專利名稱：高分辨率光學(xué)相干層析成像方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種頻域光學(xué)相干層析成像(Fourier Domain Optical Coherence Tomography,簡(jiǎn)稱FD-OCT)技術(shù)，尤其涉及一種高分辨率頻域光學(xué) 相干層析成像方法。
背景技術(shù)：
光學(xué)相干層析成像(OCT)基于低相干光干涉(Low Coherence Interferometry，簡(jiǎn)稱LCI)原理，能對(duì)散射介質(zhì)如生物組織內(nèi)部幾個(gè)毫米深度 范圍內(nèi)的微小結(jié)構(gòu)進(jìn)行非侵入的、實(shí)時(shí)的、在體的層析成像，具有超高分辨 率(1微米至20微米)。自從1991年Huang等人提出OCT概念，并將其運(yùn)用 到人眼視網(wǎng)膜和冠狀動(dòng)脈壁的層析成像以來(lái)，OCT以其超高分辨率、超快成 像速度、無(wú)輻射損傷、光信息多元性，以及與現(xiàn)有醫(yī)療儀器兼容性好等優(yōu)勢(shì)， 成為被廣泛看好的在生物組織成像和醫(yī)學(xué)檢測(cè)領(lǐng)域具有重要應(yīng)用前景的光學(xué) 成像技術(shù)。
頻域光學(xué)相干層析成像系統(tǒng)(FD-OCT)，是一種新型OCT系統(tǒng)，通過(guò)探 測(cè)干涉譜并對(duì)其進(jìn)行逆傅立葉變換得到物體的層析圖，相對(duì)于最初的時(shí)域光 學(xué)相干層析成像系統(tǒng)(Time Domain Optical Coherence Tomography, 簡(jiǎn)稱 TD-OCT),具有無(wú)需深度方向掃描、成像速度快和探測(cè)靈敏度高的優(yōu)勢(shì)，更 適合生物組織的實(shí)時(shí)成像。
為了能對(duì)微小結(jié)構(gòu)如細(xì)胞進(jìn)行成像，要求OCT系統(tǒng)具有微米或亞微米量 級(jí)的空間分辨率。理論上，OCT系統(tǒng)的縱向(深度)分辨率主要取決于光源 的相干長(zhǎng)度，而光源的相干長(zhǎng)度與光源帶寬成反比，為了提高深度分辨率， 要求系統(tǒng)使用更高帶寬的光源。目前OCT系統(tǒng)普遍采用超幅射二極管(SLD)作 為光源，如采用中心波長(zhǎng)為830nm，帶寬為20nm的SLD，深度分辨率約為15pm。 當(dāng)前國(guó)內(nèi)外研究主要依靠提高光源帶寬來(lái)提高縱向分辨率,如采用飛秒激光 器，其帶寬可達(dá)到幾百納米，分辨率可達(dá)幾個(gè)微米(參見(jiàn)在先技術(shù)[l]， R.A.
Leitgeb， W. Drexler, A. Unterhuber et al., "Ultrahigh resolution Fourier domain optical coherence tomography", Opt. Express, 12,2156-2165,2004)。但是，OCT
系統(tǒng)的縱向分辨率還受到光學(xué)元件和樣品色散的影響，當(dāng)參考臂和樣品臂的 色散失配時(shí)，會(huì)導(dǎo)致實(shí)際分辨率小于理論值。目前高分辨率OCT系統(tǒng)普遍使 用超寬光譜光源，色散導(dǎo)致的分辨率的惡化嚴(yán)重，色散補(bǔ)償成為實(shí)現(xiàn)高分辨 率OCT的重要步驟。目前，色散補(bǔ)償?shù)姆椒ㄖ饕譃槲锢硌a(bǔ)償和算法補(bǔ)償兩 種。
物理補(bǔ)償通常是在樣品臂或參考臂中插入色散補(bǔ)償器件，使干涉儀兩臂 的色散匹配，從而達(dá)到色散補(bǔ)償?shù)哪康?參見(jiàn)在先技術(shù)[2]， B.Bouma,GJ. Tearney， S. A. Boppart， M. R. Hee, M. E. Brezinski， and J. G. Fujimoto， "High-resolution optical coherence tomographic imaging using a mode-lockedTi-Al203 laser source", Opt. Lett. 20， 1486-1488, 1995; C. K. Hizenberger， A. Baumgartner， W. Drexler, and A. F. Fercher， "Dispersion effects in partial coherence interferometry: implications for intraocular ranging", J. Biomed. Opt. 4， 144-151 ，1999)?