CN103070669A - 一种基于级联马赫曾德干涉仪的光谱相位校准***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于级联马赫曾德干涉仪的光谱相位校准***及方法，本发明级联MZI干涉光谱信号经傅立叶变换、滤波及逆傅立叶变换分离出光程差d₁接近***最大成像深度的第一参考干涉信号和光程差d₂接近零光程的第二参考干涉信号，第一参考干涉信号实现波数采样的实时线性标定和校准最大成像深度处光谱相位跳变的分数部分，第二参考干涉信号确定最大成像深度光谱相位跳变的2π整数倍，起始波数跳动引起的相位跳变与深度成线性关系，两路参考干涉信号结合可以校正任意深度处实际的相位跳变。既实现了光谱实时线性标定，又确保了光谱相位跳变的校准精度，解决了光谱相位跳变校准的2π混淆问题，可实现实时、高灵敏的位相探测和位相图像的重建。

Description

一种基于级联马赫曾德干涉仪的光谱相位校准***及方法

技术领域

本发明涉及光学相干层析成像（OCT）技术和相位敏感的扫频光学相干层析技术，尤其涉及一种基于级联马赫曾德干涉仪的光谱相位校准***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。

相位敏感的OCT技术能够同时测量后向散射光的幅度和相位，通过测量组织对外部刺激产生的nm级位移，相对传统的OCT技术能够提供相位相关的功能对比信息，在定量相位显微、光热OCT、多普勒OCT、磁调制OCT等方面应用广泛。相位敏感的OCT技术根据探测方式的不同可分为相位敏感的时域OCT技术和相位敏感的频域OCT技术。相位敏感的时域OCT***的采样率较低（50-250A-scans/s）并且位移探测灵敏度有限（DS=17000pm）；相位敏感的频域OCT在位移探测灵敏度（DS=5000pm）和采样率（10k A-scans/s）上都大为提高，相位敏感的频域OCT技术包括基于光谱仪探测的谱域OCT和基于扫频光源的扫频OCT。相位敏感的谱域OCT采用线阵探测，很难采用平衡探测方式，相比点探测其动态范围和信噪比受到限制，此外长波响应的CCD技术受限，探测长波的InGaAs CCD灵敏度不高且价格昂贵，目前相位敏感的谱域OCT主要应用在800nm波段范围；相位敏感的扫频OCT由于瞬时线宽扫频光源和点探测方式的联合可以避免这些问题，并且由于长波相比短波的光在生物组织中散射和吸收较少，有更好的穿透深度，在1060nm和1310nm波段有很大的优势。但是扫频干涉光谱在k空间采样的非线性严重影响了成像的分辨率和信噪比，此外扫频光源光谱扫描的稳定性对位相探测的灵敏度和稳定性带来极大挑战。

使扫频OCT的干涉光谱信号采样点平均分布于波数空间的方法，即干涉光谱k空间均匀采样的实时标定方法，国内外的研究机构已经提出了很多有效的解决方案，如基于MZI的实时均匀频率时钟方法，基于MZI的干涉光谱相位标定方法等，这里不再赘述。本发明专利重点关注扫频光源光谱相位的校准问题。

在扫频OCT***中，扫频光源的光谱不稳定表现在相邻A-scan的波数跳变，波数跳变来自两个方面，一个是每个A-scan的触发并不是与某一个固定的波数相关，另一个是采样时钟和触发信号间时间延迟的非确定性；这两种波数跳变引起的相位跳变均与深度成线性关系，前者引起的相位跳变在最大成像深度处可能超过2π，而后者引起的相位跳变在最大成像深度处不会超过π。

为了提高相位敏感的扫频OCT技术的相位探测灵敏度，国外很多研究机构提出很多解决方案。

美国麻省理工大学的J.G.Fujimoto研究小组采用缓冲傅立叶域锁模（buffered Fourier domain mode-locked，FDML）扫频激光光源来提高光源的光谱稳定性从而保证***的相位探测灵敏度，但是FDML激光腔内数千米长光纤环的偏振模色散和光程浮动对位相测量的稳定性产生极大挑战。

