专利名称：一种基于级联马赫曾德干涉仪的光谱相位校准系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及光学相干层析成像(OCT)技术和相位敏感的扫频光学相干层析技术，尤其涉及一种基于级联马赫曾德干涉仪的光谱相位校准系统。
背景技术：
光学相干层析(Optical Coherence Tomography,简称OCT)成像技术是一种新型的光学成像技术，能够对被测活体样品内部的组织结构与生理功能进行非侵入、非接触、高分辨率在体成像，在疾病的早期诊断和在体活检领域有着广泛应用前景。相位敏感的OCT技术能够同时测量后向散射光的幅度和相位，通过测量组织对外部刺激产生的nm级位移，相对传统的OCT技术能够提供相位相关的功能对比信息，在定量相位显微、光热0CT、多普勒0CT、磁调制OCT等方面应用广泛。相位敏感的OCT技术根据探测方式的不同可分为相位敏感的时域OCT技术和相位敏感的频域OCT技术。相位敏感的时域OCT系统的采样率较低(50-250A-scans/s)并且位移探测灵敏度有限(DS = 17000pm)；相位敏感的频域OCT在位移探测灵敏度(DS = 5000pm)和采样率(10k A-scans/s)上都大为提高，相位敏感的频域OCT技术包括基于光谱仪探测的谱域OCT和基于扫频光源的扫频0CT。相位敏感的谱域OCT采用线阵探测，很难采用平衡探测方式，相比点探测其动态范围和信噪比受到限制，此外长波响应的CCD技术受限，探测长波的InGaAs CCD灵敏度不高且价格昂贵，目前相位敏感的谱域OCT主要应用在800nm波段范围；相位敏感的扫频OCT由于瞬时线宽扫频光源和点探测方式的联合可以避免这些问题，并且由于长波相比短波的光在生物组织中散射和吸收较少，有更好的穿透深度，在1060nm和13IOnm波段有很大的优势。但是扫频干涉光谱在k空间采样的非线性严重影响了成像的分辨率和信噪比，此外扫频光源光谱扫描的稳定性对位相探测的灵敏度和稳定性带来极大挑战。 使扫频OCT的干涉光谱信号采样点平均分布于波数空间的方法，即干涉光谱k空间均匀采样的实时标定方法，国内外的研究机构已经提出了很多有效的解决方案，如基于MZI的实时均匀频率时钟方法，基于MZI的干涉光谱相位标定方法等，这里不再赘述。本实用新型专利重点关注扫频光源光谱相位的校准问题。在扫频OCT系统中，扫频光源的光谱不稳定表现在相邻A-scan的波数跳变，波数跳变来自两个方面，一个是每个A-scan的触发并不是与某一个固定的波数相关，另一个是采样时钟和触发信号间时间延迟的非确定性；这两种波数跳变引起的相位跳变均与深度成线性关系，前者引起的相位跳变在最大成像深度处可能超过2 π，而后者引起的相位跳变在最大成像深度处不会超过η。为了提高相位敏感的扫频OCT技术的相位探测灵敏度，国外很多研究机构提出很多解决方案。美国麻省理工大学的J.G.Fujimoto研究小组采用缓冲傅立叶域锁模(bufferedFourier domain mode-locked, FDML)扫频激光光源来提高光源的光谱稳定性从而保证系统的相位探测灵敏度，但是FDML激光腔内数千米长光纤环的偏振模色散和光程浮动对位相测量的稳定性产生极大挑战。基于光学的方法产生采样时钟可以提高扫频光源和数据采集卡间的同步，降低时间延迟引起的相位跳变，Duck大学的J.A.1zatt小组将光源输出的小部分光送入一个周期性光滤波器，产生光时钟信号并将其转化成合适的TTL采样时钟信号，由于扫频激光在k空间并不是线性扫描的，从而产生的采样时钟容易发生频率啁啾，在一个扫频周期的结束和下个扫频周期开始间采样时钟频率任意变化，所以在光产生时钟和高速数据采集卡间存在兼容问题，需要在外置的采样时钟输入上插入锁相环电路。哈佛医学院的B.J.Vokoc等人通过一个光程差接近最大成像深度的额外校准镜产生校准干涉信号，并测量校准干涉信号相邻A-scan间的相位变化，从测得的样品信号的相位差中按深度比例减去测得的校准信号的相位差得到校正好的实际相位差，但是当起始波数变化较大，引起最大成像深度处的相位跳变超过2 π时，该方法产生的光谱相位校准可能产生错误，因而一般仅用来校准采样时钟和触发信号间时间延迟的不确定性引起的相位噪声。