；诠鈻诺墓鈱W(xué)快速掃描延遲線是一種常用的物理色 散補(bǔ)償方法，通過(guò)調(diào)節(jié)閃耀光柵相對(duì)于傅立葉變換透鏡焦點(diǎn)的偏離(即離焦 量)來(lái)補(bǔ)償色散(參見(jiàn)在先技術(shù)[3], B. Golubovic， B. E. Bouma, G. J. Tearney, and J. G. Fujimoto, "Optical frequency-domain reflectometry using rapid wavelength tuning of a Cr4+:forsterite laser ，，， Opt. Lett. 22， 1704-1706, 1997)。然而，物理補(bǔ) 償需要使用色散補(bǔ)償器件，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，并且只能對(duì)光路中的色散 或特定樣品的色散進(jìn)行補(bǔ)償，如果樣品色散性質(zhì)發(fā)生改變，則需要對(duì)色散補(bǔ) 償器件重新調(diào)整。
算法補(bǔ)償，通過(guò)對(duì)采集的干涉條紋進(jìn)行后處理實(shí)現(xiàn)色散補(bǔ)償，目前主要 包括迭代補(bǔ)償算法、自聚焦算法和巻積算法。迭代算法假設(shè)層析圖是由不同 的銳利界面組成的，設(shè)定一個(gè)銳利矩陣方程來(lái)表述層析圖的銳利程度，通過(guò) 對(duì)二階和三階色散系數(shù)迭代，使得該銳利矩陣方程最大。自聚焦算法通過(guò)選 擇不同的色散參數(shù)使得補(bǔ)償后的圖像的Renyi熵最小，即圖像對(duì)比度最高。這 兩種算法對(duì)樣品不同深度的色散都采用統(tǒng)一的色散系數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償(參看在先
技術(shù)[4]， M. Wojtkowski, V. J. Srinivasan， T. H. Ko， J. G. Fujimoto， A. Kowalczyk, and J. S. Duker, "Ultrahigh resolution, high-speed, Fourier domain optical coherence tomography and methods for dispersion compensation," Opt. Express 12: 2404-2422， 2004; D. L. Marks, A. L. Oldenburg, J. J. Reynolds, and S. A. Boppart, "Autofocus algorithm for dispersion correction in optical coherence tomography," Appl. Opt. 42, 3038-3046 ，2003)。但是實(shí)際的樣品，特別是人眼，具有多層結(jié) 構(gòu)，不同層之間的色散系數(shù)差異很大，用統(tǒng)一的色散系數(shù)補(bǔ)償不能對(duì)每一層 都達(dá)到最佳補(bǔ)償效果。巻積算法將時(shí)域干涉信號(hào)與一個(gè)巻積核巻積，該巻積 核是深度的函數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)深度分辨的色散補(bǔ)償(參看在先技術(shù)[5]， A.R Fercher， C. K.冊(cè)zenberger， M. Sticker, R. Zawadzki， B. Karamata， and T. Lasser， "Numerical dispersion compensation for partial coherence interferometry and optical coherence tomography," Opt. Express 9, 2001 )。但是這種方法使用的深度 分辨的巻積核需要根據(jù)樣品的材料和結(jié)構(gòu)計(jì)算獲得。由于不同樣品的材料和 結(jié)構(gòu)一般是不可預(yù)知的，特別是人眼與皮膚，每一個(gè)檢測(cè)對(duì)象有不同的材料 性質(zhì)和結(jié)構(gòu)特征，很難獲取精確的深度分辨的巻積核，從而限制了這種深度 分辨的色散補(bǔ)償方法的實(shí)際應(yīng)用。
由以上分析看出，目前還沒(méi)有一種自動(dòng)的、深度分辨的色散補(bǔ)償方法應(yīng) 用于OCT以實(shí)現(xiàn)高分辨率的光學(xué)相干層析成像。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了克服上述在先技術(shù)的不足，提供一種高分辨率光學(xué) 相干層析成像方法，采用深度分辨色散補(bǔ)償更精確地補(bǔ)償光路和樣品中的色 散，從而消除色散的展寬效應(yīng)，獲得高清晰的層析圖。本發(fā)明實(shí)施色散補(bǔ)償 不需要預(yù)先知道樣品的材料和結(jié)構(gòu)信息，既能補(bǔ)償干涉儀兩臂之間的色散， 又可以補(bǔ)償樣品內(nèi)部的色散，而且可以對(duì)樣品內(nèi)部不同深度的色散分別補(bǔ)償， 達(dá)到最佳的補(bǔ)償效果。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下
