基于色散调制的无镜像光学频域成像系统及方法 【技术领域】
本发明涉及光学相干层析成像(OCT)技术，尤其涉及一种基于色散调制的无镜像光学频域成像系统及方法。
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。
光学频域成像系统是光学相干层析成像系统的一种型式，通过采用高速扫频激光光源和点探测器采集样品轴向干涉光谱信号，参考臂由固定的平面镜构成，不需要进行轴向扫描，通过对轴向干涉光谱信号进行傅立叶逆变换即可获得样品的轴向深度信息，具有高速和高灵敏度的特点。但是光学频域成像也存在其固有缺点，在采集携带样品深度信息的干涉信号的同时，也采集到样品各层之间的互干涉信号、样品各层本身的自相干干涉信号、参考光本身的自相干干涉信号等相干噪声。并且由于采集到的是干涉光谱信号的实部，而不是复数干涉光谱信号，对此干涉光谱信号的实部进行傅立叶逆变换得到的结果是厄米共轭的，导致了在图像中产生了叠加在样品实数像上关于零光程位置完全对称的复共轭像。
为了分辨样品的实数像，通常通过调节参考臂光程把零光程点移到样品表面之外，这样可以使实数像和复共轭像在图像上不重叠，但由于零光程附近的条纹可见度最高，即图像灵敏度最高，采用移开零光程的办法导致高灵敏度的图像区域无法得到利用，并且由于零光程位于样品之外，导致了OFDI系统的成像深度仅仅利用了一半。消除傅立叶域OCT的复共轭像，可以更好的利用零光程附近的高灵敏度区域，并且使成像深度拓展一倍，国外很多科研机构都开展了这方面的研究。M.Wojtkowski等人提出利用压电陶瓷驱动器移动参考臂的反射镜的方法，加州大学Irving分校的Zhongping Chen小组提出采用电光相位调制器的方法，杜克大学Izatt小组提出采用3×3光纤耦合器的方法，通过在相邻的轴向干涉光谱信号间引入固定的附加相位，采用复数干涉光谱恢复算法重建出干涉光谱信号的复数形式，再进行傅立叶逆变换，从而消除复共轭像。美国哈佛大学医学院G.J.Tearney小组提出采用声光相位调制器对干涉光谱信号进行载频的方法和偏振编码的方法去除复共轭像。Hofer等人提出采用色散材料提供色散并且用复杂的迭代算法消除复共轭像的方法，S.Witte等人对也采用色散材料进行色散编码并提出简化的消除尖峰算法去除复共轭像。
上述这些方法，都存在其固有缺点，如利用压电陶瓷驱动器进行多步移相方法需要对同一个位置进行多次测量，降低了成像速度，且对相位的稳定性要求高，容易受到各种环境扰动对相位的影响；利用电光相位调制器和声光相位调制器的方法需要引入比较复杂且昂贵的仪器设备，且对系统数据采集速度提出了苛刻的要求；利用3×3光纤耦合器的方法容易受到温度对耦合系数的影响而造成恢复复数干涉光谱的不准确，影响整体的复共轭抑制率；现有提出的利用色散去除复共轭像的方法需要依赖复杂的迭代算法，对算法的简化也降低了复共轭抑制率。因此有必要研究易于实现、且复共轭抑制率高的消镜像方法。
【发明内容】
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于色散调制的无镜像光学频域成像系统及方法。在光学频域成像系统的参考臂设置透射式光学扫描延迟线，实现色散调制的同时维持参考臂地光程不变，确保在不同色散状态下样品轴向位置的同一性。通过快速改变透射式光学扫描延迟线中振镜的旋转角，得到两种色散状态下同一样品的两组干涉光谱信号。通过乘以相应的色散补偿因子使对应虚部的色散得到补偿，将色散补偿后的两组干涉光谱相减后再次实施色散补偿，然后进行傅立叶逆变换，便可得到样品的实反射信号，用于样品图像的无镜像重建，使系统成像深度扩展一倍。
本发明的目的是通过如下技术方案实现的：