基于光学的方法产生采样时钟可以提高扫频光源和数据采集卡间的同步，降低时间延迟引起的相位跳变，Duck大学的J.A.Izatt小组将光源输出的小部分光送入一个周期性光滤波器，产生光时钟信号并将其转化成合适的TTL采样时钟信号，由于扫频激光在k空间并不是线性扫描的，从而产生的采样时钟容易发生频率啁啾，在一个扫频周期的结束和下个扫频周期开始间采样时钟频率任意变化，所以在光产生时钟和高速数据采集卡间存在兼容问题，需要在外置的采样时钟输入上***锁相环电路。

哈佛医学院的B.J.Vokoc等人通过一个光程差接近最大成像深度的额外校准镜产生校准干涉信号，并测量校准干涉信号相邻A-scan间的相位变化，从测得的样品信号的相位差中按深度比例减去测得的校准信号的相位差得到校正好的实际相位差，但是当起始波数变化较大，引起最大成像深度处的相位跳变超过2π时，该方法产生的光谱相位校准可能产生错误，因而一般仅用来校准采样时钟和触发信号间时间延迟的不确定性引起的相位噪声。

Houston大学的R.K.Manapuram等人利用窄带光纤布拉格光栅（fiber Bragggrating，FBG，中心波长1315nm，带宽0.1nm）产生可调谐的TTL信号来动态触发数字采集卡，从而在光源和数据采集间引入完美同步，减少了采样时间延迟引起的相位跳变噪声。该方法的准确性取决于FBG工作波长的稳定性，并且无法确定起始波数变化引起的相位跳变是否超过2π。

Texas大学健康科学中心的R.V.Kuranov等人提出气体室参考的相位敏感扫频OCT方法，其***采用了四个干涉仪，包括共路的主信号干涉仪、基于MZI的实时时钟干涉仪、基于气体室的光谱触发干涉仪和校准波数跳变的共路参考干涉仪。该方法硬件结构复杂，对数据采集卡要求高，不同数据采集卡间数据采集的同步误差可能引起相位噪声，并且校准干涉信号不能排除相位跳变的2π混淆问题。

Colorado大学的E.D.Moore等人提出自参考的扫频相位灵敏干涉仪来测量绝对距离，通过对干涉仪采样间距的准确校准来实现绝对距离测量，其利用附加干涉仪来监测扫频光源的瞬时频率从而实时校准采样间距，但是附加干涉仪的频率监测精度需要通过高光谱精度（0.1pm量级）的波长参考装置来校准。

上述这些方法都存在固有的缺点，需要引入较复杂的器件，并且不能解决光谱相位跳变的2π混淆问题，因此，有必要研究易于实现，相位跳变校准精度高和准确性好的大范围光谱相位校准方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于级联马赫曾德干涉仪的光谱相位校准***及方法。在相位敏感的扫频光学相干层析成像***的校准臂中设置级联马赫曾德干涉仪，通过计算级联马赫曾德干涉仪提供的两个不同固定光程差参考干涉信号的各自相邻A-scan的相位差，对OCT干涉信号进行光谱相位校准。

