CN110645892A - Ss-oct间距测量中获取更小镜像残余的消镜像方法及其系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种SS‑OCT间距测量中获取更小镜像残余的消镜像方法及其系统，本发明的方法通过PZT先引起相位震荡后采用遍历迭代算法来获得误差更小的相位，然后带入消镜像算法公式，得到消镜像结果。本发明公开的SS‑OCT间距测量系统包括扫频光源、环形器、波分复用器、光纤耦合器、参考臂、样品臂、光电探测器、数据采集设备及电子计算机。本发明不同于传统的直接利用PZT产生位移，而是通过PZT先引起相位震荡后采用算法上的遍历迭代来获得误差更小的相位。应用在光学表面间距测量上，成倍提升了测量量程，且得到镜像残余更小的效果，获得了更好的消镜像效果。
Description
技术领域
本发明涉及光学测量技术领域，特别涉及一种SS-OCT间距测量中获取更 小镜像残余的消镜像方法及其系统。
背景技术
光学相干层析成像(Optical Coherence Tomography，OCT)是一种非侵 入、非接触的成像技术，作为一种全新的、发展迅速的成像技术，具有高分 辨、无损、实时成像等一系列优点。随着OCT技术的发展，扫频光源光学层 析成像技术(swept-source opticalcoherence tomography,SS-OCT)具有 更高的灵敏度，更宽广的成像波段已逐渐成为第三代OCT技术，可以应用在 光学表面的非接触式间距测量中。但是由于傅里叶变换的特性，其实际测量 受到镜像的影响，量程被缩减为一半，因此如果能消除镜像，可以使得量程 成倍扩张。
有很多消镜像的方法提出。有移相法，BM-Scan法，多探测器法等。在 对于应用在间距测量上，移相法是更简单的方法。移相法最早是M.Wojtkowski 在文章“Full rangecomplex spectral optical coherence tomography technique in eye imaging”提出的，通过计算五个干涉信号的振幅和相位 信息来重构复干涉光谱；之后也有MA Zhen-He在文章“Arbitrary Three-Phase Shifting Algorithm for Achieving Full RangeSpectral
Optical Coherence Tomography”中提到的利用任意相位的移动来消除 镜像。
这些方法都是利用PZT做直接的项移。由于受到PZT的重复精度以及环 境的干扰，这种方法存在一定的项移误差，所以存在一定的镜像残余影响消 镜像效果。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种 SS-OCT间距测量中获取更小镜像残余的消镜像方法及其系统。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种SS-OCT间距测量 中获取更小镜像残余的消镜像方法，包括以下步骤：
1)构建消镜像算法公式：
1-1)将SS-OCT间距测量系统中的光电探测器探测到的信号描述为：
其中，k为波数，S(k)是光源发出的k随时间编码的宽带光，RR、RSn是 参考臂上平面镜的反射率以及样品臂上样品第n面镜子的反射率，N是样品 的总面数，zR是到参考臂平面镜所走的光程，zSn是到样品臂上样品第n面镜 子所走的光程；
1-2)对式(1)做傅里叶变换，并略去每项前面的系数，得到：
(2)式中的第一、第二、第三项分别对应于(1)式的第一、第二、第三项， 分别为直流项、样品的自相干项以及需要的镜面间距项，A为直流项，为常 数；δ为狄拉克函数，z为样品镜面间距；
1-3)(2)式关于坐标原点对称，在(1)式第三项中加上了一个相位
那么 (2)式改写为：
1-4)(3)式乘以相位因子并和(2)式相减，得到：
1-5)对(1)式加上相位
进行与上述加上相位
相同的操作得到：
1-6)(4)式乘以
再减去(5)式与
的乘积得到：
(6)式能在任意的
选择下消除镜像；
4)促使SS-OCT间距测量系统中的参考臂部分的平面镜做正弦规律变换 的来回运动，引起光程做正弦振动，引起相位振荡，得到一系列的相位点；
5)选择需要的目标相位
在所有相位点中进行遍历，筛选出
3-1)令i从1到N遍历取值，N为相位点的总数，选取phase(i)作为初 始相位Ai0，Ai0＝phase(i)；
3-2)令j从1到N遍历取值，遍历所有相位点，寻找
和
内的点,筛选出符合条件的Ai0、Ai1、Ai2并升序 排序为：A’i0、A’i1、A’i2，计算出相位差
