CN116202994A - 一种高速扫频光学相干层析成像波数线性化系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种高速扫频光学相干层析成像波数线性化系统及方法。所提出的系统及方法在高速扫频光学相干层析成像中引入内嵌双光纤布拉格光栅的马赫‑曾德尔干涉仪模块，其中的光纤布拉格光栅截取一定波长范围内的干涉信号，以获得高速光学相干层析成像波数线性化所需的相位校正矢量，利用该矢量对高速光学相干层析成像信号进行线性插值。本发明能有效解决扫频光源在不同扫频周期中的触发抖动问题，实现对高速光学相干层析成像信号的波数线性化重采样，保证高速光学相干层析成像轴向分辨率，显著提升光学相干层析成像系统成像能力和实用性。

Description

一种高速扫频光学相干层析成像波数线性化系统及方法
技术领域
本发明属于扫频光学相干层析成像性能提升技术领域。具体涉及一种基于内嵌双光纤布拉格光栅的马赫-曾德尔干涉仪信号来获取用于高速扫频光学相干层析成像所需的相位校正矢量，实现波数线性重采样。
背景技术
光学相干层析(Optical coherence tomography,OCT)是一种非侵入、非接触、高分辨率的生物医学光学成像方法，在细胞分析、材料检测、血流成像等方面具有重要应用。基于扫频光源的扫频光学相干层析(Swept Source OCT,SS-OCT)是目前典型的傅里叶域光学相干层析技术,但扫频光源高速扫描存在的触发抖动和扫频非线性问题严重影响高速扫频光学相干层析的成像性能。因此，一个用于解决扫频光源触发抖动和频域光学相干层析在波数空间对采集到的信号进行线性重采样的相位校正矢量是必要的。
一般的相位校正矢量获取方法主要分为硬件方法和软件方法。其中硬件方法有平面镜参考法和常规的马赫-曾德尔干涉法，平面镜参考法将样本臂的光少量分配给静止的平面镜，分别探测平面镜反射光和样本后向散射光与参考光的干涉信号来获取校正矢量。常规的马赫-曾德尔干涉法在扫频光源输出后让一部分光经过一个马赫-曾德尔干涉仪(Mach-Zehnder interferometer,MZI)，马赫-曾德尔干涉仪干涉信号和光学相干层析成像信号同时被探测，实现对光学相干层析成像信号的相位校正。然而，平面镜参考法仅能校正小范围整数采样点相位跳变，还可能会引入伪影，降低成像性能；常规的马赫-曾德尔干涉法能校正相位但未解决扫频光源每次扫描的触发抖动问题。除了硬件方法，目前的软件方法获取校正矢量要么计算量大，耗时长；要么容易被干扰，无法稳定工作。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种高速扫频光学相干层析成像波数线性化方法。在扫频光学相干层析成像系统的马赫-曾德尔干涉仪模块中使用两个光纤布拉格光栅，从而使得不同激光扫描的光谱条纹信号对齐，并利用两个光纤布拉格光栅反射峰之间的马赫-曾德尔干涉信号实现光学相干层析成像信号的线性采样。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种高速扫频光学相干层析成像波数线性化系统，包括扫频光源，马赫-曾德尔干涉仪模块，探测器模块，数据采集和数据处理程序；
所述扫频光源的输出端口与第一耦合器的第一端口相连，第一耦合器将光分为第一信号光和第二信号光，第一信号光进入所述马赫-曾德尔干涉仪模块；第二信号光进入第二耦合器输入端口，第二耦合器将光分为第一入射光和第二入射光，第一入射光进入参考臂，第二入射光进入样本臂；
