CN110160440B - 一种基于频域oct技术的三维彩色动态成像装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于频域OCT技术的三维彩色动态成像装置及方法，包括光谱光学相干层析扫描***、图像互相关***和电脑处理终端；所述光谱光学相干层析扫描***包括：第一光源、第一光纤耦合器、第一准直器、第一聚焦透镜、反射镜、第二光源、第二光纤耦合器、偏振控制器、第二准直器、二维振镜***、第三准直器、光栅、第二聚焦透镜、CCD相机；所述图像互相关***包括：二向色镜、分光镜、第三光源和彩色相机；本发明通过光谱光学相干层析扫描***和图像互相关***实现三维彩色成像，成像精度达到微米级别，分辨率高，同时扫描速度快，扫描距离长。

Description

一种基于频域OCT技术的三维彩色动态成像装置及方法

技术领域

本发明涉及三维成像技术领域，更具体地说涉及一种基于频域OCT技术的三维彩色动态成像装置及方法。

背景技术

现有的三维成像方法主要有：结构光三维成像方法、三维激光扫描技术。

结构光三维成像方法是通过光线对样品进行大量的序列模式投影，再利用二进制编码等技术实现三维成像。但二进制编码技术对物体表面的敏感度不高，为了获得较高的空间分辨率，需要进行大量的投影，使得场景中的物体都必须在投影期间保持静止，延长了三维图像采集的整个持续时间。由于光线投影能量有限，结构光三维成像方法通常具有有限的距离。此外，这种仪器在近距离测量时并不准确，即使是使用精度最高的三角测量法也只能达到毫米级别的精度测距。

三维激光扫描技术主要可分为三角法、脉冲式、相位式。三角法测距的测量距离最短且扫描速率慢，但测距精度很高，达到毫米级别，适合近距离精密测量；脉冲法测距的测量距离最长且扫描速率快，但测距精度较低；相位测距法具有较高的测距精度，适用于中距离测量，但在激光扫描技术中应用较少。

上述方法虽可实现三维成像，但都存在着各自的缺陷。结构光三维成像技术虽成像效果好，但却耗时，精度只达毫米级别，扫描距离有限。三维激光扫描技术虽然扫描距离长，但精度、测距与扫描速率存在矛盾关系，精度越高扫描速率越慢，最高的精度也只能达到毫米级别。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明一方面提供一种高分辨率、扫描速度快、扫描距离长和彩色成像的基于频域OCT技术的三维彩色动态成像装置；

另一方面提供一种实现动态成像的基于频域OCT技术的三维彩色动态成像方法。

本发明解决其技术问题的解决方案是：一种基于频域OCT技术的三维彩色动态成像装置，包括光谱光学相干层析扫描***、图像互相关***和电脑处理终端；

所述光谱光学相干层析扫描***包括：第一光源、第一光纤耦合器、第一准直器、第一聚焦透镜、反射镜、第二光源、第二光纤耦合器、偏振控制器、第二准直器、二维振镜***、第三准直器、光栅、第二聚焦透镜和CCD相机；

所述图像互相关***包括：二向色镜、分光镜、第三光源和彩色相机；

所述第一准直器通过第一聚焦透镜与反射镜光线连接，所述第二准直器的出射光进入二维振镜***进行偏转，偏转后的出射光透过二向色镜射向样品；

所述第三光源通过分光镜的反射面与二向色镜光线连接，所述分光镜以45°的入射角反射所述第三光源的出射光，所述分光镜的反射光经二向色镜反射后射向样品，所述彩色相机用于接收所述分光镜的透射光；

所述第三准直器的出射光经过光栅分光后在第二聚焦透镜中聚焦，聚焦后的出射光被CCD相机接收；

所述第一光纤耦合器分别与所述第一光源、第一准直器、第三准直器和第二光纤耦合器通过光纤连接，所述第二光纤耦合器分别与所述第二光源、偏振控制器的一端通过光纤连接，所述偏振控制器的另一端与第二准直器通过光线连接，所述电脑处理终端分别与所述CCD相机、彩色相机和二维振镜***电连接。

