CN107981838B - 结构光照明的频域光学相干层析系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种结构光照明的频域光学相干层析系统及方法，其中系统包括：空间滤波器用于产生干净且空间分布均匀的准直高斯光束；空间光调制器用于对准直高斯光束进行幅值的调制；迈克尔逊干涉仪用于对样本进行干涉测量；成像系统用于将入射的结构光照明成像至样本所在平面；高速光谱探测系统用于在探测端将参考臂和样本臂合并的光束会聚到光谱仪探测的有效区域；处理器用于产生触发信号确保空间光调制器和高速光谱探测系统同步的同时，通过压缩感知算法重建出多次结构光照明下平面中每个像素单元的光谱响应。该系统可以有效提高相干层析的便捷性和鲁棒性，扩展性好，可以实现极低采样率下的有效重建。
Description
技术领域
本发明涉及无机械扫描、具备光学层析能力的数字成像技术领域，特别涉及一种结构光照明的频域光学相干层析系统及方法。
背景技术
光学相干层析技术是对样本进行相干测量获得深度方向反射率的一项成像技术，是三维成像或者层析的一个典型代表，并由于其在穿透深度和分辨率上的独特优势使其在生物医学成像，尤其是视网膜成像和表层软组织成像上得到广泛的应用，已成为医疗诊断一项必不可少的关键技术。
光学相干层析的基本原理是将光束分为两束，分别为参考臂和样本臂，然后将两束光合并，组成迈克尔逊干涉仪，调节两束光的光程差使其干涉，通过测量并分析不同光程差下的干涉图样，得到深度方向的反射率信息。光学相干层析根据测量方法的不同分为时域光学相干层析和频域光学相干层析，其中时域光学相干层析是测量不同光程差下的干涉图样，得到干涉仪的自相关函数，从而分析其包络得到深度方向样本反射率信息。频域光学相干层析是利用信号的自相关函数与其功率谱密度函数的傅里叶变换关系，将需要通过测量不同光程差下的干涉图样得到干涉仪的自相关函数转化为通过测量不同波长下的响应得到其功率谱密度函数。
因此，通常频率光学相干层析方法仅需要光谱仪测量单点的不同波长下的响应，不需要改变光程差从而避免了机械移动，从而极大地提高了成像的速率，并且一定程度上增强信噪比。频域光学相干层析以其快速和高信噪比的优势成为目前商业平台广泛采用的方法，尤其在眼科视网膜成像及心脏病学冠状动脉疾病诊断等方面具有突出表现。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的一个目的在于提出一种结构光照明的频域光学相干层析系统，该系统可以有效提高相干层析的便捷性和鲁棒性，扩展性好，可以实现极低采样率下的有效重建。
本发明的另一个目的在于提出一种结构光照明的频域光学相干层析方法。
为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种结构光照明的频域光学相干层析系统，包括：空间滤波器，用于产生干净且空间分布均匀的准直高斯光束；空间光调制器，用于对所述准直高斯光束进行幅值的调制，以得到所需要的结构光照明；迈克尔逊干涉仪，用于对样本进行干涉测量，以得到所述样本的深度方向反射率信息；成像系统，用于将入射的结所述构光照明成像至样本所在平面，且将经过样本反射的光返回到所述迈克尔逊干涉仪，进入探测端，以根据成像样本的尺度和分辨率的要求适应从微观到宏观的不同尺度和从低分辨率到高分辨率不同精度；高速光谱探测系统，用于在所述探测端将参考臂和样本臂合并的光束会聚到光谱仪探测的有效区域，并且以适应于所述空间光调制器的速率探测单点的光谱信息；处理器，用于产生触发信号确保所述空间光调制器和所述高速光谱探测系统同步的同时，通过压缩感知算法重建出多次结构光照明下平面中每个像素单元的光谱响应，并对其进行傅里叶变换得到对应的深度方向反射率信息，从而获得整个二维平面深度方向样本反射率信息，得到所述样本的光学层析的结果。