所述参考臂包括准直镜、平面镜，所述第一入射光进入所述参考臂，先后经过准直镜和平面镜反射回来进入第三耦合器的第一输入端口；所述样本臂包括扫描振镜、准直镜，所述第二入射光进入所述样本臂，先后经过扫描振镜和准直镜后入射到样本，再反射回来进入第三耦合器的第二输入端口；
所述第三耦合器的第一输出端口和第二输出端口分别与第一平衡探测器的两个端口相连，所述马赫-曾德尔干涉仪模块的第一输出端口和第二输出端口分别与第二平衡探测器的两个端口相连，由数据采集卡对第一平衡探测器和第二平衡探测器的输出信号进行采集，由计算机程序处理数据采集卡所采集到的数据流。
根据所述的一种高速扫频光学相干层析成像波数线性化系统，其特征在于，所述马赫-曾德尔干涉仪模块包括两个光纤耦合器、透镜、偏振控制器、两个不同工作频率的光纤布拉格光栅；所述第一光纤耦合器将入射到所述马赫-曾德尔干涉仪模块的光分为两束，分别经过所述透镜和偏振控制器后在所述第二光纤耦合器重新耦合；在所述的第二光纤耦合器的第一输出端口和第二输出端口分别插入所述的两个不同工作频率的光纤布拉格光栅；所述第二光纤耦合器再次将光分为两束，两束光经过所述两个光纤布拉格光栅后从所述的马赫-曾德尔干涉仪模块出射。
一种高速扫频光学相干层析成像波数线性化方法，该波数线性化方法包括以下步骤：
S1：启动扫频光学相干层析系统，所述第一耦合器的5％输出光作为所述第一信号光在经过所述马赫-曾德尔干涉仪模块末端的第一光纤耦合器时被分为两路光，两路光分别经过所述的两个不同工作频率的光纤布拉格光栅，进入所述第二平衡探测器的两个端口；
S2：计算机控制数据采集卡对第一平衡探测器信号和第二平衡探测器信号进行采集，利用计算机程序执行第二平衡探测器信号配准，使得激光扫描对齐所述两个光纤布拉格光栅的反射峰，以截取一定波长范围内的马赫-曾德尔干涉仪模块信号；
S3：所述的马赫-曾德尔干涉仪信号存在两个光纤布拉格光栅反射峰，利用反射峰之间的信号来获取第一平衡探测器信号波数线性化所需的相位校正矢量；
S4：利用S3获取的相位校正矢量，对同步采集的光学相干层析成像信号进行线性插值，实现波数的线性重采样。
本发明的有益效果是：
1)该相位校正矢量获取方法基于独立的干涉和信号通道，既不会对扫频光学相干层析成像主体部分造成影响，也不会受到扫频光学相干层析成像主体部分的影响，能够稳定地获取相位校正矢量；
2)由于使用了两个不同频率光纤布拉格光栅，每次扫频光信号都会对齐光纤布拉格光栅的反射峰值，截取两个频率之间的信号，从而使得不同激光扫频周期的光谱对齐，解决了高速扫频光源的触发抖动问题；
3)马赫-曾德尔干涉仪信号和光学相干层析成像信号在每次激光扫频中是同时被高速采集器采集的，并且扫频范围相同，保证了获得准确的相位校正矢量。
附图说明
图1为本发明搭建的高速扫频光学相干层析成像系统的实验原理图；
图2为本发明搭建的内嵌双光纤布拉格光栅的马赫-曾德尔干涉仪模块的原理图；
图3为本发明实施例使用本发明同步采集到的马赫-曾德尔干涉仪信号和高速光学相干层析成像信号。
具体实施方式
下面将结合实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，本发明可更换马赫-曾德尔干涉仪模块中不同工作频率的两个光纤布拉格光栅以实现不同扫频范围的高速扫频光学相干层析成像系统。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，图1为本发明搭建的高速扫频光学相干层析成像系统的实验原理图。扫频光源1的输出端口与第一耦合器2的第一端口相连，第一耦合器将光分为两束，其中一束进入马赫-曾德尔模块4，马赫-曾德尔模块4的两个输出进入第二平衡探测器6。