CN109297595B - 一种光学相干层析相位解卷绕的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光学相干层析相位解卷绕的装置，包括，宽带光源，用于发出光线；耦合器，用于将光线进行耦合；第一透镜，用于将发散光线变为准直光线；第二透镜，用于将发散光线变为准直光线；第三透镜，用于将准直光线进行汇集；光学玻璃，用于实现部分光线的透射和部分光线的反射；样品台，用于盛放样品；透射光栅，用于产生衍射光谱；第四透镜，用于将光线进行汇集；CCD线阵相机，用于采集光谱信息，并将光谱信息传输到处理器；处理器，用于对光谱信息进行分析。本发明能够改进现有技术的不足，解决SDOCT中相位卷绕的问题。
Description
技术领域
本发明涉及三维层析成像技术领域，特别是一种光学相干层析相位解卷绕的方法及装置。
背景技术
在光学相干层析(optical coherence tomography，OCT)中，相位信息是其中重要的组成部分，利用OCT的相位信息可以实现纳米级材料表面轮廓测量、细胞相位成像、血液流速检测等。近年来，发展了多种相位测量技术，如衍射相位显微镜、傅里叶相位显微镜、希尔伯特相位显微镜以及数字全息技术等，能够实现纳米级别的高精度相位成像。然而相位卷绕是限制上述相位成像技术应用的主要问题，相位卷绕是干涉检测的固有问题，其描述的是当相位变化超过一个周期2π之后又会重复变化，从而产生相位多值性。长期以来，有许多数值去卷绕方法被提出，其基本原理都是根据相位图的连续性对原卷绕位图进行补偿。但是当相位噪声较大，或者相位急剧变化造成过度卷绕时，这些数值去卷绕方法就会受到影响而失效，尤其是当相位急剧变化超过π时，理论上数值去卷绕方法已无法恢复真实相位。
近来，一种基于低相干光干涉的谱域光学相干层析(Spectral Domain OpticalCoherence Tomography,SDOCT)提供了简便的相位计算方法，该技术在提高相位成像的稳定性同时，实现了亚纳米级的精度。但和其他相位成像方法类似，SDOCT也存在相位卷绕，例如相位成像时，相位物体的尖锐变化区域和多普勒OCT测血流时流速湍急处，都会由于相位的过度卷绕而影响结果。目前已有数种方法被提出以解决SD-OCT中的相位卷绕问题。王毅等(基于谱域相位分辨光学相干层析的纳米级表面形貌成像，物理学报，2017)利用相邻两点复共轭相减，将相邻两点相位差绝对值的限制条件由目前的π扩大到2π；Hansford等(Synthetic wavelength based phase unwrapping in spectral domain opticalcoherence tomography，OPTICS EXPRESS，2009)利用合成波长方法拓展了测量范围；Jun等(High-dynamic-range quantitative phase imaging with spectral domain phasemicroscopy，OPTICS LETTERS，2009)由干涉光谱相位函数的斜率计算绝对相位。但是，以上方法在拓展了测量范围的同时也成倍放大了噪声，故得到的相位只能作为参照，通过2π分段对卷绕相位进行补偿，如Jun报道的“High-dynamic-range quantitative phaseimaging with spectral domain phase microscopy” (OPTICS LETTERS，2009)，Yangzhi等报道的“High-sensitive and broad-dynamic-range quantitative phase imagingwith spectral domain phase microscopy”(OPTICS EXPRESS，2013)。这种分段补偿方法的缺陷在于在每一段分段的边界处，放大的噪声会导致卷绕周期的误判，产生2π的补偿误差，从而使得最终噪声被放大到2π，该边界错误即使在较小的噪声条件下依然无法避免。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种光学相干层析相位解卷绕的方法及装置，解决SDOCT中相位卷绕的问题。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案如下。
