CN109211415A - 一种基于光源光谱特征波长的波长标定方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于光源光谱特征波长的波长标定方法，属于光谱标定技术领域。用于对谱域光学相干层析成像系统中激光光源发出的光进行波长标定，包括如下步骤：步骤一：搭建快速光谱仪采集谱域光学相干层析成像系统中的干涉光，快速光谱仪包括准直器、光栅、聚焦透镜和线阵CCD相机，干涉光经过准直器后在光栅处发生衍射产生衍射光，衍射光通过聚焦透镜聚焦后被线阵CCD相机探测；步骤二：提取线阵CCD相机探测得到的衍射光光谱中波峰和波谷的波长值作为特征波长，记录每个特征波长对应的像素点；步骤三：对每个特征波长和该特征波长对应的像素点进行多项式拟合，得到拟合曲线作为波长标定曲线。本发明不需要额外的波长标定源且具有高精度的特点。
Description
技术领域
本发明属于光谱标定技术领域，涉及一种基于光源光谱特征波长的波长标定方法，尤其适用于谱域光学相干层析成像技术。
背景技术
光学相干层析成像(optical coherence tomography，OCT)技术是一种高分辨率的生物医学成像手段，能够通过测量生物组织的背向散射光对生物组织结构进行二维断面和三维立体成像。由于具有非侵入式、非接触式、能进行活体成像、实时成像和高分辨率等特点，OCT已经逐步在许多领域有着广泛的应用，具有良好的发展前景。
在过去的十年中，随着光源和探测器技术的发展，作为第二代OCT技术的傅里叶域光学相干层析成像技术(FD-OCT)也因此得到了快速发展。傅立叶域OCT又可分为两种：谱域OCT(SD-OCT)和扫频源OCT(SS-OCT)。与第一代OCT技术的时域光学相干层析成像技术(TD-OCT)相比，SD-OCT的信噪比和成像速度大大提高。
与其他OCT系统一样，SD-OCT系统本质上也是一个基于迈克尔逊Michelson干涉仪的低相干系统。它通过光谱仪获得光谱数据，并将CCD相机采集的干涉光谱信号由波长空间(λ-space)一一映射到波数空间(k-space)。然后，通过k空间内的插值和重采样，得到了一种新的干涉谱。最后，利用新干涉谱的傅里叶变换重构样本的图像信息。k空间到λ空间的映射是一个至关重要的步骤，利用上述所采用的重采样等数据处理方法，可以有效地减少SD-OCT系统的信噪比和轴向分辨率。在k空间到λ空间的映射过程中最重要的步骤为波长标定，即为线阵扫描CCD的每个相应像素分配特定波长的过程。
为了确定线阵CCD上的波长分布，已有许多文献报道了多种波长标定方法。传统的波长标定方法需要通过测量标准波长标定材料的发射光谱进行标定，而最常用、最方便的标准标定材料是汞氩灯。波长标定首先从测量汞氩灯在SD-OCT系统光谱仪可以检测到的波长范围内所产生的特定光谱线开始，然后记录这些特定光谱线对应的线阵CCD像素坐标，最后采用多项式拟合方法将整个像素与波长一一映射，实现波长标定。
针对多项式拟合波长标定方法精度低的缺点，近十年来提出了许多新的波长标定方法。Yoimgquist等人使用白光干涉仪人工制造等距谱线。Perret等人使用Fabry-Perot干涉滤波片(FRT)制造出了等距等光强的谱线。Martinsen等人利用单色仪一次只测量标定光源的一条特征谱线，有效地避免了光谱分辨率限制对波长标定的影响。上述三种波长标定方法提高了波长标定的精度，但仍未能突破多项式拟合波长标定方法的局限性。同时，上述所有方法都需要额外的标准波长标定材料或仪器。
