CN115778319B - 基于双光谱仪进行光源噪声补偿的可见光oct系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于双光谱仪进行光源噪声补偿的可见光OCT系统，可见光光源、第一准直器、二向色镜、滤光片和第一光纤耦合器沿光路依次布置，第一耦合器用于接收第一光纤耦合器传输的光，样品臂用于接收第一耦合器的第一分束光并将反射光传输至第一耦合器；第二耦合器用于接收第一耦合器的第二分束光并将第二分束光分成两束分别传输至参考臂和第一光谱仪，参考臂用于将反射光经第二耦合器传输至第一耦合器与样品臂的反射光进行干涉；第二光谱仪用于接收第一耦合器的干涉信号，第一光谱仪和第二光谱仪分别与处理器通信连接；本发明降低了曝光时间，提高了扫描速度。

Description

基于双光谱仪进行光源噪声补偿的可见光OCT系统

技术领域

本发明涉及光学相干层析成像技术领域，特别涉及一种基于双光谱仪进行光源噪声补偿的可见光OCT系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术，并不必然构成现有技术。

光学相干层析成像(Optical Coherence Tomography，简称OCT)是一种基于低相干光干涉原理的三维层析成像方法，具有分辨率高、非侵入、实时性高、灵敏度高等优点，目前在眼科疾病诊断领域得到了广泛的应用，可以提供高分辨率的眼部结构横截面图像。目前的OCT产品或研究大多数采用近红外光波段的光源进行成像，近红外波段的光源具有价格低、光源功率稳定、光束质量好等优点。

可见光OCT是近年来新兴的一种OCT技术，其采用可见光波段的光源进行扫描成像，扫描光束的波长更短，可以获得轴向分辨率更高的图像，目前可见光OCT技术所用的光源为超连续谱光源，相比于近红外光源技术，该光源的相对强度噪声较大，使得采集图像的信噪比降低，这一问题限制了可见光OCT技术成像质量的提高；目前多采用增加光谱仪相机曝光时间的方法降低光源的相对强度噪声，但是这会导致光谱仪扫描速度降低，增加扫描成像所需时间，运动伪影问题更加严重。

发明人发现，采用双光谱仪探测干涉信号的方法，可以有效抑制光源的相对强度噪声，但是该方法将干涉信号平均分成两束，每个光谱仪接收的信号强度为原来干涉信号强度的一半，信号强度的降低使得光谱仪相机的曝光时间不能太短(信号越强，光谱仪所需的曝光时间越短)，这限制了OCT扫描速度的提高。

发明内容

为了解决目前可见光OCT技术中光源相对强度噪声较大导致成像质量下降、成像速度受限的问题，本发明提供了一种基于双光谱仪进行光源噪声补偿的可见光OCT系统，进一步降低了曝光时间，大幅提高了扫描速度。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明第一方面提供了一种基于双光谱仪进行光源噪声补偿的可见光OCT系统。

一种基于双光谱仪进行光源噪声补偿的可见光OCT系统，包括：可见光光源、第一准直器、二向色镜、滤光片、第一光纤耦合器、第一耦合器、第二耦合器、样品臂、参考臂、第一光谱仪、第二光谱仪和处理器；

可见光光源、第一准直器、二向色镜、滤光片和第一光纤耦合器沿光路依次布置，第一耦合器用于接收第一光纤耦合器传输的光，样品臂用于接收第一耦合器的第一分束光并将反射光传输至第一耦合器；

第二耦合器用于接收第一耦合器的第二分束光并将第二分束光分成两束分别传输至参考臂和第一光谱仪，参考臂用于将反射光经第二耦合器传输至第一耦合器与样品臂的反射光进行干涉；

第二光谱仪用于接收第一耦合器的干涉信号，第一光谱仪和第二光谱仪分别与处理器通信连接。

作为本发明第一方面可选的一种实现方式，近红外波段及以上的光束透射穿过二向色镜进入激光收集筒，可见光波段及以下的光束经二向色镜反射至滤光片。

作为本发明第一方面可选的一种实现方式，第一耦合器为2×2耦合器，分束比为90：10，10％的光束传输至样品臂，90％的光束传输至第二耦合器。

作为本发明第一方面可选的一种实现方式，第二耦合器为1×2耦合器，分束比为90：10，10％的光束传输至第一光谱仪，90％的光束传输至参考臂。

作为本发明第一方面可选的一种实现方式，样品臂包括依次沿光路布置的第二准直器、XY扫描振镜和4f系统，参考臂包括依次沿光路布置的第三准直器、色散补偿镜片、第一可调衰减器和反射镜。