Houston大学的R.K.Manapuram等人利用窄带光纤布拉格光栅(fiber Bragggrating, FBG,中心波长1315nm，带宽0.1nm)产生可调谐的TTL信号来动态触发数字采集卡，从而在光源和数据采集间引入完美同步，减少了采样时间延迟引起的相位跳变噪声。该方法的准确性取决于FBG工作波长的稳定性，并且无法确定起始波数变化引起的相位跳变是否超过2 η。Texas大学健康科学中心的R.V.Kuranov等人提出气体室参考的相位敏感扫频OCT方法，其系统采用了四个干涉仪，包括共路的主信号干涉仪、基于MZI的实时时钟干涉仪、基于气体室的光谱触发干涉仪和校准波数跳变的共路参考干涉仪。该方法硬件结构复杂，对数据采集卡要求高，不同数据采集卡间数据采集的同步误差可能引起相位噪声，并且校准干涉信号不能排除相位跳变的2π混淆问题。Colorado大学的E.D.Moore等人提出自参考的扫频相位灵敏干涉仪来测量绝对距离，通过对干涉仪采样间距的准确校准来实现绝对距离测量，其利用附加干涉仪来监测扫频光源的瞬时频率从而实时校准采样间距,但是附加干涉仪的频率监测精度需要通过高光谱精度(0.1pm量级)的波长参考装置来校准。上述这些方法都存在固有的缺点，需要引入较复杂的器件，并且不能解决光谱相位跳变的2 π混淆问题，因此，有必要研究易于实现，相位跳变校准精度高和准确性好的大范围光谱相位校准方法。
发明内容本实用新型的目的在于提供一种基于级联马赫曾德干涉仪的光谱相位校准系统。在相位敏感的扫频光学相干层析成像系统的校准臂中设置级联马赫曾德干涉仪，通过计算级联马赫曾德干涉仪提供的两个不同固定光程差参考干涉信号的各自相邻A-scan的相位差，对OCT干涉信号进行光谱相位校准。本实用新型的目的是通过如下技术方案实现的:一种基于级联马赫曾德干涉仪的光谱相位校准系统，包括扫频光源、宽带光纤耦合器、光谱相位校准臂、OCT主干涉仪、OCT干涉光谱信号探测装置、数据采集卡、计算机。扫频光源发出的低相干光经第一宽带光纤耦合器分光后分别进入光谱相位校准臂和OCT主干涉仪，所述OCT主干涉仪的样品臂和参考臂共路；所述共路的样品臂和参考臂包括宽带光纤环行器、准直镜、扫描振镜、聚焦透镜、分光板或者一面镀增透膜的薄盖波片以及样品，第二宽带光纤耦合器第一输出端与宽带光纤环行器的第一端相连，宽带光纤环行器的第二端输出的光经准直镜、扫描振镜和聚焦透镜后，投射在样品上，分光板或盖波片参考平面反射的光和样品后向散射的光汇合后干涉；所述的OCT干涉光谱信号探测装置为平衡探测器，参考平面反射的光和样品后向散射光汇合后形成OCT干涉光谱信号，通过宽带光纤环行器的第三端进入第三宽带光纤耦合器的一个输入端，第三的宽带光纤耦合器的另一输入端和第二宽带光纤耦合器的第二输出端相连，第三宽带耦合器的两路输出端分别与平衡探测器的两路输入端相连，平衡探测器探测的信号经数据采集卡和计算机进行数据采集和数据处理。所述的光谱相位校准臂为级联马赫曾德干涉仪，由三个分光比为1:1的2X2单模光纤耦合器和级联马赫曾德干涉仪平衡探测器组成，连接臂1:、I2把第一个耦合器和第二个耦合器连接在一起，连接臂13、I4把第二个和第三个耦合器连接在一起，第三耦合器与级联马赫曾德干涉仪平衡探测器连接。第一宽带光纤耦合器分光后的低相干光经过级联马赫曾德干涉仪能形成一路MZI光谱相位校准信号，同时提供光程差为Cl1的第一参考干涉信号和光程差为d2的第二参考干涉信号，经数据采集卡和计算机进行数据采集和数据处理。与背景技术相比，本实用新型具有的有益效果是:1、采用了紧凑的级联MZI干涉仪，可同时提供两个固定光程差的参考干涉信号，提高了起始波数校正的精度，又解决了光谱相位跳变校准的2 π混淆问题，确保了光谱相位跳变的校准准确性和精度。2、不需要精准的光时钟触发，仅利用最少的干涉仪同时实现了光谱实时线性标定和光谱相位跳变的校准，减轻了数据采集卡的端口压力，节约了系统硬件成本。3、不增加额外干涉仪的情况下，实时对每次干涉信号进行等频率间隔标定，补偿了每个扫频周期数处的扫频光谱的不重复性，保证了较高的轴向分辨率。
