基于超宽带光源谱域光学相干层析系统及光谱标定方法与流程

本发明涉及谱域光学相干层析系统成像技术，尤其涉及一种基于超宽带光源谱域光学相干层析系统及光谱标定方法。

背景技术：

光学相干层析成像(opticalcoherencetomography)是一种非侵入式，高分辨率的生物组织成像技术。自上世纪90年代初应用于临床医学以来，在活体病理成像如眼组织病灶成像方面获得了突破，提高了我们对一些疾病发展过程的认识。但其成像速度是限制该技术发展的一个重要因素。近年来，谱域相干层析成像(spectraldomainoct)的发展弥补了这一不足。相比于传统的时域相干层析成像(timedomainoct)，sdoct通过对相干光谱的傅里叶分析获取深度方向的信息，避免了深度方向的扫描，大大缩短了成像时间，提高了成像速度。sdoct成像过程中所获得的相干光谱在光谱仪的线阵ccd上按波长均匀分布，但被测样品深度信息是与波数之间由傅里叶变换相联系。因此，需要先对相干光谱在波数域均匀化后，再进行傅里叶逆变换以获得样品深度信息。

对所获光谱在波数域均匀化的方法可以分为两种。其中一种是对光谱仪本身进行改进，即通过改变光谱仪硬件构造使得相干光通过光谱仪后直接按波数k在ccd上均匀分布。hu等人在普通光栅光谱仪中增加了一块特制的棱镜，使光谱在ccd上能够直接按波数均匀分布，类似的方法还有ning等人提出利用菲涅耳波带片(fzp)代替光栅作为分光和聚焦光学元件，由于fzp的焦距和波数之间的关系，也能够使光谱直接在波数域均匀分布。这种改变光谱仪结构的方法简单直接但设计以及调校难度大，同时也增加了整个系统的复杂性和不稳定性。另一种方法是先确定ccd上波长分布的位置，再通过插值重采样的方法实现波数均匀化。其中wang等人在宽带光源中，耦合了小部分670nm的单色光用于视觉引导，通过标准光谱分析仪(osa)与实际ccd上的光谱进行拟合来确定波长分布的位置，该方法需要额外的单色光源。ding等人在此基础上进一步改进该方法，通过osa和ccd上光谱干涉图的迭代映射，得到多组校准系数。再通过比较这些系数对提高轴向点扩散函数(psf)幅度的影响，得到最佳系数。成功避免的额外光源的使用，但随之而来的是计算量的成倍增加。随着相位解包裹算法的提出，wang等人成功通过在样品臂放置平面镜，再改变光程差获取两幅干涉图，分别进行希尔伯特变换得到相位并解包裹，通过相减消除色散影响后利用相位与波长的关系来确定波长与ccd像素点的位置。该方法能够实现的前提是光谱起始波长已知，实际实验中光谱的起始波长往往是一个未知量。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于超宽带光源谱域光学相干层析系统及光谱标定方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于超宽带光源谱域光学相干层析系统，所述系统包括宽带光源、光纤耦合器、迈克尔逊干涉光路和探测臂；其中迈克尔逊干涉光路包括准直透镜、平面分束镜第一会聚透镜、第二会聚透镜、反射镜、振镜，平面分束镜、第一会聚透镜、反射镜组成参考臂，平面分束镜、振镜、第二会聚透镜组成样品臂；所述探测臂包括准直透镜、光栅、会聚透镜以及线阵ccd，所述光栅、会聚透镜以及线阵ccd组成光谱仪；

宽带光源发出的光通过光纤经耦合器分为两路，一路光弃用，另一路进入迈克尔逊干涉光路中，在平面分束镜处，一半的光被反射进入参考臂，通过会聚透镜会聚在反射镜表面，另一半的光则透过平面分束镜进入样品臂，通过会聚透镜后会聚在样品表面，参考光和样品后向散射光形成相干光束传输到探测臂中，由光谱仪按波长进行分光并聚焦到线阵ccd上。

一种基于超宽带光源谱域光学相干层析系统的光谱标定方法，包括以下步骤：

样品臂上放置一块平面镜作为样品，控制电动位移平台改变样品臂光程，使其在相干范围内匀速移动；

采集谱域光学相干层析系统在运动过程中一系列等时间间隔的相干光谱信号；

通过对采集到的相干光谱在时间方向进行傅里叶变换的处理，得到多普勒频移和波数的关系。

与现有技术相比，本发明的显著优点为：(1)本发明采用迈克尔逊干涉光路部分整体运动代替平面镜的运动，有助于解决小型化系统样品臂空间不足的问题，这在小型化的成像系统中是一个普遍的问题，具有普遍适用的实际意义；(2)使用电动位移平台替代传统的手动位移平台，既可以用于标定，也不妨碍正常成像时的调焦，避免了增加新的位移装置，使系统结构更加简洁，减少了系统的成本和复杂性；(3)该方法在无需添加新的元件的基础上可以随时进行标定，不影响正常实验的进行，方便快捷。