本发明实施例的结构光照明的频域光学相干层析系统，能够将频域光学相干层析系统单次测量仅能得到单点深度方向反射率信息而无横向信息与压缩感知成像能够以多次结构光照明重建出二维信息进行优势互补，得到整个样本二维平面上深度方向反射率的信息，从而有效提高相干层析的便捷性和鲁棒性，扩展性好，可以实现极低采样率下的有效重建。
另外，根据本发明上述实施例的结构光照明的频域光学相干层析系统还可以具有以下附加的技术特征：
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述处理器进一步用于利用所述多次结构光照明下样本平面整体在所述探测端整体的光谱响应，按照每个波长重建出所述样本平面每个像素单元的光谱响应，得到对应于频域光学相干层析系统逐点扫描的光谱响应。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述处理器进一步用于将所述样本平面每个像素单元的光谱响应进行傅里叶变换得到该像素位置的深度方向反射率的信息，且将所有像素的深度方向折射率信息整合起来得到最终整个样本平面的深度方向反射率信息。
进一步地，在本发明的一个实施例中，从微米级到米级，其中不同尺度的成像系统通过调整所述空间光调制器到所述样本之间的成像模块实现。
进一步地，在本发明的一个实施例中，利用哈达玛图案或正弦图案的正交基作为所述结构光照明的图案，通过多次结构光照明计算对应的哈达玛频域和傅里叶频域的系数，利用其对应的逆变换重建出压缩感知图像，或者，利用扰动的所述哈达玛图案并结合所述压缩感知算法上的优化实现极低采样率下的压缩感知重建。
为达到上述目的，本发明另一方面实施例提出了一种结构光照明的频域光学相干层析方法，包括以下步骤：产生干净且空间分布均匀的准直高斯光束；对所述准直高斯光束进行幅值的调制，以得到所需要的结构光照明；对样本进行干涉测量，以得到所述样本的深度方向反射率信息；将入射的结所述构光照明成像至样本所在平面，且将经过样本反射的光返回到所述迈克尔逊干涉仪，进入探测端，以根据成像样本的尺度和分辨率的要求适应从微观到宏观的不同尺度和从低分辨率到高分辨率不同精度；在所述探测端将参考臂和样本臂合并的光束会聚到光谱仪探测的有效区域，并且以适应于所述空间光调制器的速率探测单点的光谱信息；产生触发信号确保所述空间光调制器和所述高速光谱探测系统同步的同时，通过压缩感知算法重建出多次结构光照明下平面中每个像素单元的光谱响应，并对其进行傅里叶变换得到对应的深度方向反射率信息，从而获得整个二维平面深度方向样本反射率信息，得到所述样本的光学层析的结果。
本发明实施例的结构光照明的频域光学相干层析方法，能够将频域光学相干层析系统单次测量仅能得到单点深度方向反射率信息而无横向信息与压缩感知成像能够以多次结构光照明重建出二维信息进行优势互补，得到整个样本二维平面上深度方向反射率的信息，从而有效提高相干层析的便捷性和鲁棒性，扩展性好，可以实现极低采样率下的有效重建。
另外，根据本发明上述实施例的结构光照明的频域光学相干层析方法还可以具有以下附加的技术特征：
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述通过压缩感知算法重建出多次结构光照明下平面中每个像素单元的光谱响应，还包括：利用所述多次结构光照明下样本平面整体在所述探测端整体的光谱响应，按照每个波长重建出所述样本平面每个像素单元的光谱响应，得到对应于频域光学相干层析系统逐点扫描的光谱响应。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述并对其进行傅里叶变换得到对应的深度方向反射率信息，从而获得整个二维平面深度方向样本反射率信息，还包括：将所述样本平面每个像素单元的光谱响应进行傅里叶变换得到该像素位置的深度方向反射率的信息，且将所有像素的深度方向折射率信息整合起来得到最终整个样本平面的深度方向反射率信息。
