CN106290258A - 光学相干层析系统中光谱信息的分段并行采集系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光学相干层析系统中光谱信息的分段并行采集方法，包括：将样品置于迈克尔逊干涉仪的样品臂上，N波长高速并行扫频光源输出等频率间隔并行扫频的N波长光信号，进入到所述迈克尔逊干涉仪，将干涉光谱分为N段，以恒定扫频步长对干涉光谱进行并行采集，获得含样品信息的干涉光谱；对各时刻采集到的干涉光谱信息并行接收，并依次完成N波长干涉光谱信息的分离、分离后光信号的光电转换、将光电转换后信号的模数转换为电域的数据信息后交由计算机，从而完成干涉光谱信息分段并行采集。本发明解除了轴向扫描速率和光谱采样率之间的反比关系，从基本原理和实现技术上提高了干涉光谱采集的质量和速度。

Description

光学相干层析系统中光谱信息的分段并行采集系统及方法

技术领域

本发明涉及一种光学相干层析成像系统，尤其涉及一种光谱信息分段并行采集系统。

背景技术

在频域光学相干层析技术(OCT)中，纵向扫描(A-scan)获得样品的深度层析图像，A-scan的干涉光谱信息采集是OCT系统的核心技术，决定着成像质量以及后续数据处理的速度和复杂程度。纵向扫描的关键参数包括：纵向分辨率、成像深度、成像速度和数据处理复杂度，与之分别对应的光学参数为：光谱采集范围、光谱采样率、轴向扫描速率和采样点均匀性。因此，高速度高质量的光谱信息采集是优化A-scan成像的关键。

频域OCT分为基于光谱仪的OCT(Spectrometer Based OCT,SB-OCT)和基于扫频光源的OCT(Swept Source OCT,SS-OCT)。SB-OCT系统常采用超辐射发光二极管作为宽带光源，干涉光谱信息数据由光栅和CCD相机(或CMOS阵列)构成的光谱仪进行采集。增加CCD像素个数N可以提高成像纵向分辨率(即增大光谱采集范围)并加深成像深度(即提高光谱分辨率)。但是CCD像素对不同波长的响应度差别大，进行数据处理时需要算法补偿，而且像素数目的增加将导致采样时间增加，轴向扫描速率降低。此外,SB-OCT系统光谱中心为800nm，而对于吸收峰在1300nm或1550nm附近的组织结构，用于检测的红外CCD的价格极为昂贵，但是工作在这些波段的光纤器件的商品化程度高且价格低廉。因此，基于高速扫频光源的SS-OCT成为热点。

SS-OCT采用高速扫描光源，使用点光电探测器采集干涉光谱信息。因此干涉光谱信息采集质量主要取决于高速扫频光源的性能。系统采用的高速扫频光源主要包括傅里叶域锁模(FDML)激光器、KTN电光偏转器腔外扫频光源、色散调谐扫频光源、基于MEMS控制的可调谐FP滤波器扫频光源等。目前SS-OCT系统普遍存在的问题是，光源普遍采用单一波长扫频，当光谱采集范围一定时，轴向扫描速率与光谱采样率呈反比关系：低扫描频率可以采集大量数据点，光谱采样率高，但导致轴向扫描速率降低，因此不能同时获得很高的轴向扫描速率和光谱采样率，即不能同时获得很大的成像速度和成像深度。与此同时，提高扫频光源扫频速度虽然可以提高成像速度，但必须使用造价高昂的高速数据采集卡；而电子器件存在响应极限，因此也限制了系统能够实现的最高成像速度。此外，因为多数扫频光源的扫频线性度受器件“机、电”响应的非线性影响，所以无法实现等间隔的光谱采集，导致计算机对数据进行快速傅里叶逆变换(FFT^-1)时需要复杂的算法补偿。

综上所述，目前频域OCT系统存在的主要共性技术难题有：

(1)光谱信息采集参数间的相互制约直接导致成像参数间的严重制约。增加光谱采集范围可以提高纵向分辨率，但由于光谱采样率和轴向扫描速率彼此呈反比关系，从而导致成像深度和成像速度相互制约，不能同时得到提高。

(2)光谱信息采集过程中“光”功能有限，系统过多依赖器件的“机、电”的性能和数据处理能力。由于光学器件和方法自身对光谱信息采集能力存在局限，迫使信息采集过度依赖于提高器件的“机、电”性能，使器件工作在机械和电子的响应极限下，系统成本成倍提高，且耗尽了性能优化的潜力。此外，光谱信息的非等间隔采样，迫使计算机数据处理时需要复杂的算法补偿。