本发明的目的是通过如下技术方案实现的：

一种基于级联马赫曾德干涉仪的光谱相位校准***，包括扫频光源、宽带光纤耦合器、光谱相位校准臂、OCT主干涉仪、OCT干涉光谱信号探测装置、数据采集卡、计算机。扫频光源发出的低相干光经第一宽带光纤耦合器分光后分别进入光谱相位校准臂和OCT主干涉仪，所述OCT主干涉仪的样品臂和参考臂共路；所述共路的样品臂和参考臂包括宽带光纤环行器、准直镜、扫描振镜、聚焦透镜、分光板或者一面镀增透膜的薄盖波片以及样品，第二宽带光纤耦合器第一输出端与宽带光纤环行器的第一端相连，宽带光纤环行器的第二端输出的光经准直镜、扫描振镜和聚焦透镜后，投射在样品上，分光板或盖波片参考平面反射的光和样品后向散射的光汇合后干涉；所述的OCT干涉光谱信号探测装置为平衡探测器，参考平面反射的光和样品后向散射光汇合后形成OCT干涉光谱信号，通过宽带光纤环行器的第三端进入第三宽带光纤耦合器的一个输入端，第三的宽带光纤耦合器的另一输入端和第二宽带光纤耦合器的第二输出端相连，第三宽带耦合器的两路输出端分别与平衡探测器的两路输入端相连，平衡探测器探测的信号经数据采集卡和计算机进行数据采集和数据处理。所述的光谱相位校准臂为级联马赫曾德干涉仪，由三个分光比为1：1的2×2单模光纤耦合器和级联马赫曾德干涉仪平衡探测器组成，连接臂l₁、l₂把第一个耦合器和第二个耦合器连接在一起，连接臂l₃、l₄把第二个和第三个耦合器连接在一起，第三耦合器与级联马赫曾德干涉仪平衡探测器连接。第一宽带光纤耦合器分光后的低相干光经过级联马赫曾德干涉仪能形成一路MZI光谱相位校准信号，同时提供光程差为d₁的第一参考干涉信号和光程差为d₂的第二参考干涉信号，经数据采集卡和计算机进行数据采集和数据处理。

一种基于级联马赫曾德干涉仪的光谱相位校准方法：

在扫频光学相干层析成像***中，扫频光源发出的光分出一部分进入由三个2×2单模光纤耦合器级联组成的马赫曾德干涉仪（MZI），产生的干涉信号经平衡探测得到MZI干涉光谱信号，与扫频光学相干层析（SSOCT）信号经数据采集卡同步采集。在计算机中首先通过傅立叶变换、滤波及逆傅立叶变换将MZI干涉光谱信号分离出光程差d₁接近***最大成像深度的第一参考干涉信号和光程差d₂接近零光程的第二参考干涉信号。然后基于传统的光谱标定方法利用第一参考干涉信号对各路干涉信号进行标定，分别得到等波数间隔分布的SSOCT信号（样品信号）、第一参考干涉信号和第二参考干涉信号。该三路信号波数采样率相同，起始波数的不确定性引起的相位跳变与信号深度成线性关系。通过计算两路参考干涉信号相邻A-scan间的相位变化，第二参考干涉信号的相位变化用来确定***最大成像深度处光源波数跳变可能引起的相位跳变的2π整数倍信息，而第一参考干涉信号的相位变化用来确定***最大成像深度处光源波数跳变可能引起的相位跳变的分数部分（不超过2π）信息，根据深度线性关系组合可以校正任意成像深度处大范围的相位跳变，得到接近理想位相探测灵敏度的实际位相探测灵敏度。由于采用了级联MZI干涉仪，可以同时提供两个固定光程差的参考干涉信号，既实现了光谱实时线性标定，又确保了光谱相位跳变的校准精度，同时解决了光谱相位跳变校准的2π混淆问题，可实现实时、高灵敏的位相探测和位相图像的重建。该方法的具体步骤如下：

步骤一、在相位敏感的扫频光学相干层析成像***中，设置级联马赫曾德干涉仪（MZI），设置连接臂l₁、l₂、l₃和l₄的长度，使得(l₂-l₁)+(l₄-l₃)＝d₁接近***最大成像深度，而(l₂-l₁)-(l₄-l₃)＝d₂接近零光程，则级联MZI产生的光谱干涉信号是光程差为d₁、d₂两个干涉信号的叠加。

步骤二、通过数据采集卡同步探测级联MZI的光谱干涉信号和SSOCT光谱干涉信号，传输到计算机内存中进行数据处理；

步骤三、通过对级联MZI的光谱干涉信号进行傅立叶变换和加窗滤波处理，得到光程差为d₁和d₂的干涉信号的空间谱，再经过逆傅立叶变换得到光程差为d₁的第一参考干涉信号和光程差为d₂的第二参考干涉信号；

