用于运动伪影校正的空间光谱编码并行OCT系统和方法与流程

本发明属于光学相干测量领域，具体涉及一种用于运动伪影校正的空间光谱编码并行OCT系统和方法。

技术背景

OCT探测光束扫描过程中，样品存在的随机运动(如活体生物的呼吸运动，电动平移台的随机抖动等)将不可避免的造成OCT图像出现运动伪影，进而对后续基于图像的定量分析产生不利的影响。因而，如何抑制该随机运动的影响一直是OCT技术中的关键问题。

目前，OCT技术中主要有两类方法来抑制样品随机运动量：1.提高OCT的成像速度；2.检定并补偿该随机运动量。提高OCT成像速度最有效的方法是采用全场OCT成像技术，该技术采用扫频宽带光源和面阵CCD，从而避免了光束扫描机构的使用，因而能够实现MHz的OCT成像速度，极大的抑制了成像周期内样品的随机运动量对OCT图像质量的影响。然而，该全场OCT成像技术存在着探测单元之间信号互相串扰的固有问题，从而导致图像分辨率和信号灵敏度的降低。因此，为了兼顾OCT成像速度和信号灵敏度，采用线性扫描的并行OCT技术将更适合应用于抑制样品的随机运动量。并行OCT由于只是同时获得单次B-Scan的信号，因此对相邻B-Scan仍然需要检定并补偿样品随机运动量。目前检定并补偿样品随机运动量的方法主要分为两种：1.OCT探测光束扫描过程中实时检定和补偿，2.后续算法处理过程中算法检定和补偿。方法1中需要引入额外的激光光束实时追踪样品的随机运动量，并通过复杂的回馈装置，通过改进扫描机构的扫描模式来补偿该随机运动量。该方法增加了系统的复杂性和系统成本。方法2通过对相邻过采样数据之间的互相关计算，来求取OCT探测光束扫描过程中样品的随机运动量，并进行补偿。然而该方法需要更高密度的数据采样点，并且需要假定样品表面相对平滑。

技术实现要素：

本发明针对现有技术的不足，提出一种用于运动伪影校正的空间光谱编码并行OCT系统和方法。

一种用于运动伪影校正的空间光谱编码并行OCT系统，该系统包括宽带光源、空间光谱编码模块以及并行OCT模块。从宽带光源出射的宽带光经过空间光谱编码模块后，宽带光沿着整个系统光束扫描方向(x轴方向)形成空间光谱编码光，空间光谱编码光随后进入并行OCT模块，聚焦照射在待测样品上形成空间光谱编码的矩形照明区域，经由待测样品反射的信号光重新进入并行OCT模块，与并行OCT模块中的参考光发生干涉，干涉形成的干涉光由并行OCT模块中的探测单元进行光谱分解和并行探测，所测数据最终传入并行OCT模块的计算机中进行后续的算法处理。

所述空间光谱编码模块包括：色散棱镜、第一消色差透镜、刀口棱镜、第一平面反射镜、第二平面反射镜、第一消偏振分光棱镜、第二消色差透镜和第三平面反射镜。色散棱镜对进入空间光谱编码模块的宽带光沿着整个系统光束扫描方向(x轴方向)进行空间线性色散，色散后的宽带光通过第一消色差透镜和刀口棱镜后发生左半边和右半边光谱的对称分离，左右分离后的宽带光分别经由第一平面反射镜、第二平面反射镜反射，再入射到第一消偏振分光棱镜后重新汇集，再经由第二消色差透镜准直，此时左右半边光谱在空间上完全重合，色散方向相反，从而形成空间光谱编码光。最后，空间光谱编码光经由第三平面反射镜后出射空间光谱编码模块。

