CN116804632B - 一种色散补偿调节方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种色散补偿调节方法及系统，涉及光谱仪技术领域，包括：获取干涉信号；其中，参考臂反射的光信号为光束通过色散补偿棱镜对入射至反射镜后，经反射镜反射的光信号；确定干涉信号中的等光程点波峰或等光程点波谷，调节参考臂光程或样品臂光程，判断等光程点波峰或等光程点波谷的移动方向；根据移动方向调节光束通过色散补偿棱镜对的厚度，再调节参考臂光程或样品臂光程，使等光程点波峰或等光程点波谷移动至探测器中心位置，获取此时干涉信号的波峰数量；判断波峰数量是否满足阈值要求，若不满足，则继续调节参考臂光程或样品臂光程，直至厚度调节后的波峰数量满足阈值要求，实现色散的快速、自动且准确的补偿。
Description
技术领域
本发明涉及光谱仪技术领域，特别是涉及一种色散补偿调节方法及系统。
背景技术
光学相干层析成像（optical coherence tomography, OCT）是一种通过探测样品的背向散射光信号获取样品内部结构信息的技术。OCT系统具有微米级甚至亚微米级的轴向分辨率。在OCT系统的样品臂中，会有准直透镜、聚焦透镜、扫描物镜等光学元件，宽谱光在通过这些元件时，会产生色散，因此在参考臂中需要添加一定的色散补偿元件，从而使参考臂中的色散与样品臂的色散相匹配（保持在一定的误差内），提高成像质量。
为了提高OCT系统的分辨率，可以采用增加光源谱宽的方法，但是随着光源谱宽的增加，尤其是在带宽100nm以上的超宽光谱光源中，样品臂与参考臂之间色散不匹配产生的影响会加剧，这将导致干涉信号的展宽与畸变，降低系统的分辨率，影响成像质量。
现有的色散补偿方法可分为硬件补偿和软件补偿两种。
其中，硬件补偿方法是通过在参考臂中加入水、玻璃片等色散补偿元件来实现参考臂与样品臂的色散匹配，该方法通过手动添加、替换不同厚度的水或玻璃片，然后通过成像质量去调整色散补偿元件，操作繁琐，不便于调整。
软件补偿是对OCT系统采集的数据利用算法进行处理，根据计算得到的色散补偿系数进行图像重建，从而提高成像质量。但是现有方法一般是计算二阶色散补偿系数以及三阶色散补偿系统进行色散补偿，难以补偿更高阶的色散，并且数值计算、拟合的方法存在一定的误差，难以保证获得最佳的图像质量，且会增加图像重建时的计算量。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种色散补偿调节方法及系统，实现色散的快速、自动且准确的补偿，可适用于多种材料、不同尺寸参数的光学元件组合的色散补偿与色散相位测量。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
第一方面，本发明提供一种色散补偿调节方法，包括：
获取由参考臂与样品臂反射的光信号产生的干涉信号；其中，参考臂反射的光信号为光束通过色散补偿棱镜对入射至反射镜后，经反射镜反射的光信号；
获取干涉信号中的等光程点波峰或等光程点波谷的位置，通过调节参考臂光程或样品臂光程，判断等光程点波峰或等光程点波谷的移动方向；
根据移动方向调节光束通过色散补偿棱镜对的厚度，再通过调节参考臂光程或样品臂光程，使等光程点波峰或等光程点波谷移动至探测器中心位置，并获取此时干涉信号中的波峰数量；
判断波峰数量是否满足阈值要求，若不满足，则继续调节参考臂光程或样品臂光程，直至厚度调节后的波峰数量满足阈值要求，使得参考臂与样品臂的色散补偿达到最佳状态。
作为可选择的实施方式，增加参考臂光程或减小样品臂光程时，判断等光程点波峰或等光程点波谷的移动方向；若等光程点波峰或等光程点波谷向波长增加的方向移动，则减小光束通过色散补偿棱镜对的厚度；若向波长减小的方向移动，则增加光束通过色散补偿棱镜对的厚度。
作为可选择的实施方式，减小参考臂光程或增加样品臂光程时，判断等光程点波峰或等光程点波谷的移动方向；若等光程点波峰或等光程点波谷向波长增加的方向移动，则增加光束通过色散补偿棱镜对的厚度；若向波长减小的方向移动，则减小光束通过色散补偿棱镜对的厚度。