一种基于色散调制的无镜像光学频域成像系统，它包括：扫频光源、第一宽带光纤耦合器、第二宽带光纤耦合器、样品臂光环行器、参考臂光环行器、样品臂偏振控制器、样品臂准直镜、参考臂偏振控制器、参考臂准直镜、参考臂聚焦透镜、参考臂平面镜、样品臂扫描振镜、样品臂聚焦透镜、第三宽带光纤耦合器、透射式光学扫描延迟线、平衡探测器、马赫曾德尔干涉仪、数据采集卡、计算机。其中，扫频光源和第一宽带光纤耦合器相连；第一宽带光纤耦合器分别连接第二宽带光纤耦合器和马赫曾德尔干涉仪；第二宽带光纤耦合器分别连接样品臂光环行器和参考臂光环行器；样品臂光环行器与样品臂偏振控制器、样品臂准直镜依次相连；样品臂扫描振镜与样品臂准直镜出射的平行光束呈度放置，折转光束通过样品臂聚焦透镜照射在样品上；参考臂光环行器与参考臂偏振控制器、参考臂准直镜、参考臂聚焦透镜、参考臂平面镜依次相连；参考臂光环行器的输出端口又与透射式光学扫描延迟线连接，透射式光学扫描延迟线和样品臂光环行器的输出端口分别与第三宽带光纤耦合器相连，第三宽带光纤耦合器的两个输出端口与平衡探测器的两个输入端口相连；平衡探测器、马赫曾德尔干涉仪的输出端口分别与数据采集卡相连，数据采集卡与计算机相连。
一种应用上述基于色散调制的无镜像光学频域成像系统的成像方法，包括以下步骤：
(1)在光学频域成像系统的参考臂中设置透射式光学扫描延迟线，用以提供色散；
(2)调节透射式光学扫描延迟线，产生随振镜15旋转角改变的色散，并且维持参考臂光程不变；
(3)采集两种色散状态下干涉光谱信号，用色散补偿以及相减的算法消除镜像，获得全范围无镜像的样品图像。
与背景技术相比，本发明具有如下技术效果：
1、快速镜像消除算法。在透射式光学扫描延迟线中，通过改变振镜的旋转角，实现对色散的快速调制，由此得到两种色散状态下同一样品的两组干涉光谱信号。通过对此两组干涉光谱信号色散补偿，减除共同的复反射信号的虚部，然后对对应实部的干涉光谱信号的剩余色散进行第二次色散补偿，可以获得复数干涉光谱信号，最后对此复数干涉光谱信号进行傅立叶逆变换，即得到全范围无镜像的光学相干层析图像。
2、能够保证参考臂光程不变的条件下实现色散的快速调制。通过调节透射式光学扫描延迟线中振镜转轴与傅立叶变换透镜光轴之间的横向偏移量y0，可实现在透射式扫描延迟线中的振镜旋转角改变时保持参考臂光程不变；调节光栅法线与光轴之间的夹角θg，可通过改变透射式光学扫描延迟线中振镜的旋转角，实现色散的快速调制，维持参考臂的光程不变，确保在不同色散状态下样品轴向位置的同一性。通过引入透射式光学扫描延迟线同时实现零群延迟和色散调制，易于实现，并且保证了光学频域成像系统的紧凑性和可靠性。
【附图说明】
图1是本发明所述的基于色散调制的无镜像光学频域成像方法的具体实施例的系统示意图；
图2是本发明所述的基于色散调制的无镜像光学频域成像系统中的透射式光学扫描延迟线的结构示意图；
图3是本发明所述的基于色散调制的无镜像光学频域成像系统的时序控制图；
图4是本发明所述的基于色散调制的无镜像光学频域成像系统的算法流程图；
图中：1、扫频光源，2、宽带光纤耦合器，3、光环行器，4、偏振控制器，5、样品臂准直镜，6、样品臂扫描振镜，7、聚焦透镜，8、样品，9、参考臂准直镜，10、聚焦透镜，11、平面反射镜，12、准直镜，13、闪耀光栅，14、傅立叶变换透镜，15、振镜，16、直角棱镜，17、接收反射镜，18、接收准直镜，19、平衡探测器，20、马赫曾德尔干涉仪，21、数据采集卡，22、计算机，23、透射式光学扫描延迟线。
【具体实施方式】