另外一束进入第二耦合器301输入端口；第二耦合器301将光分为两束，一束进入参考臂，另外一束进入样本臂，其中参考臂的光经过光纤环形器302和准直镜304再由平面镜309反射回来进入第三耦合器305的第一输入端口；样本臂的光经过光纤环形器303和扫描振镜306，再经过准直镜307后入射到样本308，再反射回来进入第三耦合器305的第二输入端口；第三耦合器305的第一输出端口和第二输出端口分别与第一平衡探测器5的两个端口相连。由数据采集卡8对第一平衡探测器5和第二平衡探测器6的输出信号进行采集，由计算机7程序处理数据采集卡8所采集到的数据流。
请参阅图2，图2为本发明搭建的内嵌双光纤布拉格光栅的马赫-曾德尔干涉仪模块的原理图。光纤耦合器2的第二输出端口的光进入内嵌双光纤布拉格光栅的马赫-曾德尔干涉仪模块4，入射到光纤耦合器401第一输入端口，被分为两束光，其中一束光经过透镜402和透镜404，再经过偏振控制器406进入光纤耦合器408的第一输入端口；另外一束光经过透镜403和透镜405，再经过偏振控制器407进入光纤耦合器408的第二输入端口，光纤耦合器的第一输出端口和第二输出端口作为内嵌双光纤布拉格光栅的马赫-曾德尔干涉仪模块4的两个输出。
本发明一种高速扫频光学相干层析成像波数线性化方法包括下列步骤：
S1：在所述的扫频光学相干层析系统中引入马赫-曾德尔干涉仪，扫频激光器的输出光经过第一耦合器2被分为两路光，95％光进入所述的光学相干层析系统3，5％光信号进入马赫-曾德尔干涉仪模块4。
S2:在所述马赫-曾德尔干涉仪模块4末端的光纤耦合器408的两个输出端口分别插入两个不同工作频率的光纤布拉格光栅(Fiber Bragg grating,FBG)409，410，以实现内嵌双光纤布拉格光栅的马赫-曾德尔干涉仪模块4的搭建。
S3:内嵌双光纤布拉格光栅的马赫-曾德尔干涉仪模块4的两个输出与第二平衡探测器6的两个输入端口相连，并经过数据采集卡8连接计算机7。
S4：启动扫频光学相干层析系统，所述第一耦合器2的95％的光进入扫频光学相干层析主体部分3，另外5％的输出光在经过马赫-曾德尔干涉仪末端的光纤耦合器408时被分为两路光，两路光分别经过所述的两个不同工作频率的光纤布拉格光栅409和410，进入第二平衡探测器6的两个端口。
S5：计算机7控制数据采集卡8对第一平衡探测器5的信号和第二平衡探测器6的信号进行采集，利用计算机程序执行第二平衡探测器信号配准，使得激光扫描对齐光纤布拉格光栅的反射峰，以截取一定波长范围内的马赫-曾德尔干涉仪信号，最终，来自不同激光扫描的马赫-曾德尔干涉仪光谱信号均实现对齐。
S6：所述的对齐的马赫-曾德尔干涉仪信号有两个光纤布拉格光栅反射峰，利用反射峰之间的信号来获取第一平衡探测器信号(该信号即为光学相干层析成像信号)波数线性化所需的相位校正矢量。
S7：利用上述获取的相位校正矢量，对同步采集的光学相干层析成像信号进行线性插值，实现波数的线性重采样。
本实例中的扫频光源使用美国Thorlabs公司的MEMS-VCSEL SL132121扫频激光器，其中心波长为1300nm，扫频速率为200kHz，扫频范围为100nm，光纤耦合器型号为TW1300R2A2，本实施例使用的光纤布拉格光栅为O/E LAND OEPBG-1310，中心波长为1310，窄带宽0.5nm。考虑到扫频光源的扫频速度，本实施例使用的平衡探测器为THORLABSPDB480C-AC，其带宽为1.6GHz，满足成像带宽要求。为了实现波数线性化，光学相干层析成像信号和和马赫-曾德尔干涉仪信号必须由一个高速数据采集卡同时采集，本实施例使用Teledyne ADQ-7的高速数据采集卡，其具有两个通道，最高采样速度为10GS/s。