为了在不增加标定光源的情况下确定光谱仪上的波长分布，近年来同样提出了许多波长标定方法。Wang等人提出了一种基于相位线性化的方法，该方法直接对样品臂平面镜产生的干涉光谱信号进行希尔伯特变换，从而得到干涉光谱信号的相位，但希尔伯特变换将产生2π歧义，因此其在解相位包裹时产生的误差将使标定精度低于传统波长标定方法。此外，TaeJoong等人还提出了一种利用光纤布拉格光栅获取自制光谱仪校准因子的波长标定方法，该方法在不采用额外标定光源的情况下，利用光栅方程来确定CCD像素域与波长域之间的非线性拟合函数。尽管其标定精度较高，但该方法额外使用了5个具有相同反射率及窄带宽的布拉格光栅，因此其实验成本及要求较高，未达到较好的普适性。
发明内容
针对上述不足之处，本发明提出了一种基于光源光谱特征波长的波长标定方法，不需要额外的波长标定源，且具有高精度的特点。
本发明为了实现上述目的，具体采用以下技术方案：
一种基于光源光谱特征波长的波长标定方法，用于对谱域光学相干层析成像系统中激光光源1发出的光进行波长标定，所述谱域光学相干层析成像系统还包括光隔离器2、耦合器3、参考臂模块4和样品臂模块5，所述激光光源1发出的光经过光隔离器2后进入耦合器3，通过所述耦合器3的光分为两路，一路进入参考臂模块4，另一路进入样品臂模块5，所述参考臂模块4和样品臂模块5反射回来的光进入所述耦合器3内发生干涉形成干涉光；
所述波长标定方法包括如下步骤：
步骤一：搭建快速光谱仪6采集所述干涉光，所述快速光谱仪6包括准直器11、光栅10、聚焦透镜9和线阵CCD相机8，所述干涉光经过所述准直器11准直后在所述光栅10处发生衍射产生衍射光，所述衍射光通过所述聚焦透镜9聚焦后被所述线阵CCD相机8探测；
步骤二：提取所述线阵CCD相机8探测得到的所述衍射光光谱中波峰和波谷的波长值作为特征波长，并记录每个所述特征波长对应的像素点；
步骤三：对每个所述特征波长和该特征波长对应的像素点进行多项式拟合，得到拟合曲线作为波长标定曲线。
具体的，所述步骤三中对每个所述特征波长和该特征波长对应的像素点进行三阶多项式拟合，所述三阶多项式拟合的表达式如下：
λp＝p1x3+p2x2+p3x+p4
其中λP表示像素点为x坐标对应的所述特征波长，P4表示第一个像素点对应的波长，P3、P2和P1分别表示一阶、二阶和三阶拟合系数。
具体的，所述聚焦透镜9为消色差双胶合透镜。
本发明的工作原理为：通过观察光源发出的光通过快速光谱仪6后由线阵CCD相机8所采集到的光谱，利用光源光谱中波峰和波谷对应的波长值作为特征波长来代替传统汞氩灯校准方法中的特殊谱线，记录这些特征波长所对应的CCD像素点，然后对CCD像素点与特征波长进行三阶多项式拟合，得到校正决定系数值最接近1的拟合曲线作为波长标定曲线，从而实现波长λ空间到波数k空间的完美映射。
本发明的有益效果为：本发明提供了一种基于光源光谱特征波长的波长标定方法，实现了波长λ空间到波数k空间的精准映射，从而应用于谱域光学相干层析成像技术中可以生成较高质量的二维图像；同时该方法利用光源光谱的特征波长代替了传统标定方法中标准波长标定材料的发射光谱线，因此不需要额外的标定源。
附图说明
图1是本发明提出的一种基于光源光谱特征波长的波长标定方法所适用的SD-OCT的结构示意图。
图2是本发明提出的一种基于光源光谱特征波长的波长标定方法中光谱仪的内部结构示意图。
图3是实施例中采集到的846nm的SLD宽带光源光谱波形图。
图4是实施例中采用本发明提出的一种基于光源光谱特征波长的波长标定方法得到的CCD像素点与波长拟合曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
本发明提出的一种基于光源光谱特征波长的波长标定方法，能够适用于谱域光学相干层析成像系统(SD-OCT)，如图1所示是本实施例中搭建的SD-OCT系统装置图，包括激光光源1、光隔离器2、耦合器3、参考臂模块4、样品臂模块5、快速光谱仪6和主机模块7。激光光源1发出光通过光隔离器2后进入耦合器3，通过耦合器3后的光分为两路，一路进入参考臂模块4，另一路进入样品臂模块5。参考臂模块4和样品臂模块5反射回的光进入耦合器3，在耦合器3内发生干涉并输入到快速光谱仪6中。快速光谱仪6用于探测干涉光谱信号。主机模块7一端用来接收并采集快速光谱仪6输出的光谱信号，另一端则与样品臂模块5连接。