一种光学相干层析相位解卷绕的装置，包括，
宽带光源，用于发出光线；
耦合器，用于分光；
第一透镜，用于将发散光线变为准直光线；
第二透镜，用于将发散光线变为准直光线；
第三透镜，用于将准直光线进行汇集；
光学玻璃，用于实现部分光线的透射和部分光线的反射；由其下表面作为参考面，其下表面反射的光为参考光，其透射光为探测光；
样品台，用于盛放样品；
透射光栅，用于产生衍射光谱；
第四透镜，用于将经过透射光栅衍射的光成像于CCD线阵相机；
CCD线阵相机，用于采集光谱信息，并将光谱信息传输到计算机；
计算机，用于对光谱信息进行分析。
一种上述的光学相干层析相位解卷绕的装置的相位解卷绕的方法，包括以下步骤，
A、宽带光源发出的光经过耦合器后射出，由第一透镜准直，由第三透镜汇聚后经过光学玻璃，聚焦在搭载在样品台的样品上，经样品反射的样品光沿原路返回，经过耦合器、光栅，进入CCD线阵相机；
B、由光学玻璃的下表面反射的光，沿原路返回，经过耦合器、光栅，进入CCD线阵相机；
C、进入CCD线阵相机的参考光和样品光进行干涉，形成干涉光谱， CCD线阵相机将采集到的干涉光谱传输到计算机进行分析。
作为优选，步骤C中，对光谱信息进行分析包括以下步骤，
C1、获取谱域光学相干层析的干涉光谱P0(k)，k为波数，经过滤波，消除直流分量，经傅里叶变换，得到干涉光谱的幅度谱和相位谱，设定幅度谱的极大值点坐标为(x0,a0)，x0和a0分辨表示横坐标和纵坐标的值，设定在相位谱中，横坐标x0对应的相位为θ0；由傅里叶变换得到的θ0为卷绕相位，设定实际相位为θ＝θ0+2n0π，n0为待确定的卷绕次数；
C2、生成仿真光谱Pn(k)，
上式中k、θ′、kc为系统参数，k表示光谱仪的光谱轴，用波数表示，θ′为初始相位，kc为k的中心值；
C3、将光谱轴k分成相等的两部分，k1和k2，k1和kz的中心值分别为 k1c和k2c。将测量到的干涉光谱P0(k)和仿真光谱Pn(k)按照k1和k2分成两部分，分别为P0(k1)和P0(k2)、Pn(k1)和Pn(k2)；分别如步骤C1 所示方法计算P0(k1)、P0(k2)、Pn(k1)和Pn(k2)的相位，分别为θ01、θ02、θn1和θn2；
C4、在公式(1)中n取不同的值，计算Pn(k)，经步骤C2，得到不同的θn1和θn2，令
为：
当n等于nmin，
为最小值时，此时的nmin即为待确定的卷绕次数n0；
得到实际相位为(θ0+2πnmin)。
采用上述技术方案所带来的有益效果在于：本发明提供的方法在进行相位补偿时，无需参考高噪声的非卷绕相位，不存在边界误判问题；也不需要参考临近点相位做卷绕判断，可以在单点采集时直接得到非卷绕的相位信息，同时保留了原相位信息的低噪声水平，不存在噪声放大问题。
附图说明
图1是本发明一个具体实施方式的结构图。
具体实施方式
参照图1，本发明一个具体实施方式包括，
宽带光源1，用于发出光线；
耦合器2，用于分光；
第一透镜3，用于将发散光线变为准直光线；
第二透镜4，用于将发散光线变为准直光线；
第三透镜5，用于将准直光线进行汇集；光学玻璃6，用于实现部分光线的透射和部分光线的反射，由其下表面作为参考面，其下表面反射的光为参考光，其透射光为探测光；
样品台8，用于盛放样品7；
透射光栅9，用于产生衍射光谱；
第四透镜10，用于将经过透射光栅9衍射的光成像于CCD线阵相机11；
CCD线阵相机11，用于采集光谱信息，并将光谱信息传输到计算机12；
计算机12，用于对光谱信息进行分析。
一种上述的光学相干层析相位解卷绕的装置的相位解卷绕的方法，包括以下步骤，
A、宽带光源1发出的光经过耦合器2后射出，由第一透镜3准直，由第三透镜5汇聚后经过光学玻璃6，聚焦在搭载在样品台8的样品7上，经样品反射的样品光沿原路返回，经过耦合器2、光栅9，进入CCD线阵相机11；