本发明第二方面提供了一种基于双光谱仪进行光源噪声补偿的可见光OCT系统。

一种基于双光谱仪进行光源噪声补偿的可见光OCT系统，包括：可见光光源、第一准直器、二向色镜、滤光片、分束器、第一光纤耦合器、第一耦合器、样品臂、参考臂、第一光谱仪、第二光谱仪和处理器；

可见光光源、第一准直器、二向色镜、滤光片、分束镜和第一光纤耦合器沿光路依次布置，第一耦合器用于接收第一光纤耦合器传输的光，样品臂用于接收第一耦合器的第一分束光并将反射光传输至第一耦合器；

参考臂用于接收第一耦合器的第二分束光，并将反射光传输至第一耦合器与样品臂的反射光进行干涉；

分束器的第一光束传输至第一光纤耦合器，分束器的第二光束依次经第二可调衰减器和第二光纤耦合器传输至第一光谱仪；

第二光谱仪用于接收第一耦合器的干涉信号，第一光谱仪和第二光谱仪分别与处理器通信连接。

作为本发明第二方面可选的一种实现方式，近红外波段及以上的光束透射穿过二向色镜进入激光收集筒，可见光波段及以下的光束经二向色镜反射至滤光片。

作为本发明第二方面可选的一种实现方式，第一耦合器为2×2耦合器，分束比为90：10，10％的光束传输至样品臂，90％的光束传输至参考臂。

作为本发明第二方面可选的一种实现方式，样品臂包括依次沿光路布置的第二准直器、XY扫描振镜和4f系统，参考臂包括依次沿光路布置的第三准直器、色散补偿镜片、第一可调衰减器和反射镜。

作为本发明第二方面可选的一种实现方式，分束器的分光比为90：10，分束器的90％的光传输至第一光纤耦合器，分束器的10％的光依次经第二可调衰减器和第二光纤耦合器传输至第一光谱仪。

本发明第三方面提供了一种OCT系统图像重建方法。

一种OCT系统图像重建方法，利用本发明第一方面或第二方面所述的基于双光谱仪进行光源噪声补偿的可见光OCT系统，包括以下过程：

获取第一光谱仪的相对强度噪声信号以及第二光谱仪的干涉信号；

将获取的相对强度噪声信号与噪声补偿系数矩阵相乘，得到校准后的相对强度噪声信号；

采用干涉信号减去校准后的相对强度噪声信号，得到噪声补偿后的信号；

对噪声补偿后的信号，依次进行k域线性插值、色散补偿和快速傅里叶变换，得到图像重建结果。

作为本发明第三方面可选的一种实现方式，噪声补偿系数矩阵的获取，包括：

计算第一光谱仪和第二光谱仪所有的相机像素所采集的光源相对强度噪声；

对每个光谱仪所采集光源相对强度噪声以像素编码为横坐标用多项式函数进行拟合，得到探测的全部波段范围的光源的相对强度噪声值；

根据第一光谱仪和第二光谱仪的校准公式，将相同的波长所对应到的相对强度噪声信号作比，得到噪声补偿系数；

根据得到噪声补偿系数，进行插值计算得到一维的噪声补偿系数矩阵。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明创新性的提出了一种基于双光谱仪进行光源噪声补偿的可见光OCT系统，解决目前可见光OCT技术中光源相对强度噪声较大导致成像质量下降、成像速度受限的问题，进一步降低了曝光时间，大幅提高了扫描速度。

2、本发明创新性的提出了一种基于双光谱仪进行光源噪声补偿的可见光OCT系统，利用第一光谱仪和第二光谱仪分别探测噪声信号和干涉信号，经算法处理后，从干涉信号中减去噪声信号，从而提高了成像质量。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明实施例1提供的基于双光谱仪进行光源噪声补偿的可见光OCT系统的光路示意图；

图2为本发明实施例2提供的基于双光谱仪进行光源噪声补偿的可见光OCT系统的光路示意图；

图3为本发明实施例3提供的OCT系统图像重建方法的流程示意图；

其中，1、可见光光源；2、第一准直器；3、二向色镜；4、滤光片；5、第一光纤耦合器；6、第一耦合器；7、第二耦合器；8、样品臂；9、参考臂；10、第二光谱仪；11、第一光谱仪；12、处理器；13、相机采集触发信号；14、第二准直器；15、XY扫描振镜；16、4f系统；17、人眼；18、第三准直器；19、色散补偿镜片；20、第一可调衰减器；21、反射镜；22、激光收集筒；23、偏振控制器；24、分束器；25、第二光纤耦合器；26、第二可调衰减器。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例1：