本实施例中的激光光源1选择中心波长为846nm的SLD宽带光源(Superlum,Russia,M-D-840)。耦合器3为50：50的宽带耦合器。
一些实施例中参考臂模块4包括偏振控制器、准直器、凸透镜和平面镜，光由偏振控制器控制光纤输入激光的偏振方向，并通过准直器准直后由凸透镜聚焦于平面镜上，由平面镜反射回的激光则沿着相反路径通过光纤进入耦合器3。
样品臂模块5包括偏振控制器、准直器、x轴振镜、y轴振镜和凸透镜，光由偏振控制器控制光纤输入激光的偏振方向，并通过准直器准直后打在x轴振镜上。经x轴振镜折射后的光打在y轴振镜上，并于再一次折射后垂直通过凸透镜。由凸透镜输出的光聚焦于所选样品上并将样品部分散射光逆着输入方向通过光纤返回耦合器3。x轴振镜、y轴振镜分别与主机模块7相连，由主机模块7控制x轴振镜、y轴振镜的旋转，实现光的横向扫描从而实现SD-OCT的二维成像。偏振控制器用来使参考光与样品光的偏振态匹配，从而使干涉条纹可见度最大。
快速光谱仪6包括准直器11、光栅10、聚焦透镜9和线阵CCD相机8，耦合器3发出的干涉光进入准直器11，准之后的光入射到光栅10在光栅10处发生衍射产生衍射光，衍射光由聚焦透镜9聚焦后被线阵CCD相机8探测并接收。
线阵CCD相机8与主机模块7一端相连接，由主机模块7对线阵CCD相机8进行操控，通过主机模块7内的主机电脑设置线阵CCD相机8的使用模式，并通过主机模块7内的图像采集卡将线阵CCD相机8所接收到的衍射光谱信号采集并传输到主机模块7的电脑中进行数据处理，从而分别得到衍射光谱波形图和样品深度方向上的二维截面图，其数据处理过程包括去直流、CCD线性补偿、重采样和光谱整形等。主机模块7另一端则与样品臂模块5内的x轴振镜和y轴振镜相连接，用来控制x轴振镜和y轴振镜的旋转，从而实现准直激光在样品上的二维扫描。
本实施例中快速光谱仪6内的光栅10为1200线对的透射式光栅(Wasatch Photonics)，其在里特罗条件下的中心波长为840nm；一些实施例中还可以为反射式光栅。聚焦透镜9为消色差双胶合透镜，焦距为150mm(Edmund optics)，与普通透镜相比，消色差双胶合透镜具有卓越的色差和球差校正功能。准直器11的聚焦长度为60mm(OZ optics)。
本实施例中的线阵CCD相机8采用E2v公司的线阵CCD型号为EV71YEM2CL2014-BA0，其参数为：2048个像素，每个像素大小为14×14μm，最高数据传输速度为160Mpixels/s，对应的线速度为79KHz。本实施例中的高速图像采集板型号为德国Silicon Software公司的microEnable IV VD4-CL。
本实施例中利用上述器件进行波长标定的方法为：
步骤一：利用快速光谱仪6采集SD-OCT内耦合器3发出的干涉光，干涉光经过准直器11准直后在透射式光栅10处发生衍射产生衍射光，衍射光通过消色差双胶合透镜9聚焦后被线阵CCD相机8探测。
步骤二：提取线阵CCD相机8探测得到的衍射光光谱中波峰和波谷的波长值作为特征波长，记录每个特征波长对应的像素点。图3是本实施例中利用快速光谱仪6所测的中心波长为846nm的SLD宽带光源光谱波形图，其波峰波谷的对应波长分别为798.7nm、807.0nm、840.7nm、855.8nm、863.3nm、872.5nm和883.3nm。本实施例中将上述波长值作为特征波长来代替汞氩灯校准方法中的特殊谱线，因而不需要使用额外的标准波长标定光源。经过SD-OCT系统后，线阵CCD相机8上接收到的对应上述特征波长值的像素点则分别为343、459、935、1135、1225、1354和1488。
