本發(fā)明涉及一種光學(xué)相干層析成像系統(tǒng)，尤其涉及一種光譜信息分段并行采集系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在頻域光學(xué)相干層析技術(shù)(OCT)中，縱向掃描(A-scan)獲得樣品的深度層析圖像，A-scan的干涉光譜信息采集是OCT系統(tǒng)的核心技術(shù)，決定著成像質(zhì)量以及后續(xù)數(shù)據(jù)處理的速度和復(fù)雜程度?？v向掃描的關(guān)鍵參數(shù)包括：縱向分辨率、成像深度、成像速度和數(shù)據(jù)處理復(fù)雜度，與之分別對(duì)應(yīng)的光學(xué)參數(shù)為：光譜采集范圍、光譜采樣率、軸向掃描速率和采樣點(diǎn)均勻性。因此，高速度高質(zhì)量的光譜信息采集是優(yōu)化A-scan成像的關(guān)鍵。
頻域OCT分為基于光譜儀的OCT(Spectrometer Based OCT,SB-OCT)和基于掃頻光源的OCT(Swept Source OCT,SS-OCT)。SB-OCT系統(tǒng)常采用超輻射發(fā)光二極管作為寬帶光源，干涉光譜信息數(shù)據(jù)由光柵和CCD相機(jī)(或CMOS陣列)構(gòu)成的光譜儀進(jìn)行采集。增加CCD像素個(gè)數(shù)N可以提高成像縱向分辨率(即增大光譜采集范圍)并加深成像深度(即提高光譜分辨率)。但是CCD像素對(duì)不同波長(zhǎng)的響應(yīng)度差別大，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)需要算法補(bǔ)償，而且像素?cái)?shù)目的增加將導(dǎo)致采樣時(shí)間增加，軸向掃描速率降低。此外,SB-OCT系統(tǒng)光譜中心為800nm，而對(duì)于吸收峰在1300nm或1550nm附近的組織結(jié)構(gòu)，用于檢測(cè)的紅外CCD的價(jià)格極為昂貴，但是工作在這些波段的光纖器件的商品化程度高且價(jià)格低廉。因此，基于高速掃頻光源的SS-OCT成為熱點(diǎn)。
SS-OCT采用高速掃描光源，使用點(diǎn)光電探測(cè)器采集干涉光譜信息。因此干涉光譜信息采集質(zhì)量主要取決于高速掃頻光源的性能。系統(tǒng)采用的高速掃頻光源主要包括傅里葉域鎖模(FDML)激光器、KTN電光偏轉(zhuǎn)器腔外掃頻光源、色散調(diào)諧掃頻光源、基于MEMS控制的可調(diào)諧FP濾波器掃頻光源等。目前SS-OCT系統(tǒng)普遍存在的問(wèn)題是，光源普遍采用單一波長(zhǎng)掃頻，當(dāng)光譜采集范圍一定時(shí)，軸向掃描速率與光譜采樣率呈反比關(guān)系：低掃描頻率可以采集大量數(shù)據(jù)點(diǎn)，光譜采樣率高，但導(dǎo)致軸向掃描速率降低，因此不能同時(shí)獲得很高的軸向掃描速率和光譜采樣率，即不能同時(shí)獲得很大的成像速度和成像深度。與此同時(shí)，提高掃頻光源掃頻速度雖然可以提高成像速度，但必須使用造價(jià)高昂的高速數(shù)據(jù)采集卡；而電子器件存在響應(yīng)極限，因此也限制了系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)的最高成像速度。此外，因?yàn)槎鄶?shù)掃頻光源的掃頻線性度受器件“機(jī)、電”響應(yīng)的非線性影響，所以無(wú)法實(shí)現(xiàn)等間隔的光譜采集，導(dǎo)致計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉逆變換(FFT-1)時(shí)需要復(fù)雜的算法補(bǔ)償。
綜上所述，目前頻域OCT系統(tǒng)存在的主要共性技術(shù)難題有：
(1)光譜信息采集參數(shù)間的相互制約直接導(dǎo)致成像參數(shù)間的嚴(yán)重制約。增加光譜采集范圍可以提高縱向分辨率，但由于光譜采樣率和軸向掃描速率彼此呈反比關(guān)系，從而導(dǎo)致成像深度和成像速度相互制約，不能同時(shí)得到提高。