进一步地，在本发明的一个实施例中，利用哈达玛图案或正弦图案的正交基作为所述结构光照明的图案，通过多次结构光照明计算对应的哈达玛频域和傅里叶频域的系数，利用其对应的逆变换重建出压缩感知图像，或者，利用扰动的所述哈达玛图案并结合所述压缩感知算法上的优化实现极低采样率下的压缩感知重建。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本发明一个实施例的结构光照明的频域光学相干层析系统的结构示意图；
图2为根据本发明一个实施例的操作步骤流程图；
图3为根据本发明一个实施例的光路原理示意图；
图4为根据本发明一个实施例的结构光照明的频域光学相干层析方法的流程图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参照附图描述根据本发明实施例提出的结构光照明的频域光学相干层析系统及方法，首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的结构光照明的频域光学相干层析系统。
图1是本发明一个实施例的结构光照明的频域光学相干层析系统的结构示意图。
如图1所示，该结构光照明的频域光学相干层析系统10包括：空间滤波器100、空间光调制器200、迈克尔逊干涉仪300、成像系统400、高速光谱探测系统500和处理器600。
其中，空间滤波器100用于产生干净且空间分布均匀的准直高斯光束。空间光调制器200用于对准直高斯光束进行幅值的调制，以得到所需要的结构光照明。迈克尔逊干涉仪300用于对样本进行干涉测量，以得到样本的深度方向反射率信息。成像系统400用于将入射的结构光照明成像至样本所在平面，且将经过样本反射的光返回到迈克尔逊干涉仪300，进入探测端，以根据成像样本的尺度和分辨率的要求适应从微观到宏观的不同尺度和从低分辨率到高分辨率不同精度。高速光谱探测系统500用于在探测端将参考臂和样本臂合并的光束会聚到光谱仪探测的有效区域，并且以适应于空间光调制器200的速率探测单点的光谱信息。处理器600用于产生触发信号确保空间光调制器200和高速光谱探测系统500同步的同时，通过压缩感知算法重建出多次结构光照明下平面中每个像素单元的光谱响应，并对其进行傅里叶变换得到对应的深度方向反射率信息，从而获得整个二维平面深度方向样本反射率信息，得到样本的光学层析的结果。本发明实施例的系统10可以有效提高相干层析的便捷性和鲁棒性，扩展性好，可以实现极低采样率下的有效重建。
可以理解的是，本发明实施例将计算的方法引入光学相干层析技术领域，提出一种结构光照明的频域光学相干层析系统，以多次结构光照明替代机械扫描。同时结合压缩感知成像方法以低于奈奎斯特采样率的方式进行编码采集，提高采集的效率。并且这种复用采集的采集方式能够进一步地提高频域光学相干层析系统的采集信噪比，进而提供更高质量的层析图像用于生物医学成像和医疗诊断。
需要说明的是，光学相干层析通常一次探测只能获得单点深度方向的反射率信息，因此需要施加线性扫描或者二维扫描实现整个样本二维或者三维的成像，这个过程需要引入振镜等机械扫描装置，从而一定程度上增加了系统的复杂性和抗干扰能力。
具体而言，本发明实施例的系统10、硬件及子系统包括：空间滤波器100，其用于产生干净、空间分布均匀的准直高斯光束；空间光调制器200，其用于对光束进行幅值的调制，得到所需要的结构光照明；迈克尔逊干涉仪300，其用于对样本进行干涉测量，从而得到样本深度方向反射率信息；成像系统400，其用于将入射的结构光照明成像至样本所在平面，再将经过样本反射的光返回到迈克尔逊干涉仪300，进入探测端，根据成像样本的尺度和分辨率的要求，成像系统400可以适应从微观到宏观的不同尺度和从低分辨率到高分辨率不同精度；高速光谱探测系统500，其用于在探测端将参考臂和样本臂合并的光束会聚到光谱仪探测的有效区域，并且能够以适应于空间光调制器200的速率探测单点的光谱信息；处理器600，其用于一方面产生触发信号确保空间光调制器200和高速光谱探测系统500同步，另一方面通过压缩感知算法重建出多次结构光照明下平面中每个像素单元的光谱响应，并对其进行傅里叶变换得到对应的深度方向反射率信息，从而获得整个二维平面深度方向样本反射率信息，即样本的光学层析的结果。
