一種基於級聯馬赫曾德幹涉儀的光譜相位校準系統及方法
2023-10-08 12:19:09 2
專利名稱：一種基於級聯馬赫曾德幹涉儀的光譜相位校準系統及方法
技術領域：
本發明涉及光學相干層析成像(OCT)技術和相位敏感的掃頻光學相干層析技術，尤其涉及一種基於級聯馬赫曾德幹涉儀的光譜相位校準系統及方法。
背景技術：
光學相干層析(Optical Coherence Tomography,簡稱OCT)成像技術是一種新型的光學成像技術，能夠對被測活體樣品內部的組織結構與生理功能進行非侵入、非接觸、高解析度在體成像，在疾病的早期診斷和在體活檢領域有著廣泛應用前景。相位敏感的OCT技術能夠同時測量後向散射光的幅度和相位，通過測量組織對外部刺激產生的nm級位移，相對傳統的OCT技術能夠提供相位相關的功能對比信息，在定量相位顯微、光熱0CT、都卜勒0CT、磁調製OCT等方面應用廣泛。相位敏感的OCT技術根據探測方式的不同可分為相位敏感的時域OCT技術和相位敏感的頻域OCT技術。相位敏感的時域OCT系統的採樣率較低(50-250A-scans/s)並且位移探測靈敏度有限(DS=17000pm);相位敏感的頻域OCT在位移探測靈敏度(DS=5000pm)和採樣率(10k A-scans/s)上都大為提高，相位敏感的頻域OCT技術包括基於光譜儀探測的譜域OCT和基於掃頻光源的掃頻0CT。相位敏感的譜域OCT採用線陣探測，很難採用平衡探測方式，相比點探測其動態範圍和信噪比受到限制，此外長波響應的CCD技術受限，探測長波的InGaAs CCD靈敏度不高且價格昂貴，目前相位敏感的譜域OCT主要應用在800nm波段範圍；相位敏感的掃頻OCT由於瞬時線寬掃頻光源和點探測方式的聯合可以避免這些問題，並且由於長波相比短波的光在生物組織中散射和吸收較少，有更好的穿透深度，在1060nm和1310nm波段有很大的優勢。但是掃頻幹涉光譜在k空間採樣的非線性嚴重影響了成像的解析度和信噪比，此外掃頻光源光譜掃描的穩定性對位相探測的靈敏度和穩定性帶來極大挑戰。使掃頻OCT的 幹涉光譜信號採樣點平均分布于波數空間的方法，即幹涉光譜k空間均勻採樣的實時標定方法，國內外的研究機構已經提出了很多有效的解決方案，如基於MZI的實時均勻頻率時鐘方法，基於MZI的幹涉光譜相位標定方法等，這裡不再贅述。本發明專利重點關注掃頻光源光譜相位的校準問題。在掃頻OCT系統中，掃頻光源的光譜不穩定表現在相鄰A-scan的波數跳變，波數跳變來自兩個方面，一個是每個A-scan的觸發並不是與某一個固定的波數相關，另一個是採樣時鐘和觸發信號間時間延遲的非確定性；這兩種波數跳變引起的相位跳變均與深度成線性關係，前者引起的相位跳變在最大成像深度處可能超過2 π，而後者引起的相位跳變在最大成像深度處不會超過η。為了提高相位敏感的掃頻OCT技術的相位探測靈敏度，國外很多研究機構提出很多解決方案。美國麻省理工大學的J.G.Fujimoto研究小組採用緩衝傅立葉域鎖模(bufferedFourier domain mode-locked, FDML)掃頻雷射光源來提高光源的光譜穩定性從而保證系統的相位探測靈敏度，但是FDML雷射腔內數千米長光纖環的偏振模色散和光程浮動對位相測量的穩定性產生極大挑戰。基於光學的方法產生採樣時鐘可以提高掃頻光源和數據採集卡間的同步，降低時間延遲引起的相位跳變，Duck大學的J.A.1zatt小組將光源輸出的小部分光送入一個周期性光濾波器，產生光時鐘信號並將其轉化成合適的TTL採樣時鐘信號，由於掃頻雷射在k空間並不是線性掃描的，從而產生的採樣時鐘容易發生頻率啁啾，在一個掃頻周期的結束和下個掃頻周期開始間採樣時鐘頻率任意變化，所以在光產生時鐘和高速數據採集卡間存在兼容問題，需要在外置的採樣時鐘輸入上插入鎖相環電路。