(2)光譜信息采集過(guò)程中“光”功能有限，系統(tǒng)過(guò)多依賴器件的“機(jī)、電”的性能和數(shù)據(jù)處理能力。由于光學(xué)器件和方法自身對(duì)光譜信息采集能力存在局限，迫使信息采集過(guò)度依賴于提高器件的“機(jī)、電”性能，使器件工作在機(jī)械和電子的響應(yīng)極限下，系統(tǒng)成本成倍提高，且耗盡了性能優(yōu)化的潛力。此外，光譜信息的非等間隔采樣，迫使計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理時(shí)需要復(fù)雜的算法補(bǔ)償。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
針對(duì)以上難題，本發(fā)明提出一種光學(xué)相干層析系統(tǒng)中光譜信息的分段并行采集方法。主要由N波長(zhǎng)高速并行掃頻光源和干涉光譜的分段并行數(shù)據(jù)采集單元兩部分完成。
為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提出光學(xué)相干層析系統(tǒng)中光譜信息的分段并行采集系統(tǒng)，包括N波長(zhǎng)高速并行掃頻光源、邁克爾遜干涉儀和干涉光譜分段并行數(shù)據(jù)采集單元，所述干涉光譜分段并行數(shù)據(jù)采集單元包括光譜分離模塊、光電轉(zhuǎn)換模塊和模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，所述光譜分離模塊采用陣列波導(dǎo)光柵，所述光電轉(zhuǎn)換模塊采用光電探測(cè)器陣列，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊采用A/D轉(zhuǎn)換器陣列；所述N波長(zhǎng)高速并行掃頻光源輸出等頻率間隔并行掃頻的N個(gè)波長(zhǎng)，經(jīng)過(guò)所述邁克爾遜干涉儀輸出的每一幀干涉光譜信息送入所述陣列波導(dǎo)光柵進(jìn)行分光，經(jīng)過(guò)所述陣列波導(dǎo)光柵輸出的一幀N波長(zhǎng)干涉光譜，送入所述光電探測(cè)器陣列進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，所述光電探測(cè)器陣列輸出的每幀模擬電信號(hào)送入所述A/D轉(zhuǎn)換器陣列轉(zhuǎn)換為數(shù)字電信號(hào)。
利用上述光學(xué)相干層析系統(tǒng)中光譜信息的分段并行采集系統(tǒng)進(jìn)行干涉光譜信息分段并行采集方法，包括以下步驟：
步驟一、將樣品置于邁克爾遜干涉儀的樣品臂上，所述N波長(zhǎng)高速并行掃頻光源輸出等頻率間隔并行掃頻的N波長(zhǎng)光信號(hào)，進(jìn)入到所述邁克爾遜干涉儀，將含有樣品信息的干涉光譜分為N段，以恒定掃頻步長(zhǎng)對(duì)N段干涉光譜進(jìn)行并行采集，每個(gè)掃頻步長(zhǎng)下獲得一幀含樣品信息的N波長(zhǎng)光譜，直至N波長(zhǎng)高速并行掃頻光源完成N波長(zhǎng)頻率間隔內(nèi)的全部掃頻；
步驟二、對(duì)各時(shí)刻采集到的每一幀干涉光譜并行接收，并依次完成N波長(zhǎng)干涉光譜信息的分離、分離后光信號(hào)的光電轉(zhuǎn)換、將光電轉(zhuǎn)換后信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換為電域的數(shù)據(jù)信息后交由計(jì)算機(jī)，從而完成干涉光譜信息分段并行采集。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：
本發(fā)明利用N波長(zhǎng)高速并行掃頻光源，將待采樣的干涉光譜分成N段并行完成采集，解除了軸向掃描速率和光譜采樣率之間的反比關(guān)系，從基本原理和實(shí)現(xiàn)技術(shù)上提高了干涉光譜采集的質(zhì)量和速度，其主要特點(diǎn)包括：“分段并行采集”可實(shí)現(xiàn)光譜信息采集速度成倍提高，在提高采樣光譜范圍的同時(shí)減小光譜信息采集參數(shù)之間的制約，進(jìn)而削弱OCT系統(tǒng)成像因素之間的制約關(guān)系；“高光譜采樣率”，利用光學(xué)手段提高光譜采樣率，使OCT成像深度顯著加深且易于控制，對(duì)器件“機(jī)、電”性能的要求不升反降；“等間隔采樣”，本發(fā)明從原理和實(shí)現(xiàn)技術(shù)上均可保證獲得等頻率間隔的采樣點(diǎn)，使后續(xù)數(shù)據(jù)處理(FFT-1)無(wú)需復(fù)雜的算法補(bǔ)償，顯著降低了數(shù)據(jù)處理的難度。
附圖說(shuō)明
