CN200970231Y - 一种扩展光学相干层析成像动态范围的系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种扩展光学相干层析成像(OCT)动态范围的系统，该方法和系统以提出的动态范围扩展方法在谱域OCT中的应用为实施例，在采用线聚焦照明方式面阵CCD探测器探测的并行谱域OCT系统的探测臂处，使用一块具有较高分光比的分光板对干涉光谱信号进行分光，分别由面阵CCD探测器来采集光谱信号并经一维傅立叶变换后，得到两幅不同曝光量的OCT图像。然后用基于人眼灰度识别特性的数字图像合成方法，把这两幅OCT图像合成为一幅动态范围扩展了的OCT图像。该方法具有很强的可移植性，可应用在不同的OCT系统结构和探测方式中，且不额外增加图像采集时间。本实用新型具有扩展动态范围效果显著、成本节省和算法简单等特点。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种扩展光学相干层析成像动态范围的系统，尤其涉及一种基于人眼灰度识别特性的数字图像合成方法来扩展光学相干层析成像动态范围的系统。
背景技术
光学相干层析成像(Optical Coherence Tomography，简称OCT)是近年发展起来的层析成像技术，能实现对活体内部的组织结构与生理功能进行非接触、无损伤、高分辨率成像，因而在生物医学领域和临床诊断上得到广泛应用，在材料科学和基础研究中也将发挥重要作用。
在基于点探测器的OCT系统中，OCT图像动态范围的典型值在60～100dB之间，有的甚至高达120dB以上。但在基于面阵探测器的并行OCT系统中，由于面阵探测器像素单元尺度受限，图像动态范围很难达到点探测OCT系统的水平。以CCD探测器为例，目前科学级CCD在常温下的动态范围仅为70dB左右，在冷却条件下其动态范围能扩展至80～100dB，但成本大大增加。普通型CCD的动态范围更小，仅为60dB左右，甚至更低。因此，利用面阵CCD探测信号时，往往会因其动态范围受限而影响样品信号的提取。
一些OCT动态范围扩展的方法被人们提了出来，包括软件和硬件的方法。软件的方法有：以分贝为单位的对数变换、正弦变换和通信领域的μ原理变换(μ-law transform)等，其中对数变换图像显示方法被广泛采用。硬件方法目前只是针对点探测器的OCT系统，如采用非线性增益放大器，对探测信号进行动态范围压缩，然后采样。非线性增益曲线可以是上述软件方法里提到的任何一种变换。
直接扩展探测器的动态范围也是一条可行之路。如A.Dubois等在论文”Three-dimensional cellular-level imaging using full-field optical coherencetomography”(Physics in medicine and biology，49，1227-1234，2004)里，把像素数为1024×1024的CCD按2×2像素拼接模式来提高探测单元尺度，从而扩展CCD的动态范围。其缺点是CCD有效像素数变少，有效分辨单元尺寸变大。
谱域OCT(Spectral-domain OCT)的层析信号来自样品表面直到内部深层各处的后向散射光。鉴于样品表层和深层处的散射光强度差异往往巨大，谱域探测面接收到的低频信号和高频信号的调制度因而相差悬殊，利用单一CCD获取如此大动态范围的干涉光谱信号存在一定难度。采用两次或多次曝光的方法，可以获得宽动态范围图像的同时，保证较高的信噪比。但前后多次曝光必然要增加测量时间，而高成像速度一直是OCT追求的目标。所以，这种方法在OCT中并不可取。
发明内容
为了克服背景技术的不足，本实用新型的目的是提供一种扩展光学相干层析成像动态范围的系统。在采用线照明方式面阵CCD探测的并行谱域OCT系统的探测臂处，使用一块具有较高分光比的分光板对干涉光谱信号进行分光，分别由面阵CCD探测器来采集光谱图像并作傅立叶变换后，得到两幅不同曝光量的OCT图像。然后用基于人眼灰度识别特性的数字图像合成方法，把这两幅图像合成为一幅动态范围扩展了的OCT图像。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：