进一步地，在本发明的一个实施例中，处理器600进一步用于利用多次结构光照明下样本平面整体在探测端整体的光谱响应，按照每个波长重建出样本平面每个像素单元的光谱响应，得到对应于频域光学相干层析系统逐点扫描的光谱响应。
具体而言，本发明实施例的系统10、软件及算法包括：压缩感知成像，其用于利用多次结构光照明下样本平面整体在探测端整体的光谱响应，按照每个波长重建出样本平面每个像素单元的光谱响应，即得到对应于频域光学相干层析系统逐点扫描的光谱响应。
举例而言，如图2所示，确定系统参数，搭建结构光照明系统。本发明所设计的光学相干层析系统需要根据实际的应用场景进行相应的参数选择和匹配。需要考虑的参数通常包括：
(1)光源的波长范围，通常由样本及所需达到的分辨率和穿透深度决定。光学相干层析系统通常能达到毫米级的穿透深度和微米级的横向及轴向分辨率。其中穿透深度和横向分辨率由选取的波长范围决定，波长越长穿透深度越大，横向分辨率越低，轴向分辨率还取决于光源的谱宽，光源光谱范围越宽，轴向分辨率越高。对于视网膜成像，通常将波长设定在800至900纳米近红外波段，一方面不易对人体产生伤害且人眼通常无法感知这个波长范围内的光，另一方面具有比较大的穿透深度，通常能达到2至3毫米；
(2)空间光调制器200的像素分辨率，通常由所需成像样本像素分辨率的要求决定。由于结构光照明系统通常用多个像素组成的超像素对实际一个像素进行编码，因此空间光调制器200的像素分辨率还取决于超像素的像素单元数量。
搭建结构光照明系统，通过对从光源出来的光进行准直扩束，得到均匀准直的光束，经过空间光调制器200和适当的成像系统400得到结构光照明。
进一步地，采集多次结构光照明下的光谱响应。根据预先设定的结构光照的压缩感知重建方式生成对应的图案，依次显示在空间光调制器200上，并且依次接收每个照明图案下光谱仪的响应。
并且，压缩感知重建每个像素的光谱响应。对于光谱仪采集到的每个波长，整合所有结构光照明下的图案及对应的测量值，利用压缩感知算法进行恢复重建，得到每个像素在该波长下的响应，计算所有波长的结果，得到每个像素的光谱响应。
进一步地，在本发明的一个实施例中，处理器600进一步用于将样本平面每个像素单元的光谱响应进行傅里叶变换得到该像素位置的深度方向反射率的信息，且将所有像素的深度方向折射率信息整合起来得到最终整个样本平面的深度方向反射率信息。
具体而言，本发明实施例的系统10、软件及算法包括：频域光学相干层析重建，其用于将样本平面每个像素单元的光谱响应进行傅里叶变换得到该像素位置的深度方向反射率的信息，再将所有像素的深度方向折射率信息整合起来得到最终整个样本平面的深度方向反射率信息。
举例而言，如图2所示，搭建频域光学相干层析系统。从结构光照出发搭建频域光学相干层析系统。首先，结构光照经过分光棱镜分成参考臂和样本臂，参考臂为平面反射镜放置在便于调节光程差的平移台上，样本臂经过成像系统400将结构光照入射到样本，两束光分别经反射镜和样本反射由原来的分光棱镜合并，组成迈克尔逊干涉仪300，实验过程中，调节参考臂平面镜的位置(即图3中的2(Xr-Xs)，其中Xr和Xs分别表示参考臂和样本臂到分光棱镜的距离)，使经分光棱镜合并的光的光程差在光源的相干长度以内，保证其在探测臂发生干涉。最终在探测臂由会聚透镜和光谱仪进行会聚和探测。
其次，傅里叶变换得到每个像素的自相关函数。每个像素的光谱响应对应于该像素位置干涉仪的功率谱密度函数，根据维纳-辛钦定理，功率受限信号的自相关函数与其功率谱密度函数是傅里叶变换关系，将每个像素位置的功率谱密度函数进行傅里叶变化即得到该像素位置的自相关函数。
进一步地，从自相关函数计算每个像素深度方向反射率信息。从每个像素自相关函数的包络中得到该像素位置深度方向反射率强度。