作为可选择的实施方式，所述色散补偿棱镜对包括两片相对设置的色散补偿棱镜，两片色散补偿棱镜重叠的部分为光束通过色散补偿棱镜对的厚度，通过将两片色散补偿棱镜进行错位调节，来增大或减小光束通过色散补偿棱镜对的厚度。
作为可选择的实施方式，所述色散补偿棱镜对设置n组，n≥1，n组色散补偿棱镜对依次排列设置。
作为可选择的实施方式，不同组的色散补偿棱镜对设计不同的形状尺寸参数，采用不同的玻璃材料。
作为可选择的实施方式，参考臂与样品臂的色散补偿达到最佳状态后，计算样品臂中光学元件的色散相位为：
其中，为波数k对应的相位，/>为第i个色散补偿棱镜对的材料在波数k处的折射率，/>为光束通过第i个色散补偿棱镜对的厚度，n为色散补偿棱镜对的数量。
第二方面，本发明提供一种色散补偿调节系统，包括：光源、耦合器、参考臂、样品臂、光谱仪、运动平台和控制器；
所述光源用于产生光束；
所述耦合器用于将光束分别入射至参考臂和样品臂，并对参考臂和样品臂反射回的光信号进行干涉，将产生的干涉信号传输至光谱仪；
所述参考臂包括用于使光束依次通过的第一准直器、色散补偿棱镜对和第一反射镜，第一反射镜用于将入射的光信号反射回耦合器；
所述光谱仪用于将干涉信号传输至控制器；
所述控制器被配置为：通过控制运动平台调节参考臂光程或样品臂光程，判断干涉信号中等光程点波峰或等光程点波谷的移动方向，根据移动方向控制运动平台调节光束通过色散补偿棱镜对的厚度，再通过调节参考臂光程或样品臂光程，使等光程点波峰或等光程点波谷移动至探测器中心位置，判断此时干涉信号中波峰数量是否满足阈值要求，若不满足，则继续调节参考臂光程或样品臂光程，直至厚度调节后的波峰数量满足阈值要求，使得参考臂与样品臂的色散补偿达到最佳状态。
作为可选择的实施方式，所述色散补偿棱镜对设置n组，n≥1，n组色散补偿棱镜对依次排列设置，不同组的色散补偿棱镜对设计不同的形状尺寸参数，采用不同的玻璃材料。
作为可选择的实施方式，所述样品臂包括用于使光束依次通过的第二准直器、透镜组和第二反射镜，所述第二反射镜由运动平台控制，用于调节样品臂中第二反射镜和第二准直器间的距离，n组色散补偿棱镜对、第一反射镜和第二反射镜采用独立的运动平台进行控制。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提出一种色散补偿调节方法及系统，利用干涉信号中等光程点波峰或等光程点波谷的特征，对参考臂光程或样品臂光程进行调节后，基于等光程点波峰或等光程点波谷的反馈，调节光束通过色散补偿棱镜对的厚度，从而根据对色散补偿棱镜对与参考臂反射镜的协调控制，达到参考臂与样品臂的最佳色散补偿状态，实现根据样品臂的元件色散情况自动调节参考臂的色散，实现样品臂与参考臂的色散匹配，可适用于多种材料、不同尺寸参数的光学元件组合的色散补偿与色散相位测量。
本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
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提供的色散补偿调节方法示意图；
图2为本发明实施例1提供的干涉信号中存在等光程点波峰的示意图；
图3为本发明实施例1提供的干涉信号中存在等光程点波谷的示意图；
图4为本发明实施例1提供的等光程点波峰（或等光程点波谷）向波长增加的方向移动的示意图；
图5为本发明实施例1提供的等光程点波峰（或等光程点波谷）向波长减小的方向移动的示意图；
图6为本发明实施例1提供的色散补偿棱镜对调节示意图；
图7为本发明实施例1提供的参考臂与样品臂的色散补偿达到最佳状态时的干涉信号示意图；
图8为本发明实施例1提供的以增加参考臂光程、监测干涉信号中的等光程点波峰为例的色散补偿调节过程流程图；
图9为本发明实施例1提供的色散补偿调节系统示意图一；
图10为本发明实施例1提供的色散补偿调节系统示意图二；
其中，1、光源，2、光谱仪，3、耦合器，4、控制器，5、第一准直器，6、第二准直器，7、色散补偿棱镜对，8、第一反射镜，9、第二反射镜，10、透镜组，11、运动平台。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，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，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
