CN116336936B - 基于波长调制的傅里叶域oct系统色散补偿方法及系统 - Google Patents

基于波长调制的傅里叶域oct系统色散补偿方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于波长调制的傅里叶域OCT系统色散补偿方法及系统，包括：S1，获取最佳调制系数C0；S2，进行色散补偿；所述S1包括：S11，采集八组干涉信号Si(λ)；S12，对八组干涉信号中的任一组干涉信号求得相位，对相位分布进行解包裹和相位线性拟合后，得到相位的非线性部分，即色散相位中的高阶分量e(λ)；S13，对八组干涉信号作波长调制，记录下波长调制后的八组干涉信号对应的八组振幅分布Ai(z)，求得Ai(z)的半高宽FWHM的平均值和均方差的乘积AVE×STD；S14，采用不同的调制系数重复进行S13，直到AVE×STD最小值出现，选择最小值对应的调制系数作为最佳调制系数C0。本发明色散补偿效果好，运算量少，减小了计算机的压力，保证了成像的实时性。

Description

基于波长调制的傅里叶域OCT系统色散补偿方法及系统
技术领域
本发明涉及一种OCT系统色散补偿，尤其涉及基于波长调制的傅里叶域OCT系统色散补偿方法及系统。
背景技术
使用宽光谱光源照明的OCT系统，光束经过分光镜后一束照射到参考镜，另一束被照射到被测物体上，探测两束反射光的干涉信号解析物体内部信息。由于光学元件对不同波长的折射率不同，当两路光束经过不完全一致光学元件时，因不同的波长的光束经过光学元件产生不同的光程差为干涉信号引入色散相位，色散相位增大了干涉信号相干峰的宽度，造成邻近位置的振幅分布交叠，从而影响成像的分辨率，因此需要进行色散补偿。
常见色散补偿的方法分为两种，一种是使用基于硬件的方法，通过在光路中添加合适的光学器件或相位延迟线来补偿色散，虽然硬件的方法适用于补偿OCT设备中存在的固定色散，但光电元件的额外成本和复杂的操作限制了其应用场景。另一种方法是采用通过算法来抵消色散，与硬件色散补偿相比造价较低且更为方便，常见方法包括迭代算法和卷积的方法，迭代算法通过在希尔伯特变换后的干涉信号中加入相位校正分量来优化高阶色散相位，最佳相位校正函数由锐度函数确定；卷积方法是通过复共轭局部色散相位的傅立叶变换获得卷积核，用于校正局部干涉信号。上述两种方法虽然有效，但复杂的迭代过程和较大的运算量限制它的应用领域。两种色散补偿算法及其缺陷概括如下：
1.迭代算法：对采集的光谱干涉信号作希尔伯特变换后得到相位分布，生成3阶多项式补偿相位中的高阶色散项，以色散补偿后的图像锐度作为评判标准，如果多项式的系数正确，图像的锐度达到最高。由于色散相位是未知的，该算法需要迭代较多次才能找到最佳补偿系数，以截面图的锐度作为评判参数需要在每次迭代中对B-scan中的全部A-scan信号做处理，所以该算法对运算量的需求较大，使用的时候耗时较长。
2.卷积方法：对采集干涉信号的相位作处理来得到卷积核，通过该卷积核对截面图做卷积来提高图像锐度。对于每次测量的数据量达到千兆字节的OCT测量数据中的每个A-scan信号的处理结果做卷积，显然会给计算机带来很大负担，影响成像的实时性。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中的问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供基于波长调制的傅里叶域OCT系统色散补偿方法，包括以下步骤：
S1，获取最佳调制系数C0；
S2，进行色散补偿；
所述S1包括：
S11，采集八组干涉信号Si(λ)，i是[1,8]区间内的整数；
S12，对八组干涉信号中的任一组干涉信号求得相位，对相位分布进行解包裹和相位线性拟合后，得到相位的非线性部分，即色散相位中的高阶分量e (λ)；
