。
发明人经大量的研究发现，只有从特定的某个平面上各点反射的探测光和从反射镜上对应各点反射的参考光，在高速面阵相机上的光程差才小于光源的相干长度，所述的探测光和参考光在高速面阵相机上才进行干涉；而且随着时间的变化，只有该平面反射的探测光与相应的参考光进行干涉，使得高速面阵相机所采集的某个断层的多幅图像上的每个像素所记录的光强随时间的涨落幅度变化较大，因此，通过本发明的方法确定了待成像样品处于该平面的断层所成图像上的像素的光强，即可快速、准确的获得该相应断层的成像，进而实现样品所有断层图像的重构。
附图说明
图1是本发明的一种实施例的方法流程图；
图2是本发明的一种实施例的结构示意图。
附图标记：1-光源，2-A透镜，3-分光镜，4-高速面阵相机，5-B透镜，6-反射镜，7-压电陶瓷，8-计算机，9-压电陶瓷驱动器，10-电动平移台，11-待成像样品，12-平面。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。
具体实施方式
本发明的实施例：一种全场光学相干层析方法，如图1所示，包括以下步骤：
S1，确定平面12，将待成像样品11的顶部与平面12重合；其中，所述的平面12通过以下方法确定：从所述平面12上各点反射的探测光和从反射镜6上对应各点反射的参考光，在高速面阵相机4上的光程差小于光源1的相干长度，且所述的探测光和参考光在高速面阵相机4上进行干涉(而从其他深度的平面反射的探测光和从反射镜6上反射的参考光在高速面阵相机4上不满足干涉条件，不进行干涉)；
S2，调整反射镜6使其连续往返运动，并使得经反射镜6上各点反射的参考光和经待成像样品11上反射的探测光，在高速面阵相机4上的相位差在0～2π范围内连续变化；
S3，高速面阵相机4采集随时间变化的信号，计算所述待成像样品11处于平面12的断层图像；
S4，带动待成像样品11沿Z轴方向向上平移，重复步骤S2～S3，实现对样品的不同断层进行成像。
可选的，步骤S2中，反射镜6连续往返运动的振动幅度为1～5个光源1的波长。
可选的，步骤S3中，根据高速面阵相机4所采集图像上的每个像素所记录的光强随时间的涨落幅度，计算所述待成像样品11处于平面12的断层图像。
具体的，可通过以下方式计算所述待成像样品11处于平面12的断层图像：
连续采集N幅图像，将所述N幅图像的同一位置的像素点的灰度值按时间顺序排列，组成信号序列，表示为S(x,y；n),其中，S(x,y；n)为连续采集的N幅图像中的第n幅图像，1≤n≤N，(x，y)表示高速面阵相机(4)感光面的空间位置；S(x,y；n)表示为，
S ( x , y ; n ) = a 2 ( x , y ; n ) + a 1 ( x , y ; n ) + b ( x , y ; n ) + 2 a 2 ( x , y ; n ) b ( x , y ; n ) c o s ( θ ( x , y ; n ) )
式中，a1(x,y；n)表示来自于非平面(12)的反射光，a2(x,y；n)表示来自于平面(12)的反射光，b(x,y；n)表示来自于反射镜(6)的反射光，θ(x,y；n)表示由于参考光和来自于平面(12)的探测光存在光程差而产生的相位；
通过下式，计算待成像样品(11)处于平面(12)的断层图像：
a 2 ( x , y ) = ( M A X [ L P F ( d i f f ( S ( x , y ; n ) ) 2 ) ] ) 4 b ( x , y )
式中，a2(x,y)为待成像样品(11)处于平面(12)的断层图像上的像素的光强，MAX[]表示取极大值，LPF()表示低通滤波，diff()表示进行差分计算。
实现上述方法的一种全场光学相干层析装置，如图2所示，包括：光源1、A透镜2、分光镜3、高速面阵相机4、B透镜5、反射镜6、压电陶瓷7、计算机8、压电陶瓷驱动器9和电动平移台10，所述的低相干光源1发出的低相干光经A透镜2扩束，再经分光镜3分为两部分，一部分为参考光，一部分为探测光；所述的探测光照射到待成像样品11上，由待成像样品11反射回来的光再经过分光镜3、B透镜5进入高速面阵相机4；所述的参考光照射到反射镜6后，由反射镜6反射回来的参考光再经过分光镜3、B透镜5进入高速面阵相机4，高速面阵相机4采集随时间变化的信号并传给计算机8，计算机8计算所述待成像样品11处于平面12的断层图像；其中，压电陶瓷驱动器9驱动压电陶瓷7带动反射镜6连续往返运动，电动平移台10带动待成像样品11沿Z轴方向向上平移。