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
本实施例提出一种色散补偿调节方法，对基于OCT系统的干涉信号进行处理，以实时反馈调节色散补偿元件，实现OCT系统色散的快速、自动且准确的补偿，可适用于多种材料、不同尺寸参数的光学元件组合的色散补偿与色散相位测量。
如图1所示，具体包括：
获取由参考臂与样品臂反射的光信号产生的干涉信号；其中，参考臂反射的光信号为光束通过色散补偿棱镜对入射至反射镜后，经反射镜反射的光信号；
获取干涉信号中的等光程点波峰或等光程点波谷的位置，通过调节参考臂光程或样品臂光程，判断等光程点波峰或等光程点波谷的移动方向；
根据移动方向调节光束通过色散补偿棱镜对的厚度，再通过调节参考臂光程或样品臂光程，使等光程点波峰或等光程点波谷移动至探测器中心位置，并获取此时干涉信号中的波峰数量；
判断波峰数量是否满足阈值要求，若不满足，则继续调节参考臂光程或样品臂光程，直至厚度调节后的波峰数量满足阈值要求，使得参考臂与样品臂的色散补偿达到最佳状态。
在本实施例中，光源发出的光束一部分入射到参考臂，一部分入射到样品臂；在参考臂中，光束经过准直器、色散补偿棱镜对入射至反射镜，经反射镜反射回耦合器中；在样品臂中，光束经过准直器、透镜组入射至反射镜，经反射镜反射回耦合器中；参考臂与样品臂反射回的光信号在耦合器中产生干涉信号。
当样品臂与参考臂中的色散不匹配时，在产生的干涉信号中会存在一个等光程点波峰或等光程点波谷，如图2-图3所示，此处信号的频率最低，两侧的信号频率较高，等光程点波峰（或等光程点波谷）的坐标记为(xe,ye)。
在本实施例中，在调节参考臂光程或样品臂光程之前，可以先通过调节参考臂光程，即调节参考臂的反射镜与准直器之间的距离，将干涉信号的等光程点波峰（或等光程点波谷）调节至光谱仪探测器的中心位置；
可以理解的，在判断等光程点波峰（或等光程点波谷）的移动方向之前，可以执行该步骤，这是为了在调节完厚度之后，使等光程点波峰（或等光程点波谷）移动至探测器中心位置时，可以调节较小的移动量，但是也可不执行该过程，可根据实际情况进行选择。
然后，通过调节参考臂光程或样品臂光程，判断等光程点波峰或等光程点波谷的移动方向；
具体地：增加参考臂光程，检测干涉信号中等光程点波峰（或等光程点波谷）的移动方向；若等光程点波峰（或等光程点波谷）的坐标的X轴坐标xe向波长增加的方向移动，如图4所示，则减小光束通过色散补偿棱镜对的厚度H；若xe向波长减小的方向移动，如图5所示，则增加光束通过色散补偿棱镜对的厚度H。
或者，减小参考臂光程，检测干涉信号中等光程点波峰（或等光程点波谷）的移动方向；若等光程点波峰（或等光程点波谷）的坐标的X轴坐标xe向波长增加的方向移动，则增加光束通过色散补偿棱镜对的厚度H；若等光程点波峰（或等光程点波谷）的坐标的X轴坐标xe向波长减小的方向移动，则减小光束通过色散补偿棱镜对的厚度H。
或者，减小样品臂光程，该调节方法与增加参考臂光程一致，在此不再赘述。
或者，增加样品臂光程，该调节方法与减小参考臂光程一致，在此不再赘述。
可以理解的，上述四种调节方法都可实现，在实际应用时，选择其中一种即可。
在本实施例中，色散补偿棱镜对包括两片相对设置的色散补偿棱镜，两片色散补偿棱镜重叠的部分视为光束通过色散补偿棱镜对的厚度，通过将两片色散补偿棱镜进行错位调节，来增大或减小光束通过色散补偿棱镜对的厚度；如图6所示，图6的（a）中的厚度大于图6的（b）中的厚度，图6的（b）中的厚度大于图6的（c）中的厚度。
在本实施例中，调节光束通过色散补偿棱镜对的厚度，然后调节参考臂光程或样品臂光程，直至干涉信号的等光程点波峰（或等光程点波谷）重新回到光谱仪探测器的中心位置，检测并记录此时干涉信号中的波峰数量；
判断此时干涉信号中的波峰数量是否满足阈值要求（一般设置波峰数量小于3个）；