一種高分辨率光學(xué)相干層析成像方法，該方法包括下列步驟 ①首先利用高分辨率的頻域光學(xué)相干層析成像系統(tǒng)對(duì)樣品的每一個(gè)橫向
掃描點(diǎn)，該系統(tǒng)的光電探測(cè)陣列記錄樣品的頻域干涉譜信號(hào)并送入計(jì)算機(jī)；
② 計(jì)算機(jī)對(duì)光電探測(cè)陣列采集的某一橫向點(diǎn)的干涉譜信號(hào)做逆傅立葉變 換得到該點(diǎn)層析③ 采用空域?yàn)V波器提取該點(diǎn)層析圖某一深度的光頻域干涉信號(hào)的復(fù)振幅 和相位；
④ 采用最小二乘法對(duì)所述的相位進(jìn)行擬合，得到樣品在該深度處的二階 色散系數(shù)和三階色散系數(shù)，并計(jì)算色散引起的相位扭曲；從所述的相位中減 去該扭曲量，得到色散補(bǔ)償后的相位；
⑤ 利用復(fù)振幅和補(bǔ)償后的相位重建出對(duì)應(yīng)于該深度的經(jīng)過(guò)色散補(bǔ)償?shù)墓?頻域干涉信號(hào)；
⑥ 對(duì)不同深度的層析圖重復(fù)執(zhí)行③至⑤步，并將各個(gè)深度處的光頻域干 涉信號(hào)疊加，得到該橫向點(diǎn)的經(jīng)過(guò)色散補(bǔ)償?shù)墓忸l域干涉信號(hào)；
⑦ 最后對(duì)該橫向點(diǎn)的經(jīng)過(guò)色散補(bǔ)償?shù)墓忸l域干涉信號(hào)進(jìn)行逆傅立葉變換 得到該點(diǎn)重建的層析圖像；
⑧ 重復(fù)步驟②至⑦對(duì)所述的頻域干涉譜的每一橫向點(diǎn)的干涉譜信號(hào)進(jìn)行 處理，得到該樣品的二維或三維層析圖。
所述的某一橫向點(diǎn)的空域?yàn)V波器的窗口寬度的選取方法是 選擇該點(diǎn)的頻域干涉信號(hào)的噪聲平均值與該信號(hào)的兩倍標(biāo)準(zhǔn)差之和作為
找到該點(diǎn)層析圖中高于閾值的各極大值；
以極大值為中心向兩邊擴(kuò)展窗口，直到極大值兩邊強(qiáng)度等于設(shè)定的閾值 的寬度設(shè)為該極大值的窗口寬度。
本發(fā)明高分辨率光學(xué)相干層析成像方法的特點(diǎn)是采用了深度分辨色散補(bǔ) 償方法，通過(guò)空域?yàn)V波提取某一深度的光頻域干涉信號(hào)的復(fù)振幅和相位，利 用最小二乘法擬合得到色散補(bǔ)償后的相位，進(jìn)一步基于該相位重建該深度的 光頻域干涉信號(hào)，最后將各個(gè)深度的色散補(bǔ)償后的光頻域干涉信號(hào)疊加做逆 傅里葉變換，得到層析圖。采用的深度分辨色散補(bǔ)償方法更精確地補(bǔ)償了光
路和樣品中的色散，實(shí)現(xiàn)了高分辨率的光學(xué)相干層析成像。 本發(fā)明的技術(shù)解決方案的原理
在高分辨率光學(xué)相干層析成像系統(tǒng)中移動(dòng)樣品，對(duì)樣品的每一個(gè)橫向掃 描點(diǎn)，用光譜儀記錄頻域干涉條紋。由于光譜儀記錄了光強(qiáng)隨波長(zhǎng)的變化， 為了利用離散傅立葉變換(DFT)重建層析圖，需要對(duì)干涉條紋在頻域(6)或A)
均勻重采樣，得到的干涉條紋可以表示為
U" 2+2Re{，*￡#)H，|2 (1) 其中/t為波數(shù)，^是參考臂光場(chǎng)，^是樣品散射光場(chǎng)。 一般來(lái)說(shuō)，樣
品的散射光強(qiáng)相對(duì)于參考光強(qiáng)很小，所以(l)式中最后一項(xiàng)可以忽略。另外， 從光譜中減去參考臂的光譜項(xiàng)(第一項(xiàng))，得到了帶有有用信息的純粹的兩臂
干涉信號(hào)&,w:
=2 R《A W, (" exp[稀，z )]}
其中/^)為第n層散射光強(qiáng)，八ot)為參考臂反射光強(qiáng)，z"為第n層對(duì)應(yīng)
的光程差，律，y為z。處參考臂和探測(cè)臂的相位差，①OU)為^處由于色散引 起的附加相位。
從(2)式可以看出，干涉儀兩臂相位差^ouj由光程差fe。和色散引起的附 加相位差d^，zj兩部分組成。色散的影響是引入了一個(gè)附加相位差，從而使相 位失真，色散補(bǔ)償就是為了消除這個(gè)附加相位差?？偟南辔徊頭^ )可以用泰 勒級(jí)數(shù)展開(kāi)為
<formula>formula see original document page 7</formula>
其中AW為^處的傳播常數(shù)， 為樣品的相折射率， ， 為樣品的群折
射率，"=々,汲2為^處的二階色散系數(shù)，A"^岸V汲3為Z"處的三階色散系數(shù)。 令々息(*)=聰，[" (&H0+"s,#0)*0]xz —0. ， A"(&)x^^—咖,"W ，
"，(^， = "#)，則(2)式改寫(xiě)為
S t= (*) {exP {''[ ."(*。
+ <W" (" + <W" (" +…〗x z"} (4) + exp {—!'[ , +U A) + C +…]x z }} exp(械.")