步骤四、利用第一参考干涉信号对采集得到的SSOCT光谱干涉信号和两路参考干涉信号进行实时光谱标定，得到采样点在波数空间均匀分布的干涉信号；

步骤五、通过相位提取算法和比较计算得到参考干涉光谱信号相邻A-scan的起始波数不同引起的相位跳变，其中

为第一参考干涉信号提供的相位跳变，

为第二参考干涉信号提供的相位跳变，则样品干涉信号任意深度处的相位跳变可以通过下式校正：

其中，

为样品干涉信号深度z_s处的相位差，n为样品的平均折射率。

与背景技术相比，本发明具有的有益效果是：

1、采用了紧凑的级联MZI干涉仪，可同时提供两个固定光程差的参考干涉信号，提高了起始波数校正的精度，又解决了光谱相位跳变校准的2π混淆问题，确保了光谱相位跳变的校准准确性和精度。

2、不需要精准的光时钟触发，仅利用最少的干涉仪同时实现了光谱实时线性标定和光谱相位跳变的校准，减轻了数据采集卡的端口压力，节约了***硬件成本。

3、不增加额外干涉仪的情况下，实时对每次干涉信号进行等频率间隔标定，补偿了每个扫频周期数处的扫频光谱的不重复性，保证了较高的轴向分辨率。

附图说明

图1是本发明的相位敏感扫频光学相干层析成像***示意图；

图2是本发明的级联马赫曾德干涉仪结构示意图；

图3是本发明的相位敏感扫频光学相干层析成像***硬件控制结构示意图；

图4（a）为原始级联MZI干涉光谱信号；

图4（b）为经过fft和滤波后的信号；

图4（c）为分离后的第一参考干涉信号；

图4（d）为分离后的第二参考干涉信号；

图4（e）为利用第一参考干涉信号进行波数标定，等到等波数间隔分

布的第一参考干涉信号；

图4（f）为利用第一参考干涉信号进行波数标定，等到等波数间隔分布的第二参考干涉信号；

图4（g）为利用第一参考干涉信号进行波数标定，等到等波数间隔分布的样品/OCT信号；

图5为同时利用两个参考干涉信号进行光谱相位跳变校准的原理图；

图6（a）为光谱相位跳变校准前OCT信号的解卷绕相位变化；

图6（b）为光程差为d₁的参考干涉信号的光谱相位跳变；

图6（c）为光程差为d₂的参考干涉信号的光谱相位跳变；

图6（d）为双参考干涉信号联合分析后光程为d₁的参考干涉信号的真实光谱相位跳变；

图6（e）光谱相位跳变校准后OCT信号的解卷绕相位变化；

图中：1、扫频光源，2、第一宽带光纤耦合器，3、级联马赫曾德干涉仪，4、第二宽带光纤耦合器，5、宽带光纤环行器，6、准直镜，7、扫描振镜，8、聚焦透镜，9、分光板或薄盖波片，10、样品，11、第三宽带光纤耦合器；12、平衡探测器，13、数据采集卡，14、计算机，15、级联马赫曾德干涉仪2×2宽带光纤耦合器，16、2×2宽带光纤耦合器，17、2×2宽带光纤耦合器，18、级联马赫曾德干涉仪平衡探测器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1、图2所示，一种基于级联马赫曾德干涉仪的光谱相位校准***，包括扫频光源、宽带光纤耦合器、光谱相位校准臂、OCT主干涉仪、OCT干涉光谱信号探测装置、数据采集卡和计算机。