CN116626888A - 偏振敏感光学相干层析成像的全深度色散补偿方法、系统 - Google Patents

偏振敏感光学相干层析成像的全深度色散补偿方法、系统 Download PDF

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许淞文
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Abstract

本申请公开了一种偏振敏感光学相干层析成像的全深度色散补偿方法、系统，包括以下步骤：步骤一、对反射镜成像，原始干涉信号两臂光程差为δz；步骤二、减背景，得到信号作为实部，做希尔伯特变换作为虚部；步骤三、逆傅里叶变换，滤波，滤去偏振伪影的信息；步骤四、提取相位信息步骤五、移动参考臂到零光程的对称位置，得到光程差为‑δz的原始干涉信号，重复步骤二‑步骤四，提取相位信息根据公式：得到色散函数，对图像进行色散补偿。

Description

偏振敏感光学相干层析成像的全深度色散补偿方法、系统
技术领域
本申请涉及一种偏振敏感光学相干层析成像的全深度色散补偿方法、系统，应用于偏振敏感光学相干层析成像(Polarization-Sensitive Optical CoherenceTomography简称PS-OCT)，对偏振敏感光学相干层析成像系统存在的色散进行补偿，属于偏振敏感光学相干层析成像技术领域。
背景技术
OCT是生物医学光学成像领域的一个重要成像技术，具有非侵入、无损伤、高分辨等优点。自1991年被发明以来，成为生物医学无损伤光学成像研究的热点，目前已被应用于眼科和心血管科等领域的临床诊断和病理研究中。随着技术的发展，OCT的功能也逐渐拓展，出现了多种功能OCT种类，例如血管造影OCT、偏振敏感OCT等。
OCT基于部分相干光干涉，轴向分辨率是OCT成像质量的关键因素之一，为了获得高的轴向分辨率，OCT需要使用宽光谱光源，因此样品臂和参考臂之间的任何折射率失配都会导致系统出现色散，从而使轴向点扩散函数(PSF)展宽，造成分辨率下降和信噪比降低。而对于PS-OCT系统，需要得到两路偏振方向相互垂直的干涉信号，并通过计算得到OCT功能图像，因此，色散引起的轴向分辨率下降会严重影响图像质量。
目前，补偿色散的方法主要有硬件法和软件法。硬件法就是通过在光路中加入色散补偿元件来补偿色散，但是会增加成本和系统复杂度。软件法主要是通过对采集的干涉信号进行数据处理，通过数值计算方法进行色散补偿。一种常见的方法为迭代法，此方法使用图像锐度等指标评价色散补偿结果，求出二阶、三阶色散系数，以此来消除色散(参考文献：M.Wojtkowski,V.J.Srinivasan,T.H.Ko,J.G.Fujimoto,A.Kowalczyk,and J.S.Duker,“Ultrahigh-resolution,high-speed,Fourier domain optical coherence tomographyand methods for dispersion compensation,”Opt.Express,12,2404-2422(2004))，但这类方法只能校正到三阶色散，无法校正更高阶的色散，并且计算量较大，降低了系统的成像速度。另一种方法为对称相位测量法(参考文献：K.Singh,G.Sharma and G.J.Tearney,“Estimation and compensation of dispersion for a high-resolution opticalcoherence tomography system”,J.Opt.,20,025301(2018))。该方法通过测量对称位置反射镜的相位计算色散补偿曲线，以此消除色散。但此方法只适用于常规的OCT系统，对于结构复杂的PS-OCT系统，由于样品臂和参考臂所用保偏光纤存在正交偏振模式的交叉耦合，造成采集到的图像存在偏振伪影，导致无法准确计算色散补偿曲线。
发明内容