^W為帶有色散的光頻域干涉信號(hào)，色散會(huì)引起干涉包絡(luò)的展寬，從而
降低光學(xué)相干層析成像的縱向分辨率。從表達(dá)式中還可以看出，樣品不同深 度Z"處有不同的色散系數(shù)A'，和A，"，對(duì)不同深度的信號(hào)采用相應(yīng)的色散系數(shù)進(jìn)
行補(bǔ)償才能達(dá)到最佳的補(bǔ)償效果。
本發(fā)明通過(guò)一種深度分辨色散補(bǔ)償方法實(shí)現(xiàn)高分辨率光學(xué)相干層析成 像，具體的步驟為
1、 首先，^W對(duì)W故逆傅立葉變換得到時(shí)域?qū)游鰣D
Sn,(z) = ^> (z) {5(Z + Z ) !7T{exp[U)]XZ eXp[U*)>^ ] ...}+ (5)
5(z - z ) '.,xp卜,." (A) "J} z7T(exp[-華咖，W x zj} ...} exp械") 這里不考慮鏡像問(wèn)題，認(rèn)為ZX)，貝IJ:
， (6)
=Z￡ (Z) < (z-Z ) !7T{exp[—!yGDD, WxZ ]} ZFT{eXp[—*OD (A)X;]} ..jxexp(—鴻 ).
由上式可以看出，對(duì)每一個(gè)位置Z。，其層析圖不僅受到光源光譜的調(diào)制
(反映在S刺上)，還受到二階和高階色散的調(diào)帝U(反映在,7T^P[-UWx等 項(xiàng)上)。其中，二階色散造成干涉條紋的展寬，三階色散造成干涉條紋的不對(duì) 稱，因而由于色散效應(yīng)導(dǎo)致系統(tǒng)分辨率下降。
2、 采用寬度為AZ的窗口在^處濾波，得到對(duì)應(yīng)于^處的干涉圖。由于 展寬效應(yīng)，^處干涉圖可能與附近其它層(如^層，Z Zm)的干涉圖有重 疊，設(shè)定窗口寬度A2"，濾出^處疊加的干涉圖。設(shè)5 ^，且干涉圖為第i 層到第j層的干涉圖的疊加，貝卜<formula>formula see original document page 9</formula>
窗口寬度的選取特別重要，由于本方法對(duì)一個(gè)窗口寬度內(nèi)的信號(hào)按照相 同的色散系數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償，如果窗口寬度太寬，而該窗口內(nèi)的色散系數(shù)不一致，
就會(huì)削弱深度分辨色散補(bǔ)償?shù)男Ч?；窗口寬度太窄，濾出的干涉圖只包括某 一層干涉圖的一部分，導(dǎo)致該層信息的削弱或失真。本方法首先找到層析圖 中高于閾值的各極大值，以各極大值為中心向兩邊擴(kuò)展，直到兩邊強(qiáng)度等于 設(shè)定的閾值時(shí)的寬度作為窗口寬度。這里閾值的設(shè)定也很重要，如果過(guò)高(高 于某些極大值)，可能使某些層信息丟失，如果太低可能導(dǎo)致窗口寬度太寬。 本方法選擇每一橫向點(diǎn)的頻域干涉信號(hào)的噪聲平均值與該信號(hào)的兩倍標(biāo)準(zhǔn)差 之和作為閾值。
3、 s^,"(力對(duì)z做傅立葉變換，得到對(duì)應(yīng)于z"處的光頻域干涉信號(hào)<formula>formula see original document page 9</formula>
由于色散影響的是干涉信號(hào)的相位，色散補(bǔ)償是對(duì)相位進(jìn)行補(bǔ)償，然后 通過(guò)信號(hào)的復(fù)振幅和補(bǔ)償后的相位恢復(fù)干涉信號(hào)。所以，這里要將該信號(hào)的 復(fù)振幅和相位分離，保留復(fù)振幅，然后通過(guò)下一步對(duì)相位進(jìn)行色散補(bǔ)償。該 信號(hào)的的復(fù)振幅和相位為
(9)
<formula>formula see original document page 9</formula>4、采用數(shù)值擬合方法對(duì)失真的相位進(jìn)行色散補(bǔ)償。以(A-A。)為自變量，
對(duì)伊 W進(jìn)行數(shù)值擬合，得到；處的二階和三階色散系數(shù)AW。)和AW。這 里只考慮二階和三階色散，忽略更高階色散。則相位扭曲為