S13，采用调制系数C，对八组干涉信号作波长调制，记录下波长调制后的八组干涉信号对应的八组振幅分布Ai (z)，求得Ai (z)的半高宽FWHM的AVE×STD，其中AVE为半高宽FWHM的平均值，STD为半高宽FWHM的均方差；
S14，采用不同的调制系数重复进行S13，直到AVE×STD最小值出现，选择最小值对应的调制系数作为最佳调制系数C0。
优选的，所述S11具体为，使用反射镜作为被测样品，在OCT能检测的深度范围内移动反射镜，移动八次反射镜采集到八组不同反射镜位置获得的干涉信号，取相同位置的A-scan信号作为Si(λ)。
优选的，八次移动反射镜的间距相等。
优选的，移动八次反射镜的总距离是OCT的检测深度。
优选的，所述S12求得相位具体为，从八组干涉信号中任选一组干涉信号，通过希尔伯特变换求得相位。
优选的，所述S12求得相位具体为，从八组干涉信号中任选一组干涉信号，通过傅里叶变换求得相位。
优选的，所述S13的波长调制具体为，使用λ+C×e(λ)代替干涉信号的横坐标λ，使八组干涉信号Si(λ)变为Si(λ+C×e(λ))，调制系数C为色散补偿系数，再对Si(λ+C×e (λ))作傅里叶变换，得到对应的八组振幅分布Ai (z)。
优选的，所述S14采用不同的调制系数具体为，首先令C=0开始，记录AVE×STD的值为T，C值先从1×10-10开始增大，每次增大后数值为上一组C值的10倍，直到AVE×STD的值出现小于0.9T时，记录此时对应的C值为CT，在区间[CT/10，CT×10]等间隔取100个值作为C的取值；再从C=CT/10开始重复进行S13，若AVE×STD未出现最小值，则依次增大C值，直到AVE×STD出现最小值，记录此时的C值作为最佳调制系数C0。
优选的，所述S2具体为，对采集到的干涉信号S0(λ)使用λ+ C0×e(λ)代替干涉信号的横坐标λ，e(λ)为S12所得的色散相位中的高阶分量，使干涉信号S0(λ)变为S0(λ+C0×e(λ))，再对S0(λ+C0×e(λ))作傅里叶变换，求得振幅分布A0 (z)。
本发明还提供基于波长调制的傅里叶域OCT系统色散补偿系统，用于实现上述任一基于波长调制的傅里叶域OCT系统色散补偿方法，包括：
信号采集模块，用于采集干涉信号；
补偿模块，用于进行色散补偿，具体包括用于进行傅里叶变换或希尔伯特变换的变换单元、用于色散相位中高阶分量的相位单元和利用调制系数C对干涉信号作波长调制的调制单元；
调参模块，用于调整调制系数C，重复进行S13，直到AVE×STD最小值的出现，选择最小值对应的调制系数C作为最佳调制系数C0。
本发明具有如下有益效果：
1.使用反射镜作为被测物体采集干涉信号，直接得到色散相位中的高阶色散项，通过测量得到的高阶色散相位比迭代拟合的高阶色散相位更加准确，因此色散补偿效果更好。
2.需要迭代的只有一个补偿系数C，相比于多项式拟合中需要迭代2个系数，大幅度减小了迭代次数；仅使用8个干涉信号作迭代，通过迭代后的8组信号的半高宽的平均值和均方差作为评判标准，当平均值和均方差的乘积到达最小值时得到最佳调制系数C0，相比基于整幅图的锐度作为相位补偿的评判标准，减小了上千倍的运算量。
3.得到最佳调制系数C0后存储到OCT系统中，在接下来的测量中，在原始干涉信号中直接使用C0为补偿系数处理原始干涉信号来做相位补偿，相比于基于对图像的卷积来补偿色散，减小了对计算机的压力，保证了成像的实时性。
以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。
附图说明
图1为本发明实施例基于波长调制的傅里叶域OCT系统色散补偿方法的步骤图；
图2为本发明实施例基于波长调制的傅里叶域OCT系统色散补偿方法的详细流程图；
