CN107862661B - 一种光学相干层析成像***图像校正方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种光学相干层析成像***图像校正方法，步骤如下：在OCT***中采集包含样品深度信息的原始三维干涉信号；计算扫描机构的出射光矢量，测算计算扫描机构在不同扫描角度存在的光程差；对原始三维干涉信号中的样品深度信息补偿光程差带来的位相差，得到补偿后的样品深度信息；对补偿后的样品深度信息快速傅里叶变换，重构样品的XYZ三维图；去除XYZ三维图在Z方向的镜像信息，得到复原后的样品XYZ三维图。本发明通过对原始三维干涉信号中的样品深度信息数据进行位相差补偿，对补偿后的样品深度信息做快速傅里叶变换，以消除样品深度方向所造成的图像失真，不受限于OCT***的结构，不影响对样品物理结构的准确测量。
Description
技术领域
本发明涉及光学相干层析成像(Optical Coherence Tomography，简称OCT)的技术领域，尤其涉及一种光学相干层析成像***图像校正方法。
背景技术
光学相干层析成像技术(OCT)是近十几年来出现的一种新兴技术，它基于光的干涉原理，采用宽带光源来实现高分辨率深度层析成像，分辨率可达数微米。OCT按图像处理原理可以分为时域和频域，时域OCT(TDOCT)通过移动参考臂来进行样品深度方向的层析扫描，而频域OCT(FDOCT)则通过把宽带光源分为很多独立的光谱，对最终得到的干涉数据做傅里叶变换来完成深度层析成像，因而不需要移动参考臂，同时成像速度不再受参考臂较低的机械扫描频率的限制，可以实现实时成像，是目前较流行的方案。OCT由于具有高分辨率、无损断层成像能力，已成为医学、工业、卫生等领域一个重要的影像成像技术，同时OCT通过结合二维扫描装置可以实现三维成像，可以对检测样品实施具有高分辨率、无损、快速、立体的成像。
要对样品进行三维立体扫描，无论是时域OCT(TDOCT)还是频域OCT(FDOCT)，都需要额外配置二维平面扫描机构，通常这些扫描机构都会引入扫描失真，如果不校正这些扫描失真，将导致最终OCT***的成像和样品本身图像不一致，影响对样品物理结构的准确测量。直观的一个现象是，平面物体会被扭曲成曲面物体，不能很好的还原样品本来的结构和形状。
发明内容
针对现有技术存在的扫描失真导致OCT***的成像和样品本身图像不一致，影响对样品物理结构测量的技术问题，本发明提出一种光学相干层析成像***图像校正方法。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种光学相干层析成像***图像校正方法，其步骤如下：
步骤一：在OCT***中采集包含样品深度信息的原始三维干涉信号；
步骤二：计算扫描机构的出射光矢量，测算计算扫描机构在不同扫描角度存在的光程差△Zij，i表示快速扫描方向的转动角，j表示慢速扫描方向的转动角；
步骤三：对原始三维干涉信号中的样品深度信息Dm(i,j)补偿光程差△Zij带来的位相差Km△Zij，补偿后的样品深度信息Dm′(i,j)＝Dm(i,j)﹡exp(-Km△Zij)，其中，m＝1,2,3……,2L，m为深度方向的采样点，2L表示竖直方向采集点的数量；Km为第m个深度采样点对应的光谱空间圆频率；
步骤四：对补偿后的样品深度信息Dm′(i,j)做M*N次快速傅里叶变换，重构样品的XYZ三维图；
步骤五：去除XYZ三维图在Z方向的镜像信息，得到复原后的样品XYZ三维图，以消除样品深度方向的球形失真。
所述OCT***包括扫频光源、三端环形器、平衡探测器、光纤耦合器、参考臂和扫描机构，扫频光源与三端环形器相连接，三端环形器分别与平衡探测器、光纤耦合器相连接，光纤耦合器分别与参考臂和扫描机构相连接，扫描机构的出射光照射在样品上；所述光纤耦合器与平衡探测器相连接，平衡探测器与采集卡相连接，采集卡与计算机相连接。
所述参考臂包括固定反射镜，固定反射镜与光纤耦合器相连接。
所述扫描机构包括格林透镜和微镜，光纤耦合器与格林透镜相连接，微镜设置在格林透镜的光路上，样品设置在微镜的出射光路上。