更进一步地，整个全平面的深度方向反射率信息并进行可视化。将所有像素深度方向反射率强度整合为三维空间的反射率分布的图像，利用三维可视化工具对三维反射率图像进行可视化呈现。
可选地，在本发明的一个实施例中，从微米级到米级，其中不同尺度的成像系统400通过调整空间光调制器200到样本之间的成像模块实现。
可以理解的是，本发明实施例的系统10适用于宽尺度的成像系统400，从微米级到米级，其中不同尺度的成像系统400通过调整空间光调制器200到样本之间的成像模块实现。
进一步地，在本发明的一个实施例中，利用哈达玛图案或正弦图案的正交基作为结构光照明的图案，通过多次结构光照明计算对应的哈达玛频域和傅里叶频域的系数，利用其对应的逆变换重建出压缩感知图像，或者，利用扰动的哈达玛图案并结合压缩感知算法上的优化实现极低采样率下的压缩感知重建。
可以理解的是，本发明实施例的系统10适用于对机械扫描敏感的应用场景，通过引入压缩感知成像的模式，用多次结构光照明替代机械扫描的方式，是系统整体更具鲁棒性且对例如航空航天及生物活体实验等对机械扫描敏感的应用具有很好的适用性。
具体地，本发明实施例系统10包括通过对结构光照明的图案进行优化提高压缩感知成像过程中的成像速率和成像质量的方法。更具体地，利用如哈达玛图案或正弦图案这种正交基作为结构光照明的图案，通过多次结构光照明计算对应的哈达玛频域和傅里叶频域的系数，再利用其对应的逆变换重建出压缩感知图像。或者，利用扰动的哈达玛图案并结合压缩感知算法上的优化实现极低采样率下的压缩感知重建。
在本发明的一个具体实施例中，本发明实施例的系统10是根据频域光学相干层析，可以利用单点的频谱测量得到对应位置的深度方向信息和多次的结构光照明，可以取代机械式扫描得到横向的二维信息提出的，在原有的基于机械式单点扫描的频域光学相干层析系统的基础上，引入整个视场或者部分视场的结构光照明，并通过多次变换结构光照明的图案并结合压缩感知算法进行重建，进而实现无需机械扫描的频域光学相干层析。
本发明实施例的光学结构特征在于将宽谱光源经过准直扩束得到的准直光束入射到空间光调制器200上获得结构光照明，再将结构光入射到分光棱镜，组成迈克尔逊干涉仪300，其中的一臂为反射镜，作为参考臂放置在可调节距离的平移台上，另一臂为成像系统400和样本，作为样本臂同样放置在可调节距离的平移台上，参考臂和样本臂的光各自经过反射镜和样本反射之后回到分光棱镜合并为一束光，作为探测臂，由会聚透镜将合并的光束会聚到光谱仪的有效探测区域内，测量对应的光谱响应。其中样本臂经过成像系统400将结构光投影到样本所在平面，然后样本反射的光再依次经过成像系统400和空间光调制器200到分光棱镜与参考臂的光束合并。
本发明实施例的基本原理特征在于根据频域光学相干层析的原理，探测臂的光谱信息可以通过傅里叶变换得到样本的深度方向的反射率信息，同时由于采用的是整个视场或者部分视场的结构光照明，因此多次结构光照明能够利用压缩感知重建每个单点对应波长的响应，从而利用自相关函数与频谱密度函数之间的傅里叶变换关系得到每个单点的深度方向反射率的信息，进而获得整个二维平面的深度方向反射率信息，从而实现无需机械扫描的光学相干层析。结构光照明的频率光学相干层析系统的突出优势在于引入结构光照取代机械式扫描的方式，提高系统整体的可重复性和易用性，并且结构光照明的全视场的编码采集的方式能够进一步地提高频域光学相干层析的探测信噪比，从而应用于极弱光探测和穿过散射介质成像等方面。
综上，本发明实施例具有以下三点优势：
(1)无需机械扫描。以多次结构光照明和压缩感知重建替代传统的频域光学相干层析的机械扫描带来的系统复杂性和易受扰性的问题，使整体系统从光学结构到机械结构都具有非常强的鲁棒性，为其实际应用铺平道路。
(2)系统保留对红外及更宽谱段的扩展能力。由于整体系统从迈克尔逊干涉仪300的搭建到干涉信号的光谱探测都可扩展至如近红外或更宽的谱段，这将为在非可见光谱段范围的应用带来便利。