扫频光源1发出的低相干光经第一宽带光纤耦合器2分光后分别进入光谱相位校准臂和OCT主干涉仪，所述OCT主干涉仪的样品臂和参考臂共路；所述共路的样品臂和参考臂包括宽带光纤环行器5、准直镜6、扫描振镜7、聚焦透镜8、分光板或者一面镀增透膜的薄盖波片9以及样品10，第二宽带光纤耦合器4第一输出端的光进入宽带光纤环行器5的第一端，经宽带光纤环行器5的第二端、准直镜6、扫描振镜7和聚焦透镜8后，投射在样品10上，分光板或盖波片9参考平面反射的光和样品后向散射的光汇合后干涉；所述的OCT干涉光谱信号探测装置为平衡探测器12，参考平面反射的光和样品后向散射光汇合后形成SSOCT干涉光谱信号，通过宽带光纤环行器5的第三端进入第三宽带光纤耦合器11的一个输入端，第三的宽带光纤耦合器11的另一输入端和第二宽带光纤耦合器4的第二输出端相连，第三宽带耦合器11的两路输出端分别与平衡探测器12的两路输入端相连，平衡探测器探测的信号经数据采集卡13和计算机14进行数据采集和数据处理。所述的光谱相位校准臂为级联马赫曾德干涉仪3，由三个分光比为1：1的2×2单模光纤耦合器和级联马赫曾德干涉仪平衡探测器18组成，连接臂l₁、l₂把第一个耦合器15和第二个耦合器16连接在一起，连接臂l₃、l₄把第二个耦合器16和第三个耦合器17连接在一起，第三耦合器17与级联马赫曾德干涉仪平衡探测器18连接，第一宽带光纤耦合器分光后的低相干光经过级联马赫曾德干涉仪能形成一路MZI光谱相位校准信号，同时提供光程差为d₁的第一参考干涉信号和光程差为d₂的第二参考干涉信号，经数据采集卡和计算机进行数据采集和数据处理。

图3所示为本发明的扫频光学相干层析成像***硬件控制结构示意图。包括：扫描振镜7、平衡探测器12和18、数据采集卡13和计算机14。其中数据采集卡13和计算机14相连，计算机14和扫描振镜7相连。计算机14控制数据采集卡13对平衡探测器12和18产生的干涉光谱信号进行采集，通过数据总线传入计算机14进行数据处理和图像重建。计算机14控制样品臂扫描振镜7实现探测光束对样品的横向扫描，以获取样品的二维以及三维信息数据。

如图4（a）、（b）、（c）、（d）、（e）、（f）、（g）所示，一种基于级联马赫曾德干涉仪的光谱相位校准方法，在相位敏感的扫频光学相干层析成像***中，设置级联马赫曾德干涉仪（MZI），设置连接臂l₁、l₂、l₃和l₄的长度，使得(l₂-l₁)+(l₄-l₃)＝d₁接近***最大成像深度，而(l₂-l₁)-(l₄-l₃)＝d₂接近零光程，则级联马赫曾德干涉仪产生的光谱干涉信号是光程差为d₁、d₂两个干涉信号的叠加。

同步采集光学相干层析干涉光谱信号和级联马赫曾德干涉仪干涉光谱信号，为便于理解起始波数变动对相位测量的影响，仅考虑来自样品深度z处反射率为R的某层的干涉条纹，则单次轴向扫描（A-scanning）探测的OCT干涉光谱信号的可表达为：

$i\left(t\right)\∝S\left(k\left(t\right)\right)\sqrt{R}\cos \left[2k\left(t\right)(z+\mathrm{\δz}\left(t\right))\right]---\left(1\right)$

其中，S(k)代表扫频光源的光谱密度函数，k(t)代表随时间变化的波数，一般情况下它并不是时间t的线性函数。z代表样品深度坐标并且z＝0时对应参考臂样品臂的光程差为0。δz(t)代表深度z处的次分辨光程变化，注意δz(t)在一个A-scan间的变化我们无法测出，一般***要测的是相邻A-scan的次分辨光程变化量。

级联马赫曾德干涉仪干涉光谱信号的分析可基于熔锥型单模光纤方向耦合器的散射矩阵，S₂为级联马赫曾德干涉仪中2×2宽带光纤耦合器的散射矩阵，若2×2宽带光纤耦合器的分光比为1：1，则S₂可分别表示为：