一、一种扩展光学相干层析成像动态范围的方法，其具体步骤如下：
1)经成像透镜来的干涉光谱信号被具有高分光比的分光板分成透射和反射部分，分别由面阵CCD探测器探测，再经多路图像采集与模数转换卡输入给计算机；
2)分别对两幅CCD采集信号进行沿光谱展开方向的一维傅立叶变换，得到两幅曝光量不同的OCT图像；
3)把两幅OCT图像显示为8位灰度图像，并把灰度级32和192分别确定为图像合成时灰度判别的下阈值和上阈值；
4)对两幅图像相同像素点的灰度值g1和g2，分别乘于权重因子a1和a2后相加，得到合成后图像该像素点的灰度值g＝a1g1+a2g2。权重因子a1和a2按如下原则确定：①当(g1+g2)/2＜32时，a1＝(g1+g2)/128，a2＝1-a1；②当32≤(g1+g2)/2≤192时，a2＝a1＝0.5；③当(g1+g2)/2＞192时，a1＝1-a2，a2＝[256-(g1+g2)/2]/128；
5)图像的所有像素点按步骤4)进行处理，得到一幅动态范围扩展了的OCT图像；
6)计算机经数模转换卡驱动扫描振镜沿与照明线光束垂直方向的横向扫描，使线聚焦入射光照射在样品的不同位置处，重复以上步骤，可得到三维OCT图像。
二、一种扩展光学相干层析成像动态范围的系统，包括宽带光源、准直透镜、柱透镜、宽带分光棱镜、扫描振镜、一对相同的物镜、参考镜、精密平移台、第一透镜、狭缝、第二透镜、衍射光栅、成像透镜、分光板、一对相同的面阵CCD探测器、多路图像采集与模数转换卡、计算机和数模转换卡；宽带光源发出的光依次经准直透镜、柱透镜和带分光棱镜后被分成两路：一路经扫描振镜和第一物镜到样品；另一路经第二物镜到参考镜，参考镜固定在精密平移台上；从样品反射或后向散射的光，和从参考镜反射的光，按原路返回到宽带分光棱镜后，依次经第一透镜、狭缝、第二透镜、衍射光栅、成像透镜和分光板后被分成透射光和反射光，分别被第一、第二面阵CCD探测器探测；第一、第二面阵CCD探测器经多路图像采集与模数转换卡接计算机，计算机经数模转换卡接扫描振镜。
所述的宽带光源位于准直透镜的前焦面上，扫描振镜位于柱透镜的后焦面、第一物镜与第一透镜的前焦面上，狭缝位于第一透镜的后焦面和第二透镜的前焦面上，衍射光栅位于第二透镜的后焦面和成像透镜的前焦面上。
所述的分光板是透反射率比大于0.9，或者透反射率比小于0.1的高分光比宽带分光板，它以薄玻璃平板为基片，在玻璃平板的上表面镀上述透反射率比的介质分光膜，下表面镀增透膜制作而成。
与背景技术相比，本实用新型具有如下优点：
1、不增加OCT装置对样品进行扫描及采集的时间：采用分光的方式，由两个CCD来同步采集干涉光谱信号，没有额外增加对样品的扫描及采集时间。对两幅曝光量不同的OCT图像进行加权合成的运算，只是简单的比较判断、乘法及加法运算，不会过多增加计算机的处理时间。所以，OCT完成一次样品成像的总时间没有太大增加，这对追求快速检测的OCT来说意义重大；
2、因采用本方法而额外增加的器件很少，成本没有太大增加：只增加了一块分光板和一个CCD探测器；
3、扩展动态范围效果显著，扩展后基本能满足OCT成像要求：理论计算表明，当分光板的透反射率比为0.94或者0.06时，可以把OCT图像的动态范围扩展近24dB，此时采用科学级CCD来探测干涉光谱，基本能满足要求；
4、本实用新型的OCT动态范围扩展方法具有很强的可移植性：不同的OCT系统结构及探测方式均可应用本方法来扩展动态范围。系统结构可以是：光纤型、自由空间型、光纤与自由空间的混合型；探测方式可以是：点扫描探测、线扫描探测和面探测。
附图说明
图1是本实用新型用以扩展光学相干层析成像动态范围的系统结构在水平面内的示意图；
图2是本实用新型用以扩展光学相干层析成像动态范围的系统结构在垂直面内的示意图；
图3是本实用新型用以扩展光学相干层析成像动态范围的控制系统框图。