(3)极低采样率压缩感知重建。通过对结构光照明的图案进行设计，如采用哈达玛编码和正弦编码这种正交基编码的方式和扰动的哈达玛编码的方式，结合相应的压缩感知重建算法可以实现极低采样率下的有效重建。
根据本发明实施例提出的结构光照明的频域光学相干层析系统，能够将频域光学相干层析系统单次测量仅能得到单点深度方向反射率信息而无横向信息与压缩感知成像能够以多次结构光照明重建出二维信息进行优势互补，得到整个样本二维平面上深度方向反射率的信息，从而有效提高相干层析的便捷性和鲁棒性，扩展性好，可以实现极低采样率下的有效重建。
其次参照附图描述根据本发明实施例提出的结构光照明的频域光学相干层析方法。
如图4所示，该结构光照明的频域光学相干层析方法包括以下步骤：
在步骤S401中，产生干净且空间分布均匀的准直高斯光束。
在步骤S402中，对准直高斯光束进行幅值的调制，以得到所需要的结构光照明。
在步骤S403中，对样本进行干涉测量，以得到样本的深度方向反射率信息。
在步骤S404中，将入射的结构光照明成像至样本所在平面，且将经过样本反射的光返回到迈克尔逊干涉仪，进入探测端，以根据成像样本的尺度和分辨率的要求适应从微观到宏观的不同尺度和从低分辨率到高分辨率不同精度。
在步骤S405中，在探测端将参考臂和样本臂合并的光束会聚到光谱仪探测的有效区域，并且以适应于空间光调制器的速率探测单点的光谱信息。
在步骤S406中，产生触发信号确保空间光调制器和高速光谱探测系统同步的同时，通过压缩感知算法重建出多次结构光照明下平面中每个像素单元的光谱响应，并对其进行傅里叶变换得到对应的深度方向反射率信息，从而获得整个二维平面深度方向样本反射率信息，得到样本的光学层析的结果。
进一步地，在本发明的一个实施例中，通过压缩感知算法重建出多次结构光照明下平面中每个像素单元的光谱响应，还包括：利用多次结构光照明下样本平面整体在探测端整体的光谱响应，按照每个波长重建出样本平面每个像素单元的光谱响应，得到对应于频域光学相干层析系统逐点扫描的光谱响应。
进一步地，在本发明的一个实施例中，并对其进行傅里叶变换得到对应的深度方向反射率信息，从而获得整个二维平面深度方向样本反射率信息，还包括：将样本平面每个像素单元的光谱响应进行傅里叶变换得到该像素位置的深度方向反射率的信息，且将所有像素的深度方向折射率信息整合起来得到最终整个样本平面的深度方向反射率信息。
进一步地，在本发明的一个实施例中，利用哈达玛图案或正弦图案的正交基作为结构光照明的图案，通过多次结构光照明计算对应的哈达玛频域和傅里叶频域的系数，利用其对应的逆变换重建出压缩感知图像，或者，利用扰动的哈达玛图案并结合压缩感知算法上的优化实现极低采样率下的压缩感知重建。
需要说明的是，前述对结构光照明的频域光学相干层析系统实施例的解释说明也适用于该实施例的结构光照明的频域光学相干层析方法，此处不再赘述。
根据本发明实施例提出的结构光照明的频域光学相干层析方法，能够将频域光学相干层析系统单次测量仅能得到单点深度方向反射率信息而无横向信息与压缩感知成像能够以多次结构光照明重建出二维信息进行优势互补，得到整个样本二维平面上深度方向反射率的信息，从而有效提高相干层析的便捷性和鲁棒性，扩展性好，可以实现极低采样率下的有效重建。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (9)
1.一种结构光照明的频域光学相干层析系统，其特征在于，包括：
空间滤波器，用于产生干净且空间分布均匀的准直高斯光束；
空间光调制器，用于对所述准直高斯光束进行幅值的调制，以得到所需要的结构光照明；
迈克尔逊干涉仪，用于对样本进行干涉测量，以得到所述样本的深度方向反射率信息；
成像系统，用于将入射的所述结构光照明成像至样本所在平面，且将经过样本反射的光返回到所述迈克尔逊干涉仪，进入探测端，以根据成像样本的尺度和分辨率的要求适应从微观到宏观的不同尺度和从低分辨率到高分辨率不同精度；
