一种光学相干断层多点分布式成像方法

本发明属于光学相干断层扫描(optical coherence tomography，简称oct)，更为具体地讲，涉及一种光学相干断层多点分布式成像方法。

背景技术：

1、光学相干断层扫描技术(oct)是生物光学和医学影像学中的一种主要成像技术。通过测量穿透组织的背向散射光，oct能够实现对生物组织内部微观三维体积的高分辨率成像。通过oct，组织病理可以原位和实时成像，分辨率为1-15微米，这比传统超声波精细两个数量级。这些独特的优点使得oct被广泛应用在临床以及基础生物科学研究中。近年来，oct也被用在工业生产当中，包括表面三维测量，透光涂层测厚，高频动态过程监测等领域。

2、为了获得三维体积的数据，一般采用机械扫描方式进行光学相干断层扫描。机械扫描方式需要在探头部分加装一个机械扫描装置以实现对测点的二维扫描。机械扫描方式在一些特定场合存在如下缺点：1、不能满足特定形状的扫描要求，比如在圆柱棒的径向原位测厚中，机械扫描方式难以实现360度全覆盖扫描；2、不能满足对测点同步要求高的应用场合，例如，对于高速动态振动平台的监测，频率高达100khz，采用机械扫描方式会因为从一点到另外一点的运动延时而不能获取加工现场多点在同一个时刻的状态，这将使得机械扫描方式不适合用于观测高速动态变化的过程。

3、另外，机械扫描方式固有的低扫频已经成为oct技术在扫描成像速度上进一步提升的瓶颈，目前a扫采样频率可以高达200khz，但是b扫和c扫的频率却因为机械式扫描系统的运动性能限制只能达到1khz(6度角度b扫)，限制了其在工业高速成像领域的应用。

4、随着oct技术在科学研究和工业生产中的不断发展，通过机械扫描方式来实现空间点扫描的弊端越来越凸显。如何克服这些缺陷，提高oct在科研生产中的实用性是亟待解决的问题。

5、为克服机械扫描方式的缺点，现有解决方案是采用多套oct系统协同扫描，这样不仅价格会随着测点数目增加而成倍增加，而且很难实现测点的高度同步。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术不足，提供一种光学相干断层多点分布式成像方法，以弥补传统机械扫描的不足，实现传统机械扫描不能实现的同步性、高速性以及采点空间分布的灵活性的基础上，进一步以节省光学器件硬件成本，实现多测点高同步性。

2、为实现上述发明目的，本发明光学相干断层多点分布式成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

3、(1)、一束相干光从光源通过光学介质传导出来，该束相干光经过第一道分光镜被分成两束子相干光，分别进入参考臂及测量臂；

4、(2)、进入测量臂的子相干光被进一步分光，根据测点的数目被细分到每一个测点，测量臂上第i个测点的测量臂长即第一道分光镜到测点界面的光程为si；

5、(3)、进入参考臂的子相干光也以步骤(2)同样的方式进行分光，根据测点的数目被细分到每个测点对应的反射镜面上，参考臂上第i个测点对应的参考臂长即第一道分光镜到反射镜面的光程为ri；

6、(4)、第i个测点的分光即测量光束在被测对象表面散射，散射分光从原路返回，第i个测点对应的反射镜面对细分到其上的分光即参考光束进行反射，反射分光从原路返回，散射分光与反射分光在第一道分光镜形成相干干涉，形成一个子光路干涉对；

7、为避免子光路干涉对在深度成像中相互重叠，在此对每个参考臂长ri进行递增偏移，使得干涉对之间具有不同的特征行程差即测点表面深度为0mm时参考臂长与测量臂长的光路行程差；

