CN116858377A - 一种基于系统性能指标的光谱仪标定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于系统性能指标的光谱仪标定方法，具体是基于系统性能指标如轴向分辨率和灵敏度下降的光谱仪标定方法，通过对轴向分辨率和灵敏度下降结果的分析，确定光谱仪的标定参数。在标定过程中，通过不断改变光谱仪的标定参数，可以观察频域OCT(Spectral Domain Optical Coherence Tomography，SD‑OCT)系统的性能表现，并实时调整参数。通过评估不同标定参数设置下的频域OCT系统性能，可以实现系统性能的优化。这种基于轴向分辨率和灵敏度下降的光谱仪标定方法在频域OCT成像领域具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及频域光学相干层析成像技术(SD-OCT)和光谱仪标定技术，尤其涉及一种基于系统性能指标的光谱仪标定方法。
背景技术
光学成像是视网膜疾病检查的主要手段之一，它可以提供高精度的视网膜结构图像，为多种视网膜疾病的诊断和治疗提供可靠的依据。SD-OCT是一种非接触、无创伤的活体生物组织成像技术，具有实时显示、高分辨率、高扫描深度等特点。
光谱仪是SD-OCT的重要组成部分，用于分解不同光谱分量的干涉光，并利用线阵CCD获取光栅分光后的干涉强度信号。OCT成像系统的整体性能取决于光源和所使用的光学器件，如SD-OCT系统的轴向分辨率与光源的中心波长、带宽有关，系统的成像深度与光源的中心波长、带宽以及CCD相机的像素数有关。通过合理设计光谱仪的结构和参数可以使系统兼顾高分辨率、高成像深度。
在目前的光谱仪标定方法中，最常用的方法是使用已知光谱特性的标准光源(例如，汞灯等)对光谱仪进行校准。在光谱仪校准时，通过将光谱仪对标准光源的测量结果与已知的标准谱线进行比较，可以检测到光谱仪的偏差和非线性响应。需要注意的是，光谱仪标定方法可能因设备和应用的不同而有所差异。除了使用标准光源进行校准之外，还可以采用其他方法，例如使用参考样品或已知光谱特性的标准样品进行校准。不同的方法可以根据具体需求和实际情况进行选择和应用。
来自中国科学院安徽光学精密机械研究所的杜丽丽等人在2021年针对“高分五号”卫星上的大气环境红外甚高光谱分辨率探测仪(Atmospheric Infrared Ultra-spectral Sounder，AIUS)的特点，即通过掩星观测获取不同切高大气透过率光谱，提出了一种基于大气吸收特征谱线的多谱线线性拟合算法。该方法首先从观测光谱中选择合适切高的大气透过率光谱，提取具有明显特征且信噪比高的特征峰。利用HITRAN-2008谱线库和SCIATRAN辐射传输模型进行模拟计算和分析，确定了全谱段范围内多个参考谱线及其理论波数值。通过多普勒频移修正，准确校正由于仪器固有衰变导致的光谱漂移量；通过高斯拟合，确定了观测光谱中谱峰位置对应的精确数据点序号。最后，采用一元线性回归方法计算并获取了在轨光谱的定标系数。
来自中国科学院空天信息创新研究院的王建威等人在2022年基于假设单色光光谱曲线和光谱仪光谱响应曲线近似为高斯函数的原理，提出了一种宽带宽光谱定标方法。通过适当增加定标光的带宽，可以提高进入高光谱成像仪的能量，从而获取具有较高信噪比的定标数据。这样可以在保证光谱定标精度的同时，降低对定标设备的要求。
以往的光谱仪标定方法通常被认为是繁琐和麻烦的，主要是因为需要找到符合要求的标准光源进行校准。标准光源需要具备准确的光谱特性，并且其使用也需要一定的技术和操作经验。这些增加了标定过程的复杂性和耗时性。此外，目前还没有一种普遍适用的方法可以根据系能性能指标如轴向分辨率和灵敏度下降结果对光谱仪进行标定。
发明内容
由于以往的光谱仪标定方法较为复杂繁琐，本发明提出了一种基于轴向分辨率和灵敏度下降结果的光谱仪标定方法。该方法通过分析轴向分辨率和灵敏度下降的结果来确定光谱仪的标定参数。为了实现光谱仪的标定，需要找到一组参数，使得系统能够达到良好的性能。通过持续迭代和优化，逐步接近最佳参数，最终完成光谱仪的标定过程。
本发明的技术方案为基于轴向分辨率和灵敏度下降结果实现对光谱仪的标定，包括如下步骤：
1)数据获取：与实际的OCT成像过程不同，在对光谱仪进行系统搭建和波长标定实验中，将SD-OCT(Spectral DomainOpticalCoherenceTomography，谱域光学相干断层扫描成像)系统样品臂中的样品用反射镜代替，由两个反射镜反射形成的干涉条纹经光谱仪成像，用于后续校准和性能分析。为了完成系统的数据采集，必须确保SD-OCT系统的正常运行。