本申请要解决的技术问题是如何有效补偿PS-OCT系统中存在的色散。
为了解决上述技术问题，本申请的技术方案提供了一种应用于PS-OCT系统的全深度色散补偿方法，包括以下步骤：
步骤一、使用PS-OCT系统对反射镜成像，得到原始干涉信号，此时两臂光程差为δz；
步骤二、对两路偏振方向相互垂直信号中水平方向干涉信号进行减背景，得到信号S(k,δz)作为实部，对S(k,δz)做希尔伯特变换作为虚部，得到信号的幅值和相位信息
步骤三、对进行逆傅里叶变换，对结果进行滤波，滤去偏振伪影的信息。具体地，首先找到反射镜信号的位置，以该位置为中心对信号进行加窗，消除偏振伪影的影响；
步骤四、对滤波后的提取出反射镜的相位信息/>
步骤五、移动参考臂，将反射镜成像位置移动到步骤一成像位置关于零光程的对称位置，得到对称位置的两臂光程差为-的原始干涉信号，重复步骤二-步骤四，得到相位信息
根据公式：计算得到色散函数/>将两路偏振方向相互垂直的干涉信号分别乘以该色散函数/>进行色散补偿，最后利用这两路色散补偿后的强度信号计算获得PS-OCT图像。
具体的，式中lc为光源相干长度，λ0为光源的中心波长，Δλ为光源带宽；信号S(k,δz)可表示为：
其中，Is(k)和Ir(k)分别为样品臂和参考臂的反射信号强度，需要求得的色散函数；
关于零光程对称的两个反射镜信号的相位可以表示为：
因此，计算得到的色散函数为：
将采集的两路偏振方向相互垂直的干涉信号分别乘以该色散函数，进行色散补偿，得到两路消色散的OCT强度信号，最后利用这两路强度信号计算获得PS-OCT图像。
本申请还提供了一种实施上述全深度色散补偿方法的PS-OCT系统，包括宽谱光源，宽谱光源输出的光经过偏振控制器后输出为沿竖直方向的线偏振光，线偏振光进入环形器，从环形器出射的光经过偏振分束器、50：50的保偏耦合器a端后均分为参考光束与样品光束；参考光束通过准直器、一片快轴方向与竖直方向夹角为22.5°的四分之一波片、一个色散补偿器和光阑，由反射镜原路反射回保偏耦合器c端；样品光束通过准直器、一片快轴方向与竖直方向夹角为45°的四分之一波片，使样品光束由线偏振态转为圆偏振态；之后通过扫描振镜、聚焦镜后照射待测样品，从样品散射回的光沿原路返回保偏耦合器d端；进入保偏耦合器c端的参考光和进入保偏耦合器d端的样品光发生干涉，干涉后的光从保偏耦合器出射。保偏耦合器a端出射的光进入偏振分束器后，沿竖直方向的光经过环形器进入第一平衡探测器，沿水平方向的光进入第二平衡探测器；保偏耦合器b端出射的光经过偏振分束器后，沿竖直方向的光进入第一平衡探测器，沿水平方向的光进入第二平衡探测器；第一平衡探测器和第二平衡探测器接收光后转化为电信号传输至信号处理装置进行计算，通过全深度色散补偿方法和PS-OCT的数据处理得到色散补偿后的样品偏振图像。
本申请还提供了一种电子设备，包括处理器、与处理器连接的存储器，存储器存储有供处理器执行的指令，处理器被设置为执行存储器存储的指令来执行上述的全深度色散补偿方法的步骤。
本申请优点在于：
1.本发明解决因PS-OCT系统两臂折射率不匹配引起的系统色散问题，不需要引入额外的硬件设备，节约了系统成本；
2.使用一种滤波的方法，实现了PS-OCT系统的偏振伪影存在情况下色散补偿曲线的准确计算；
3.本方法理论上能校正所有阶色散，只需要进行一次计算，即可在后续的成像过程中实时补偿系统色散；
4.对水平偏振方向的干涉信号进行数据处理，得到的结果用于两路偏振方向相互垂直信号的色散补偿，实现PS-OCT系统的图像质量优化。
附图说明
图1为实施例中提供的PS-OCT系统结构示意图；
图2为实施例中提供的全深度色散补偿方法流程图；
图3-1为未色散补偿前的图像；
图3-2为经色散补偿后的图像。
具体实施方式
为使本申请更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
本实施例提供的PS-OCT系统的全深度色散补偿方法，针对大深度PS-OCT系统中存在的色散问题提出了解决方案，使用对称相位测量法计算系统的色散大小，确定色散补偿曲线，以此补偿系统内存在的色散。