图中：1.宽带光源，2.准直透镜，3.柱透镜，4.宽带分光棱镜，5.扫描振镜，6、7.一对相同的物镜，8.样品，9.参考镜，10.精密平移台，11.透镜，12.狭缝，13.透镜，14.衍射光栅，15.成像透镜，16.分光板，17、18.面阵CCD探测器，19.多路图像采集与模数转换卡，20.计算机，21.数模转换卡。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型作进一步的说明：
样品的浅层区域为高照度区域，尤其是表层会发生强烈的界面反射现象；而深层区域，尤其在接近穿透深度极限的区域，为低照度区域。探测浅层区域对应的干涉光谱时探测器容易饱和，而深层区域则会因曝光不足而淹没在噪音中。如果探测时把干涉光谱信号光分成强度相差很大的两束来分别探测，那么对强光束的探测仍可保留深层区域的信息，而对弱光束的探测则用于浅层区域信息的获取。按照某种原则，把这两幅曝光量不同的图像合成起来，就有可能在CCD动态范围内获得从浅层到深层的全部细节信息，进而实现OCT图像动态范围的扩展。
OCT图像一般显示为8位灰度图像，即灰度值范围为0～255。由人眼对灰度的分辨能力统计规律可知：在图像灰度值很高或很低的情况下，人眼对灰度分辨能力差；而在图像灰度适中的情况下，人眼的分别能力强，其中人眼比较敏感的区域是32～192之间的区域。根据人眼的这一视觉特性，可对图像进行相应的处理：在低灰度和高灰度区域，可将灰度级间隔拉伸，使人眼便于分辨；在中等灰度区域，适当地压缩灰度级间隔，而将剩余的灰度级数分配给低灰度和高灰度区域。
基于以上的分析，申请人发明了一种扩展光学相干层析成像动态范围的方法及系统，本实用新型以提出的动态范围扩展方法在谱域OCT中的应用为实施例，建立一套采用线聚焦照明方式面阵CCD探测器探测的谱域OCT系统，使用柱透镜来实现线聚焦照明。由于柱透镜的使用使得光束在水平面和垂直面内具有不同的光束形状，为了显示直观和叙述方便，分别画出了系统结构在水平面和垂直面内的示意图如图1和图2所示。
宽带光源1发出的光经准直透镜2准直后，平行入射到柱透镜3上，柱透镜3的轴线沿水平面内放置。如图1所示，在柱透镜3的轴线方向，光束不聚焦，平行入射到宽带分光棱镜4上，被分成透射光和反射光：透射光被扫描振镜5反射后到达物镜6，被聚焦在样品8上，扫描振镜5在水平面内旋转进行横向扫描；反射光达到物镜7后被聚焦在参考镜9上，参考镜9固定在精密平移台10上。从样品8反射或后向散射的光，和从参考镜9反射的光沿原路返回到宽带分光棱镜4后，依次经透镜11和13后平行入射到衍射光栅14上。透镜11和透镜13构成扩束器，使光线扩束来充分利用大尺度衍射光栅14的分光潜能，以便提高系统的分辨率。透镜11的后焦面和透镜13的前焦面重合，狭缝12就放置在这一重合的焦面处(狭缝的长边沿垂直方向)，用以滤除杂散光。衍射光栅14位于透镜13的后焦面和成像透镜15的前焦面上，被衍射光栅14衍射后的光线经成像透镜15和分光板16后被分成透射光和反射光，分别被成像透镜15聚焦在面阵CCD探测器17和18上。
为了使动态范围扩展的效果显著，要求分光板16的分光比尽可能高，所以把它设计成透反射率比大于0.9，或者透反射率比小于0.1的宽带分光板，它以薄玻璃平片为基片，在玻璃平片的上表面镀上述透反射率比的介质分光膜，下表面镀增透膜制作而成。
如图2所示，在垂直面内柱透镜3相当于一个凸透镜。被宽带分光棱镜4透射的光被柱透镜3聚焦在扫描振镜5上，扫描振镜5在垂直面内没有旋转扫描运动，被扫描振镜5反射的光经物镜6后平行入射在样品8上。被宽带分光棱镜5反射的光经物镜7后平行入射在参考镜9上。从样品8和参考镜9返回的光经透镜11后平行入射到透镜13上，然后被聚焦在衍射光栅14上。被衍射光栅14衍射后的光线经成像透镜15后，平行入射在面阵CCD探测器17和18上。
综合以上水平和垂直面内的情况，可以知道：1)照射到样品8和参考镜9上的是一条线聚焦光束，该线聚焦光束由扫描振镜5的旋转可作横向扫描运动，而参考线聚焦光束固定不动；2)入射到衍射光栅14上的也是一条线，线上每一点的光谱被衍射光栅14沿与线垂直的方向衍射而分开。入射到面阵CCD探测器17和18上时，就是一幅在水平面内为一维并行的探测点，在垂直面内为这些探测点光谱的展开图像。