步骤三：对每个特征波长和该特征波长对应的像素点进行多项式拟合，得到拟合曲线作为波长标定曲线。图4是本实施例中采用本发明提出的一种基于光源光谱特征波长的波长标定方法得到的CCD像素点与波长的拟合曲线。由于目前基本所有自制光谱仪采用的波长标定方法都是利用多项式拟合方法，因此本实施例中同样按传统的多项式拟合方法来进行波长标定。多项式次数会影响多项式拟合的精度，一般而言，多项式次数越高其拟合精度也越高，但次数过高会造成拟合曲线的振荡。此外，在满足一定拟合精度要求之后，低项次的多项式拟合相对于高项次拟合，其在软件数据处理的实时性上将更高。综上，本实施例中采用三阶多项式来拟合CCD像素点与波长的关系。对CCD像素点与特征波长进行三阶拟合便可确定拟合函数。三阶多项式拟合的表达式可以用式(1)表示：
λp＝p1x3+p2x2+p3x+p4 (1)
λP表示CCD像素坐标x位置所对应的波长，P4为第一个像素点对应的波长，P3、P2、P1则分别为一阶、二阶和三阶拟合系数。由图4可知，利用本发明提出的一种基于光源光谱特征波长的波长标定方法得到的拟合曲线的校正决定系数值(the adjusted R-squarevalue)为0.9999，实现了将CCD相机采集的干涉光谱信号由波长空间(λ-space)完美映射到波数空间(k-space)。
本发明提出的波长标定方法，基于连续谱的光源光谱，与传统基于非连续谱的波长标定方法相比，由于非连续谱中特征波长本身就存在，而本发明中特别选取光源光谱中波峰和波谷对应的波长作为特征波长，利用所提取的特征波长进行波长标定得到的拟合曲线的校正决定系数值可以最大程度地接近1，实现波长空间到波数空间的完美映射。
本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
Claims (3)
1.一种基于光源光谱特征波长的波长标定方法，用于对谱域光学相干层析成像系统中激光光源(1)发出的光进行波长标定，所述谱域光学相干层析成像系统还包括光隔离器(2)、耦合器(3)、参考臂模块(4)和样品臂模块(5)，所述激光光源(1)发出的光经过光隔离器(2)后进入耦合器(3)，通过所述耦合器(3)的光分为两路，一路进入参考臂模块(4)，另一路进入样品臂模块(5)，所述参考臂模块(4)和样品臂模块(5)反射回来的光进入所述耦合器(3)内发生干涉形成干涉光；
其特征在于，所述波长标定方法包括如下步骤：
步骤一：搭建快速光谱仪(6)采集所述干涉光，所述快速光谱仪(6)包括准直器(11)、光栅(10)、聚焦透镜(9)和线阵CCD相机(8)，所述干涉光经过所述准直器(11)准直后在所述光栅(10)处发生衍射产生衍射光，所述衍射光通过所述聚焦透镜(9)聚焦后被所述线阵CCD相机(8)探测；
步骤二：提取所述线阵CCD相机(8)探测得到的所述衍射光光谱中波峰和波谷的波长值作为特征波长，并记录每个所述特征波长对应的像素点；
步骤三：对每个所述特征波长和该特征波长对应的像素点进行多项式拟合，得到拟合曲线作为波长标定曲线。
2.根据权利要求1所述的基于光源光谱特征波长的波长标定方法，其特征在于，所述步骤三中对每个所述特征波长和该特征波长对应的像素点进行三阶多项式拟合，所述三阶多项式拟合的表达式如下：
λp＝p1x3+p2x2+p3x+p4
其中λP表示像素点为x坐标对应的所述特征波长，P4表示第一个像素点对应的波长，P3、P2和P1分别表示一阶、二阶和三阶拟合系数。
3.根据权利要求1或2所述的基于光源光谱特征波长的波长标定方法，其特征在于，所述聚焦透镜(9)为消色差双胶合透镜。
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