发明内容

针对以上难题，本发明提出一种光学相干层析系统中光谱信息的分段并行采集方法。主要由N波长高速并行扫频光源和干涉光谱的分段并行数据采集单元两部分完成。

为了解决上述技术问题，本发明提出光学相干层析系统中光谱信息的分段并行采集系统，包括N波长高速并行扫频光源、迈克尔逊干涉仪和干涉光谱分段并行数据采集单元，所述干涉光谱分段并行数据采集单元包括光谱分离模块、光电转换模块和模数转换模块，所述光谱分离模块采用阵列波导光栅，所述光电转换模块采用光电探测器阵列，所述模数转换模块采用A/D转换器阵列；所述N波长高速并行扫频光源输出等频率间隔并行扫频的N个波长，经过所述迈克尔逊干涉仪输出的每一帧干涉光谱信息送入所述阵列波导光栅进行分光，经过所述阵列波导光栅输出的一帧N波长干涉光谱，送入所述光电探测器阵列进行光电转换，所述光电探测器阵列输出的每帧模拟电信号送入所述A/D转换器阵列转换为数字电信号。

利用上述光学相干层析系统中光谱信息的分段并行采集系统进行干涉光谱信息分段并行采集方法，包括以下步骤：

步骤一、将样品置于迈克尔逊干涉仪的样品臂上，所述N波长高速并行扫频光源输出等频率间隔并行扫频的N波长光信号，进入到所述迈克尔逊干涉仪，将含有样品信息的干涉光谱分为N段，以恒定扫频步长对N段干涉光谱进行并行采集，每个扫频步长下获得一帧含样品信息的N波长光谱，直至N波长高速并行扫频光源完成N波长频率间隔内的全部扫频；

步骤二、对各时刻采集到的每一帧干涉光谱并行接收，并依次完成N波长干涉光谱信息的分离、分离后光信号的光电转换、将光电转换后信号的模数转换为电域的数据信息后交由计算机，从而完成干涉光谱信息分段并行采集。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明利用N波长高速并行扫频光源，将待采样的干涉光谱分成N段并行完成采集，解除了轴向扫描速率和光谱采样率之间的反比关系，从基本原理和实现技术上提高了干涉光谱采集的质量和速度，其主要特点包括：“分段并行采集”可实现光谱信息采集速度成倍提高，在提高采样光谱范围的同时减小光谱信息采集参数之间的制约，进而削弱OCT系统成像因素之间的制约关系；“高光谱采样率”，利用光学手段提高光谱采样率，使OCT成像深度显著加深且易于控制，对器件“机、电”性能的要求不升反降；“等间隔采样”，本发明从原理和实现技术上均可保证获得等频率间隔的采样点，使后续数据处理(FFT^-1)无需复杂的算法补偿，显著降低了数据处理的难度。

附图说明

图1是实现本发明干涉光谱信息分段并行采集方法的系统架构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。

如图1所示，本发明提出的一种光学相干层析系统中光谱信息的分段并行采集系统，包括N波长高速并行扫频光源、迈克尔逊干涉仪和干涉光谱分段并行数据采集单元，所述干涉光谱分段并行数据采集单元包括光谱分离模块、光电转换模块和模数转换模块，所述光谱分离模块采用阵列波导光栅，所述光电转换模块采用光电探测器阵列，所述模数转换模块采用A/D转换器阵列；所述N波长高速并行扫频光源输出等频率间隔并行扫频的N个波长，经过所述迈克尔逊干涉仪输出的每一帧干涉光谱信息送入所述阵列波导光栅进行分光，经过所述阵列波导光栅输出的一帧N波长干涉光谱，送入所述光电探测器阵列进行光电转换，所述光电探测器阵列输出的每帧模拟电信号送入所述A/D转换器阵列转换为数字电信号。

利用上述光学相干层析系统中光谱信息的分段并行采集系统进行干涉光谱信息分段并行采集的方法，包括以下步骤：

步骤一、将样品置于迈克尔逊干涉仪的样品臂上，所述N波长高速并行扫频光源输出等频率间隔并行扫频的N波长光信号，进入到所述迈克尔逊干涉仪，将含有样品信息的干涉光谱分为N段，以恒定扫频步长对N段干涉光谱进行并行采集，每个扫频步长下获得一帧含样品信息的N波长光谱，直至N波长高速并行扫频光源完成N波长频率间隔内的全部扫频，从而获得含样品信息的干涉光谱；

步骤二、对各时刻采集到的每一帧干涉光谱并行接收，并依次完成N波长干涉光谱信息的分离、分离后光信号的光电转换、将光电转换后信号的模数转换为电域的数据信息后交由计算机，从而完成干涉光谱信息分段并行采集。

本发明干涉光谱信息分段并行采集方法的实现主要由N波长高速并行扫频光源和干涉光谱的分段并行数据采集单元两部分完成。其中，N波长高速并行扫频光源输出等频率间隔并行扫频的N个波长，将干涉光谱分为N段，以恒定扫频步长对干涉光谱进行并行采集；干涉光谱分段并行数据采集单元对各时刻采集到的干涉光谱信息并行接收，并转换为电域的数据信息，再交由计算机进行后续数据处理和图像重建。