附图说明

图1是本发明谱域光学相干层析系统的结构原理图。

具体实施方式

如图1所示，一种基于超宽带光源微米分辨率谱域光学相干层析系统，相干层析系统包括宽带光源1、光纤耦合器2、迈克尔逊干涉光路16、探测臂15和计算机14；其中迈克尔逊干涉光路16包括准直透镜3、平面分束镜4、两个会聚透镜58、反射镜6、振镜7，平面分束镜4、会聚透镜5、反射镜6组成参考臂；平面分束镜4、振镜7、会聚透镜8组成样品臂；探测臂15包括准直透镜10、光栅11、会聚透镜12以及线阵ccd13；光栅11、会聚透镜12以及线阵ccd13组成光谱仪。迈克尔逊干涉光路16集成在一块多孔固定板上，由与其相连的电动位移平台控制运动状态，使其上下匀速运动。

该谱域光学相干层析系统中宽带光源1发出的光通过光纤经耦合器2分为两路，一路光弃用，另一路进入迈克尔逊干涉光路16中，在平面分束镜4处，一半的光被反射进入参考臂，通过会聚透镜5会聚在反射镜表面，另一半的光则透过平面分束镜4进入样品臂，通过会聚透镜8后会聚在样品9表面，参考光和样品后向散射光形成相干光束传输到探测臂中，由光谱仪按波长进行分光并聚焦到ccd上。

本发明还提供一种基于超宽带光源微米分辨率及小型化的谱域光学相干层析系统的光谱标定方法，该光谱标定方法包括以下步骤：

①在谱域光学相干层析系统中，在样品臂放置一块平面镜作为样品，控制电动位移平台改变样品臂光程，使其在相干范围内匀速移动。

②通过数据采集卡采集谱域光学相干层析系统在运动过程中一系列等时间间隔的相干光谱信号，并传输到计算机中进行数据处理。

③通过对采集到的相干光谱在时间方向进行傅里叶变换的处理，得到多普勒频移和波数的关系。

下面结合实施例对本发明作进一步说明。

实施例

如图1所示，一种基于超宽带光源微米分辨率谱域光学相干层析系统，包括宽带光源1、光纤耦合器2、迈克尔逊干涉光路16、探测臂15，其中迈克尔逊干涉光路16包括准直透镜3、平面分束镜4、第一会聚透镜5、第二会聚透镜8以及振镜7；探测臂包括准直透镜10、光栅11、会聚透镜12以及线阵ccd13；所述的迈克尔逊干涉光路被集成在一块多孔固定板上，由与其背后相连的电动位移平台控制运动状态，既可以在标定过程中实现相对匀速运动，也可以在样品实验中实现精确调焦。

本发明的光谱标定包括下列步骤：

首先是实现相干光谱信号波数域均匀化。在样品臂放置一块平面镜作为样品，通过电动位移平台使集成的迈克尔逊干涉光路部分相对平面镜进行匀速运动。通过数据采集卡采集谱域光学相干层析系统在运动过程中一系列等时间间隔的相干光谱信号i(λ，t)，并传输到计算机中进行数据处理。其中，λ是光的波长，t表示光谱的采集时间。此时，相干光谱信号是波长等间隔分布的，对i(λ，t)在t方向进行傅里叶变换处理可以得到对应的多普勒频移q，由于多普勒频移q与波数k成正比：q＝2vk，其中v为运动的速度。所以在波数均匀采样的情况下，多普勒频移为一条直线。在所得的多普勒频移q中，若保证：

则新的采样点阵列i即为按波数均匀分布的采样阵列。其中，m表示线阵ccd上的像素点数，为光谱起始波长处的多普勒频移值，为波长最大值处的多普勒频移值，qi为重采样后的采样点处的多普勒频移值。通过新的采样点阵列对样品干涉信号进行插值，得到波数等间隔分布的样品干涉信号，对其进行逆傅里叶变换和图像重建算法即可以得到样品的层析图像。

其次是确定每个新的采样点所对应的具体波数值。多普勒频移q与波数k的关系成正比，可以简单表示为：q＝γ·k，则斜率γ可以表示为：

其中，δq表示多普勒频移值的范围，δk表示波数的范围，δk表示线阵ccd相邻两像素间的波长的差值大小，qmax和qmin分别表示多普勒频移的最大值和最小值。

结合最大成像深度和上式可得：

所以可得每个新采样点所对应的具体波数值为：

其中，成像深度zmax可以通过实验标定得到。

本发明应用于小型化的谱域光学相干层析系统的光谱标定，在基于多普勒频移标定法的基础上，通过运用迈克尔逊干涉光路整体运动的方式替代样品臂平面镜运动，有效解决样品臂空间不足的问题，简单方便，在小型化的谱域光学相干层析系统中具有很强的实用性。