所述采集包含样品深度信息的原始三维干涉信号的方法为：扫频光源输出扫频宽带光，光纤耦合器将扫频宽带光分成两路，一路进入参考臂形成参考光，一路进入扫描机构，扫描机构做两轴转动进行三维扫描，以扫描机构转轴中心为坐标原点，样品深度方向为Z方向，与Z方向垂直的面为XY面，记为样品横向面，扫描光束照射在样品上传播一定深度后被后向散射回扫描机构，按原光路返回，形成样品光；参考光和样品光在光纤耦合器处干涉，形成干涉光信号；干涉光信号进入平衡探测器进行差分光电转换，将滤除干扰信号的干涉光信号转换成包含样品深度信息的电信号输出到采集卡；采集卡对接收到的电信号进行采样，Z方向采样2L个点，XY面的X方向采样M个点，XY面的Y方向采样N个点，一个三维扫描后采集卡采样得到由2L*M*N个数据组成的包含样品深度信息的原始三维干涉信号并发送给计算机。
所述扫描机构扫描时所产生的光程差△Zij的计算方法为：
根据扫描机构设计参数及扫描机构离样品表面的距离，计算扫描机构的转轴中心到样品中心的距离d；
计算扫描机构在扫描角度(i，j)时的出射光矢量为：
其中，r为扫描机构和x轴的夹角，(Nx，Ny，Nz)为扫描机构的法向向量，为入射光矢量；
扫描机构在扫描角度(i，j)的光程差为出射光矢量的模减去距离d，即
本发明的有益效果：不用附加额外的机械结构，而是通过对原始三维干涉信号中的样品深度信息进行位相差补偿，对补偿后的样品深度信息做快速傅里叶变换，重构样品的XYZ三维图，以消除样品深度方向的因为机械扫描所造成的图像失真。通过以上数据端进行无损校正得到的样品图像与样品物理结构一致，从而不影响对样品物理结构的准确测量。
本发明解决了现有OCT图像失真校正方法是在图像端进行变换校正，会导致图像数据丢失，为有损办法的问题，不用附加额外的机械结构，且不在图像端处理，而是通过对原始三维干涉信号中的样品深度信息数据进行位相差补偿，对补偿后的样品深度信息做快速傅里叶变换，重构样品的XYZ三维图，以消除样品深度方向因为机械扫描所造成的图像失真，即可消除样品深度方向的球形失真；通过以上数据端进行无损校正得到的样品图像与样品物理结构一致，从而不影响对样品物理结构的准确测量，不丢失图像数据，具有快速、有效、无损效果。本发明不受限于OCT***的结构，适合任何结构的OCT***，无论是时域OCT(TDOCT)还是频域OCT(FDOCT)都可以进行失真校正。本发明可快速消除扫描产生的失真，确保OCT***提供精确的样品物理结构的测量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的流程图。
图2为本发明校正装置的***框图。
图3为不同的扫描角度存在的光程差及由该光程差导致的深度方向球形失真的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，一种光学相干层析成像***图像校正方法，包括：获取包含样品深度信息的原始三维干涉信号；对原始三维干涉信号中的样品深度信息进行位相差补偿，对补偿后的样品深度信息做快速傅里叶变换，重构样品的XYZ三维图，以消除样品深度方向的球形失真。
其具体步骤如下：
步骤一：在OCT***中采集包含样品深度信息的原始三维干涉信号。
如图2所示，OCT***包括扫频光源、三端环形器、平衡探测器、光纤耦合器、参考臂和扫描机构，扫频光源与三端环形器相连接，三端环形器分别与平衡探测器、光纤耦合器相连接，光纤耦合器分别与参考臂和扫描机构相连接，扫描机构的出射光照射在样品上；所述光纤耦合器与平衡探测器相连接，平衡探测器与采集卡相连接，采集卡与计算机相连接。
扫描光源，用于输出波长随时间变化的扫频宽带光到三端环形器。三端环形器，用于将扫频宽带光正向输出到光纤耦合器、将光纤耦合器输出的一路干涉光信号反向引导到平衡探测器。
参考臂，包括固定反射镜，固定反射镜与光纤耦合器相连接，用于将进入参考臂的扫频宽带光通过固定反射镜发射，形成参考光。
扫描机构，包括格林透镜和微镜，用于将进入扫描机构的扫频宽带光，通过格林透镜将其汇聚到扫描机构上，该汇聚光束经过扫描机构反射出扫描机构，该汇聚光束照射在样品上传播一定深度后被后向散射回扫描机构，按原光路返回，形成样品光。