将
的组合放入备选的相位集合中，其中，i＝1,2,3,….,N. 并返回3-1)，直到i＝N为止；
3-3)在备选的相位集合
中，选择
时对应的
作为最终筛选得到的相 位
3-4)将选出的相位
带入到上述(6)式中，得到消除镜像的结果。
优选的是，所述步骤2)中，通过压电陶瓷产生正弦振动，带动SS-OCT 间距测量系统中的参考臂部分的平面镜做正弦规律变换的来回运动。
优选的是，所述步骤3)中，目标相位
一种SS-OCT间距测量系统，其采用如上所述的方法消除镜像，该系统包 括扫频光源、环形器、波分复用器、光纤耦合器、参考臂、样品臂、光电探 测器、数据采集设备及电子计算机。
优选的是，所述参考臂包括第一准直器、平面镜及压电陶瓷，所述压电 陶瓷做正弦振动，以带动所述平面镜做正弦规律变换的来回运动。
优选的是，所述样品臂包括第二准直器和待测样品。
优选的是，所述环形器均包括3个端口：第一端口、第二端口和第三端 口；且从所述第一端口进入的光只能从所述第二端口输出，从所述第二端口 进入的光只能从所述第三端口输出，从所述第三端口进入的光只能从所述第 一端口输出。
优选的是，所述扫频光源发出的光从所述第一端口进入所述环形器，再 从所述第二端口输出进入所述光纤耦合器，被均分为2束光分别进入所述参 考臂和样品臂；其中，进入所述参考臂的光通过所述第一准直镜后照射在所 述平面镜上，所述压电陶瓷做正弦振动带动所述平面镜振动，平面镜反射的 携带光程差正弦变换的光原路返回到所述光纤耦合器；所述样品臂部分的光 经过所述第二准直镜打到所述待测样品上，所述待测样品反射的携带样品镜 面信息的光原路返回到所述光纤耦合器，与所述参考臂返回的光进行干涉后 再被均分为2路；其中一路从所述第二端口进入所述环形器后经所述第三端 口输出到所述光电探测器，另一路经过所述波分复用器后也输出到所述光电 探测器，两路光经所述光电探测器转为电信号后由所述数据采集设备进行记 录并将数据保存在所述电子计算机中。
优选的是，所述光纤耦合器为50/50耦合器。
本发明的有益效果是：
本发明通过PZT先引起相位震荡后采用遍历迭代算法来获得误差更小的 相位，应用在光学表面间距测量上，能成倍提升测量量程，得到镜像残余更 小的效果，获得更好的消镜像效果。
附图说明
图1为本发明的SS-OCT间距测量系统的结构示意图；
图2为本发明的一种实施例中进行相位遍历迭代的流程图；
图3为本发明的一种实施例中的消镜像效果对比图。
附图标记说明：
1—扫频光源；2—环形器；3—波分复用器；4—光纤耦合器；5—第一准 直器；6—第二准直器；7—平面镜；8—伺服电机；9—传动装置；10—压电 陶瓷；11—光电探测器；12—数据采集设备；13—电子计算机；14—参考臂； 15—样品臂；16—待测样品。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参 照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不 排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
本实施例的一种SS-OCT间距测量中获取更小镜像残余的消镜像方法，包 括以下步骤：
1)构建消镜像算法公式：
1-1)将SS-OCT间距测量系统中的光电探测器探测到的信号描述为：
其中，k为波数，S(k)是光源发出的k随时间编码的宽带光，RR、RSn是 参考臂上平面镜的反射率以及样品臂上样品第n面镜子的反射率，N是样品 的总面数，zR是到参考臂平面镜所走的光程，zSn是到样品臂上样品第n面镜 子所走的光程；
1-2)对式(1)做傅里叶变换，并略去每项前面的系数，得到：
(2)式中的第一、第二、第三项分别对应于(1)式的第一、第二、第三项， 分别为直流项、样品的自相干项以及需要的镜面间距项，A为直流项，为常 数；δ为狄拉克函数，z为样品镜面间距；
1-3)可以看到(2)式关于坐标原点对称，如果在(1)式第三项中增加或者减 少纳米级的光程，相当于加上了一个相位那么(2)式改写为：
1-4)(3)式乘以相位因子
并和(2)式相减，得到：
该式消除了复共轭项但是保留了直流项和自相干项；
1-5)对(1)式加上相位
进行与上述加上相位
相同的操作得到：
1-6)(4)式乘以
再减去(5)式与
的乘积得到：
(6)式式消去了复共轭镜像，直流项以及自相干项。最后能在任意的
选择下消除镜像；
的选择影响最后信号的强度，可优选为
此 时信号最强。
但是，如果存在相位误差，
其中
和
是相移误差， 那么(4)式修正为：