2)波长标定：波长标定是一种用于确定光谱仪中波长与像素之间关系的过程。通过不同光程差下获得的干涉数据，确定波长在像素上的分布情况。
3)色散补偿：消除光学系统中引起的色散效应，并确定相应的色散补偿参数。由于光学系统中的介质折射率不均匀性或光路差异，光信号在不同波长下的传播速度会有所不同，导致成像深度上的色散效应。
4)去除直流项：消除干涉信号中的直流成分。为了提取有用的反射信息并减少背景噪声，需要将干涉信号中的直流项去除。
5)加窗：除去直流项后对数据进行加窗，旨在防止频谱泄漏。
6)补零：补零是一种对采集到的干涉数据进行插值的方法，其通过插值将数据点的数量增加到两倍以上。
7)对数据进行傅里叶变换：傅里叶变换将时域信号转换为频域信号，从而得到数据的频谱强度信息，通过观察频谱强度信息粗略判断选取的波长标定参数和色散补偿参数的优良。
8)观察各个尖峰的形状是否尖锐，如果不尖锐，则重复执行步骤2)到步骤7)或步骤3)到步骤7)，如果峰值呈尖锐形状，则进行下一步处理。
9)对各个尖峰进行高斯拟合分析，以获取系统的轴向分辨率和灵敏度下降曲线。
10)如果系统轴向分辨率变化足够平坦，即满足要求，完成系统的标定；否则，需要重复执行步骤2)到步骤9)或步骤3)到步骤9)的过程。
进一步地，所述步骤2)波长标定，具体包括以下步骤：
2-1)使用二次多项式来建立相机像素与光源波长之间的关系模型，其中λ(n)为波长，n为相机像素，β0、β1、β2为波长标定参数。具体的表达式如下所示：
λ(n)＝β0+β1n+β2n2 (1)
2-2)波长λ和波数k之间的关系可以通过以下公式表示：
k＝2π/λ (2)
2-3)通过在k空间进行傅里叶变换，可以获得与成像深度z相关的信息。
进一步地，所述步骤3)色散补偿，具体包括以下步骤：
3-1)如果系统的色散不匹配，则参考臂与样品臂之间会存在相位差θ(k)，设I’(k)为实干涉光谱的互相关信号，其表达式如下：
其中，S(k)表示光源的功率谱密度，Δz表示光程差；
3-2)使用泰勒展开式，将相位差θ(k)展开到第三阶：
其中，k0表示中心波数；
3-3)由式(4)可以观察到，在展开式中的第二项和第三项导致了系统的色散不匹配。因此，可以通过设置两个参数值a2和a3来进行色散补偿。补偿的计算公式如下所示：
φdc(k)＝-a2(k-k0)2-a3(k-k0)3 (5)。
本发明的有益效果：本发明提出了一种基于轴向分辨率和灵敏度下降结果的光谱仪标定方法，旨在降低光谱仪标定的复杂性。通过本发明的方法，成功地将光谱仪系统应用于SD-OCT视网膜成像实验中，获得了高分辨率的OCT断层图像，并确保了成像范围内的高图像质量。
附图说明
图1为光谱仪系统标定流程图
图2为系统轴向分辨率图
图3为系统灵敏度下降图
具体实施方式
下面列举了波长范围为805nm-904nm光谱仪的标定，结合实例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
一种基于轴向分辨率和灵敏度下降的光谱仪标定方法，其步骤如下：
1)数据获取：在本案例中，选择使用美国Wasatch Photonics公司生产的透射光栅G(1200lines/mm)进行分光，并使用英国e2v公司生产的线阵CCD相机(型号OCTOPLUS 2048，采样频率130kHz)进行数据采集。相机的数据采集模式被设置为内部触发模式(Internalline trigger-Maximum exposure time and programmable line period)，数据获取速率设定为100kHz。数据的宽度为2048，高度为100。由于系统标定所需的数据采集不涉及扫描过程，因此扫描振镜保持在原始位置。在测试平台上，光程差范围设定为0至2mm，每变化0.25mm进行一次数据采集，共采集了9组数据。
2)波长标定：对于在不同光程差下获得的数据，首先需要确定波长在像素上的分布情况。
所示步骤2)波长标定，具体包括以下步骤：
2-1)本发明使用二次多项式来建立相机像素与光源波长之间的关系模型，其中λ(n)为波长，n为相机像素，β0、β1、β2为波长标定参数。具体的表达式如下所示：
λ(n)＝β0+β1n+β2n2 (6)
2-2)波长λ和波数k之间的关系可以通过以下公式表示：
k＝2π/λ (7)
2-3)通过在k空间进行傅里叶变换，可以获取与成像深度z相关的信息。
3)色散补偿：此步骤旨在消除光学系统中引起的色散效应，并确定相应的色散补偿参数。
所示步骤3)色散补偿，具体包括以下步骤：
3-1)如果系统的色散不匹配，则参考臂与样品臂之间会存在相位差θ(k)，设I’(k)为实干涉光谱的互相关信号，其表达式如下：
其中，S(k)表示光源的功率谱密度，Δz表示光程差；