對(duì)相位進(jìn)行色散補(bǔ)償，即從p，,)中減去UA)得到色散補(bǔ)償后的相位-
伊，, w=-[" (o ("。)] x^: (ii)
5、 利用復(fù)振幅^ (fc)和相位^，,)恢復(fù)出^處的光頻域干涉信號(hào)
s (a) = ^> WxeXp{-z[" (a。)a。 a。)]x。 (12)
至此，已經(jīng)得到了^處經(jīng)色散補(bǔ)償?shù)墓忸l域干涉信號(hào)。對(duì)不同^處分別
執(zhí)行2至5步，然后把結(jié)果疊加，得到該橫向點(diǎn)經(jīng)過(guò)色散補(bǔ)償?shù)墓忸l域干涉
信號(hào)
6、 最后，s，pW對(duì)M故逆傅A(chǔ)葉變換，并取模，得到該橫向掃描點(diǎn)經(jīng)色
散補(bǔ)償?shù)膶游鰣D
7、 對(duì)每一個(gè)橫向掃描點(diǎn)分別執(zhí)行以上色散補(bǔ)償步驟，得到該樣品的二維 或三維層析圖。
實(shí)施上述方法的高分辨率頻域光學(xué)相干層析成像系統(tǒng)，包括低相干光源， 在該低相干光源的照明方向上順次放置準(zhǔn)直擴(kuò)束器、邁克爾遜干涉儀，該邁 克爾遜干涉儀的分光器將入射光分為探測(cè)光和參考光分別進(jìn)入探測(cè)臂和參考 臂，參考臂光路的末端為參考反射鏡，探測(cè)臂光路的末端為被測(cè)樣品，被測(cè) 樣品放置在一個(gè)三維精密平移臺(tái)上；邁克爾遜干涉儀輸出端連接一光譜儀， 該光譜儀通過(guò)圖像采集卡和計(jì)算機(jī)連接。
所述的低相干光源為寬光譜光源，其光譜典型半寬度為幾十個(gè)到幾百個(gè) 納米，如超輻射發(fā)光二極管或飛秒激光器等。
所述的準(zhǔn)直擴(kuò)束器由物鏡和若干透鏡組成。
所述的邁克爾遜干涉儀，其特征在于具有兩個(gè)接近等光程的干涉光路， 一路為參考臂光路，另一路為探測(cè)臂光路。它可以是體光學(xué)系統(tǒng)，如由分光 棱鏡分光構(gòu)成參考臂和探測(cè)臂兩路光路；也可以是光纖光學(xué)系統(tǒng)，如由2X2 光纖耦合器的兩個(gè)輸出光纖光路分別作為參考臂和探測(cè)臂光路。 所述的光譜儀由衍射光柵，聚焦透鏡和光電探測(cè)器陣列組成。
所述的光電探測(cè)器陣列是CCD或光電二極管陣列或其他具有光電信號(hào)轉(zhuǎn) 換功能的探測(cè)器陣列。
所述的三維精密平移臺(tái)，可以沿三個(gè)相互垂直方向作微米量級(jí)精度的平移。
該系統(tǒng)的工作情況如下
低相干光源發(fā)出的光經(jīng)準(zhǔn)直擴(kuò)束器準(zhǔn)直擴(kuò)束后，在邁克爾遜干涉儀中被 分成兩束， 一束光經(jīng)參考臂入射到參考反射鏡表面，另外一束光經(jīng)探測(cè)臂入 射到被測(cè)樣品內(nèi)，從參考鏡表面反射回來(lái)的光和從被測(cè)樣品內(nèi)不同深度處反 射或背向散射回來(lái)的光被收集并沿參考臂和探測(cè)臂返回，在邁克爾遜干涉儀 中發(fā)生干涉，再進(jìn)入光譜儀分光并記錄送入計(jì)算機(jī)，光譜數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)深度分辨 色散補(bǔ)償后得到樣品沿探測(cè)光光軸方向的層析圖。通過(guò)三維精密平移臺(tái)對(duì)樣 品沿與探測(cè)光光軸垂直的平面做橫向掃描，得到被測(cè)樣品的二維或三維層析 圖
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有的有益效果是
采用寬帶光源的同時(shí)，應(yīng)用深度分辨色散補(bǔ)償方法，可以針對(duì)不同深度， 采用不同的色散參數(shù)分別進(jìn)行補(bǔ)償，得到更為精確的補(bǔ)償效果，使OCT系統(tǒng) 可以采用更高帶寬的光源，獲得更高的縱向分辨率。
色散補(bǔ)償過(guò)程不需要預(yù)先知道樣品的材料和結(jié)構(gòu)特性，通用性強(qiáng)。
系統(tǒng)不需要增加額外的色散補(bǔ)償裝置，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。