哈佛醫學院的B.J.Vokoc等人通過一個光程差接近最大成像深度的額外校準鏡產生校準幹涉信號，並測量校準幹涉信號相鄰A-scan間的相位變化，從測得的樣品信號的相位差中按深度比例減去測得的校準信號的相位差得到校正好的實際相位差，但是當起始波數變化較大，引起最大成像深度處的相位跳變超過2 π時，該方法產生的光譜相位校準可能產生錯誤，因而一般僅用來校準採樣時鐘和觸發信號間時間延遲的不確定性引起的相位噪聲。Houston大學的R. K.Manapuram等人利用窄帶光纖布拉格光柵(fiberBragggrating, FBG,中心波長1315nm,帶寬0.1nm)產生可調諧的TTL信號來動態觸發數字採集卡，從而在光源和數據採集間引入完美同步，減少了採樣時間延遲引起的相位跳變噪聲。該方法的準確性取決於FBG工作波長的穩定性，並且無法確定起始波數變化引起的相位跳變是否超過2 π。Texas大學健康科學中心的R.V.Kuranov等人提出氣體室參考的相位敏感掃頻OCT方法，其系統採用了四個幹涉儀，包括共路的主信號幹涉儀、基於MZI的實時時鐘幹涉儀、基於氣體室的光譜觸發乾涉儀和校準波數跳變的共路參考幹涉儀。該方法硬體結構複雜，對數據採集卡要求高，不同數據採集卡間數據採集的同步誤差可能引起相位噪聲，並且校準幹涉信號不能排除相位跳變的2π混淆問題。Colorado大學的E.D.Moore等人提出自參考的掃頻相位靈敏幹涉儀來測量絕對距離，通過對幹涉儀採樣間距的準確校準來實現絕對距離測量，其利用附加幹涉儀來監測掃頻光源的瞬時頻率從而實時校準採樣間距,但是附加幹涉儀的頻率監測精度需要通過高光譜精度(0.1pm量級)的波長參考裝置來校準。上述這些方法都存在固有的缺點，需要引入較複雜的器件，並且不能解決光譜相位跳變的2 π混淆問題，因此，有必要研究易於實現，相位跳變校準精度高和準確性好的大範圍光譜相位校準方法。
發明內容
本發明的目的在於提供一種基於級聯馬赫曾德幹涉儀的光譜相位校準系統及方法。在相位敏感的掃頻光學相干層析成像系統的校準臂中設置級聯馬赫曾德幹涉儀，通過計算級聯馬赫曾德幹涉儀提供的兩個不同固定光程差參考幹涉信號的各自相鄰A-scan的相位差，對OCT幹涉信號進行光譜相位校準。本發明的目的是通過如下技術方案實現的:一種基於級聯馬赫曾德幹涉儀的光譜相位校準系統，包括掃頻光源、寬帶光纖耦合器、光譜相位校準臂、OCT主幹涉儀、OCT幹涉光譜信號探測裝置、數據採集卡、計算機。掃頻光源發出的低相干光經第一寬帶光纖耦合器分光後分別進入光譜相位校準臂和OCT主幹涉儀，所述OCT主幹涉儀的樣品臂和參考臂共路；所述共路的樣品臂和參考臂包括寬帶光纖環行器、準直鏡、掃描振鏡、聚焦透鏡、分光板或者一面鍍增透膜的薄蓋波片以及樣品，第二寬帶光纖耦合器第一輸出端與寬帶光纖環行器的第一端相連，寬帶光纖環行器的第二端輸出的光經準直鏡、掃描振鏡和聚焦透鏡後，投射在樣品上，分光板或蓋波片參考平面反射的光和樣品後向散射的光匯合後幹涉；所述的OCT幹涉光譜信號探測裝置為平衡探測器，參考平面反射的光和樣品後向散射光匯合後形成OCT幹涉光譜信號，通過寬帶光纖環行器的第三端進入第三寬帶光纖耦合器的一個輸入端，第三的寬帶光纖耦合器的另一輸入端和第二寬帶光纖耦合器的第二輸出端相連，第三寬帶耦合器的兩路輸出端分別與平衡探測器的兩路輸入端相連，平衡探測器探測的信號經數據採集卡和計算機進行數據採集和數據處理。所述的光譜相位校準臂為級聯馬赫曾德幹涉儀，由三個分光比為1:1的2X2單模光纖耦合器和級聯馬赫曾德幹涉儀平衡探測器組成，連接臂1:、I2把第一個耦合器和第二個耦合器連接在一起，連接臂13、I4把第二個和第三個耦合器連接在一起，第三耦合器與級聯馬赫曾德幹涉儀平衡探測器連接。