(5)式修正为
(6)式修正为：
其中，
(9)式对比(6)式，由于相移误差的引入，造成了(9)式第二项的镜像残余， 影响消镜像的抑制比，所以如果能减少误差
和
可以获得更好的消镜像 效果。
本发明中为了能减少项移误差，不同于直接用PZT(压电陶瓷10)产 生项移，我们使用了一种先产生正弦振荡后用算法上做遍历迭代，得到项移 误差更小的相位值。具体操作流程如图2所示，操作步骤如下步骤2)-3) 所示：
2)通过压电陶瓷10产生正弦振动，促使SS-OCT间距测量系统中的参考 臂14部分的平面镜7做正弦规律变换的来回运动，引起光程做正弦振动，引 起相位振荡，得到一系列的相位点；
3)选择需要的目标相位
在所有相位点中进行遍历，筛选出
3-1)令i从1到N遍历取值，N为相位点的总数，选取phase(i)作为初 始相位Ai0，Ai0＝phase(i)；
的选择影响最后的信号强度，优选为
此时 信号最强；
3-2)令j从1到N遍历取值，遍历所有相位点，寻找
和
内的点,筛选出符合条件的Ai0、Ai1、Ai2并升序 排序为：A’i0、A’i1、A’i2，计算出相位差
将
的组合放入备选的相位集合中，其中，i＝1,2,3,….,N. 并返回3-1)，直到i＝N为止；
3-3)在备选的相位集合中，选择时对应的作为最终筛选得到的相 位
3-4)将选出的相位带入到上述(6)式中，得到消除镜像的结果。
更小的项移动能得到更小的镜像残余，得到更小的消镜像效果。采用本 专利方法具体的效果对比如图3所示。其中，图3(A)(B)是传统的直接位移 产生的相位变换以及对应的消镜像效果，图3(C)(D)是本专利方法产生的相 位变换以及对应的消镜像效果。其中，选择
相位误差的计算为
其中，i＝1,2。图3(A)的相位误差为0.0628rad和0.077rad， 计算方法为：取图3(A)中标出的3个点：1.118、2.765、-0.3892；升序排 列为-0.3892、1.118、2.765(依次相当于A’i0、A’i1、A’i2)，即 误差
同理，图3(C) 的3个点为：-2.286、-0.7257、0.8552，采用相同的方法计算得到图3(C) 的相位误差为0.0097rad和0.01rad，再结合对比图3(B)(D)，说明本专利 的方法能得到更小的镜像残余，有更好的消镜像效果。
本发明不同于传统的直接利用PZT产生位移，而是通过PZT先引起相位 震荡后采用算法上的遍历迭代来获得误差更小的相位。应用在光学表面间距 测量上，成倍提升了测量量程，且得到镜像残余更小的效果，获得了更好的 消镜像效果。
本发明还公开了一种具体的SS-OCT间距测量系统，其在间距测量中采用 了如上的方法消除镜像，参照图1，该系统包括扫频光源1、环形器2、波分 复用器3、光纤耦合器4、参考臂14、样品臂15、光电探测器11、数据采集 设备12及电子计算机13。光纤耦合器4为50/50耦合器。
其中，参考臂14包括第一准直器5、平面镜7及压电陶瓷10(PZT)，压 电陶瓷10做正弦振动，以带动平面镜7做正弦规律变换的来回运动。样品臂 15包括第二准直器6和待测样品16。环形器2均包括3个端口：第一端口、 第二端口和第三端口；且从第一端口进入的光只能从第二端口输出，从第二 端口进入的光只能从第三端口输出，从第三端口进入的光只能从第一端口输 出。准直器用于将光纤中的光转化为宽度一致的空间光。在本实施例中还包括伺服电机8和传动装置9(如丝杆)，伺服电机8用于通过传动装置9带动 平面镜7移动，补偿光程差。
光路走向：扫频光源1发出的光从第一端口进入环形器2，再从第二端 口输出进入光纤耦合器4，被均分为2束光分别进入参考臂14和样品臂15； 其中，进入参考臂14的光通过第一准直镜后照射在平面镜7上，压电陶瓷 10做正弦振动带动平面镜7振动，平面镜7反射的携带光程差正弦变换的光 原路返回到光纤耦合器4；样品臂15部分的光经过第二准直镜打到待测样品 16上，待测样品16反射的携带样品镜面信息的光原路返回到光纤耦合器4， 与参考臂14返回的光进行干涉后再被均分为2路；其中一路从第二端口进入 环形器2后经第三端口输出到光电探测器11，另一路经过波分复用器3后也 输出到光电探测器11，两路光经光电探测器11转为电信号后由数据采集设 备12进行记录并将数据保存在电子计算机13中。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方 式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领 域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范 围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节。