所述并行OCT模块包括：第一柱面透镜、第二消偏振分光棱镜、中性密度衰减片、第二柱面透镜、第三消色差透镜、第四平面反射镜、第四消色差透镜、电动平移台、组合透镜、狭缝、第五消色差透镜、透射光栅、第六消色差透镜、面阵CMOS、高速图像采集卡、电动平移台控制器以及计算机。从空间光谱编码模块出射的空间光谱编码光进入并行OCT模块，首先经由第一柱面透镜后变为柱面波光束出射，该柱面波光束随后由第二消偏振分光棱镜分成第一光束和第二光束。第一光束经由中性密度衰减片、第二柱面透镜以及第三消色差透镜后聚焦于第四平面反射镜上，该光束随后再逆向经由第三消色差透镜、第二柱面透镜和中性密度衰减片回到第二消偏振分光棱镜。第二光束经由第四消色差透镜聚焦于放置于电动平移台的待测样品上，从待测样品返回的光束再逆向经由第四消色差透镜回到第二消偏振分光棱镜。返回的第一光束和第二光束在第二消偏振分光棱镜发生干涉，随后经由组合透镜、狭缝、第五消色差透镜、透射光栅、第六消色差透镜后由面阵CMOS进行光谱分解和并行探测。探测所得数据经由高速图像采集卡传入计算机中进行后续的算法处理。

一种用于运动伪影校正的空间光谱编码并行OCT方法，该方法包括以下步骤：

步骤Ⅰ、利用空间光谱编码模块对宽带光源出射的宽带光进行空间光谱编码，使得最终经过并行OCT模块照射到待测样品上时，形成空间光谱编码的矩形照明区域；

步骤Ⅱ、利用相邻两步扫描过程中，两个矩形照明区域的重叠区域所对应的数据进行基于互相关算法的运动伪影校正，来计算和补偿相邻次扫描过程中样品的随机运动量；

步骤Ⅲ、待校正过运动伪影后，利用相邻多步扫描过程所获得的数据完成空间光谱解码，从而恢复并行OCT系统的理论横向分辨率和轴向分辨率。

所述步骤Ⅰ包括：在空间光谱编码模块中，利用色散棱镜对入射的宽带光沿着整个系统光束扫描方向(x轴方向)进行空间线性色散，然后利用第一消色差透镜和刀口棱镜对色散后的宽带光做左半边和右半边光谱的对称分离，再利用第一平面反射镜、第二平面反射镜和第一消偏振分光棱镜使分离的光谱重新汇集，最后利用第二消色差透镜将汇集后的光准直出射，此时左右半边光谱在空间上完全重合，色散方向相反，从而形成空间光谱编码光。空间光谱编码光经过并行OCT模块照射到待测样品上，形成空间光谱编码的矩形照明区域，在x轴方向上，不同的位置对应于不同的光谱段，即x坐标被编码于光谱坐标中。

所述步骤Ⅱ包括：设定适宜的扫描步长使相邻两步光束扫描的矩形照明区域有一定比例的重叠，对相邻两步的重叠区域所对应的数据做基于互相关算法的运动伪影校正，以前一步的数据为基准，计算得到后一步的数据所需要补偿的错移量。所述的基于互相关算法的运动伪影校正由像素级错移校正和相位级错移校正两个步骤所组成。首先对相邻两步重叠区域所对应的数据分别做快速傅里叶变换，对变换后的数据做互相关算法处理，通过结果的模值计算得到样品在后一步光束扫描中的像素级错移量，并对该步数据进行该像素级错移量补偿。然后把前一步数据和校正过像素级错移量的后一步数据分别分成两个部分，分别做快速傅里叶变换，再对变换后的数据分别对应地做互相关算法处理，对处理后的两个部分的结果求和，通过求和结果的相位值计算得到样品在后一步光束扫描中的相位级错移量，并对该步数据进行该相位级错移量补偿。

所述步骤Ⅲ包括：待校正过运动伪影后，利用相邻多步扫描过程所获得的多幅干涉光谱中对应同一位置的不同编码光谱，拼接出该位置的完整光谱，完成空间光谱解码，从而恢复并行OCT系统的理论横向分辨率和轴向分辨率。

与

背景技术：
相比，本发明具有的有益效果是：

1.相比于全场OCT成像技术，本发明采用了空间光谱编码模块和并行OCT模块相结合的系统架构，因而同时兼顾了较高的OCT成像速度和较高的信号信噪比。

2.相比于OCT探测光束扫描过程中实时检定和补偿的方法，本发明由于不需要额外的激光光束以及复杂的回馈装置用于校正样品的随机运动量，因此系统将显得更为简洁，从而有效的降低了系统成本。

3.相比于技术背景中所使用相邻过采样数据做互相关计算的方法，本发明采用了空间光谱编码的方法，相邻2步扫描的重叠区域编码于不同的光谱段，因此避免了过采样，有效地减少了数据采集密度。