图1是本实用新型的相位敏感扫频光学相干层析成像系统示意图；图2是本实用新型的级联马赫曾德干涉仪结构示意图；图3是本实用新型的相位敏感扫频光学相干层析成像系统硬件控制结构示意图；图4 Ca)为原始级联MZI干涉光谱信号；图4 (b)为经过fft和滤波后的信号；图4 (C)为分离后的第一参考干涉信号；图4 (d)为分离后的第二参考干涉信号；图4 Ce)为利用第一参考干涉信号进行波数标定，等到等波数间隔分布的第一参考干涉信号；图4 (f)为利用第一参考干涉信号进行波数标定，等到等波数间隔分布的第二参考干涉信号；图4 (g)为利用第一参考干涉信号进行波数标定，等到等波数间隔分布的样品/OCT信号；[0032]图5为同时利用两个参考干涉信号进行光谱相位跳变校准的原理图；图6 (a)为光谱相位跳变校准前OCT信号的解卷绕相位变化；图6 (b)为光程差为Cl1的参考干涉信号的光谱相位跳变；图6 (c)为光程差为d2的参考干涉信号的光谱相位跳变；图6 Cd)为双参考干涉信号联合分析后光程为Cl1的参考干涉信号的真实光谱相位跳变；图6 (e )光谱相位跳变校准后OCT信号的解卷绕相位变化；图中:1、扫频光源，2、第一宽带光纤耦合器，3、级联马赫曾德干涉仪，4、第二宽带光纤稱合器，5、宽带光纤环行器,6、准直镜,7、扫描振镜,8、聚焦透镜,9、分光板或薄盖波片，10、样品，11、第三宽带光纤耦合器；12、平衡探测器，13、数据采集卡，14、计算机，15、级联马赫曾德干涉仪2X2宽带光纤耦合器，16、2X2宽带光纤耦合器，17、2X2宽带光纤耦合器，18、级联马赫曾德干涉仪平衡探测器。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本实用新型作进一步的说明。如图1、图2所示，一种基于级联马赫曾德干涉仪的光谱相位校准系统，包括扫频光源、宽带光纤耦合器、光谱相位校准臂、OCT主干涉仪、OCT干涉光谱信号探测装置、数据采集卡和计算机。扫频光源I发出的低相干光经第一宽带光纤耦合器2分光后分别进入光谱相位校准臂和OCT主干涉仪，所述OCT主干涉仪的样品臂和参考臂共路；所述共路的样品臂和参考臂包括宽带光纤环行器5、准直镜6、扫描振镜7、聚焦透镜8、分光板或者一面镀增透膜的薄盖波片9以及样品10，第二宽带光纤耦合器4第一输出端的光进入宽带光纤环行器5的第一端,经宽带光纤环行器5的第二端、准直镜6、扫描振镜7和聚焦透镜8后,投射在样品10上，分光板或盖波片9参考平面反射的光和样品后向散射的光汇合后干涉；所述的OCT干涉光谱信号探测装置为平衡探测器12，参考平面反射的光和样品后向散射光汇合后形成SSOCT干涉光谱信号，通过宽带光纤环行器5的第三端进入第三宽带光纤耦合器11的一个输入端，第三的宽带光纤耦合器11的另一输入端和第二宽带光纤耦合器4的第二输出端相连，第三宽带耦合器11的两路输出端分别与平衡探测器12的两路输入端相连，平衡探测器探测的信号经数据采集卡13和计算机14进行数据采集和数据处理。所述的光谱相位校准臂为级联马赫曾德干涉仪3，由三个分光比为1:1的2X2单模光纤耦合器和级联马赫曾德干涉仪平衡探测器18组成，连接臂Ip I2把第一个耦合器15和第二个耦合器16连接在一起，连接臂13、14把第二个耦合器16和第三个耦合器17连接在一起，第三耦合器17与级联马赫曾德干涉仪平衡探测器18连接，第一宽带光纤耦合器分光后的低相干光经过级联马赫曾德干涉仪能形成一路MZI光谱相位校准信号，同时提供光程差为Cl1的第一参考干涉信号和光程差为d2的第二参考干涉信号，经数据采集卡和计算机进行数据采集和数据处理。图3所示为本实用新型的扫频光学相干层析成像系统硬件控制结构示意图。包括:扫描振镜7、平衡探测器12和18、数据采集卡13和计算机14。其中数据采集卡13和计算机14相连，计算机14和扫描振镜7相连。计算机14控制数据采集卡13对平衡探测器12和18产生的干涉光谱信号进行采集，通过数据总线传入计算机14进行数据处理和图像重建。