第一寬帶光纖耦合器分光後的低相干光經過級聯馬赫曾德幹涉儀能形成一路MZI光譜相位校準信號，同時提供光程差為Cl1的第一參考幹涉信號和光程差為d2的第二參考幹涉信號，經數據採集卡和計算機進行數據採集和數據處理。一種基於級聯馬赫曾德幹涉儀的光譜相位校準方法:在掃頻光學相干層析成像系統中，掃頻光源發出的光分出一部分進入由三個2X2單模光纖耦合器級聯組成的馬赫曾德幹涉儀(MZI)，產生的幹涉信號經平衡探測得到MZI幹涉光譜信號，與掃頻光學相干層析(SSOCT)信號經數據採集卡同步採集。在計算機中首先通過傅立葉變換、濾波及逆傅立葉變換將MZI幹涉光譜信號分離出光程差Cl1接近系統最大成像深度的第一參考幹涉信號和光程差d2接近零光程的第二參考幹涉信號。然後基於傳統的光譜標定方法利用第一參考幹涉信號對各路幹涉信號進行標定，分別得到等波數間隔分布的SSOCT信號(樣品信號)、第一參考幹涉信號和第二參考幹涉信號。該三路信號波數採樣率相同，起始波數的不 確定性引起的相位跳變與信號深度成線性關係。通過計算兩路參考幹涉信號相鄰A-scan間的相位變化，第二參考幹涉信號的相位變化用來確定系統最大成像深度處光源波數跳變可能引起的相位跳變的2 π整數倍信息，而第一參考幹涉信號的相位變化用來確定系統最大成像深度處光源波數跳變可能引起的相位跳變的分數部分(不超過2 π )信息，根據深度線性關係組合可以校正任意成像深度處大範圍的相位跳變，得到接近理想位相探測靈敏度的實際位相探測靈敏度。由於採用了級聯MZI幹涉儀，可以同時提供兩個固定光程差的參考幹涉信號，既實現了光譜實時線性標定，又確保了光譜相位跳變的校準精度，同時解決了光譜相位跳變校準的2 π混淆問題，可實現實時、高靈敏的位相探測和位相圖像的重建。該方法的具體步驟如下:步驟一、在相位敏感的掃頻光學相干層析成像系統中，設置級聯馬赫曾德幹涉儀(ΜΖΙ)，設置連接臂I」 12、13和I4的長度，使得(I2-11H(I4-13) = Cl1接近系統最大成像深度，而(I2-11)^H) = d2接近零光程,則級聯MZI廣生的光譜幹涉信號是光程差為Clpd2兩個幹涉信號的疊加。步驟二、通過數據採集卡同步探測級聯MZI的光譜幹涉信號和SSOCT光譜幹涉信號，傳輸到計算機內存中進行數據處理；
步驟三、通過對級聯MZI的光譜幹涉信號進行傅立葉變換和加窗濾波處理，得到光程差為Cl1和d2的幹涉信號的空間譜，再經過逆傅立葉變換得到光程差為Cl1的第一參考幹涉信號和光程差為d2的第二參考幹涉信號；步驟四、利用第一參考幹涉信號對採集得到的SSOCT光譜幹涉信號和兩路參考幹涉信號進行實時光譜標定，得到採樣點在波數空間均勻分布的幹涉信號；步驟五、通過相位提取算法和比較計算得到參考幹涉光譜信號相鄰A-scan的起始波數不同引起的相位跳變，其中^力第一參考幹涉信號提供的相位跳變，為第二參考幹涉信號提供的相位跳變，則樣品幹療信號任意深度處的相位跳變可以通過下式校正:
權利要求
1.一種基於級聯馬赫曾德幹涉儀的光譜相位校準系統，包括光源、寬帶光纖耦合器、光譜相位校準臂、OCT主幹涉儀、OCT幹涉光譜信號探測裝置、數據採集卡、計算機，其特徵在於:掃頻光源(I)發出的低相干光進入第一寬帶光纖耦合器(2)，經分光後分別進入光譜相位校準臂和OCT主幹涉儀，所述OCT主幹涉儀的樣品臂和參考臂共路；所述共路的樣品臂和參考臂包括寬帶光纖環行器(5)、準直鏡(6)、掃描振鏡(7)、聚焦透鏡(8)、分光板或者一面鍍增透膜的薄蓋波片(9)以及樣品(10)，第二寬帶光纖耦合器(4)第一輸出端與寬帶光纖環行器(5)的第一端相連，寬帶光纖環行器(5)第二端的光經過準直鏡(6)、掃描振鏡(7)和聚焦透鏡(8)後，投射在樣品(10)上，分光板或蓋波片(9)參考平面反射的光和樣品後向散射的光匯合後