Claims (9)
1.一种SS-OCT间距测量中获取更小镜像残余的消镜像方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)构建消镜像算法公式：
1-1)将SS-OCT间距测量系统中的光电探测器探测到的信号描述为：
其中，k为波数，S(k)是光源发出的k随时间编码的宽带光，RR、RSn是参考臂上平面镜的反射率以及样品臂上样品第n面镜子的反射率，N是样品的总面数，zR是到参考臂平面镜所走的光程，zSn是到样品臂上样品第n面镜子所走的光程；
1-2)对式(1)做傅里叶变换，并略去每项前面的系数，得到：
(2)式中的第一、第二、第三项分别对应于(1)式的第一、第二、第三项，分别为直流项、样品的自相干项以及需要的镜面间距项，A为直流项，为常数；δ为狄拉克函数，z为样品镜面间距；
1-3)(2)式关于坐标原点对称，在(1)式第三项中加上了一个相位
那么(2)式改写为：
1-4)(3)式乘以相位因子
并和(2)式相减，得到：
1-5)对(1)式加上相位
进行与上述加上相位
相同的操作得到：
1-6)(4)式乘以
再减去(5)式与
的乘积得到：
(6)式能在任意的
选择下消除镜像；
2)促使SS-OCT间距测量系统中的参考臂部分的平面镜做正弦规律变换的来回运动，引起光程做正弦振动，引起相位振荡，得到一系列的相位点；
3)选择需要的目标相位
在所有相位点中进行遍历，筛选出
3-1)令i从1到N遍历取值，N为相位点的总数，选取phase(i)作为初始相位Ai0，Ai0＝phase(i)；
3-2)令j从1到N遍历取值，遍历所有相位点，寻找
和
内的点,筛选出符合条件的Ai0、Ai1、Ai2并升序排序为：A’i0、A’i1、A’i2，计算出相位差将
的组合放入备选的相位集合中，其中，i＝1,2,3,….,N.并返回3-1)，直到i＝N为止；
3-3)在备选的相位集合
中，选择
时对应的
作为最终筛选得到的相位
3-4)将选出的相位带入到上述(6)式中，得到消除镜像的结果。
2.根据权利要求1所述的SS-OCT间距测量中获取更小镜像残余的消镜像方法，其特征在于，所述步骤2)中，通过压电陶瓷产生正弦振动，带动SS-OCT间距测量系统中的参考臂部分的平面镜做正弦规律变换的来回运动。
3.根据权利要求2所述的SS-OCT间距测量中获取更小镜像残余的消镜像方法，其特征在于，所述步骤3)中，目标相位
4.一种SS-OCT间距测量系统，其特征在于，其采用如权利要求1-3中任意一项所述的方法消除镜像，该系统包括扫频光源、环形器、波分复用器、光纤耦合器、参考臂、样品臂、光电探测器、数据采集设备及电子计算机。
5.根据权利要求4所述的SS-OCT间距测量系统，其特征在于，所述参考臂包括第一准直器、平面镜及压电陶瓷，所述压电陶瓷做正弦振动，以带动所述平面镜做正弦规律变换的来回运动。
6.根据权利要求5所述的SS-OCT间距测量系统，其特征在于，所述样品臂包括第二准直器和待测样品。
7.根据权利要求6所述的SS-OCT间距测量系统，其特征在于，所述环形器均包括3个端口：第一端口、第二端口和第三端口；且从所述第一端口进入的光只能从所述第二端口输出，从所述第二端口进入的光只能从所述第三端口输出，从所述第三端口进入的光只能从所述第一端口输出。
8.根据权利要求7所述的SS-OCT间距测量系统，其特征在于，所述扫频光源发出的光从所述第一端口进入所述环形器，再从所述第二端口输出进入所述光纤耦合器，被均分为2束光分别进入所述参考臂和样品臂；其中，进入所述参考臂的光通过所述第一准直镜后照射在所述平面镜上，所述压电陶瓷做正弦振动带动所述平面镜振动，平面镜反射的携带光程差正弦变换的光原路返回到所述光纤耦合器；所述样品臂部分的光经过所述第二准直镜打到所述待测样品上，所述待测样品反射的携带样品镜面信息的光原路返回到所述光纤耦合器，与所述参考臂返回的光进行干涉后再被均分为2路；其中一路从所述第二端口进入所述环形器后经所述第三端口输出到所述光电探测器，另一路经过所述波分复用器后也输出到所述光电探测器，两路光经所述光电探测器转为电信号后由所述数据采集设备进行记录并将数据保存在所述电子计算机中。
9.根据权利要求1所述的SS-OCT间距测量系统，其特征在于，所述光纤耦合器为50/50耦合器。
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