3-2)使用泰勒展开式，将相位差θ(k)展开到第三阶：
其中，k0表示中心波数；
3-3)由上式可以观察到，在展开式中的第二项和第三项导致了系统的色散不匹配。因此，可以通过设置两个参数值a2和a3来进行色散补偿。补偿的计算公式如下所示：
φdc(k)＝-a2(k-k0)2-a3(k-k0)3 (10)
4)去除直流项：在案例中，采用数据平均法来消除干涉信号中的直流成分。这一步骤的目的是去除光谱仪系统中的直流项。数据平均法具有简单且无需额外步骤的特点，因此具备较高的效率。对9组数据进行平均，得到的结果可近似视为光谱仪系统的直流项。
5)加窗：除去直流项后对数据进行加窗处理，旨在防止频谱泄漏。本案例选择矩形窗进行加窗。
6)补零：本案例对采集到的干涉数据进行插值，将数据点的数量增加到两倍。
7)对数据进行傅里叶变换：傅里叶变换将时域信号转换为频域信号，从而得到数据的频谱强度信息。通过观察频域强度信息可以粗略判断选取的波长标定参数和色散补偿参数的优良。
8)观察各个尖峰的形状是否尖锐，如果不尖锐，则重复执行步骤2)到步骤7)或步骤3)到步骤7)，如果峰值呈尖锐形状，则进行下一步处理。
9)对各个尖峰进行高斯拟合分析，以获取系统的轴向分辨率和灵敏度下降曲线。
10)如果系统分辨率变化足够平坦，即满足要求，完成系统的波长标定；否则，需要重复执行步骤2)到步骤9)或步骤3)到步骤9)的过程。
经过上述标定步骤之后，波长标定结果为β0＝967.8389、β1＝-0.092422、β2＝1.2×10-8，色散补偿结果为a2＝6.566×10-8、a3＝3.02×10-11。
图2显示了系统的分辨率图，系统分辨率最大为4.14μm，最小为2.72μm，在成像范围内轴向分辨率变化相对稳定。而图3则展示了系统的灵敏度下降曲线，灵敏度下降了20dB。从这两个图中可以清楚地看出，本发明提出的基于轴向分辨率和灵敏度下降的光谱仪标定方法是可行的，并且能够满足OCT应用的需求。
Claims (3)
1.一种基于系统性能指标的光谱仪标定方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)数据获取：在对光谱仪进行系统搭建和波长标定实验中，将SD-OCT系统样品臂中的样品用反射镜代替，由两个反射镜反射形成的干涉条纹经光谱仪成像，用于后续校准和性能分析；
2)波长标定：波长标定是一种用于确定光谱仪中波长与像素之间关系的过程；通过不同光程差下获得的干涉数据，确定波长在像素上的分布情况；
3)色散补偿：消除光学系统中引起的色散效应，并确定相应的色散补偿参数；
4)去除直流项：消除干涉信号中的直流成分；
5)加窗：用于防止频谱泄漏；
6)补零：对采集到的干涉数据进行插值处理，其通过插值将数据点的数量增加到两倍以上；
7)对数据进行傅里叶变换：傅里叶变换将时域信号转换为频域信号，从而得到数据的频谱强度信息，通过观察频谱强度信息粗略判断选取的波长标定参数和色散补偿参数的优良；
8)观察各个尖峰的形状是否尖锐，如果不尖锐，则重复执行步骤2)到步骤7)或步骤3)到步骤7)，如果峰值呈尖锐形状，则进行下一步处理；
9)对各个尖峰进行高斯拟合分析，以获取系统的轴向分辨率和灵敏度下降曲线；
10)如果系统轴向分辨率变化足够平坦，即满足要求，完成系统的标定；否则，需要重复执行步骤2)到步骤9)或步骤3)到步骤9)的过程。
2.根据权利要求1所述的一种基于系统性能指标的光谱仪标定方法，其特征在于，所述步骤2)波长标定，具体包括以下步骤：
2-1)使用二次多项式来建立相机像素与光源波长之间的关系模型，其中λ(n)为波长，n为相机像素，β0、β1、β2为波长标定参数；具体的表达式如下所示：
λ(n)＝β0+β1n+β2n2 (1)
2-2)波长λ和波数k之间的关系可以通过以下公式表示：
k＝2π/λ (2)
2-3)通过在k空间进行傅里叶变换，可以获得与成像深度z相关的信息。
3.根据权利要求1所述的一种基于系统性能指标的光谱仪标定方法，其特征在于，所述步骤3)色散补偿，具体包括以下步骤：
3-1)如果系统的色散不匹配，则参考臂与样品臂之间会存在相位差θ(k)，设I’(k)为实干涉光谱的互相关信号，其表达式如下：
其中，S(k)表示光源的功率谱密度，Δz表示光程差；
3-2)使用泰勒展开式，将相位差θ(k)展开到第三阶：
其中，k0表示中心波数；
3-3)由式(4)可以观察到，在展开式中的第二项和第三项导致了系统的色散不匹配；
因此，可以通过设置两个参数值a2和a3来进行色散补偿；补偿的计算公式如下所示：
φdc(k)＝-a2(k-k0)2-a3(k-k0)3 (5)。
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