本实用新型的控制系统如图3示。面阵CCD探测器17和18的输出信号经多路图像采集与模数转换卡19输入给计算机20，并由计算机20来控制面阵CCD探测器17和18进行图像采集。计算机20的输出信号经数模转换卡21控制扫描振镜5转动，实现样品的横向扫描成像。多路图像采集与模数转换卡19和数模转换卡21均为现成产品，可从市场购买，前者如北京大恒图像公司的DH-CG410，后者如北京中泰研创科技公司的USB7322。
本实用新型提出的扩展光学相干层析成像动态范围的方法，其具体步骤如下：
1)经成像透镜来的干涉光谱信号被具有高分光比的分光板分成透射和反射部分，分别由面阵CCD探测器探测，再经多路图像采集与模数转换卡输入给计算机；
2)分别对两幅CCD采集信号进行沿光谱展开方向的一维傅立叶变换，得到两幅曝光量不同的OCT图像；
3)把两幅OCT图像显示为8位灰度图像，并把灰度级32和192分别确定为图像合成时灰度判别的下阈值和上阈值；
4)对两幅图像相同像素点的灰度值g1和g2，分别乘于权重因子a1和a2后相加，得到合成后图像该像素点的灰度值g＝a1g1+a2g2。权重因子a1和a2按如下原则确定：①当(g1+g2)/2＜32时，a1＝(g1+g2)/128，a2＝1-a1；②当32≤(g1+g2)/2≤192时，a2＝a1＝0.5；③当(g1+g2)/2＞192时，a1＝1-a2，a2＝[256-(g1+g2)/2]/128；
5)图像的所有像素点按步骤4)进行处理，得到一幅动态范围扩展了的OCT图像；
6)计算机经数模转换卡驱动扫描振镜沿与照明线光束垂直方向的横向扫描，使线聚焦入射光照射在样品的不同位置处，重复以上步骤，可得到三维OCT图像。
Claims (3)
1、一种扩展光学相干层析成像动态范围的系统，其特征在于：包括宽带光源(1)、准直透镜(2)、柱透镜(3)、宽带分光棱镜(4)、扫描振镜(5)、一对相同的物镜(6、7)、参考镜(9)、精密平移台(10)、第一透镜(11)、狭缝(12)、第二透镜(13)、衍射光栅(14)、成像透镜(15)、分光板(16)、一对相同的面阵CCD探测器(17、18)、多路图像采集与模数转换卡(19)、计算机(20)和数模转换卡(21)；宽带光源(1)发出的光依次经准直透镜(2)、柱透镜(3)和带分光棱镜(4)后被分成两路：一路经扫描振镜(5)和第一物镜(6)到样品(8)；另一路经第二物镜(7)到参考镜(9)，参考镜(9)固定在精密平移台(10)上；从样品(8)反射或后向散射的光，和从参考镜(9)反射的光，按原路返回到宽带分光棱镜(4)后，依次经第一透镜(11)、狭缝(12)、第二透镜(13)、衍射光栅(14)、成像透镜(15)和分光板(16)后被分成透射光和反射光，分别被第一、第二面阵CCD探测器(17、18)探测；第一、第二面阵CCD探测器(17、18)经多路图像采集与模数转换卡(19)接计算机(20)，计算机(20)经数模转换卡(21)接扫描振镜(5)。
2、根据权利要求1所述的一种扩展光学相干层析成像动态范围的系统，其特征在于：所述的宽带光源(1)位于准直透镜(2)的前焦面上，扫描振镜(5)位于柱透镜(3)的后焦面、第一物镜(6)与第一透镜(11)的前焦面上，狭缝(12)位于第一透镜(11)的后焦面和第二透镜(13)的前焦面上，衍射光栅(14)位于第二透镜(13)的后焦面和成像透镜(15)的前焦面上。
3、根据权利要求1所述的一种扩展光学相干层析成像动态范围的系统，其特征在于：所述的分光板(16)是透反射率比大于0.9，或者透反射率比小于0.1的高分光比宽带分光板，它以薄玻璃平板为基片，在玻璃平板的上表面镀上述透反射率比的介质分光膜，下表面镀增透膜制作而成。
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