PS-OCT系统结构如图1所示，包括宽谱光源101，宽谱光源101输出的光经过偏振控制器102后输出为沿竖直方向的线偏振光，该线偏振光进入环形器103，从环形器103出射的光经过偏振分束器104、50：50的保偏耦合器105a端后均分为参考光束与样品光束；参考光束通过准直器106、一片快轴方向与竖直方向夹角为22.5°的四分之一波片107、一个色散补偿器108和光阑109，由反射镜110原路反射回保偏耦合器105c端；样品光束则通过准直器111、一片快轴方向与竖直方向夹角为45°的四分之一波片112，使样品光束由线偏振态转为圆偏振态；之后通过扫描振镜113、聚焦镜114后照射待测样品115，从样品115散射回的光沿原路返回保偏耦合器105d端；进入保偏耦合器105c端的参考光和进入保偏耦合器105d端的样品光发生干涉，干涉后的光从保偏耦合器105出射。保偏耦合器105a端出射的光进入偏振分束器104后，沿竖直方向的光经过环形器103进入第一平衡探测器117，沿水平方向的光进入第二平衡探测器118；保偏耦合器105b端出射的光经过偏振分束器116后，沿竖直方向的光进入第一平衡探测器117，沿水平方向的光进入第二平衡探测器118。第一平衡探测器117和第二平衡探测器118接收光后转化为电信号传输至信号处理装置119进行计算，通过全深度色散补偿方法和PS-OCT的数据处理得到色散补偿后的样品偏振图像。
本实施例提供的全深度色散补偿方法正是由上述PS-OCT系统实施。
PS-OCT系统的轴向分辨率取决于光源的中心波长和光源的带宽，其表达式为：
式中lc为光源相干长度，λ0为光源的中心波长，Δλ为光源带宽，δz为样品与参考臂反射镜的光程差。本实施例中，光源的中心波长是1310nm，带宽为100nm，空气中理论轴向分辨率为7.6μm。
探测器记录的干涉谱减去背景后得到的信号S(k,δz)可表示为：
其中Is(k),Ir(k)分别为样品臂和参考臂的反射信号强度，为需要求得的色散函数。因此，只需要测量关于零光程对称的两个反射镜，计算它们的相位即可得到关于零光程对称的两个反射镜信号相位可以表示为：
因此计算得到的色散函数为：
将采集的两路偏振方向相互垂直的干涉信号分别乘以该色散函数，进行色散补偿，得到两路消色散的OCT强度信号，最后利用这两路强度信号计算获得PS-OCT图像。
参见图2，本实施例提供了PS-OCT系统的全深度色散补偿方法，具体步骤如下：
步骤一、使用PS-OCT系统对反射镜成像，得到原始干涉信号，此时两臂光程差为δz；
步骤二、对两路偏振方向相互垂直信号中水平方向干涉信号进行减背景，得到信号S(k,δz)作为实部，对S(k,δz)做希尔伯特变换作为虚部，得到信号的幅值和相位信息
步骤三、对进行逆傅里叶变换，对结果进行滤波，滤去偏振伪影的信息。具体地，首先找到反射镜信号的位置，以该位置为中心对信号进行加窗，消除偏振伪影的影响；
步骤四、对滤波后的提取出反射镜的相位信息/>
步骤五、移动参考臂，将反射镜成像位置移动到步骤一反射镜成像位置关于零光程的对称位置，得到对称位置的两臂光程差为-δz的原始干涉信号，重复步骤二-步骤四，得到相位信息
根据公式：计算得到色散函数/>将两路偏振方向相互垂直的干涉信号分别乘以该色散函数/>进行色散补偿，最后利用这两路色散补偿后的强度信号计算获得PS-OCT图像。
例如，对10层胶带进行成像验证色散补偿效果，图3-1和图3-2为色散补偿前后的对比，图3-1为未进行补偿的胶带成像效果，图3-2为色散补偿后的成像效果。
本实施例提供的PS-OCT系统的全深度色散补偿方法不仅可以在本实施例提供的PS-OCT系统中实施，也可以在类似成像系统生成图像后，单独在电子设备中实施，所述电子设备包括处理器、与处理器连接的存储器，存储器存储有供处理器执行的指令，处理器被设置为执行存储器存储的指令来执行本实施例提供的PS-OCT系统的全深度色散补偿方法的步骤。