光纤耦合器，用于将所述扫频宽带光分成两路，一路进入参考臂形成参考光，一路进入扫描机构形成样品光，参考光和样品光在光纤耦合器处干涉，形成干涉光信号；光纤耦合器将该干涉光信号分成两路，一路进入平衡探测器，一路进入三端环形器。平衡探测器，用于接收一路来自光纤耦合器的干涉光信号和一路来自三端环形器的干涉光信号，并对两路干涉光信号进行差分光电转换，将滤除干扰信号的干涉光信号转换成包含样品深度信息的电信号输出到采集卡。
采集卡，用于对接收到的电信号进行采样，转换成离散的包含样品深度信息的原始三维干涉信号输出到计算机。计算机，用于获取包含样品深度信息的原始三维干涉信号；对原始三维干涉信号中的样品深度信息进行位相差补偿，对补偿后的样品深度信息做快速傅里叶变换，重构样品的XYZ三维图，以消除样品深度方向的球形失真。
采集包含样品深度信息的原始三维干涉信号的方法为：扫频光源输出扫频宽带光，光纤耦合器将扫频宽带光分成两路，一路进入参考臂形成参考光，一路进入扫描机构，扫描机构做两轴转动进行三维扫描，以扫描机构的微镜的转轴中心为坐标原点，样品深度方向为Z方向，与Z方向垂直的面为XY面，记为样品横向面，扫描光束照射在样品上传播一定深度后被后向散射回扫描机构，按原光路返回，形成样品光。参考光和样品光在光纤耦合器处干涉，形成干涉光信号；干涉光信号进入平衡探测器进行差分光电转换，将滤除干扰信号的干涉光信号转换成包含样品深度信息的电信号输出到采集卡；采集卡对接收到的电信号进行采样，Z方向采样2L个点，XY面的X方向采样M个点，XY面的Y方向采样N个点，一个三维扫描后采集卡采样得到由2L*M*N个数据组成的包含样品深度信息的原始三维干涉信号并发送给计算机。
步骤二：计算扫描机构的出射光矢量，测算计算扫描机构在不同扫描角度存在的光程差△Zij，i表示快速扫描方向的转动角，j表示慢速扫描方向的转动角。
如图3所示，扫描机构做两轴转动进行三维扫描时，在不同的扫描角度存在的光程差及由该光程差导致的深度方向球形失真的示意图。根据扫描机构设计参数及扫描机构离样品表面的距离，计算扫描机构的转轴中心到样品中心的距离d。当扫描机构做两轴转动进行三维扫描时，计算扫描机构在扫描角度为(i，j)时的出射光矢量为：
其中，r为扫描机构和x轴的夹角，(Nx，Ny，Nz)为扫描机构的法向向量，为入射光矢量。
扫描机构做两轴转动进行三维扫描时，不同的转动角度代表不同的扫描角度，不同的扫描角度对应不同的出射光矢量，将扫描机构在某一转动角度的扫描角度记为(i，j)，将该扫描角度对应的出射光矢量其中，i表示快速扫描方向的转动角，j表示慢速扫描方向的转动角。出射光矢量的模减去距离d得到扫描机构在扫描角度(i，j)扫描时所产生的光程差
步骤三：对原始三维干涉信号中的样品深度信息Dm(i,j)补偿光程差△Zij带来的位相差Km△Zij，补偿后的样品深度信息Dm′(i,j)＝Dm(i,j)﹡exp(-Km△Zij)，其中，m＝1,2,3……,2L，m为深度方向的采样点，2L表示竖直方向采集点的数量；Km为第m个深度采样点对应的光谱空间圆频率。
对扫描机构在扫描角度为(i，j)时所采样的原始三维干涉信号中的样品深度信息Dm(i,j)补偿光程差△Zij带来的位相差Km△Zij，补偿后的样品深度信息Dm′(i,j)＝Dm(i,j)﹡exp(-Km△Zij)，其中m＝1,2,3……2L为深度方向的采样点，L可设置为512；Km为第m个深度采样点对应的光谱空间圆频率，△Zij为扫描机构在扫描角度(i，j)扫描时所产生的光程差。
步骤四：对补偿后的样品深度信息Dm′(i,j)做M*N次快速傅里叶变换，重构样品的XYZ三维图。
对补偿后的样品深度信息Dm′(i,j)做快速傅里叶变换：km为傅里叶变换的频率。由于傅里叶变换后存在镜像，变换后在2L个数据中取一半数据，如1到L个数据，对傅里叶变换结果求模|F[D'm(i,j)]|即可复原样品深度断层图，完成M*N次快速傅里叶变换后重构样品的XYZ三维图，可消除样品深度方向的球形失真。