如图1所示，本发明实施例1提供了一种基于双光谱仪进行光源噪声补偿的可见光OCT系统，包括：可见光光源1、第一准直器2、二向色镜3、滤光片4、第一光纤耦合器5、第一耦合器6、第二耦合器7、样品臂8、参考臂9、第一光谱仪11、第二光谱仪10和处理器12；

可见光光源1、第一准直器2、二向色镜3、滤光片4和第一光纤耦合器5沿光路依次布置，第一耦合器6用于接收第一光纤耦合器5传输的光，样品臂8用于接收第一耦合器6的第一分束光并将反射光传输至第一耦合器6；

第二耦合器7用于接收第一耦合器6的第二分束光并将第二分束光分成两束分别传输至参考臂9和第一光谱仪11，参考臂9用于将反射光经第二耦合器7传输至第一耦合器6与样品臂8的反射光进行干涉；

第二光谱仪10用于接收第一耦合器6的干涉信号，第一光谱仪11和第二光谱仪10分别与处理器12通信连接。

样品臂8的光束经第二准直器14准直后，通过XY扫描振镜15、4f系统16后入射至人眼17，人眼17视网膜的背向散射光原路返回至第一耦合器6。

本实施例中，第一光纤耦合器5与第一耦合器6通过光纤连接，第一耦合器6与第二耦合器7通过光纤连接，第二耦合器7与第一光谱仪11通过光纤连接，第一耦合器6与第二光谱仪10通过光纤连接，第一光谱仪11和第二光谱仪10与处理器12通信，且处理器12发送同样的相机采集触发信号13给第一光谱仪11和第二光谱仪10。

本实施例中，近红外波段及以上的光束透射穿过二向色镜3进入激光收集筒22，可见光波段及以下的光束经二向色镜3反射至滤光片4。

本实施例中，第一耦合器6为2×2耦合器，分束比为90：10，10％的光束传输至样品臂8，90％的光束传输至第二耦合器7。

本实施例中，第二耦合器7为1×2耦合器，分束比为90：10，10％的光束传输至第一光谱仪11，90％的光束传输至参考臂9。

本实施例中，样品臂8包括依次沿光路布置的第二准直器14、XY扫描振镜15和4f系统16(包括第一聚焦透镜16-1和第二聚焦透镜16-2)，参考臂9包括依次沿光路布置的第三准直器18、色散补偿镜片19、第一可调衰减器20和反射镜21。

第一耦合器6通过光纤与第二准直器14连接，且第一耦合器6与第二准直器14的连接光纤上设有偏振控制器23，第二耦合器7与第三准直器18通过光纤连接。

实施例2：

如图2所示，本发明实施例2提供了一种基于双光谱仪进行光源噪声补偿的可见光OCT系统，包括：可见光光源1、第一准直器2、二向色镜3、滤光片4、分束器、第一光纤耦合器5、第一耦合器6、样品臂8、参考臂9、第一光谱仪11、第二光谱仪10和处理器12；

可见光光源1、第一准直器2、二向色镜3、滤光片4、分束镜24和第一光纤耦合器5沿光路依次布置，第一耦合器6用于接收第一光纤耦合器5传输的光，样品臂8用于接收第一耦合器6的第一分束光并将反射光传输至第一耦合器6；

参考臂9用于接收第一耦合器6的第二分束光，并将反射光传输至第一耦合器6与样品臂8的反射光进行干涉；

分束器24的第一光束传输至第一光纤耦合器5，分束器的第二光束依次经第二可调衰减器和第二光纤耦合器传输至第一光谱仪；

第二光谱仪10用于接收第一耦合器6的干涉信号，第一光谱仪11和第二光谱仪10分别与处理器12通信连接。

本实施例中，近红外波段及以上的光束透射穿过二向色镜3进入激光收集筒，可见光波段及以下的光束经二向色镜3反射至滤光片4。

本实施例中，第一耦合器6为2×2耦合器，分束比为90：10，10％的光束传输至样品臂8，90％的光束传输至参考臂9。

本实施例中，样品臂8包括依次沿光路布置的第二准直器14、XY扫描振镜15和4f系统16，参考臂9包括依次沿光路布置的第三准直器18、色散补偿镜片19、第一可调衰减器20和反射镜21；样品臂8的光束经第二准直器14准直后，通过XY扫描振镜15、4f系统16后入射至人眼17，人眼17视网膜的背向散射光原路返回至第一耦合器6。