圖1是頻域光學(xué)相干層析成像系統(tǒng)的體光學(xué)系統(tǒng)框圖。 圖2是實(shí)施例樣品的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖3是一個(gè)橫向點(diǎn)的深度分辨色散補(bǔ)償?shù)牧鞒虉D。 圖4是沒(méi)有經(jīng)過(guò)色散補(bǔ)償?shù)膶?shí)施例樣品層析圖。
圖5是按照本發(fā)明方案對(duì)實(shí)施例樣品進(jìn)行深度分辨的色散補(bǔ)償?shù)臉悠穼?析圖。
圖6是對(duì)實(shí)施例樣品按照統(tǒng)一的色散系數(shù)進(jìn)行色散補(bǔ)償?shù)臉悠穼游鰣D。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明 的保護(hù)范圍。
請(qǐng)參閱圖1，圖1是頻域光學(xué)相干層析成像系統(tǒng)的體光學(xué)系統(tǒng)框圖。其中
l是低相干光源，在低相干光源照明方向上依次放置準(zhǔn)直擴(kuò)束器2，邁克爾遜 干涉儀3，該邁克爾遜干涉儀3的分光器4將入射光分為探測(cè)光和參考光，參 考光傳播方向上依次放置物鏡5和參考反射鏡6，探測(cè)光經(jīng)反射鏡7反射后由 物鏡8聚焦在被測(cè)樣品9上，被測(cè)樣品9放置在三維平移臺(tái)10上。邁克爾遜 干涉儀3輸出端連接一光譜儀11，該光譜儀11包括衍射光柵12，透鏡13和 光電探測(cè)陣列14，光譜儀通過(guò)圖像采集卡15與計(jì)算機(jī)20連接。
低相干光源1發(fā)出低相干光經(jīng)準(zhǔn)直擴(kuò)束器2準(zhǔn)直后進(jìn)入邁克爾遜干涉儀 3，經(jīng)分光器4分成兩束， 一束光通過(guò)參考臂中的物鏡5聚焦在參考反射鏡6 上，經(jīng)參考反射鏡6反射返回分光器4;另一束光通過(guò)樣品臂，經(jīng)反射鏡7反 射后經(jīng)物鏡8聚焦在樣品9上，樣品9放置在三維平移臺(tái)10上實(shí)現(xiàn)二維掃描。 從參考反射鏡6反射的光和從被測(cè)樣品9內(nèi)不同深度反射或背向散射回來(lái)的 光在分光器4處匯合并發(fā)生干涉，該干涉光入射到光譜儀11中的衍射光柵12 上發(fā)生衍射，衍射光由透鏡13成像在光電探測(cè)陣列14上轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng) 圖像采集卡15得到光頻域干涉信號(hào)數(shù)據(jù)送入計(jì)算機(jī)20，該光頻域干涉信號(hào)經(jīng) 空域?yàn)V波器16得到對(duì)應(yīng)于不同深度的頻域干涉信號(hào)，然后通過(guò)相位恢復(fù)算法 17得到經(jīng)色散補(bǔ)償?shù)墓忸l域干涉信號(hào)的的相位，通過(guò)光頻域干涉信號(hào)的重建 18得到對(duì)應(yīng)于各個(gè)深度的經(jīng)色散補(bǔ)償?shù)墓忸l域干涉信號(hào)，最后通過(guò)逆傅立葉 變換器19得到最終的層析圖。通過(guò)移動(dòng)三維平移臺(tái)10實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品的掃描， 得到被測(cè)樣品9的二維或三維層析圖。平臺(tái)的移動(dòng)與光譜儀采集要一致，即 采集的干涉信號(hào)要與掃描的樣品位置相對(duì)應(yīng)。這里通過(guò)電路控制掃描平臺(tái)勻
速運(yùn)動(dòng)，通過(guò)計(jì)算平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)速度和光譜儀的采集速率得到采集的干涉信號(hào) 與樣品位置的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而重建樣品的二維或三維層析圖。
圖2為實(shí)施例樣品圖，該樣品由三層組成，最上層為厚度為25(Him左右 的空氣層，中間層為厚度為1500|im的水，下層為厚度為100(Him的K9玻璃。