若不满足，则继续调节参考臂光程或样品臂光程，再调节光束通过色散补偿棱镜对的厚度，直至干涉信号的波峰数量达到阈值要求，如图7所示，此时参考臂与样品臂的色散补偿达到最佳状态。
可以理解的，此时的参考臂光程或样品臂光程的调节与前面的调节应选择同一种调节方式。
在本实施例中，以初始时增加参考臂光程、监测干涉信号中的等光程点波峰为例，色散补偿调节的过程如图8所示，包括：
（1）增加参考臂光程；
（2）判断等光程点波峰的移动方向；
（3）若向波长增大方向移动，则减小厚度；
（4）若向波长减小方向移动，则增加厚度；
（5）调节参考臂光程将等光程点波峰移动至探测器中心位置；
（6）检测干涉信号波峰数量；
（7）若数量未达到最小值，则返回步骤（1），继续增加参考臂光程；
（8）若数量达到最小值，则调节结束。
在本实施例中，参考臂中设置的色散补偿棱镜对的数量n设计为n≥1，n组色散补偿棱镜对依次排列设置，且不同的色散补偿棱镜对可以设计不同的形状尺寸参数，采用不同的玻璃材料，从而增大色散的调节范围及精度。
在对光束通过色散补偿棱镜对的厚度进行调节时，可先对其中一组色散补偿棱镜对按照上述方法进行调节，调节到干涉信号中的波峰数量达到一定值（比如最终要求波峰数量小于3个，此处可调节到6个）；然后继续对下一组色散补偿棱镜对进行调节，此时可直接调节到最佳状态，那么剩余的色散补偿棱镜对则无需再调节；或者，也可对其中一组色散补偿棱镜对按照上述方法进行调节，直接调节到最佳状态，那么剩余的色散补偿棱镜对则无需再调节。
在本实施例中，参考臂与样品臂的色散补偿达到最佳状态后，进一步可利用参考臂中色散补偿棱镜对的信息，计算得到样品臂准直器与反射器之间所有光学元件的色散相位表达式：
其中，k为波数，为波数k对应的相位，/>为第i个色散补偿棱镜对的材料在波数k处的折射率，/>为光束通过第i个色散补偿棱镜对的厚度。
实施例2
本实施例提供一种色散补偿调节系统，包括：光源、耦合器、参考臂、样品臂、光谱仪、运动平台和控制器；
所述光源用于产生光束；
所述耦合器用于将光束分别入射至参考臂和样品臂，并对参考臂和样品臂反射回的光信号进行干涉，将产生的干涉信号传输至光谱仪；
所述参考臂包括用于使光束依次通过的第一准直器、色散补偿棱镜对和第一反射镜，第一反射镜用于将入射的光信号反射回耦合器；
所述光谱仪用于将干涉信号传输至控制器；
所述控制器被配置为：通过控制运动平台调节参考臂光程或样品臂光程，判断干涉信号中等光程点波峰或等光程点波谷的移动方向，根据移动方向控制运动平台调节光束通过色散补偿棱镜对的厚度，再通过调节参考臂光程或样品臂光程，使等光程点波峰或等光程点波谷移动至探测器中心位置，判断此时干涉信号中波峰数量是否满足阈值要求，若不满足，则继续调节参考臂光程或样品臂光程，直至厚度调节后的波峰数量满足阈值要求，使得参考臂与样品臂的色散补偿达到最佳状态。
在本实施例中，样品臂包括用于使光束依次通过的第二准直器、透镜组和第二反射镜；样品臂中同样可设运动平台，用于调节样品臂中第二反射镜和第二准直器间的距离；参考臂的色散补偿棱镜对和第一反射镜，以及样品臂中的运动平台由独立的运动平台进行控制；且可以理解的，运动平台采用常规结构即可。
在本实施例中，如图9所示，参考臂中设一组色散补偿棱镜对7，样品臂中设一组透镜组10；光源1发出的宽谱光，经过耦合器3按照一定的分光比被分成两部分，一部分到参考臂，一部分到样品臂；在参考臂中，先经过第一准直器5输出平行光，然后经过色散补偿棱镜对7入射至第一反射镜8，经第一反射镜8反射回耦合器3中；在样品臂中，经过第二准直器6输出平行光，经过透镜组10入射至第二反射镜9，由第二反射镜9反射回耦合器3中；参考臂与样品臂返回的光信号在耦合器3中产生干涉信号，干涉信号传输至光谱仪2，经光谱仪2将光信号转换成电信号，然后将数据传输至控制器4进行处理。
在本实施例中，如图10所示，参考臂中设n组（图中以三组为例）色散补偿棱镜对7，样品臂中设n组透镜组10，每组色散补偿棱镜对7均由独立的运动平台11控制，不同的色散补偿棱镜对设计不同的形状尺寸参数，采用不同的玻璃材料，从而增大色散的调节范围及精度。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (9)