本实施例中，分束器24的分光比为90：10，分束器的90％的光传输至第一光纤耦合器5，分束器的10％的光依次经第二可调衰减器和第二光纤耦合器传输至第一光谱仪。

实施例3：

如图3所示，本发明实施例4提供了一种OCT系统图像重建方法，利用本发明实施例1或实施例2所述的基于双光谱仪进行光源噪声补偿的可见光OCT系统，包括以下过程：

获取第一光谱仪的相对强度噪声信号以及第二光谱仪的干涉信号；

将获取的相对强度噪声信号与噪声补偿系数矩阵相乘，得到校准后的相对强度噪声信号；

采用干涉信号减去校准后的相对强度噪声信号，得到噪声补偿后的信号；

对噪声补偿后的信号，依次进行k域线性插值、色散补偿和快速傅里叶变换，得到图像重建结果。

具体的，包括：

第一光谱仪11用于探测扫描光束的光谱谱形数据，进而用于提取相对强度噪声信号，第二光谱仪10用于探测干涉信号，两个光谱仪由同一个采集触发信号控制。将两个光谱仪采集的数据传输至处理器进行图像重建。

在理想情况下，第一光谱仪11采集的光谱数据为参考臂信号的10％，但是因耦合器制造误差、光纤耦合损耗等因素的影响，该数据在实际工作中会存在偏差，第二光谱仪10的干涉信号强度也与系统的多个参数及误差相关。因此，在进行噪声补偿时，需要对第一光谱仪11与第二光谱仪10的实际探测到的光谱信号强度进行校准，对噪声信号进行匹配校准，然后才能从第二光谱仪10得到干涉信号中减去光谱仪1得到的噪声数据。

噪声校准流程如下：

(1)在样品臂无信号的情况下，第一光谱仪11与第二光谱仪10同步采集参考臂信号，设光谱仪相机的像素数量为P，采集数据帧数为N，则光谱仪采集的数据为S＝s(x,i)，其中1<x<P，1<i<N，记第一光谱仪11与第二光谱仪10所采集的数据分别为采集的数据记为S₁＝s(x₁,i)，S₂＝s(x₂,i)。

(2)以光谱仪相机的CCD阵列的1个像素所采集的数据进行处理为例，计算光源的相对强度噪声，首先计算像素采集数据的平均值，如下：

则该像素采集的光谱所对应的光源相对强度噪声为：

按照上式，计算第一光谱仪11与第二光谱仪10所有的相机像素所采集的光源相对强度噪声。

(3)对每个光谱仪所采集光源相对强度噪声以像素编码为横坐标用多项式函数进行拟合，得到探测的全部波段范围的光源的相对强度噪声值。然后根据第一光谱仪11与第二光谱仪10的校准公式，将相同的波长所对应到的相对强度噪声信号作比，得到噪声补偿系数，如下：

其中，R_1，λ为光谱仪1在波长λ处的相对强度噪声，R_2，λ光谱仪2在波长λ处的相对强度噪声，根据计算所需精度，对相对强度噪声拟合公式和校准公式进行插值计算得到一维的噪声补偿系数矩阵K＝[K_λ]。

(4)在图像重建过程中，第一光谱仪11采集得到的光源相对噪声强度，乘以上述计算得到的噪声补偿系数矩阵K，完成噪声的校准，然后从第二光谱仪10采集得到的干涉信号中减去校准后的噪声，从而实现噪声补偿，提高成像质量。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于双光谱仪进行光源噪声补偿的可见光OCT系统，其特征在于：

包括：可见光光源、第一准直器、二向色镜、滤光片、第一光纤耦合器、第一耦合器、第二耦合器、样品臂、参考臂、第一光谱仪、第二光谱仪和处理器；

可见光光源、第一准直器、二向色镜、滤光片和第一光纤耦合器沿光路依次布置，第一耦合器用于接收第一光纤耦合器传输的光，样品臂用于接收第一耦合器的第一分束光并将反射光传输至第一耦合器；

第二耦合器用于接收第一耦合器的第二分束光并将第二分束光分成两束分别传输至参考臂和第一光谱仪，参考臂用于将反射光经第二耦合器传输至第一耦合器与样品臂的反射光进行干涉；

第二光谱仪用于接收第一耦合器的干涉信号，第一光谱仪和第二光谱仪分别与处理器通信连接；

第一光谱仪用于探测扫描光束的光谱谱形数据，进而用于提取相对强度噪声信号，第二光谱仪用于探测干涉信号，两个光谱仪由同一个采集触发信号控制，对第一光谱仪与第二光谱仪的实际探测到的光谱信号强度进行校准，对噪声信号进行匹配校准，然后从第二光谱仪得到的干涉信号中减去第一光谱仪的校准后的噪声信号。