本发明基于色散调制的无镜像光学频域成像方法，在光学频域成像系统的参考臂设置透射式光学扫描延迟线，实现色散调制的同时维持参考臂的光程不变，确保在不同色散状态下样品轴向位置的同一性。通过快速改变透射式光学扫描延迟线中振镜的旋转角，得到两种色散状态下同一样品的两组干涉光谱信号。通过乘以相应的色散补偿因子使对应虚部的色散得到补偿，将色散补偿后的两组干涉光谱相减后再次实施色散补偿，然后进行傅立叶逆变换，便可得到样品的实反射信号，以用于样品图像的无镜像重建，使系统成像深度扩展一倍。其具体步骤如下：
1、通过同步时序电路控制参考臂中的透射式光学扫描延迟线中的振镜，样品臂的扫描探头以及数据采集卡的采集同步，来采集确定时序的干涉光谱信号。
2、通过调节透射式光学扫描延迟线中光栅法线和光轴的夹角，产生可随振镜旋转角度改变的色散，通过调节振镜转轴和光轴的横向偏移量，保证在振镜旋转角度改变时参考臂的光程不变，确保在不同色散状态下样品轴向位置的同一性。
3、在透射式光学扫描延迟线中振镜扫描的一个周期内，通过同步时序电路控制数据采集卡采集两组对应不同振镜旋转角度的干涉光谱信号，由此得到两种色散状态下同一样品的两组干涉光谱信号，通过实施对色散补偿后的干涉光谱相减并再次进行色散补偿的算法，重建出干涉光谱信号的复数表达式，最后通过傅立叶逆变换，可以重建出无镜像的全范围光学相干层析图像。
本发明基于色散调制的无镜像光学频域成像系统，包括扫频光源、宽带光纤耦合器、光环行器、偏振控制器，由准直镜、扫描振镜、双胶合消色差透镜、被测样品构成的样品臂，由准直镜、双胶合消色差透镜、平面反射镜、透射式光学扫描延迟线构成的参考臂，由马赫曾德尔干涉仪构成的标定光路，平衡探测器、数据采集卡、计算机。从扫频光源出来的低相干光，经宽带光纤耦合器分别进入标定光路和主干涉仪光路，进入标定光路的光经过马赫曾德尔干涉仪产生一路标定信号，进入主干涉仪光路的光经宽带光纤耦合器分光后分别进入参考臂和样品臂，两臂的相干光在宽带光纤耦合器处干涉后形成干涉信号经平衡探测器探测，干涉信号和标定信号经数据采集卡采集，最后在计算机进行处理，产生复数形式的干涉信号，通过傅立叶逆变换重建图像。
透射式光学扫描延迟线由准直镜、闪耀光栅、傅立叶变换透镜、振镜、直角棱镜、接收反射镜、接收准直镜组成，其中闪耀光栅的法线与傅立叶变换透镜的光轴存在一个可调节的夹角θg，闪耀光栅位于傅立叶变换透镜的前焦面上，振镜位于傅立叶变换透镜的后焦面上，振镜的转轴与光轴的间距为一可调节的偏移量y0。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，本发明的目的和效果将变得更加明显。
图1所示为基于色散调制的无镜像光学频域成像系统的一个具体实施例的结构图，包括扫频光源1、第一宽带光纤耦合器2、第二宽带光纤耦合器3、样品臂光环行器4、参考臂光环行器5、样品臂偏振控制器6、样品臂准直镜7、参考臂偏振控制器8、参考臂准直镜9、参考臂聚焦透镜10、参考臂平面镜11、样品臂扫描振镜19、样品臂聚焦透镜20、样品21、第三宽带光纤耦合器22、透射式光学扫描延迟线23、平衡探测器24、马赫曾德尔干涉仪25、数据采集卡26、计算机27。
其中，扫频光源1和第一宽带光纤耦合器2相连；第一宽带光纤耦合器2分别连接第二宽带光纤耦合器3和马赫曾德尔干涉仪25；第二宽带光纤耦合器3分别连接样品臂光环行器4和参考臂光环行器5；样品臂光环行器4与样品臂偏振控制器6、样品臂准直镜7依次相连；样品臂扫描振镜19与样品臂准直镜7出射的平行光束呈45度放置，折转光束通过样品臂聚焦透镜20照射在样品21上；参考臂光环行器5与参考臂偏振控制器8、参考臂准直镜9、参考臂聚焦透镜10、参考臂平面镜11依次相连；参考臂光环行器5的输出端口又与透射式光学扫描延迟线23连接，透射式光学扫描延迟线23和样品臂光环行器4的输出端口分别与第三宽带光纤耦合器22相连，第三宽带光纤耦合器22的两个输出端口与平衡探测器24的两个输入端口相连；平衡探测器24、马赫曾德尔干涉仪25的输出端口分别与数据采集卡26相连，数据采集卡26与计算机27相连。