圖1是實(shí)現(xiàn)本發(fā)明干涉光譜信息分段并行采集方法的系統(tǒng)架構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案作進(jìn)一步詳細(xì)描述，所描述的具體實(shí)施例僅對(duì)本發(fā)明進(jìn)行解釋說(shuō)明，并不用以限制本發(fā)明。
如圖1所示，本發(fā)明提出的一種光學(xué)相干層析系統(tǒng)中光譜信息的分段并行采集系統(tǒng)，包括N波長(zhǎng)高速并行掃頻光源、邁克爾遜干涉儀和干涉光譜分段并行數(shù)據(jù)采集單元，所述干涉光譜分段并行數(shù)據(jù)采集單元包括光譜分離模塊、光電轉(zhuǎn)換模塊和模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，所述光譜分離模塊采用陣列波導(dǎo)光柵，所述光電轉(zhuǎn)換模塊采用光電探測(cè)器陣列，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊采用A/D轉(zhuǎn)換器陣列；所述N波長(zhǎng)高速并行掃頻光源輸出等頻率間隔并行掃頻的N個(gè)波長(zhǎng)，經(jīng)過(guò)所述邁克爾遜干涉儀輸出的每一幀干涉光譜信息送入所述陣列波導(dǎo)光柵進(jìn)行分光，經(jīng)過(guò)所述陣列波導(dǎo)光柵輸出的一幀N波長(zhǎng)干涉光譜，送入所述光電探測(cè)器陣列進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，所述光電探測(cè)器陣列輸出的每幀模擬電信號(hào)送入所述A/D轉(zhuǎn)換器陣列轉(zhuǎn)換為數(shù)字電信號(hào)。
利用上述光學(xué)相干層析系統(tǒng)中光譜信息的分段并行采集系統(tǒng)進(jìn)行干涉光譜信息分段并行采集的方法，包括以下步驟：
步驟一、將樣品置于邁克爾遜干涉儀的樣品臂上，所述N波長(zhǎng)高速并行掃頻光源輸出等頻率間隔并行掃頻的N波長(zhǎng)光信號(hào)，進(jìn)入到所述邁克爾遜干涉儀，將含有樣品信息的干涉光譜分為N段，以恒定掃頻步長(zhǎng)對(duì)N段干涉光譜進(jìn)行并行采集，每個(gè)掃頻步長(zhǎng)下獲得一幀含樣品信息的N波長(zhǎng)光譜，直至N波長(zhǎng)高速并行掃頻光源完成N波長(zhǎng)頻率間隔內(nèi)的全部掃頻，從而獲得含樣品信息的干涉光譜；
步驟二、對(duì)各時(shí)刻采集到的每一幀干涉光譜并行接收，并依次完成N波長(zhǎng)干涉光譜信息的分離、分離后光信號(hào)的光電轉(zhuǎn)換、將光電轉(zhuǎn)換后信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換為電域的數(shù)據(jù)信息后交由計(jì)算機(jī)，從而完成干涉光譜信息分段并行采集。
本發(fā)明干涉光譜信息分段并行采集方法的實(shí)現(xiàn)主要由N波長(zhǎng)高速并行掃頻光源和干涉光譜的分段并行數(shù)據(jù)采集單元兩部分完成。其中，N波長(zhǎng)高速并行掃頻光源輸出等頻率間隔并行掃頻的N個(gè)波長(zhǎng)，將干涉光譜分為N段，以恒定掃頻步長(zhǎng)對(duì)干涉光譜進(jìn)行并行采集；干涉光譜分段并行數(shù)據(jù)采集單元對(duì)各時(shí)刻采集到的干涉光譜信息并行接收，并轉(zhuǎn)換為電域的數(shù)據(jù)信息，再交由計(jì)算機(jī)進(jìn)行后續(xù)數(shù)據(jù)處理和圖像重建。
所述的N波長(zhǎng)高速并行掃頻光源輸出等頻率間隔并行掃頻的N波長(zhǎng)光信號(hào)，以恒定步長(zhǎng)并行掃頻，進(jìn)入到邁克爾遜干涉儀，獲得含樣品信息的干涉光譜。并行掃頻光源中N個(gè)波長(zhǎng)覆蓋的總光譜范圍即為光譜采集范圍；光源的掃頻步長(zhǎng)就是干涉光譜的采樣間隔，掃頻步長(zhǎng)越小，光譜采樣率越高；恒定的掃頻步長(zhǎng)保證了嚴(yán)格等頻率間隔的光譜采樣，這將使后面的數(shù)據(jù)處理(FTT-1)變得輕松簡(jiǎn)單；并行掃頻速率即為軸向掃描速率，相比單一波長(zhǎng)采樣速率提高N倍。