图3为本发明实施例基于波长调制的傅里叶域OCT系统色散补偿系统的结构示意图。
具体实施方式
参见图1所示，为本发明实施例的基于波长调制的傅里叶域OCT系统色散补偿方法的流程图，包括以下步骤：
S1，获取最佳调制系数C0；S2，进行色散补偿；
所述S1包括：
S11，采集八组干涉信号Si(λ)，i是[1,8]区间内的整数；
S12，对八组干涉信号中的任一组干涉信号求得相位，对相位分布进行解包裹和相位线性拟合后，得到相位的非线性部分，即色散相位中的高阶分量e (λ)；
S13，采用调制系数C对八组干涉信号作波长调制，记录下波长调制后的八组干涉信号对应的八组振幅分布Ai (z)，求得Ai (z)的半高宽FWHM的AVE×STD，其中AVE为半高宽FWHM的平均值，STD为半高宽FWHM的均方差；
S14，采用不同的调制系数重复进行S13，直到AVE×STD最小值出现，选择最小值对应的调制系数作为最佳调制系数C0。
参见图2所示，为本发明实施例基于波长调制的傅里叶域OCT系统色散补偿方法的详细流程图。所述S12求得相位具体为，从八组干涉信号中任选一组干涉信号，通过希尔伯特变换求得相位；所述S12求得相位具体为，从八组干涉信号中任选一组干涉信号，通过傅里叶变换求得相位；所述S13的波长调制具体为，使用λ+C×e(λ)代替干涉信号的横坐标λ，使八组干涉信号Si(λ)变为Si(λ+C×e(λ))，调制系数C为色散补偿系数，再对Si(λ+C×e(λ))作傅里叶变换，得到对应的八组振幅分布Ai (z)；所述S14采用不同的调制系数具体为，首先令C=0，记录AVE×STD的值为T，C值先从1×10-10开始增大，每次增大后数值为上一组C值的10倍，直到AVE×STD的值出现小于0.9T时，记录此时对应的C值为CT，在区间[CT/10，CT×10]等间隔取100个C值，C的取值从CT/10开始，若AVE×STD未出现最小值，则逐渐增大C值。所述S2具体为，对采集到的干涉信号S0(λ)使用λ+ C0×e(λ)代替干涉信号的横坐标λ，e(λ)为S12所得的色散相位中的高阶分量，使干涉信号S0(λ)变为S0(λ+C0×e(λ))，再对S0(λ+C0×e(λ))作傅里叶变换，求得振幅分布A0 (z)。
具体的，八次移动反射镜的间距相等。
具体的，移动八次反射镜的总距离等于OCT的检测深度。
参见图3所示，为本发明实施例基于波长调制的傅里叶域OCT系统色散补偿系统的结构示意图，包括：信号采集模块1，用于采集干涉信号；
补偿模块2，用于进行色散补偿，具体包括用于进行傅里叶变换或希尔伯特变换的变换单元21、用于色散相位中高阶分量的相位单元22和利用调制系数C对干涉信号作波长调制的调制单元23；
调参模块3，用于调整调制系数C，重复进行S13，直到AVE×STD最小值的出现，选择极小值对应的调制系数C作为最佳调制系数C0。
基于波长调制的傅里叶域OCT系统色散补偿方法，所述S1采集的信号在本实施例的系统中经由信号采集模块1、补偿模块2进入调参模块3，之后在补偿模块2和调参模块3之间往复，直到调参模块3求得AVE×STD最小值，将此时的调制系数C作为最佳调制系数C0。求得最佳调制系数C0之后，所述S2采集的信号在本实施例的系统中经由信号采集模块1和补偿模块2之后，作为色散补偿后的信号发送出去。
可见，本发明提出的基于波长调制的傅里叶域OCT系统色散补偿方法及系统，相比于通过硬件色散补偿方法更加方便，且节省成本；相比于其他算法，迭代次数少和运算量小，无论在提前校准OCT设备色散参数还是对干涉信号进行色散补偿调制，都更为方便快捷。
以上仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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 (8)