$S_2=\frac{1}{\sqrt{2}}\left[\begin{array}{cc}1& -\mathrm{expi}\frac{\mathrm{\π}}{2}\\ -\mathrm{expi}\frac{\mathrm{\π}}{2}& 1\end{array}\right]---\left(2\right)$

对于一个简单的双延迟线***，其传输矩阵可表示为（忽略了共同的相位因子exp(-ikl₁)）：

$H_{\mathrm{delay}}=\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& \exp (-\mathrm{ik}(l_2-l_1))\end{array}\right]---\left(3\right)$

假设从宽带光纤耦合器（11）进入到级联马赫曾德干涉仪的输入光场为

该输入光场在干涉仪中经过两次干涉最后由2×2宽带光纤耦合器输出的光用符号

和

表示，由S₂和H_deldy写出输出光场

和

的表达式为：

$\left[\begin{array}{c}{E}_3^{\mathrm{out}}\\ E_4^{\mathrm{out}}\end{array}\right]=S_2{H}_{\mathrm{delay}}^1{S}_2{H}_{\mathrm{delay}}^2{S}_2\left[\begin{array}{c}{E}_1^{\mathrm{in}}\\ 0\end{array}\right]$

$=\frac{1}{2\sqrt{2}}\left[\begin{array}{cc}1& -i\\ -i& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& \exp (-i{\mathrm{\θ}}_1)\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}1& -i\\ -i& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& \exp (-i{\mathrm{\θ}}_2)\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}1& -i\\ -i& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{E}_1^{\mathrm{in}}\\ 0\end{array}\right]---\left(4\right)$

其中，θ₁=k(l₂-l₁)，θ₂＝k(l₄-l₃)代表两个干涉臂的传输相位差。公式（4）中忽略了共同项exp(-ikl₁)和exp(ikl₃)。平衡探测器（18）探测的光强信号可表示为：

$P=E_4^{\mathrm{out}}{E}_4^{\mathrm{out}*}-E_5^{\mathrm{out}}{E}_5^{\mathrm{out}*}$

$=\frac{1}{2}[\cos ({\mathrm{\θ}}_1+{\mathrm{\θ}}_2)-\cos ({\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\θ}}_2)]E_1^{\mathrm{in}}{E}_1^{\mathrm{in}*}---\left(5\right)$

又因为(l₂-l₁)+(l₄-l₃)＝d₁，(l₂-l₁)-(l₄-l₃)=d₂，d₁接近***最大成像深度，d₂接近零光程差，则

$P\∝\frac{1}{2}(\cos {\mathrm{kd}}_1-\cos {\mathrm{kd}}_2)S\left(k\right)---\left(6\right)$

从公式（6）可以看出光谱相位校准干涉仪探测的干涉光谱信号包括光程差分别为d₁,d₂的两个互相关项，对该干涉光谱信号进行傅立叶变换可得到复数轴向空间信号，然后进行滤波，消除镜像轴向空间信号并分离两个互相关项，再经逆傅立叶变换到光谱空间，即可以分别得到只包括一个干涉项光谱的复数信号，即光程差为d₁的第一参考干涉信号和光程差为d₂的第二参考干涉信号；第一参考干涉信号的实部相当于传统的MZI实时光时钟信号，利用该信号对OCT信号、第一参考干涉信号和第二参考干涉信号分别进行实时波数空间均匀化标定，分别得到等波数间隔分布的OCT信号（样品信号）、第一参考干涉信号和第二参考干涉信号，OCT信号再经过直流项、自相关项去除处理等步骤可表示为：

$I_{\mathrm{OCT}}\left(k\left(n\right)\right)\∝S\left(k\left(n\right)\right)\sqrt{R}\cos \left[2(k_0+\mathrm{\α}(n+\mathrm{\ϵ}))(z+\mathrm{\δz})\right]---\left(7\right)$