请参阅图3，高速采集卡同步采集到的马赫-曾德尔干涉仪信号如图3(a)所示，采集到的光学相干层析成像信号如图3(b)，采集到的马赫-曾德尔干涉仪信号中有两个光纤布拉格光栅反射峰值信号作为触发信号，在每次扫描周期内，总是两个光纤布拉格光栅信号之间的信号被截取作为波数线性化的相位校正矢量，解决了扫频光源存在触发抖动的问题。进一步使用获取到的相位校正矢量，结合线性插值算法即可实现光学相干层析成像信号的波数线性化。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (3)

1.一种高速扫频光学相干层析成像波数线性化系统，其特征在于，包括扫频光源，马赫-曾德尔干涉仪模块，探测器模块，数据采集和数据处理程序；
所述扫频光源的输出端口与第一耦合器的第一端口相连，第一耦合器将光分为第一信号光和第二信号光，第一信号光进入所述马赫-曾德尔干涉仪模块；第二信号光进入第二耦合器输入端口，第二耦合器将光分为第一入射光和第二入射光，第一入射光进入参考臂，第二入射光进入样本臂；
所述参考臂包括准直镜、平面镜，所述第一入射光进入所述参考臂，先后经过准直镜和平面镜反射回来进入第三耦合器的第一输入端口；所述样本臂包括扫描振镜、准直镜，所述第二入射光进入所述样本臂，先后经过扫描振镜和准直镜后入射到样本，再反射回来进入第三耦合器的第二输入端口；
所述第三耦合器的第一输出端口和第二输出端口分别与第一平衡探测器的两个端口相连，所述马赫-曾德尔干涉仪模块的第一输出端口和第二输出端口分别与第二平衡探测器的两个端口相连，由数据采集卡对第一平衡探测器和第二平衡探测器的输出信号进行采集，由计算机程序处理数据采集卡所采集到的数据流。
2.根据权力要求1所述的一种高速扫频光学相干层析成像波数线性化系统，其特征在于，所述马赫-曾德尔干涉仪模块包括两个光纤耦合器、透镜、偏振控制器、两个不同工作频率的光纤布拉格光栅；所述第一光纤耦合器将入射到所述马赫-曾德尔干涉仪模块的光分为两束，分别经过所述透镜和偏振控制器后在所述第二光纤耦合器重新耦合；在所述的第二光纤耦合器的第一输出端口和第二输出端口分别插入所述的两个不同工作频率的光纤布拉格光栅；所述第二光纤耦合器再次将光分为两束，两束光经过所述两个光纤布拉格光栅后从所述的马赫-曾德尔干涉仪模块出射。
3.一种高速扫频光学相干层析成像波数线性化方法，其特征在于，该波数线性化方法包括以下步骤：
S1：启动扫频光学相干层析系统，所述第一耦合器的5％输出光作为所述第一信号光在经过所述马赫-曾德尔干涉仪模块末端的第一光纤耦合器时被分为两路光，两路光分别经过所述的两个不同工作频率的光纤布拉格光栅，进入所述第二平衡探测器的两个端口；
S2：计算机控制数据采集卡对第一平衡探测器信号和第二平衡探测器信号进行采集，利用计算机程序执行第二平衡探测器信号配准，使得激光扫描对齐所述两个光纤布拉格光栅的反射峰，以截取一定波长范围内的马赫-曾德尔干涉仪模块信号；
S3：所述的马赫-曾德尔干涉仪信号存在两个光纤布拉格光栅反射峰，利用反射峰之间的信号来获取第一平衡探测器信号波数线性化所需的相位校正矢量；
S4：利用S3获取的相位校正矢量，对同步采集的光学相干层析成像信号进行线性插值，实现波数的线性重采样。
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