如图1所示，从扫频光源1发出的低相干光，经第一宽带光纤耦合器2分别进入标定光路和主干涉仪光路，进入标定光路的光经过马赫曾德尔干涉仪25产生一路标定信号，进入主干涉仪光路的光经第二宽带光纤耦合器3分光后分别进入参考臂和样品臂，参考臂中的光经过准直镜12准直后进入透射式光学扫描延迟线23，传至第三宽带光纤耦合器22与样品臂返回的样品光汇合后干涉，进入平衡探测器24，形成的OCT干涉光谱信号与马赫曾德尔干涉仪25产生的标定信号同时被数据采集卡26采集，最后这些干涉光谱信号传入计算机27中进行数据处理和图像重建。
本发明的基于色散调制的无镜像光学频域成像方法，包括以下步骤：
1、在光学频域成像系统的参考臂中设置透射式光学扫描延迟线，用以提供色散。
图1中样品臂中的光所走的光程为一常量，如下公式推导中用Lsam表示，参考臂中的光所走的光程可分为两部分：除透射式光学扫描延迟线23以外的光程用Lref表示，透射式光学扫描延迟线23中的光程用Lrsod表示，则干涉光谱信号的相位差可表示为：
Φ＝kLsam-kLref-kLrsod (1)
其中k是光波数且k＝2π/λ，。光通过透射式光学扫描延迟线23，其相位改变量可表示为：
k·Lrsod＝φR+k·l (2)
其中，l是透射式光学扫描延迟线23中的振镜旋转角γ和光栅离焦量(L-f)都为零时的光程。φR透射式光学扫描延迟线23中的振镜旋转角γ和光栅离焦量(L-f)不为零的状态下附加的相位，则此附加相位φR表示式为：
φR(ω)=4y0ωγc+4Lωγsinαccosα+4Lωcosαc+4fωccosα+8πm(L-f)sinαpcosβ-8fωc---(3)]]>
其中ω是光频率且ω＝k·c，y0是振镜15转轴距离光轴的横向偏移量，γ是振镜15的旋转角，L是闪耀光栅13与傅立叶变换透镜14之间的距离，f是傅立叶变换透镜14的焦距，β由p sinβ＝m(λ-λ0)决定，p是光栅常数，m是衍射级次，λ0是中心波长，α由α＝β+θg决定，θg为闪耀光栅13的法线与光轴之间所成的夹角。把φR(ω)泰勒展开为：
φR(ω)=φR(ω0)+φR′(ω0)·(ω-ω0)+12!φR′′(ω0)·(ω-ω0)2+···---(4)]]>
其中，φR(ω0)即为相延迟，φR′(ω0)即为群延迟，φR″(ω0)即为群速度色散。其表达式分别为：
φR(ω0)=4ω0y0γc+4ω0(L-f)c---(5)]]>
φR′(ω0)=4y0γc-8πmLγpω0cosθg+4(L-f)c---(6)]]>
φR′′(ω0)=16π2m2csinθgLγp2ω03cos3θg+16π2m2c(L-f)p2ω03cos2θg---(7)]]>
只考虑到φR(ω)泰勒展开的二阶项，把(2)、(4)式代入(1)式可得干涉光谱相位差表达式为：
Φ=ωc·[Lsam-Lref-l-φR′(ω0)·c]-[φR(ω0)-φR′(ω0)·ω0+12φR′′(ω0)·(ω-ω0)2]---(8)]]>
2、调节透射式光学扫描延迟线，产生随振镜15旋转角改变的色散，并且维持参考臂光程不变。
调节振镜15转轴和光轴间的横向偏移量为如下表达式：
y0=mλ0LP·cosθg---(9)]]>则群延迟φR′(ω0)不随振镜15的旋转角γ改变而改变。又因为当透射式光学扫描延迟线23中的振镜15的旋转角γ和闪耀光栅13的离焦量(L-f)都为零时的光程l为常量，且参考臂中除透射式光学扫描延迟线23以外的光程Lref为常量，所以(8)式中的第一项只与样品深度z有关，设为：
z＝Lsam-Lref-l-φR′(ω0)·c (10)