等波数间隔分布的第一参考干涉信号和第二参考干涉信号的复数信号可表示为：

$I_1\left(k\left(n\right)\right)=2S\left(k\left(n\right)\right)\sqrt{R_{R1}{R}_S}\·\exp \left(j\right[k_0+\mathrm{\α}(n+\mathrm{\ϵ})]\·d_1)---\left(8\right)$

$I_2\left(k\left(n\right)\right)=2S\left(k\left(n\right)\right)\sqrt{R_{R2}{R}_S}\·\exp \left(j\right[k_0+\mathrm{\α}(n+\mathrm{\ϵ})]\·d_2)---\left(9\right)$

其中k(n)＝k₀+αn，ε为触发信号和采样时钟间的时间延迟，其可能在0和采样时钟周期T_dl间变动。实时光谱空间均匀化标定可以确保每个A-scan的波数线性扫描率α一致，但是扫频光源的触发并不是与某一个固定波数关联，即每个A-scan的起始波数k₀不同，由于k₀不同引起相邻A-scan在深度z处的相位跳变

可能超过2π。从公式（7）～（9）可知，无论起始波数变化还是采样时钟延迟变化引起的光谱相位跳变均和深度成线性关系。图4给出了公式（1）～（9）的信号处理流程的主要部分。

图5解释了同时利用光程差d₁接近最大成像深度的第一参考干涉信号和光程差d₂接近零光程的第二参考干涉信号的原因。在同样的光谱跳变Δk₀下，第二参考干涉信号相邻A-scan的相位跳变

不会超过2π，而第一参考干涉信号相邻A-scan的相位跳变

可能超过2π；而在同样的相位噪声水平下，直接利用第二参考干涉信号的相位跳变

乘以深度线性关系z_s/d₂，校正相位的噪声将会放大z_s/d₂倍；而直接利用第一参考干涉信号的相位跳变

乘以深度线性关系z_s/d₁，校正相位的噪声最低，但是可能存在的2π整数倍混淆带来的校正相位误差更大。因此需要综合分析两个参考干涉信号的相位跳变。

具体的相位跳变校正方法如下：对公式（3）进行希尔伯特变换和合适相位解卷绕算法可以得到OCT信号在深度z处相邻A-scan的相位变化为

第一参考干涉信号和第二参考干涉信号已为复数形式，可对公式（8）和（9）中的参考干涉信号直接求相位，利用相位解卷绕算法得到每个A-scan随k变化的相位量。参考干涉信号的光程差固定，即使每个波数的相位不同，每个波数对应的相邻A-scan的相位角变化原则上应相同，都为起时波数跳变引起的光谱相位变化，为去除相位计算的窗口截断效应并提高位相跳变的计算精度，可比较每个波数相邻A-scan的相位跳变并取中间一段波数的相位差平均得到第一参考干涉信号和第二参考干涉信号的相位跳变

和

则样品干涉信号任意深度处的相位跳变可以通过下式校正：

图6（a）是典型测得的OCT信号相邻A-scan的相位变化，图6（b）为第一参考干涉信号相邻A-scan的相位差，图6（c）为第二参考干涉信号相邻A-scan的相位差，图6（d）为组合后深度d₁处实际的相位差，图6（e）为基于级联马赫曾德仪的光谱相位校准后深度z处相邻A-scan的相位变化。图6（a）和图6（e）的对比明显表明***位相探测灵敏度得到极大提高。

本发明公开了一种基于级联马赫曾德干涉仪的光谱相位较准方法及***，在确保信号探测分辨率的前提下实现光谱相位较准，不需要精准的光时钟触发和任何较复杂的光谱相位较准装置，解决了光谱相位跳变校准的2π混淆问题，确保了光谱相位跳变的校准准确性和精度，实现了高灵敏的实时位相探测，在相位敏感扫频光学相干层析***中有很强的实用性，同样适用于基于扫频光学相干层析***的相位分辨的多普勒血流测量、光热位相信息探测等应用。

Claims (3)