1.一种色散补偿调节方法，其特征在于，包括：
获取由参考臂与样品臂反射的光信号产生的干涉信号；其中，参考臂反射的光信号为光束通过色散补偿棱镜对入射至反射镜后，经反射镜反射的光信号；
获取干涉信号中的等光程点波峰或等光程点波谷的位置，通过调节参考臂光程或样品臂光程，判断等光程点波峰或等光程点波谷的移动方向；
根据移动方向调节光束通过色散补偿棱镜对的厚度，再通过调节参考臂光程或样品臂光程，使等光程点波峰或等光程点波谷移动至探测器中心位置，并获取此时干涉信号中的波峰数量；
判断波峰数量是否满足阈值要求，若不满足，则继续调节参考臂光程或样品臂光程，直至厚度调节后的波峰数量满足阈值要求，使得参考臂与样品臂的色散补偿达到最佳状态；
所述色散补偿棱镜对包括两片相对设置的色散补偿棱镜，两片色散补偿棱镜重叠的部分为光束通过色散补偿棱镜对的厚度，通过将两片色散补偿棱镜进行错位调节，来增大或减小光束通过色散补偿棱镜对的厚度。
2.如权利要求1所述的一种色散补偿调节方法，其特征在于，增加参考臂光程或减小样品臂光程时，判断等光程点波峰或等光程点波谷的移动方向；若等光程点波峰或等光程点波谷向波长增加的方向移动，则减小光束通过色散补偿棱镜对的厚度；若向波长减小的方向移动，则增加光束通过色散补偿棱镜对的厚度。
3.如权利要求1所述的一种色散补偿调节方法，其特征在于，减小参考臂光程或增加样品臂光程时，判断等光程点波峰或等光程点波谷的移动方向；若等光程点波峰或等光程点波谷向波长增加的方向移动，则增加光束通过色散补偿棱镜对的厚度；若向波长减小的方向移动，则减小光束通过色散补偿棱镜对的厚度。
4.如权利要求1所述的一种色散补偿调节方法，其特征在于，所述色散补偿棱镜对设置n组，n≥1，n组色散补偿棱镜对依次排列设置。
5.如权利要求4所述的一种色散补偿调节方法，其特征在于，不同组的色散补偿棱镜对设计不同的形状尺寸参数，采用不同的玻璃材料。
6.如权利要求1所述的一种色散补偿调节方法，其特征在于，参考臂与样品臂的色散补偿达到最佳状态后，计算样品臂中光学元件的色散相位为：
其中，为波数k对应的相位，/>为第i个色散补偿棱镜对的材料在波数k处的折射率，/>为光束通过第i个色散补偿棱镜对的厚度，n为色散补偿棱镜对的数量。
7.一种色散补偿调节系统，其特征在于，包括：光源、耦合器、参考臂、样品臂、光谱仪、运动平台和控制器；
所述光源用于产生光束；
所述耦合器用于将光束分别入射至参考臂和样品臂，并对参考臂和样品臂反射回的光信号进行干涉，将产生的干涉信号传输至光谱仪；
所述参考臂包括用于使光束依次通过的第一准直器、色散补偿棱镜对和第一反射镜，第一反射镜用于将入射的光信号反射回耦合器；
所述光谱仪用于将干涉信号传输至控制器；
所述控制器被配置为：通过控制运动平台调节参考臂光程或样品臂光程，判断干涉信号中等光程点波峰或等光程点波谷的移动方向，根据移动方向控制运动平台调节光束通过色散补偿棱镜对的厚度，再通过调节参考臂光程或样品臂光程，使等光程点波峰或等光程点波谷移动至探测器中心位置，判断此时干涉信号中波峰数量是否满足阈值要求，若不满足，则继续调节参考臂光程或样品臂光程，直至厚度调节后的波峰数量满足阈值要求，使得参考臂与样品臂的色散补偿达到最佳状态；
所述色散补偿棱镜对包括两片相对设置的色散补偿棱镜，两片色散补偿棱镜重叠的部分为光束通过色散补偿棱镜对的厚度，通过将两片色散补偿棱镜进行错位调节，来增大或减小光束通过色散补偿棱镜对的厚度。
8.如权利要求7所述的一种色散补偿调节系统，其特征在于，所述色散补偿棱镜对设置n组，n≥1，n组色散补偿棱镜对依次排列设置，不同组的色散补偿棱镜对设计不同的形状尺寸参数，采用不同的玻璃材料。
9.如权利要求8所述的一种色散补偿调节系统，其特征在于，所述样品臂包括用于使光束依次通过的第二准直器、透镜组和第二反射镜，所述第二反射镜由运动平台控制，用于调节样品臂中第二反射镜和第二准直器间的距离，n组色散补偿棱镜对、第一反射镜和第二反射镜采用独立的运动平台进行控制。
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