高速光谱探测系统，用于在所述探测端将参考臂和样本臂合并的光束会聚到光谱仪探测的有效区域，并且以适应于所述空间光调制器的速率探测单点的光谱信息；以及
处理器，用于产生触发信号确保所述空间光调制器和所述高速光谱探测系统同步的同时，通过压缩感知算法重建出多次结构光照明下平面中每个像素单元的光谱响应，并对其进行傅里叶变换得到对应的深度方向反射率信息，从而获得整个二维平面深度方向样本反射率信息，得到所述样本的光学层析的结果。
2.根据权利要求1所述的结构光照明的频域光学相干层析系统，其特征在于，所述处理器进一步用于利用所述多次结构光照明下样本平面整体在所述探测端整体的光谱响应，按照每个波长重建出所述样本平面每个像素单元的光谱响应，得到对应于频域光学相干层析系统逐点扫描的光谱响应。
3.根据权利要求2所述的结构光照明的频域光学相干层析系统，其特征在于，所述处理器进一步用于将所述样本平面每个像素单元的光谱响应进行傅里叶变换得到该像素位置的深度方向反射率的信息，且将所有像素的深度方向折射率信息整合起来得到最终整个样本平面的深度方向反射率信息。
4.根据权利要求1所述的结构光照明的频域光学相干层析系统，其特征在于，从微米级到米级，其中不同尺度的成像系统通过调整所述空间光调制器到所述样本之间的成像模块实现。
5.根据权利要求1所述的结构光照明的频域光学相干层析系统，其特征在于，利用哈达玛图案或正弦图案的正交基作为所述结构光照明的图案，通过多次结构光照明计算对应的哈达玛频域和傅里叶频域的系数，利用其对应的逆变换重建出压缩感知图像，或者，利用扰动的所述哈达玛图案并结合所述压缩感知算法上的优化实现极低采样率下的压缩感知重建。
6.一种结构光照明的频域光学相干层析方法，其特征在于，包括以下步骤：
产生干净且空间分布均匀的准直高斯光束；
对所述准直高斯光束进行幅值的调制，以得到所需要的结构光照明；
对样本进行干涉测量，以得到所述样本的深度方向反射率信息；
将入射的所述结构光照明成像至样本所在平面，且将经过样本反射的光返回到迈克尔逊干涉仪，进入探测端，以根据成像样本的尺度和分辨率的要求适应从微观到宏观的不同尺度和从低分辨率到高分辨率不同精度；
在所述探测端通过高速光谱探测系统将参考臂和样本臂合并的光束会聚到光谱仪探测的有效区域，并且以适应于空间光调制器的速率探测单点的光谱信息；以及
产生触发信号确保所述空间光调制器和所述高速光谱探测系统同步的同时，通过压缩感知算法重建出多次结构光照明下平面中每个像素单元的光谱响应，并对其进行傅里叶变换得到对应的深度方向反射率信息，从而获得整个二维平面深度方向样本反射率信息，得到所述样本的光学层析的结果。
7.根据权利要求6所述的结构光照明的频域光学相干层析方法，其特征在于，所述通过压缩感知算法重建出多次结构光照明下平面中每个像素单元的光谱响应，还包括：
利用所述多次结构光照明下样本平面整体在所述探测端整体的光谱响应，按照每个波长重建出所述样本平面每个像素单元的光谱响应，得到对应于频域光学相干层析系统逐点扫描的光谱响应。
8.根据权利要求7所述的结构光照明的频域光学相干层析方法，其特征在于，所述并对其进行傅里叶变换得到对应的深度方向反射率信息，从而获得整个二维平面深度方向样本反射率信息，还包括：
将所述样本平面每个像素单元的光谱响应进行傅里叶变换得到该像素位置的深度方向反射率的信息，且将所有像素的深度方向折射率信息整合起来得到最终整个样本平面的深度方向反射率信息。
9.根据权利要求6所述的结构光照明的频域光学相干层析方法，其特征在于，利用哈达玛图案或正弦图案的正交基作为所述结构光照明的图案，通过多次结构光照明计算对应的哈达玛频域和傅里叶频域的系数，利用其对应的逆变换重建出压缩感知图像，或者，利用扰动的所述哈达玛图案并结合所述压缩感知算法上的优化实现极低采样率下的压缩感知重建。
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