4.相比于技术背景中所使用相邻过采样数据做互相关计算的方法，本发明采用了空间光谱编码的方法，可以保证用于互相关计算的数据是严格对应于同一位置的，因而能够适用于非平滑的样品。

附图说明

图1是本发明的空间光谱编码并行OCT系统示意图；

图2是本发明的空间光谱编码和扫描示意图；

图3是本发明的运动伪影矫正和空间光谱解码示意图。

图1中：1、宽带光源，2、色散棱镜，3、第一消色差透镜，4、刀口棱镜，5、第一平面反射镜，6、第二平面反射镜，7、第一消偏振分光棱镜，8、第二消色差透镜，9、第三平面反射镜，10、第一柱面透镜，11、第二消偏振分光棱镜，12、中性密度衰减片，13、第二柱面透镜，14、第三消色差透镜，15、第四平面反射镜，16、第四消色差透镜，17、待测样品，18、电动平移台，19、组合透镜，20、狭缝，21、第五消色差透镜，22、透射光栅，23、第六消色差透镜，24、面阵CMOS，25、高速图像采集卡，26、计算机，27、电动平移台控制器，28、空间光谱编码模块，29、并行OCT模块。

具体实施方式

本发明的目的在于提供一种用于运动伪影校正的空间光谱编码并行OCT系统和方法。本发明相较于传统的并行OCT系统，在宽带光源和并行OCT系统之间加入了空间光谱编码模块，该模块沿光束扫描方向对宽带光源出射的宽带光谱进行空间光谱编码，从而实现空间光谱编码的矩形区域照明。然后，利用相邻两步扫描过程中，两个矩形照明区域的重叠区域所对应的数据进行基于互相关算法的运动伪影校正，来计算和补偿相邻次扫描过程中样品的随机运动量。利用相邻多步扫描过程所获得的多幅干涉光谱中对同一位置的不同编码光谱，拼接出该位置的完整光谱，完成空间光谱解码，从而恢复并行OCT系统的理论横向分辨率和轴向分辨率。因而，本发明能够在保证原有并行OCT系统分辨率的同时，提供高精度、高准确度的样品随机运动量校正。

本发明的目的是通过如下技术方案实现的：

一种用于运动伪影校正的空间光谱编码并行OCT系统：

该系统包括宽带光源、空间光谱编码模块以及并行OCT模块。从宽带光源出射的宽带光经过空间光谱编码模块后，宽带光沿着整个系统光束扫描方向(x轴方向)形成空间光谱编码光，空间光谱编码光随后进入并行OCT模块，聚焦照射在待测样品上形成空间光谱编码的矩形照明区域，经由待测样品反射的信号光重新进入并行OCT模块，与并行OCT模块中的参考光发生干涉，干涉形成的干涉光由并行OCT模块中的探测单元进行光谱分解和并行探测，所测数据最终传入并行OCT模块的计算机中进行后续的算法处理。

所述空间光谱编码模块包括：色散棱镜、第一消色差透镜、刀口棱镜、第一平面反射镜、第二平面反射镜、第一消偏振分光棱镜、第二消色差透镜和第三平面反射镜。色散棱镜对进入空间光谱编码模块的宽带光沿着整个系统光束扫描方向(x轴方向)进行空间线性色散，色散后的宽带光通过第一消色差透镜和刀口棱镜后发生左半边和右半边光谱的对称分离，左右分离后的宽带光分别经由第一平面反射镜、第二平面反射镜和第一消偏振分光棱镜后重新汇集，再经由第二消色差透镜准直，此时左右半边光谱在空间上完全重合，色散方向相反，从而形成空间光谱编码光。最后，空间光谱编码光经由第三平面反射镜后出射空间光谱编码模块。