(8)式中的第二项的群速度色散φR″(ω0)随扫描振镜15的旋转角γ改变而改变，即形成由透射式光学扫描延迟线23引起的色散产生的定量可变的相位φd，其表达式为：
φd=-[φR(ω0)-φR′(ω0)·ω0+12φR′′(ω0)·(ω-ω0)2]---(11)]]>
样品臂返回的样品光与参考臂返回的参考光进行干涉后形成的OCT干涉信号，被数据采集卡21采集到的干涉光谱信号表达式为：
3、采集两种色散状态下干涉光谱信号，用色散补偿以及相减的算法消除镜像，获得全范围无镜像的样品图像。
通过同步时序信号控制透射式光学扫描延迟线23中的振镜15，对应于振镜15不同旋转角，透射式光学扫描延迟线23分别提供两种不同的色散，计算机21分别产生两个采集触发信号触发数据采集卡20进行数据采集，采集到的两个干涉光谱信号为：
由于色散相位可以通过在样品臂放置平面镜通过相位解包裹算法求得，样品各层的自相干由于强度很小可以忽略，参考臂强度|Er|2可以通过平衡探测器去除直流项。对干涉光谱信号乘以色散补偿因子可以得到补偿色散的干涉光谱信号Ic(ω)：
对色散补偿得到的(6)式和(7)式作减法处理，可得到消除了对应复反射信号虚部的干涉光谱信号：
对(8)式除以两次色散补偿因子平方的差可以得到复数形式的干涉光谱信号为：
最后将所得到的复数干涉光谱信号进行傅立叶变换就可以得到消除了镜像的一个轴向扫描深度信息，可实现对零光程处高灵敏度区域的更好利用并且使探测深度扩大了一倍。
图2所示为透射式光学扫描延迟线的示意图。其中闪耀光栅13的法线和傅立叶变换透镜14的光轴形成一个θg夹角，参考臂的光经过准直镜12准直后进入透射式光学扫描延迟线，准直光束经由反射型闪耀光栅13分光，分光后的各个光谱分量通过傅立叶变换透镜14聚焦在振镜15上，经过振镜15反射后，通过傅立叶变换透镜14返回到闪耀光栅13，并被闪耀光栅13再次衍射后汇合成一束准直光投射到直角棱镜16上，经过直角棱镜16的光在与光学平台所在平面垂直的方向错开后，沿原方向返回到闪耀光栅13，再经过傅立叶变换透镜14和振镜15，被振镜15反射后再次经过傅立叶变换透镜14和闪耀光栅13，经闪耀光栅13四次衍射后重新汇合成出射光，最后被接收反射镜17反射的出射光束进入接收准直镜18。
图3所示为基于色散调制的无镜像光学频域成像系统的时序控制图。计算机27产生同步时序信号来控制透射式光学扫描延迟线23中的振镜15和样品臂中的扫描振镜19。计算机27产生一路三角波信号驱动样品臂中的扫描振镜19，计算机27产生一路方波信号驱动透射式光学扫描延迟线23中的振镜15。透射式光学扫描延迟线中23的振镜15的方波驱动信号中的低电平和高电平分别对应两种不同的色散状态。利用计算机27产生同步时序，在样品臂中的扫描振镜19的三角波驱动信号的上升段对应着透射式光学扫描延迟线中23的振镜15的方波驱动信号中的低电平段，在样品臂中的扫描振镜19的三角波驱动信号的下降段对应着透射式光学扫描延迟线中23的振镜15的方波驱动信号中的高电平段。计算机27产生一路采集触发信号，用于触发数据采集卡26进行数据采集，采集到两种色散状态下对应于同一样品的两组干涉光谱信号，最后传入计算机27中进行数据处理。
图4所示为基于色散调制的无镜像光学频域成像系统的算法流程图。对采集到的干涉光谱信号1和干涉光谱信号2分别乘以对应的色散补偿因子，使对应傅立叶变换后的虚部色散精确补偿，得到色散补偿后的干涉光谱信号1和色散补偿后的干涉光谱信号2，将上述色散补偿后的两组干涉光谱信号相减，则相应复反射信号的虚部消失，而实部仍包含有色散因子。对相减后的干涉光谱信号再次实施色散补偿，即得到复数干涉光谱信号，最后进行傅立叶变换便可得到样品的实反射信号，可用于重建无镜像的全范围光学相干层析图像。