B、由光学玻璃6的下表面反射的参考光，沿原路返回，经过耦合器 2、光栅9，进入CCD线阵相机11；
C、进入CCD线阵相机11的参考光和样品光进行干涉，形成干涉光谱，CCD线阵相机11将采集到的干涉光谱传输到计算机12进行分析。
步骤C中，对光谱信息进行分析包括以下步骤，
C1、获取谱域光学相干层析的干涉光谱P0(k)，k为波数，经过滤波，消除直流分量，经傅里叶变换，得到干涉光谱的幅度谱和相位谱，设定幅度谱的极大值点坐标为(x0,a0)，x0和a0分辨表示横坐标和纵坐标的值，设定在相位谱中，横坐标x0对应的相位为θ0；由傅里叶变换得到的θ0为卷绕相位，设定实际相位为
n0为待确定的卷绕次数；
C2、生成仿真光谱Pn(k)，
上式中k、θ′、kc为系统参数，k表示光谱仪的光谱轴，用波数表示，θ′为初始相位，kc为k的中心值；
C3、将光谱轴k分成相等的两部分，k1和k2，k1和k2的中心值分别为 k1c和k2c；将测量到的干涉光谱P0(k)和仿真光谱Pn(k)按照k1和k2分成两部分，分别为P0(k1)和P0(k2)、Pn(k1)和Pn(k2)；分别如步骤C1 所示方法计算P0(k1)、P0(k2)、Pn(k1)和Pn(k2)的相位，分别为θ01、θ02、θn1和θn2；
C4、在公式(1)中n取不同的值，计算Pn(k)，经步骤C2，得到不同的θn1和θn2，令
为：
当n等于nmin，
为最小值时，此时的nmin即为待确定的卷绕次数n0；
得到实际相位为(θ0+2πnmin)。
与现有的相位去卷绕方法相比，本实施例具有以下优点：(1)本发明在提取相位信息时，无需做相邻点判断和相位参照，可以在单点采集时直接得到非卷绕相位；(2)不存在边界误判问题，同时保留了原相位信息的低噪声水平，不存在噪声放大问题。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (1)
1.一种应用于光学相干层析相位解卷绕的装置的相位解卷绕的方法，其特征在于：所述光学相干层析相位解卷绕的装置包括，
宽带光源(1)，用于发出光线；
耦合器(2)，用于分光；
第一透镜(3)，用于将发散光线变为准直光线；
第二透镜(4)，用于将发散光线变为准直光线；
第三透镜(5)，用于将准直光线进行汇集；光学玻璃(6)，用于实现部分光线的透射和部分光线的反射，由其下表面作为参考面，其下表面反射的光为参考光，其透射光为探测光；
样品台(8)，用于盛放样品(7)；
透射光栅(9)，用于产生衍射光谱；
第四透镜(10)，用于将经过透射光栅(9)衍射的光成像于CCD线阵相机(11)；
CCD线阵相机(11)，用于采集光谱信息，并将光谱信息传输到计算机(12)；
计算机(12)，用于对光谱信息进行分析；
该方法包括以下步骤，
A、宽带光源(1)发出的光经过耦合器(2)后射出，由第一透镜(3)准直，由第三透镜(5)汇聚后经过光学玻璃(6)，聚焦在搭载在样品台(8)的样品(7)上，经样品反射的样品光沿原路返回，经过耦合器(2)、光栅(9)，进入CCD线阵相机(11)；
B、由光学玻璃(6)的下表面反射的参考光，沿原路返回，经过耦合器(2)、光栅(9)，进入CCD线阵相机(11)；
C、进入CCD线阵相机(11)的参考光和样品光进行干涉，形成干涉光谱，CCD线阵相机(11)将采集到的干涉光谱传输到计算机(12)进行分析；
步骤C中，对光谱信息进行分析包括以下步骤，
C1、获取谱域光学相干层析的干涉光谱P0(k)，k为波数，经过滤波，消除直流分量，经傅里叶变换，得到干涉光谱的幅度谱和相位谱，设定幅度谱的极大值点坐标为(x0，a0)，x0和a0分辨表示横坐标和纵坐标的值，设定在相位谱中，横坐标x0对应的相位为θ0；由傅里叶变换得到的θ0为卷绕相位，设定实际相位为θ＝θ0+2n0π，n0为待确定的卷绕次数；
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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