1. 一种基于级联马赫曾德干涉仪的光谱相位校准***，包括光源、宽带光纤耦合器、光谱相位校准臂、OCT主干涉仪、OCT干涉光谱信号探测装置、数据采集卡、计算机，其特征在于：扫频光源(1)发出的低相干光进入第一宽带光纤耦合器(2)，经分光后分别进入光谱相位校准臂和OCT主干涉仪，所述OCT主干涉仪的样品臂和参考臂共路；所述共路的样品臂和参考臂包括宽带光纤环行器(5)、准直镜(6)、扫描振镜(7)、聚焦透镜(8)、分光板或者一面镀增透膜的薄盖波片(9)以及样品(10)，第二宽带光纤耦合器(4)第一输出端与宽带光纤环行器(5)的第一端相连，宽带光纤环行器（5）第二端的光经过准直镜（6）、扫描振镜（7）和聚焦透镜（8）后，投射在样品（10）上，分光板或盖波片（9）参考平面反射的光和样品后向散射的光汇合后干涉；所述的OCT干涉光谱信号探测装置为平衡探测器（12），参考平面反射的光和样品后向散射光汇合后形成OCT干涉光谱信号，通过宽带光纤环行器（5）的第三端进入第三宽带光纤耦合器（11）的一个输入端，第三的宽带光纤耦合器（11）的另一输入端和第二宽带光纤耦合器（4）的第二输出端相连，第三宽带耦合器（11）的两路输出端分别与平衡探测器（12）的两路输入端相连，平衡探测器（12）探测的信号经数据采集卡（13）和计算机（14）进行数据采集和数据处理，第一宽带光纤耦合器（2）分光后的低相干光经过光谱相位校准臂，所述光谱相位校准臂包括级联马赫曾德干涉仪（3），所述级联马赫曾德干涉仪（3）能形成一路MZI光谱相位校准信号，同时提供光程差为                                               

的第一参考干涉信号和光程差为

的第二参考干涉信号，经数据采集卡和计算机进行数据采集和数据处理。

2.根据权利要求1所述的一种基于级联马赫曾德干涉仪的光谱相位校准***，其特征在于：所述的光谱相位校准臂为级联马赫曾德干涉仪，由三个分光比为1：1的2×2单模光纤耦合器和级联马赫曾德干涉仪平衡探测器组成，连接臂

、

把第一个耦合器（15）和第二个耦合器（16）连接在一起，连接臂

、

把第二个耦合器（16）和第三个耦合器（17）连接在一起，第三耦合器（17）与级联马赫曾德干涉仪平衡探测器（18）连接。

3.一种基于级联马赫曾德干涉仪的光谱相位校准方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤一、在相位敏感的扫频光学相干层析成像***中，设置级联马赫曾德干涉仪（MZI），设置连接臂

、

、

和的长度，使得

接近***最大成像深度，而

接近零光程，则级联马赫曾德干涉仪产生的光谱干涉信号是光程差为

、

两个干涉信号的叠加；

步骤二、通过数据采集卡同步探测级联马赫曾德干涉仪的光谱干涉信号和SSOCT光谱干涉信号，传输到计算机内存中进行数据处理；

步骤三、通过对级联马赫曾德干涉仪的光谱干涉信号进行傅立叶变换和加窗滤波处理，得到光程差为和

的干涉信号的空间谱，再经过逆傅立叶变换得到光程差为

的第一参考干涉信号和光程差为

的第二参考干涉信号；

步骤四、利用第一参考干涉信号对采集得到的SSOCT光谱干涉信号和两路参考干涉信号进行实时光谱标定，得到采样点在波数空间均匀分布的干涉信号；

步骤五、通过相位提取算法和比较计算得到参考干涉光谱信号相邻A-scan的起始波数不同引起的相位跳变，其中

为第一参考干涉信号提供的相位跳变，

为第二参考干涉信号提供的相位跳变，则样品干涉信号任意深度处的相位跳变可以通过下式校正：

，

其中，

为样品干涉信号深度处的相位差，

为样品的平均折射率。

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