所述干涉光譜分段并行數(shù)據(jù)采集單元由光譜分離模塊、光電轉(zhuǎn)換模塊和模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊組成，依次完成N波長(zhǎng)干涉光譜信息的分離、分離后光信號(hào)的光電轉(zhuǎn)換，以及光電轉(zhuǎn)換后信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換。由于數(shù)據(jù)是由N路器件并行采集實(shí)現(xiàn)的，對(duì)單獨(dú)每路器件的響應(yīng)速度要求顯著下降。
實(shí)施例：
如圖1所示，N波長(zhǎng)并行掃頻光源輸出等頻率間隔(頻率間隔為△λ)的N波長(zhǎng)以步長(zhǎng)λm并行掃頻，N波長(zhǎng)并行掃頻光信號(hào)進(jìn)入到邁克爾遜干涉儀對(duì)樣品進(jìn)行縱向掃描，N波長(zhǎng)中每一個(gè)光載波都會(huì)經(jīng)邁克爾遜干涉儀形成其對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)處的干涉光譜。N路信號(hào)每并行掃頻一個(gè)步長(zhǎng)，各路信號(hào)對(duì)應(yīng)的干涉光譜就共同構(gòu)成一幀干涉光譜信息。當(dāng)N個(gè)波長(zhǎng)經(jīng)過(guò)M(M＝N波長(zhǎng)頻率間隔△λ/掃頻步長(zhǎng)λm)次并行掃頻后，每路波長(zhǎng)的掃頻總步長(zhǎng)都等于頻率間隔△λ，N波長(zhǎng)總共掃描過(guò)的范圍等于N△λ,至此，N波長(zhǎng)光信號(hào)就完成了對(duì)干涉光譜信息的一次完整掃頻過(guò)程，共采集到M幀干涉光譜。這個(gè)過(guò)程相當(dāng)于將待采樣的干涉光譜分成N段并行采集，輸出的M幀干涉光譜交由干涉光譜分段并行數(shù)據(jù)采集單元處理。
干涉光譜分段并行數(shù)據(jù)采集單元由光譜分離、光電轉(zhuǎn)換和模數(shù)轉(zhuǎn)換三部分組成。邁克爾遜干涉儀輸出的每一幀干涉光譜信息送入陣列波導(dǎo)光柵(AWG)進(jìn)行分光，使得N波長(zhǎng)掃頻光源每并行掃頻一個(gè)步長(zhǎng)λm，AWG輸出端就得到一幀N波長(zhǎng)干涉光譜，送入光電探測(cè)器陣列(PIN)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換。探測(cè)器陣列輸出的每幀模擬電信號(hào)送入A/D轉(zhuǎn)換器陣列轉(zhuǎn)換為數(shù)字電信號(hào)。當(dāng)掃頻光源經(jīng)M次掃頻完成對(duì)整個(gè)光譜范圍內(nèi)的掃描后，共得到M幀數(shù)字電信號(hào)，這M幀數(shù)字電信號(hào)交由計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和圖像建立。
所述N波長(zhǎng)并行掃頻光源提供以恒定步長(zhǎng)λm掃頻的等頻率間隔N波長(zhǎng)，是本發(fā)明中的掃頻光源。所述AWG將邁克爾遜干涉儀收集到的每幀干涉光譜分為對(duì)應(yīng)于N波長(zhǎng)的N個(gè)信道，利于探測(cè)器陣列多信道并行處理。所述PIN將所述AWG輸出的N信道光信號(hào)并行轉(zhuǎn)換為N路模擬電信號(hào)。所述A/D轉(zhuǎn)換器陣列將PIN輸出的N路模擬電信號(hào)并行轉(zhuǎn)換為N路數(shù)字電信號(hào)，送入計(jì)算機(jī)處理。
在頻域OCT系統(tǒng)中，并行掃頻N波長(zhǎng)進(jìn)入到邁克爾遜干涉儀對(duì)樣品進(jìn)行縱向掃描，得到的干涉光譜信息經(jīng)AWG分成N信道光信號(hào)，再經(jīng)PIN陣列轉(zhuǎn)換為模擬電信號(hào)，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)為數(shù)字電信號(hào)交由計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和圖像重建，實(shí)現(xiàn)了對(duì)樣品干涉光譜信息的高采樣率、高掃描速度和等間隔采樣。
盡管上面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的具體實(shí)施方式，上述的具體實(shí)施方式僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨的情況下，還可以做出很多變形，這些均屬于本發(fā)明的保護(hù)之內(nèi)。