以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (5)

1.一种全场光学相干层析方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，确定平面(12)，将待成像样品(11)的顶部与平面(12)重合；其中，所述的平面(12)通过以下方法确定：从所述平面(12)上各点反射的探测光和从反射镜(6)上对应各点反射的参考光，在高速面阵相机(4)上的光程差小于光源(1)的相干长度，且所述的探测光和参考光在高速面阵相机(4)上进行干涉；
S2，调整反射镜(6)使其连续往返运动，并使得经反射镜(6)上各点反射的参考光和经待成像样品(11)上反射的探测光，在高速面阵相机(4)上的相位差在0～2π范围内连续变化；
S3，高速面阵相机(4)采集随时间变化的信号，计算所述待成像样品(11)处于平面(12)的断层图像；
S4，带动待成像样品(11)沿Z轴方向向上平移，重复步骤S2～S3，实现对样品的不同断层进行成像。
2.根据权利要求1所述的全场光学相干层析方法，其特征在于，步骤S2中，反射镜(6)连续往返运动的振动幅度为1～5个光源(1)的波长。
3.根据权利要求1所述的全场光学相干层析方法，其特征在于，步骤S3中，根据高速面阵相机(4)所采集图像上的每个像素所记录的光强随时间的涨落幅度，计算所述待成像样品(11)处于平面(12)的断层图像。
4.根据权利要求3所述的全场光学相干层析方法，其特征在于，步骤S3中，具体通过以下方式计算所述待成像样品(11)处于平面(12)的断层图像：
连续采集N幅图像，将所述N幅图像的同一位置的像素点的灰度值按时间顺序排列，组成信号序列，表示为S(x,y；n),其中，S(x,y；n)为连续采集的N幅图像中的第n幅图像，1≤n≤N，(x，y)表示高速面阵相机(4)感光面的空间位置；S(x,y；n)表示为，
S ( x , y ; n ) = a 2 ( x , y ; n ) + a 1 ( x , y ; n ) + b ( x , y ; n ) + 2 a 2 ( x , y ; n ) b ( x , y ; n ) cos ( θ ( x , y ; n ) )
式中，a1(x,y；n)表示来自于非平面(12)的反射光，a2(x,y；n)表示来自于平面(12)的反射光，b(x,y；n)表示来自于反射镜(6)的反射光，θ(x,y；n)表示由于参考光和来自于平面(12)的探测光存在光程差而产生的相位；
通过下式，计算待成像样品(11)处于平面(12)的断层图像：
a 2 ( x , y ) = ( M A X [ L P F ( d i f f ( S ( x , y ; n ) ) 2 ) ] ) 4 b ( x , y )
式中，a2(x,y)为待成像样品(11)处于平面(12)的断层图像上的像素的光强，MAX[]表示取极大值，LPF()表示低通滤波，diff()表示进行差分计算。
5.实现权利要求1～4任一所述方法的一种全场光学相干层析装置，其特征在于，包括：光源(1)、A透镜(2)、分光镜(3)、高速面阵相机(4)、B透镜(5)、反射镜(6)、压电陶瓷(7)、计算机(8)、压电陶瓷驱动器(9)和电动平移台(10)，所述的低相干光源(1)发出的低相干光经A透镜(2)扩束，再经分光镜(3)分为两部分，一部分为参考光，一部分为探测光；所述的探测光照射到待成像样品(11)上，由待成像样品(11)反射回来的光再经过分光镜(3)、B透镜(5)进入高速面阵相机(4)；所述的参考光照射到反射镜(6)后，由反射镜(6)反射回来的参考光再经过分光镜(3)、B透镜(5)进入高速面阵相机(4)，高速面阵相机(4)采集随时间变化的信号并传给计算机(8)，计算机(8)计算所述待成像样品(11)处于平面(12)的断层图像；其中，压电陶瓷驱动器(9)驱动压电陶瓷(7)带动反射镜(6)连续往返运动，电动平移台(10)带动待成像样品(11)沿Z轴方向向上平移。
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