Claims (4)

1.一种偏振敏感光学相干层析成像PS-OCT的全深度色散补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、使用PS-OCT系统对反射镜成像，得到原始干涉信号，此时两臂光程差为δz；
步骤二、对两路偏振方向相互垂直信号中水平方向干涉信号进行减背景，得到信号S(k,δz)作为实部，对S(k,δz)做希尔伯特变换作为虚部，得到信号的幅值和相位信息
步骤三、对进行逆傅里叶变换，对结果进行滤波，滤去偏振伪影的信息；
步骤四、对滤波后的提取出反射镜的相位信息/>
步骤五、移动参考臂，将反射镜成像位置移动到步骤一成像位置关于零光程的对称位置，得到对称位置的两臂光程差为-的原始干涉信号，重复步骤二-步骤四，得到相位信息
根据公式：计算得到色散函数/>将两路偏振方向相互垂直的干涉信号分别乘以该色散函数/>进行色散补偿，最后利用这两路色散补偿后的强度信号计算获得PS-OCT图像。
2.如权利要求1所述的一种偏振敏感光学相干层析成像的全深度色散补偿方法，其特征在于，式中lc为光源相干长度，λ0为光源的中心波长，Δλ为光源带宽；信号S(k,δz)可表示为：
其中，Is(),Ir()分别为样品臂和参考臂的反射信号强度，为需要求得的色散函数；
关于零光程对称的两个反射镜信号相位可以表示为：
因此计算得到的色散函数为：
将采集的两路偏振方向相互垂直的干涉信号分别乘以该色散函数，进行色散补偿，得到两路消色散的OCT强度信号，最后利用这两路强度信号计算获得PS-OCT图像。
3.一种实施权利要求1所述的全深度色散补偿方法的PS-OCT系统，其特征在于，包括宽谱光源，宽谱光源输出的光经过偏振控制器后输出为沿竖直方向的线偏振光，线偏振光进入环形器，从环形器出射的光经过偏振分束器、50：50的保偏耦合器a端后均分为参考光束与样品光束；参考光束通过准直器、一片快轴方向与竖直方向夹角为22.5°的四分之一波片、一个色散补偿器和光阑，由反射镜原路反射回保偏耦合器c端；样品光束通过准直器、一片快轴方向与竖直方向夹角为45°的四分之一波片，使样品光束由线偏振态转为圆偏振态；之后通过扫描振镜、聚焦镜后照射待测样品，从样品散射回的光沿原路返回保偏耦合器d端；进入保偏耦合器c端的参考光和进入保偏耦合器d端的样品光发生干涉，干涉后的光从保偏耦合器出射；保偏耦合器a端出射的光进入偏振分束器后，沿竖直方向的光经过环形器进入第一平衡探测器，沿水平方向的光进入第二平衡探测器；保偏耦合器b端出射的光经过偏振分束器后，沿竖直方向的光进入第一平衡探测器，沿水平方向的光进入第二平衡探测器；第一平衡探测器和第二平衡探测器接收光后转化为电信号传输至信号处理装置进行计算，通过全深度色散补偿方法和PS-OCT的数据处理得到色散补偿后的样品偏振图像。
4.一种电子设备，其特征在于，包括处理器、与处理器连接的存储器，存储器存储有供处理器执行的指令，处理器被设置为执行存储器存储的指令来执行权利要求1所述的全深度色散补偿方法的步骤。
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