所述并行OCT模块包括：第一柱面透镜、第二消偏振分光棱镜、中性密度衰减片、第二柱面透镜、第三消色差透镜、第四平面反射镜、第四消色差透镜、电动平移台、组合透镜、狭缝、第五消色差透镜、透射光栅、第六消色差透镜、面阵CMOS、高速图像采集卡、电动平移台控制器以及计算机。从空间光谱编码模块出射的空间光谱编码光进入并行OCT模块，首先经由第一柱面透镜后变为柱面波光束出射，该柱面波光束随后由第二消偏振分光棱镜分成第一光束和第二光束。第一光束经由中性密度衰减片、第二柱面透镜以及第三消色差透镜后聚焦于第四平面反射镜上，该光束随后再逆向经由第三消色差透镜、第二柱面透镜和中性密度衰减片回到第二消偏振分光棱镜。第二光束经由第四消色差透镜聚焦于放置于电动平移台的待测样品上，从待测样品返回的光束再逆向经由第四消色差透镜回到第二消偏振分光棱镜。返回的第一光束和第二光束在第二消偏振分光棱镜发生干涉，随后经由组合透镜、狭缝、第五消色差透镜、透射光栅、第六消色差透镜后由面阵CMOS进行光谱分解和并行探测。探测所得数据经由高速图像采集卡传入计算机中进行后续的算法处理。

一种用于运动伪影校正的空间光谱编码并行OCT方法：

1)在空间光谱编码模块中，利用色散棱镜对入射的宽带光沿着整个系统光束扫描方向(x轴方向)进行空间线性色散，然后利用第一消色差透镜和刀口棱镜对色散后的宽带光做左半边和右半边光谱的对称分离，再利用第一平面反射镜、第二平面反射镜和第一消偏振分光棱镜使分离的光谱重新汇集，最后利用第二消色差透镜将汇集后的光准直出射，此时左右半边光谱在空间上完全重合，色散方向相反，从而形成空间光谱编码光。空间光谱编码光经过并行OCT模块照射到待测样品上，形成空间光谱编码的矩形照明区域，在x轴方向上，不同的位置对应于不同的光谱段，即x坐标被编码于光谱坐标中。

2)设定适宜的扫描步长使相邻两步光束扫描的矩形照明区域有一定比例的重叠，对相邻两步的重叠区域所对应的数据做基于互相关算法的运动伪影校正，以前1步的数据为基准，计算得到后一步的数据所需要补偿的错移量。所述的基于互相关算法的运动伪影校正由像素级错移校正和相位级错移校正两个步骤所组成。首先对相邻两步重叠区域所对应的数据分别做快速傅里叶变换，对变换后的数据做互相关算法处理，通过结果的模值计算得到样品在后一步光束扫描中的像素级错移量，并对该步数据进行该像素级错移量补偿。然后把前一步数据和校正过像素级错移量的后一步数据分别分成两个部分，分别做快速傅里叶变换，对变换后的数据分别对应地做互相关算法处理，对处理后的两个部分的结果求和，通过求和结果的相位值计算得到样品在后一步光束扫描中的相位级错移量，并对该步数据进行该相位级错移量补偿。

3)待校正过运动伪影后，利用相邻多步扫描过程所获得的多幅干涉光谱中对应同一位置的不同编码光谱，拼接出该位置的完整光谱，完成空间光谱解码，从而恢复并行OCT系统的理论横向分辨率和轴向分辨率。

下面结合附图和实施示例对本发明作进一步的说明：

如图1所示，一种用于运动伪影校正的空间光谱编码并行OCT系统，包括宽带光源1、色散棱镜2、第一消色差透镜3、刀口棱镜4、第一平面反射镜5、第二平面反射镜6、第一消偏振分光棱镜7、第二消色差透镜8、第三平面反射镜9、第一柱面透镜10、第二消偏振分光棱镜11、中性密度衰减片12、第二柱面透镜13、第三消色差透镜14、第四平面反射镜15、第四消色差透镜16、待测样品17、电动平移台18、组合透镜19、狭缝20、第五消色差透镜21、透射光栅22、第六消色差透镜23、面阵CMOS24、高速图像采集卡25、计算机26、电动平移台控制器27、空间光谱编码模块28、并行OCT模块29。

从宽带光源1发出的宽带光，进入空间光谱编码模块28。在空间光谱编码模块28中，宽带光源1发出的宽带光经过色散棱镜2后沿着整个系统光束扫描方向(x轴方向)发生空间线性色散，色散后的宽带光通过第一消色差透镜3和刀口棱镜4后发生左半边(k-m～k0)和右半边(k0～km)光谱的对称分离，如图1中空心箭头和实心箭头所示。左右分离后的宽带光分别经由第一平面反射镜5、第二平面反射镜6和第一消偏振分光棱镜7后重新汇集，再经由第二消色差透镜8准直，此时左右半边光谱在空间上完全重合，色散方向相反，从而形成空间光谱编码光。最后，空间光谱编码光经由第三平面反射镜9后出射空间光谱编码模块28。