步骤五：去除XYZ三维图在Z方向的镜像信息，得到复原后的样品XYZ三维图，以消除样品深度方向的球形失真。
对无球形失真的XYZ三维图在Z方向做去除镜像处理，去除镜像后的XYZ三维图包含L*M*N个数据。通过以上补偿，复原得到的样品的XYZ三维图不再有扫描失真。
本发明不用附加额外的机械结构，而是通过对原始三维干涉信号中的样品深度信息进行位相差补偿，对补偿后的样品深度信息做快速傅里叶变换，重构样品的XYZ三维图，以消除样品深度方向的球形失真。通过以上失真校正得到的样品三维成像与样品本身图像一致，从而不影响对样品物理结构的测量。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种光学相干层析成像***图像校正方法，其特征在于，其步骤如下：
步骤一：在OCT***中采集包含样品深度信息的原始三维干涉信号；
步骤二：计算扫描机构的出射光矢量，测算计算扫描机构在不同扫描角度存在的光程差△Zij，i表示快速扫描方向的转动角，j表示慢速扫描方向的转动角；
步骤三：对原始三维干涉信号中的样品深度信息Dm(i,j)补偿光程差△Zij带来的位相差Km△Zij，补偿后的样品深度信息Dm′(i,j)＝Dm(i,j)﹡exp(-Km△Zij)，其中，m＝1,2,3……,2L，m为深度方向的采样点，2L表示竖直方向采集点的数量；Km为第m个深度采样点对应的光谱空间圆频率；
步骤四：对补偿后的样品深度信息Dm′(i,j)做M*N次快速傅里叶变换，重构样品的XYZ三维图；XY面的X方向采样M个点，XY面的Y方向采样N个点；
步骤五：去除XYZ三维图在Z方向的镜像信息，得到复原后的样品XYZ三维图，以消除样品深度方向的球形失真。
2.根据权利要求1所述的光学相干层析成像***图像校正方法，其特征在于，所述OCT***包括扫频光源、三端环形器、平衡探测器、光纤耦合器、参考臂和扫描机构，扫频光源与三端环形器相连接，三端环形器分别与平衡探测器、光纤耦合器相连接，光纤耦合器分别与参考臂和扫描机构相连接，扫描机构的出射光照射在样品上；所述光纤耦合器与平衡探测器相连接，平衡探测器与采集卡相连接，采集卡与计算机相连接。
3.根据权利要求2所述的光学相干层析成像***图像校正方法，其特征在于，所述参考臂包括固定反射镜，固定反射镜与光纤耦合器相连接。
4.根据权利要求1所述的光学相干层析成像***图像校正方法，其特征在于，所述扫描机构包括格林透镜和微镜，光纤耦合器与格林透镜相连接，微镜设置在格林透镜的光路上，样品设置在微镜的出射光路上。
5.根据权利要求1所述的光学相干层析成像***图像校正方法，其特征在于，所述采集包含样品深度信息的原始三维干涉信号的方法为：扫频光源输出扫频宽带光，光纤耦合器将扫频宽带光分成两路，一路进入参考臂形成参考光，一路进入扫描机构，扫描机构做两轴转动进行三维扫描，以扫描机构转轴中心为坐标原点，样品深度方向为Z方向，与Z方向垂直的面为XY面，记为样品横向面，扫描光束照射在样品上传播某一深度后被后向散射回扫描机构，按原光路返回，形成样品光；参考光和样品光在光纤耦合器处干涉，形成干涉光信号；干涉光信号进入平衡探测器进行差分光电转换，将滤除干扰信号的干涉光信号转换成包含样品深度信息的电信号输出到采集卡；采集卡对接收到的电信号进行采样，Z方向采样2L个点，XY面的X方向采样M个点，XY面的Y方向采样N个点，一个三维扫描后采集卡采样得到由2L*M*N个数据组成的包含样品深度信息的原始三维干涉信号并发送给计算机。
6.根据权利要求1所述的光学相干层析成像***图像校正方法，其特征在于，所述扫描机构扫描时所产生的光程差△Zij的计算方法为：
根据扫描机构设计参数及扫描机构离样品表面的距离，计算扫描机构的转轴中心到样品中心的距离d；
计算扫描机构在扫描角度(i，j)时的出射光矢量为：
其中，r为扫描机构和x轴的夹角，(Nx，Ny，Nz)为扫描机构的法向向量，为入射光矢量；
扫描机构在扫描角度(i，j)的光程差为出射光矢量的模减去距离d，即
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