1.基于波长调制的傅里叶域OCT系统色散补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，获取最佳调制系数C0；
S2，进行色散补偿；
所述S1包括：
S11，采集八组干涉信号Si(λ)，i是[1,8]区间内的整数；
S12，对八组干涉信号中的任一组干涉信号求得相位，对相位分布进行解包裹和相位线性拟合后，得到相位的非线性部分，即色散相位中的高阶分量e(λ)；
S13，采用调制系数C对八组干涉信号作波长调制，记录下波长调制后的八组干涉信号对应的八组振幅分布Ai(z)，求得Ai(z)的半高宽FWHM的AVE×STD，其中AVE为半高宽FWHM的平均值，STD为半高宽FWHM的均方差；
S14，采用不同的调制系数C重复进行S13，直到AVE×STD最小值出现，选择最小值对应的调制系数C作为最佳调制系数C0；
所述S11具体为，使用反射镜作为被测样品，在OCT能检测的深度范围内移动反射镜，移动八次反射镜采集到八组不同反射镜位置获得的干涉信号，取相同位置的A-scan信号作为Si(λ)；
所述S2具体为，对采集到的干涉信号S0(λ)用λ+C0×e(λ)代替干涉信号的横坐标λ，e(λ)为S12所得的色散相位中的高阶分量，使干涉信号S0(λ)变为S0(λ+C0×e(λ))，再对S0(λ+C0×e(λ))作傅里叶变换，求得振幅分布A0(z)。
2.根据权利要求1所述的基于波长调制的傅里叶域OCT系统色散补偿方法，其特征在于，八次移动反射镜的间距相等。
3.根据权利要求2所述的基于波长调制的傅里叶域OCT系统色散补偿方法，其特征在于，移动八次反射镜的总距离是OCT的检测深度。
4.根据权利要求1所述的基于波长调制的傅里叶域OCT系统色散补偿方法，其特征在于，所述S12求得相位具体为，从八组干涉信号中任选一组干涉信号，通过希尔伯特变换求得相位。
5.根据权利要求1所述的基于波长调制的傅里叶域OCT系统色散补偿方法，其特征在于，所述S12求得相位具体为，从八组干涉信号中任选一组干涉信号，通过傅里叶变换求得相位。
6.根据权利要求1所述的基于波长调制的傅里叶域OCT系统色散补偿方法，其特征在于，所述S13的波长调制具体为，使用λ+C×e(λ)代替干涉信号的横坐标λ，使八组干涉信号Si(λ)变为Si(λ+C×e(λ))，再对Si(λ+C×e(λ))作傅里叶变换，得到对应的八组调制后振幅分布Ai(z)。
7.根据权利要求1所述的基于波长调制的傅里叶域OCT系统色散补偿方法，其特征在于，所述S14采用不同的调制系数具体为，首先令C＝0开始，记录AVE×STD的值为T，C值先从1×10-10开始增大，每次增大后数值为上一组C值的10倍，直到AVE×STD的值出现小于0.9T时，记录此时对应的C值为CT，在区间[CT/10，CT×10]等间隔取100个值作为C的取值；再从C＝CT/10开始重复进行S13，若AVE×STD未出现最小值，则依次增大C值，直到AVE×STD出现最小值，记录此时的C值作为最佳调制系数C0。
8.基于波长调制的傅里叶域OCT系统色散补偿系统，用于实现权利要求1至7中任一所述的基于波长调制的傅里叶域OCT系统色散补偿方法，其特征在于，包括：
信号采集模块，用于采集干涉信号；
补偿模块，用于进行色散补偿，具体包括用于进行傅里叶变换或希尔伯特变换的变换单元、用于求得色散相位中高阶分量的相位单元和利用调制系数C对干涉信号作波长调制的调制单元；
调参模块，用于调整调制系数C，重复进行S13，直到AVE×STD最小值出现，选择最小值对应的调制系数C作为最佳调制系数C0。
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