在OCT中，相干長(zhǎng)度/c與光源帶寬zU成反比
<formula>formula see original document page 12</formula>
其中M為光源帶寬，^為中心波長(zhǎng)。系統(tǒng)分辨率&=/￡/2。本實(shí)施中，光源帶 寬為100nm，中心波長(zhǎng)為750nm，相干長(zhǎng)度為4.96pm。在水和玻璃中，對(duì)應(yīng) 的相干長(zhǎng)度約為3.4pm。
對(duì)每一個(gè)橫向掃描點(diǎn)，用光譜儀記錄頻域干涉條紋，對(duì)干涉條紋在頻域(w 或"均勻重采樣，得到的干涉條紋可以表示為(l)式。在除去了背景噪聲與樣 品內(nèi)部不同層之間的自相干疊加項(xiàng)之后，得到的光頻域干涉信號(hào)為-<formula>formula see original document page 13</formula> (16)
<formula>formula see original document page 13</formula>式中Zl、 22和23分別是水層前表面、水與玻璃界面和玻璃后表面位置對(duì)
應(yīng)的光程差。
1. 不考慮鏡像問(wèn)題，認(rèn)為ZX)， 、(A)對(duì)iH故傅立葉變換得到?jīng)]有經(jīng)過(guò)色散補(bǔ) 償?shù)臉悠穼游鰣D(圖4):<formula>formula see original document page 13</formula>2. 找到z,、 Z2和Z3處干涉條紋的最大值的對(duì)應(yīng)位置z一、、，和5，，通 過(guò)前面所述方法，求取空間濾器的濾波窗口寬度Az,、 &2和&3。分別以 z,.隨、z^狀和Z3,鵬為中心，用寬度為M、 AZ2和A^的窗口濾波，得到三 個(gè)展寬的條紋
<formula>formula see original document page 13</formula>3. s,^)對(duì)z做傅立葉變換，得到對(duì)應(yīng)于^處的光頻域干涉信號(hào)s，,)<formula>formula see original document page 13</formula>提取該信號(hào)的復(fù)振幅和相位
<formula>formula see original document page 13</formula>
4. 以0t-it。)為自變量，對(duì)^,,)數(shù)值擬合，得到^處的二階和三階色散系數(shù)
AW和AW。)。計(jì)算相位扭曲為
(線)x^^"WWx^^"J " = 1，2，3 (21) 對(duì)相位進(jìn)行色散補(bǔ)償，從^v。j)中減去％,—(A)得到色散補(bǔ)償后的相位
= + ,"(&)><(*",; " = 1,2,3 (22)
5. 通過(guò)復(fù)振幅j一,)和相位^，W恢復(fù)出^處的光頻域干涉信號(hào)
(*)=民("x exp {—/[" (*。 )*。 ) x (" *。)] } " = 1,2,3 (23 )
6. 三處信號(hào)疊加得到經(jīng)色散補(bǔ)償?shù)臉悠返墓忸l域干涉信號(hào)
s， W = i s"Wx + - fc。)]"J (24)
rt=l
7. s"w對(duì)M故逆傅A(chǔ)葉變^并取模，得到鄉(xiāng)圣色^補(bǔ)償?shù)臉悠穼游鰣D(圖5):
s，(z)4物嶺-0 (25) 圖3是一個(gè)橫向點(diǎn)的深度分辨色散補(bǔ)償?shù)牧鞒虉D。
由圖4可以看出，由于空氣沒(méi)有色散，^處條紋寬度接近理論計(jì)算值。而 水與玻璃的界面^以及玻璃的后表面&處由于色散效應(yīng)，條紋有明顯展寬。
由圖5可以看出，進(jìn)行深度分辨的色散補(bǔ)償之后，條紋寬度接近于理論 計(jì)算值，系統(tǒng)分辨率大幅度提高。
在(21)式中，采用A處的色散系數(shù)AXA。)和A^。)補(bǔ)償^和A的條紋，得到
按照統(tǒng)一的色散系數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償?shù)臉悠穼游鰣D(圖6)。由于^處的色散系數(shù)最大，