幹涉；所述的OCT幹涉光譜信號探測裝置為平衡探測器(12)，參考平面反射的光和樣品後向散射光匯合後形成OCT幹涉光譜信號，通過寬帶光纖環行器(5)的第三端進入第三寬帶光纖耦合器(11)的一個輸入端，第三的寬帶光纖耦合器(11)的另一輸入端和第二寬帶光纖稱合器(4)的第二輸出端相連,第三寬帶稱合器(11)的兩路輸出端分別與平衡探測器(12)的兩路輸入端相連，平衡探測器(12)探測的信號經數據採集卡(13)和計算機(14)進行數據採集和數據處理，第一寬帶光纖耦合器(2)分光後的低相干光經過光譜相位校準臂，所述光譜相位校準臂包括級聯馬赫曾德幹涉儀 (3)，所述級聯馬赫曾德幹涉儀(3)能形成一路MZI光譜相位校準信號，同時提供光程差為 的第一參考幹涉信號和光程差為名的第二參考幹涉信號，經數據採集卡和計算機進行數據採集和數據處理。
2.根據權利要求1所述的一種基於級聯馬赫曾德幹涉儀的光譜相位校準系統，其特徵在於:所述的光譜相位校準臂為級聯馬赫曾德幹涉儀，由三個分光比為1:1的2X2單模光纖耦合器和級聯馬赫曾德幹涉儀平衡探測器組成，連接臂4、4把第一個耦合器(15)和第二個耦合器(16)連接在一起，連接臂4、k把第二個耦合器(16)和第三個耦合器(17)連接在一起，第三耦合器(17)與級聯馬赫曾德幹涉儀平衡探測器(18)連接。
3.一種基於級聯馬赫曾德幹涉儀的光譜相位校準方法，其特徵在於該方法包括以下步驟: 步驟一、在相位敏感的掃頻光學相干層析成像系統中，設置級聯馬赫曾德幹涉儀(MZI),設置連接臂Z1、I2、4和/4的長度，使得(Z2 - A)+(/4 -4) = 4接近系統最大成像深度，而沁-4)- - =名接近零光程，則級聯馬赫曾德幹涉儀產生的光譜幹涉信號是光程差為兩個幹涉信號的疊加； 步驟二、通過數據採集卡同步探測級聯馬赫曾德幹涉儀的光譜幹涉信號和SSOCT光譜幹涉信號，傳輸到計算機內存中進行數據處理； 步驟三、通過對級聯馬赫曾德幹涉儀的光譜幹涉信號進行傅立葉變換和加窗濾波處理，得到光程差為4和名的幹涉信號的空間譜，再經過逆傅立葉變換得到光程差為4的第一參考幹涉信號和光程差力飛的第二參考幹涉信號； 步驟四、利用第一參考幹涉信號對採集得到的SSOCT光譜幹涉信號和兩路參考幹涉信號進行實時光譜標定，得到採樣點在波數空間均勻分布的幹涉信號；步驟五、通過相位提取算法和比較計算得到參考幹涉光譜信號相鄰A-scan的起始波數不同引起的相位跳變，其中P力第一參考幹涉信號提供的相位跳變，為第二參考幹涉信號提供的相位跳變，則樣品幹涉信號任意深度處的相位跳變可以通過下式校正:死=Ψ, — -T1C^ + 2 r ■ floor ( .-J-/2π)), 其中，<Ps為樣品幹涉信號 深度處的相位差，η為樣品的平均折射率。
全文摘要
本發明公開了一種基於級聯馬赫曾德幹涉儀的光譜相位校準系統及方法，本發明級聯MZI幹涉光譜信號經傅立葉變換、濾波及逆傅立葉變換分離出光程差d1接近系統最大成像深度的第一參考幹涉信號和光程差d2接近零光程的第二參考幹涉信號，第一參考幹涉信號實現波數採樣的實時線性標定和校準最大成像深度處光譜相位跳變的分數部分，第二參考幹涉信號確定最大成像深度光譜相位跳變的2π整數倍，起始波數跳動引起的相位跳變與深度成線性關係，兩路參考幹涉信號結合可以校正任意深度處實際的相位跳變。既實現了光譜實時線性標定，又確保了光譜相位跳變的校準精度，解決了光譜相位跳變校準的2π混淆問題，可實現實時、高靈敏的位相探測和位相圖像的重建。
文檔編號A61B5/00GK103070669SQ201310020839
公開日2013年5月1日 申請日期2013年1月18日 優先權日2013年1月18日
發明者王玲, 丁志華, 沈毅, 顏楊志, 吳開華 申請人:杭州電子科技大學