从空间光谱编码模块28出射的宽带光进入并行OCT模块29，首先经由第一柱面透镜10后变为柱面波光束出射，该柱面波光束随后由第二消偏振分光棱镜11分成第一光束和第二光束。第一光束经由中性密度衰减片12、第二柱面透镜13以及第三消色差透镜14后聚焦于第四平面反射镜15上，该光束随后再逆向经由第三消色差透镜14、第二柱面透镜13和中性密度衰减片12回到第二消偏振分光棱镜11。第二光束经由第四消色差透镜16聚焦于放置于电动平移台18的待测样品17上，从待测样品17返回的光束再逆向经由第四消色差透镜16回到第二消偏振分光棱镜11。返回的第一光束和第二光束在第二消偏振分光棱镜11发生干涉，随后经由组合透镜19、狭缝20、第五消色差透镜21、透射光栅22、第六消色差透镜后23由面阵CMOS24进行光谱分解和并行探测。探测所得数据经由高速图像采集卡25传入计算机26中进行后续的算法处理。

如图2所示，为本发明的空间光谱编码和扫描示意图。图中所示y轴对应于传统并行OCT系统的并行探测方向。由于空间光谱编码模块对宽带光沿着整个系统光束扫描方向(x方向)发生空间光谱编码，产生左右半边光谱在空间上完全重合但色散方向相反的空间光谱编码光，因此沿x轴方向，待测样品不同位置将由不同的光谱段照射，但照射任一位置的两个光谱段的平均波数又是相同的，即实现了对待测样品的空间光谱编码。干涉光在探测单元中通过光谱分解形成的干涉光谱由图1中所示面阵CMOS24探测。通过以上所述空间光谱编码的方式，在一个干涉光谱中同时记录了照明区域内x位置的信息，并以光谱段的不同作为区分。为了简化说明，以扫描步长为照明区域宽度的三分之一为例，图中只列出了k_-3、k_-2、k_-1、k₀、k₁、k₂、k₃，7个光谱坐标。如图2中第n步扫描时，照明的区域在x轴上的坐标分别为x_n-1、x_n、x_n+1，对应的光谱段分别为(k_-3～k_-2、k₂～k₃)、(k_-2～k-₁、k₁～k₂)以及(k_-1～k₀、k₀～k₁)，平均波数均为k₀。相同的x和k的对应关系也体现在面阵CMOS24所探测到干涉光谱中。图1中计算机26发出控制信号，经由电动平移台控制器27后，传送给电动平移台18，从而实现图2中x轴扫描步进n到x轴扫描步进n+1的移动。第n步和第n+1步扫描所照明的区域在x轴上的坐标分别为x_n-1、x_n、x_n+1和x_n、x_n+1、x_n+2，重叠区域为x_n、x_n+1。

如图3所示，为运动伪影矫正和空间光谱解码示意图。其包括步骤Ⅱ和步骤Ⅲ，在步骤Ⅱ中，利用窗口函数H’和H”分别选取图2中两步扫描所获得的数据I_n和I_n+1中，对应于重叠区域的部分数据，并分别对其进行快速傅里叶变换处理对快速傅里叶变换后的数据做互相关计算①，通过结果的模值计算得到样品相邻次光束扫描过程中的像素级错移量对数据I_n+1补偿该像素级错移量②。然后把I_n和校正过像素级错移量的I_n+1分成两个部分并分别做傅里叶变换，得到结果和和和分别做互相关算法处理，再对处理所得的结果进行求和运算③，从而消除与深度位置有关的相位量，进而求取相位级错移量并对其I_n+1进行该相位级错移量补偿④，从而得到校正过样品随机运动量的数据I'_n+1。在步骤Ⅲ中，对校正过运动伪影的相邻3步扫描的数据I_n-1、I_n和I_n+1，分别提取出编码了位置x_n的离散光谱数据(k_-1～k₁)、(k_-2～k-₁、k₁～k₂)以及(k_-3～k-₂、k₂～k₃)，从而拼接出相应光束扫描位置x_n处的完整光谱(k_-3～k₃)，进而恢复并行OCT系统的理论横向分辨率和轴向分辨率。