所述的N波长高速并行扫频光源输出等频率间隔并行扫频的N波长光信号，以恒定步长并行扫频，进入到迈克尔逊干涉仪，获得含样品信息的干涉光谱。并行扫频光源中N个波长覆盖的总光谱范围即为光谱采集范围；光源的扫频步长就是干涉光谱的采样间隔，扫频步长越小，光谱采样率越高；恒定的扫频步长保证了严格等频率间隔的光谱采样，这将使后面的数据处理(FTT^-1)变得轻松简单；并行扫频速率即为轴向扫描速率，相比单一波长采样速率提高N倍。

所述干涉光谱分段并行数据采集单元由光谱分离模块、光电转换模块和模数转换模块组成，依次完成N波长干涉光谱信息的分离、分离后光信号的光电转换，以及光电转换后信号的模数转换。由于数据是由N路器件并行采集实现的，对单独每路器件的响应速度要求显著下降。

实施例：

如图1所示，N波长并行扫频光源输出等频率间隔(频率间隔为△λ)的N波长以步长λ_m并行扫频，N波长并行扫频光信号进入到迈克尔逊干涉仪对样品进行纵向扫描，N波长中每一个光载波都会经迈克尔逊干涉仪形成其对应波长处的干涉光谱。N路信号每并行扫频一个步长，各路信号对应的干涉光谱就共同构成一帧干涉光谱信息。当N个波长经过M(M＝N波长频率间隔△λ/扫频步长λ_m)次并行扫频后，每路波长的扫频总步长都等于频率间隔△λ，N波长总共扫描过的范围等于N△λ,至此，N波长光信号就完成了对干涉光谱信息的一次完整扫频过程，共采集到M帧干涉光谱。这个过程相当于将待采样的干涉光谱分成N段并行采集，输出的M帧干涉光谱交由干涉光谱分段并行数据采集单元处理。

干涉光谱分段并行数据采集单元由光谱分离、光电转换和模数转换三部分组成。迈克尔逊干涉仪输出的每一帧干涉光谱信息送入阵列波导光栅(AWG)进行分光，使得N波长扫频光源每并行扫频一个步长λ_m，AWG输出端就得到一帧N波长干涉光谱，送入光电探测器阵列(PIN)进行光电转换。探测器阵列输出的每帧模拟电信号送入A/D转换器阵列转换为数字电信号。当扫频光源经M次扫频完成对整个光谱范围内的扫描后，共得到M帧数字电信号，这M帧数字电信号交由计算机进行数据处理和图像建立。

所述N波长并行扫频光源提供以恒定步长λ_m扫频的等频率间隔N波长，是本发明中的扫频光源。所述AWG将迈克尔逊干涉仪收集到的每帧干涉光谱分为对应于N波长的N个信道，利于探测器阵列多信道并行处理。所述PIN将所述AWG输出的N信道光信号并行转换为N路模拟电信号。所述A/D转换器阵列将PIN输出的N路模拟电信号并行转换为N路数字电信号，送入计算机处理。

在频域OCT系统中，并行扫频N波长进入到迈克尔逊干涉仪对样品进行纵向扫描，得到的干涉光谱信息经AWG分成N信道光信号，再经PIN阵列转换为模拟电信号，通过A/D转换器转为数字电信号交由计算机进行数据处理和图像重建，实现了对样品干涉光谱信息的高采样率、高扫描速度和等间隔采样。

尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (2)

1.一种光学相干层析系统中光谱信息的分段并行采集系统，包括N波长高速并行扫频光源和迈克尔逊干涉仪，其特征在于，

还包括干涉光谱分段并行数据采集单元，所述干涉光谱分段并行数据采集单元包括光谱分离模块、光电转换模块和模数转换模块，所述光谱分离模块采用阵列波导光栅，所述光电转换模块采用光电探测器阵列，所述模数转换模块采用A/D转换器阵列；

所述N波长高速并行扫频光源输出等频率间隔并行扫频的N个波长，经过所述迈克尔逊干涉仪输出的每一帧干涉光谱信息送入所述阵列波导光栅进行分光，经过所述阵列波导光栅输出的一帧N波长干涉光谱，送入所述光电探测器阵列进行光电转换，所述光电探测器阵列输出的每帧模拟电信号送入所述A/D转换器阵列转换为数字电信号。

2.一种光学相干层析系统中光谱信息的分段并行采集方法，其特征在于，采用如权利要求1所述光学相干层析系统中光谱信息的分段并行采集系统，并包括以下步骤：

步骤一、将样品置于迈克尔逊干涉仪的样品臂上，所述N波长高速并行扫频光源输出等频率间隔并行扫频的N波长光信号，进入到所述迈克尔逊干涉仪，将含有样品信息的干涉光谱分为N段，以恒定扫频步长对N段干涉光谱进行并行采集，每个扫频步长下获得一帧含样品信息的N波长光谱，直至N波长高速并行扫频光源完成N波长频率间隔内的全部扫频；

步骤二、对各时刻采集到的每一帧干涉光谱并行接收，并依次完成N波长干涉光谱信息的分离、分离后光信号的光电转换、将光电转换后信号的模数转换为电域的数据信息后交由计算机，从而完成干涉光谱信息分段并行采集。