2.如权利要求1所述的基于双光谱仪进行光源噪声补偿的可见光OCT系统，其特征在于：

近红外波段及以上的光束透射穿过二向色镜进入激光收集筒，可见光波段及以下的光束经二向色镜反射至滤光片；

第一耦合器为2×2耦合器，分束比为90：10，10％的光束传输至样品臂，90％的光束传输至第二耦合器。

3.如权利要求1所述的基于双光谱仪进行光源噪声补偿的可见光OCT系统，其特征在于：

第二耦合器为1×2耦合器，分束比为90：10，10％的光束传输至第一光谱仪，90％的光束传输至参考臂。

4.如权利要求1所述的基于双光谱仪进行光源噪声补偿的可见光OCT系统，其特征在于：

样品臂包括依次沿光路布置的第二准直器、XY扫描振镜和4f系统，参考臂包括依次沿光路布置的第三准直器、色散补偿镜片、第一可调衰减器和反射镜。

5.一种基于双光谱仪进行光源噪声补偿的可见光OCT系统，其特征在于：

包括：可见光光源、第一准直器、二向色镜、滤光片、分束器、第一光纤耦合器、第一耦合器、样品臂、参考臂、第一光谱仪、第二光谱仪和处理器；

可见光光源、第一准直器、二向色镜、滤光片、分束镜和第一光纤耦合器沿光路依次布置，第一耦合器用于接收第一光纤耦合器传输的光，样品臂用于接收第一耦合器的第一分束光并将反射光传输至第一耦合器；

参考臂用于接收第一耦合器的第二分束光，并将反射光传输至第一耦合器与样品臂的反射光进行干涉；

分束器的第一光束传输至第一光纤耦合器，分束器的第二光束依次经第二可调衰减器和第二光纤耦合器传输至第一光谱仪；

第二光谱仪用于接收第一耦合器的干涉信号，第一光谱仪和第二光谱仪分别与处理器通信连接；

第一光谱仪用于探测扫描光束的光谱谱形数据，进而用于提取相对强度噪声信号，第二光谱仪用于探测干涉信号，两个光谱仪由同一个采集触发信号控制，对第一光谱仪与第二光谱仪的实际探测到的光谱信号强度进行校准，对噪声信号进行匹配校准，然后从第二光谱仪得到的干涉信号中减去第一光谱仪的校准后的噪声信号。

6.如权利要求5所述的基于双光谱仪进行光源噪声补偿的可见光OCT系统，其特征在于：

近红外波段及以上的光束透射穿过二向色镜进入激光收集筒，可见光波段及以下的光束经二向色镜反射至滤光片；

第一耦合器为2×2耦合器，分束比为90：10，10％的光束传输至样品臂，90％的光束传输至参考臂。

7.如权利要求5所述的基于双光谱仪进行光源噪声补偿的可见光OCT系统，其特征在于：

样品臂包括依次沿光路布置的第二准直器、XY扫描振镜和4f系统，参考臂包括依次沿光路布置的第三准直器、色散补偿镜片、第一可调衰减器和反射镜。

8.如权利要求5所述的基于双光谱仪进行光源噪声补偿的可见光OCT系统，其特征在于：

分束器的分光比为90：10，分束器的90％的光传输至第一光纤耦合器，分束器的10％的光依次经第二可调衰减器和第二光纤耦合器传输至第一光谱仪。

9.一种OCT系统图像重建方法，其特征在于，

利用权利要求1-8任一项所述的基于双光谱仪进行光源噪声补偿的可见光OCT系统，包括以下过程：

获取第一光谱仪的相对强度噪声信号以及第二光谱仪的干涉信号；

将获取的相对强度噪声信号与噪声补偿系数矩阵相乘，得到校准后的相对强度噪声信号；

采用干涉信号减去校准后的相对强度噪声信号，得到噪声补偿后的信号；

对噪声补偿后的信号，依次进行k域线性插值、色散补偿和快速傅里叶变换，得到图像重建结果。

10.如权利要求9所述的OCT系统图像重建方法，其特征在于，

噪声补偿系数矩阵的获取，包括：

计算第一光谱仪和第二光谱仪所有的相机像素所采集的光源相对强度噪声；

对每个光谱仪所采集光源相对强度噪声以像素编码为横坐标用多项式函数进行拟合，得到探测的全部波段范围的光源的相对强度噪声值；

根据第一光谱仪和第二光谱仪的校准公式，将相同的波长所对应到的相对强度噪声信号作比，得到噪声补偿系数；

根据得到噪声补偿系数，进行插值计算得到一维的噪声补偿系数矩阵。