计算机14控制样品臂扫描振镜7实现探测光束对样品的横向扫描，以获取样品的二维以及三维信息数据。如图4 (a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)、(g)所示，一种基于级联马赫曾德干涉仪的光谱相位校准方法，在相位敏感的扫频光学相干层析成像系统中，设置级联马赫曾德干涉仪(MZI )，设置连接臂Ip 12、I3和I4的长度，使得(I2-11H(I4-13) = Cl1接近系统最大成像深度，而(I2-11)-(I4-13) =d2接近零光程，则级联马赫曾德干涉仪产生的光谱干涉信号是光程差为Cl1、d2两个干涉信号的叠加。同步采集光学相干层析干涉光谱信号和级联马赫曾德干涉仪干涉光谱信号，为便于理解起始波数变动对相位测量的影响，仅考虑来自样品深度z处反射率为R的某层的干涉条纹，则单次轴向扫描(A-scanning)探测的OCT干涉光谱信号的可表达为:
权利要求1.一种基于级联马赫曾德干涉仪的光谱相位校准系统，包括光源、宽带光纤耦合器、光谱相位校准臂、OCT主干涉仪、OCT干涉光谱信号探测装置、数据采集卡、计算机，其特征在于:扫频光源(I)发出的低相干光进入第一宽带光纤耦合器(2)，经分光后分别进入光谱相位校准臂和OCT主干涉仪，所述OCT主干涉仪的样品臂和参考臂共路；所述共路的样品臂和参考臂包括宽带光纤环行器(5)、准直镜(6)、扫描振镜(7)、聚焦透镜(8)、分光板或者一面镀增透膜的薄盖波片(9)以及样品(10)，第二宽带光纤耦合器(4)第一输出端与宽带光纤环行器(5)的第一端相连，宽带光纤环行器(5)第二端的光经过准直镜(6)、扫描振镜(7)和聚焦透镜(8)后，投射在样品(10)上，分光板或盖波片(9)参考平面反射的光和样品后向散射的光汇合后干涉；所述的OCT干涉光谱信号探测装置为平衡探测器(12)，参考平面反射的光和样品后向散射光汇合后形成OCT干涉光谱信号，通过宽带光纤环行器(5)的第三端进入第三宽带光纤耦合器(11)的一个输入端，第三的宽带光纤耦合器(11)的另一输入端和第二宽带光纤耦合器(4)的第二输出端相连，第三宽带耦合器(11)的两路输出端分别与平衡探测器(12)的两路输入端相连，平衡探测器(12)探测的信号经数据采集卡(13)和计算机(14)进行数据采集和数据处理，第一宽带光纤耦合器(2)分光后的低相干光经过光谱相位校准臂，所述光谱相位校准臂包括级联马赫曾德干涉仪(3)，所述级联马赫曾德干涉仪(3)能形成一路MZI光谱相位校准信号，同时提供光程差为Cl1的第一参考干涉信号和光程差为d2的第二参考干涉信号，经数据采集卡和计算机进行数据采集和数据处理。
2.根据权利要求1所述的一种基于级联马赫曾德干涉仪的光谱相位校准系统，其特征在于:所述的光谱相位校准臂为级联马赫曾德干涉仪，由三个分光比为1:1的2X2单模光纤耦合器和级联马赫曾德干涉仪平衡探测器组成，连接臂I1U2把第一个耦合器(15)和第二个耦合器(16)连接在一起，连接臂13、I4把第二个耦合器(16)和第三个耦合器(17)连接在一起，第三耦合器(17)与级联马赫曾德干涉仪平衡探测器(18)连接。
专利摘要本实用新型公开了一种基于级联马赫曾德干涉仪的光谱相位校准系统，本实用新型级联MZI干涉光谱信号经傅立叶变换、滤波及逆傅立叶变换分离出光程差d1接近系统最大成像深度的第一参考干涉信号和光程差d2接近零光程的第二参考干涉信号，第一参考干涉信号实现波数采样的实时线性标定和校准最大成像深度处光谱相位跳变的分数部分，第二参考干涉信号确定最大成像深度光谱相位跳变的2整数倍，起始波数跳动引起的相位跳变与深度成线性关系，两路参考干涉信号结合可以校正任意深度处实际的相位跳变。既实现了光谱实时线性标定，确保了光谱相位跳变的校准精度，解决了光谱相位跳变校准的2混淆问题，可实现实时、高灵敏的位相探测和位相图像的重建。
文档编号A61B5/00GK203016921SQ201320028638
公开日2013年6月26日 申请日期2013年1月18日 优先权日2013年1月18日
发明者王玲, 丁志华, 沈毅, 颜杨志, 吴开华 申请人:杭州电子科技大学