而z,處沒(méi)有色散，z,處色散系數(shù)較小，所以這種補(bǔ)償方法導(dǎo)致了z,和^處的過(guò)
補(bǔ)償，導(dǎo)致A處條紋展寬，z,處條紋改善效果不佳。
由圖3、圖4和圖5可以看出，在采用超寬光譜光源的基礎(chǔ)上，本發(fā)明采 用了深度分辨色散補(bǔ)償方法，有效地補(bǔ)償了色散的展寬效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了一種高 分辨率光學(xué)相干層析成像方法。
權(quán)利要求
1、一種高分辨率光學(xué)相干層析成像方法，特征在于該方法包括下列步驟①首先利用高分辨率的頻域光學(xué)相干層析成像系統(tǒng)對(duì)樣品的每一個(gè)橫向掃描點(diǎn)，該系統(tǒng)的光電探測(cè)陣列記錄樣品的頻域干涉譜信號(hào)并送入計(jì)算機(jī)；②計(jì)算機(jī)對(duì)光電探測(cè)陣列采集的某一橫向點(diǎn)的干涉譜信號(hào)做逆傅立葉變換得到該點(diǎn)層析圖；③采用空域?yàn)V波器提取該點(diǎn)層析圖某一深度的光頻域干涉信號(hào)的復(fù)振幅和相位；④采用最小二乘法對(duì)所述的相位進(jìn)行擬合，得到樣品在該深度處的二階色散系數(shù)和三階色散系數(shù)，并計(jì)算色散引起的相位扭曲；從所述的相位中減去該扭曲量，得到色散補(bǔ)償后的相位；⑤利用復(fù)振幅和補(bǔ)償后的相位重建出對(duì)應(yīng)于該深度的經(jīng)過(guò)色散補(bǔ)償?shù)墓忸l域干涉信號(hào)；⑥對(duì)不同深度的層析圖重復(fù)執(zhí)行③至⑤步，并將各個(gè)深度處的光頻域干涉信號(hào)疊加，得到該橫向點(diǎn)的經(jīng)過(guò)色散補(bǔ)償?shù)墓忸l域干涉信號(hào)；⑦最后對(duì)該橫向點(diǎn)的經(jīng)過(guò)色散補(bǔ)償?shù)墓忸l域干涉信號(hào)進(jìn)行逆傅立葉變換得到該點(diǎn)重建的層析圖像；⑧重復(fù)步驟②至⑦對(duì)所述的頻域干涉譜的每一橫向點(diǎn)的干涉譜信號(hào)進(jìn)行處理，得到該樣品的二維或三維層析圖。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高分辨率光學(xué)相干層析成像方法，其特征在于 所述的某一橫向點(diǎn)的空域?yàn)V波器的窗口寬度的選取方法是選擇該點(diǎn)的頻域干涉信號(hào)的噪聲平均值與該信號(hào)的兩倍標(biāo)準(zhǔn)差之和作為 閾值；找到該點(diǎn)層析圖中高于閾值的各極大值；以極大值為中心向兩邊擴(kuò)展窗口，直到極大值兩邊強(qiáng)度等于設(shè)定的閾值 的寬度設(shè)為該極大值的窗口寬度。
全文摘要
一種高分辨率光學(xué)相干層析成像方法，采用深度分辨色散補(bǔ)償更精確地補(bǔ)償光路和樣品中的色散，從而消除色散的展寬效應(yīng)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)施色散補(bǔ)償不需要預(yù)先知道樣品的材料和結(jié)構(gòu)信息，既能補(bǔ)償干涉儀兩臂的色散失配，又可以補(bǔ)償樣品內(nèi)部的色散，而且可以針對(duì)樣品內(nèi)部不同的深度采用相應(yīng)的色散系數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償，達(dá)到最佳的補(bǔ)償效果，獲得高分辨率的光學(xué)相干層析圖。
文檔編號(hào)A61B5/00GK101181153SQ20071017209
公開(kāi)日2008年5月21日 申請(qǐng)日期2007年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月12日
發(fā)明者超 丁, 鵬 步, 王向朝 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所