8、每个子光路干涉对在系统成像深度范围内不同的深度区间内干涉成像，得到n个测点的干涉图像，并且满足：

9、a、abs(si-ri)<id/n，其中，id是oct系统的成像深度，n是测点总数目；

10、b、δd＝ri+1-ri且δd>max(pi)，其中，δd为a扫窗口宽度，pi为第i个测点的穿透深度，max(pi)表示第i个测点的最大穿透深度；

11、c、si-si-1>id且ri-ri-1>id；

12、(5)、对干涉成像进行处理，得到断层图像即a扫，然后根据预先设定的a扫窗口位置及宽度对每个干涉对的断层图像进行截断与后处理，得到每个相应测点的断层图像。

13、本发明的发明目的是这样实现的：

14、本发明光学相干断层多点分布式成像方法，用于对多个自由分布的测量对象(测点)进行同步穿透3d成像。不同于传统机械扫描式采点，本发明从光路物理层面上实现多通道并行采集，实现了传统机械扫描不能实现的同步性、高速性以及采点灵活性。本发明原理：将相干光源在测量臂和参考臂等分成若干子光路干涉对，通过对参考臂进行偏移，使得每个子光路干涉对在系统成像深度范围内不同的区域内干涉成像，最后根据预先设定的a扫窗口位置及宽度对每个干涉对进行截断与后处理，得到每个相应测点的a扫图。相较于传统机械式扫描方法，本发明能够同步高速地采集多个兴趣点的断层图像，具有布点灵活、检测原位同步等优点，特别是对多测点同步要求高的高频动态过程监测，以及测点分布在狭窄、凹凸复杂的空间等机械式扫描难以扫描到的应用场景。

15、另外，相较于现有的多探头实现多点分布式测量的方案，本发明有如下三点明显优势：1、算力功耗小，即一次测量只需要完成一次从干涉光谱图到a扫图的算法流程(包括k线性标定，逆傅里叶变换，色差补偿，加窗去噪声等)；2、一个独立oct模块，相较于多探头多个oct模块独立运行的模式，本发明只需要一个oct系统，极大节省了光学器件硬件成本；3、本发明对多测点干涉光谱成像在物理层面上是同时发生的，这也保证了多探头难以实现的多测点高同步性。

技术特征：

1.一种光学相干断层多点分布式成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的光学相干断层多点分布式成像方法，其特征在于，测量臂为逐阶分光的多个光纤耦合器构成，分光强度比例根据根据整体测量性能优化而定，最后一阶的光纤耦合器的尾纤端口各自接准直镜和聚焦镜，根据测点的位置进行焦距固定，形成参考臂长si。

3.根据权利要求1所述的光学相干断层多点分布式成像方法，其特征在于，参考臂为逐阶分光的多个光纤耦合器构成，分光强度比例根据整体测量性能优化而定，分出的分光分配到阶梯型反射镜面上，最后一阶的光纤耦合器的尾纤端口各自接准直镜和聚焦镜，准直镜平行对齐放置固定，阶梯型反射镜面与准直镜垂直放置，每一个光束对应一个台阶面；阶梯型反射镜面最高的台阶面与第一束参考光束对应，每一个光束的聚焦镜根据对应台阶面的位置不同，选择能够将光束聚焦在对应镜面的焦距，从而形成参考臂长ri。

技术总结
本发明公开了一种光学相干断层多点分布式成像方法，将相干光源在测量臂和参考臂分成若干子光路干涉对，通过对参考臂进行偏移，使得每个子光路干涉对在系统成像深度范围内不同的深度区间内干涉成像，最后根据预先设定的A扫窗口位置及宽度对每个干涉对进行截断与后处理，得到每个相应测点的A扫图。相较于传统机械式扫描方法，本发明能够同步高速地采集多个兴趣点的断层图像，具有布点灵活、检测原位同步等优点，特别是对多测点同步要求高的高频动态过程监测，以及测点分布在狭窄、凹凸复杂的空间等机械式扫描难以扫描到的应用场景。另外，相较于现有的多探头系统实现多点分布式测量，本发明具有同步性高、算力功耗小、集成度高、硬件成本低的优势。

技术研发人员：丁尧禹,雷晨光,李浩,李金键,赵天意,白利兵,周权,张杰,田露露,程玉华
受保护的技术使用者：电子科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13