作为上述技术方案的进一步改进，所述CCD相机为线阵CCD相机。

作为上述技术方案的进一步改进，所述分光镜的分光比为50:50。

作为上述技术方案的进一步改进，所述第一光源和第二光源均为激光光源。

一种基于频域OCT技术的三维彩色动态成像方法，所述方法包括：

获得样品的OCT图像，得到样品的三维立体图；

获得样品的二维彩色图像，得到样品的二维颜色信息；

所述二维颜色信号通过归一化互相关匹配算法配准到所述三维立体图，得到三维彩色成像图。

作为上述技术方案的进一步改进，所述得到样品的三维立体图的过程包括：

根据光学相干层析成像原理得到样品的OCT图像，再根据OCT图像中样品表面不同位置的深度信息，重建出样品的三维立体图。

本发明的有益效果是：一方面，本发明装置通过光谱光学相干层析扫描***和图像互相关***实现三维彩色成像，成像精度达到微米级别，分辨率高，同时扫描速度快，扫描距离长。

另一方面，本发明将采集得到的二维颜色信息通过归一化互相关匹配算法配准到采集计算得到的运动样品的三维立体图上，并在扫描的过程中根据计算得到的样品偏移量进行扫描校正，实现动态三维彩色成像。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单说明。显然，所描述的附图只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，本领域的技术人员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设计方案和附图。

图1是本发明装置的结构示意图；

图2是本发明的流程图；

图3是样品的三维立体的俯视图；

图4是样品的二维颜色信号的俯视图；

图5是样品的三维立体的地形图；

图6是样品的三维彩色成像图。

具体实施方式

以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。另外，文中所提到的所有连接关系，并非单指构件直接相接，而是指可根据具体实施情况，通过添加或减少连接辅件，来组成更优的连接结构。本发明创造中的各个技术特征，在不互相矛盾冲突的前提下可以交互组合。

实施例1，参照图1，一种基于频域OCT技术的三维彩色动态成像装置，包括光谱光学相干层析扫描***、图像互相关***和电脑处理终端122；

所述光谱光学相干层析扫描***包括：第一光源101、第一光纤耦合器102、第一准直器103、第一聚焦透镜104、反射镜105、第二光源106、第二光纤耦合器107、偏振控制器108、第二准直器109、二维振镜***110、第三准直器115、光栅116、第二聚焦透镜117和CCD相机118；

所述图像互相关***包括：二向色镜111、分光镜112、第三光源113和彩色相机114；

所述第一准直器103通过第一聚焦透镜104与反射镜105光线连接，所述第二准直器109的出射光进入二维振镜***110进行偏转，偏转后的出射光透过二向色镜111射向样品120；

所述第三光源113通过分光镜112的反射面与二向色镜111光线连接，所述分光镜112以45°的入射角反射所述第三光源113的出射光，所述分光镜112的反射光经二向色镜111反射后射向样品120，所述彩色相机114用于接收所述分光镜112的透射光；

所述第三准直器115的出射光经过光栅116分光后在第二聚焦透镜117中聚焦，聚焦后的出射光被CCD相机118接收；

所述第一光纤耦合器102分别与所述第一光源101、第一准直器103、第三准直器115和第二光纤耦合器107通过光纤连接，所述第二光纤耦合器107分别与所述第二光源106、偏振控制器108的一端通过光纤连接，所述偏振控制器108的另一端与第二准直器109通过光线连接，所述电脑处理终端122分别与所述CCD相机118、彩色相机114和二维振镜***110电连接。

文中所述的OCT为光学相干层析技术，所述二维振镜***110包括X轴反射镜和Y轴反射镜。所述偏振控制器108用于改变光纤中透射光的偏振方向。

作为优化，所述CCD相机118为线阵CCD相机。所述线阵CCD相机对样品120进行线扫描。所述光栅116分光后得到一条线状的光信号，使用线阵CCD相机能够快速采集所有的光信号，采集速度快。

作为优化，所述分光镜112的分光比为50:50。

所述分光镜112用于形成同轴光源，为彩色相机114打光。

作为优化，所述第一光源101和第二光源106均为激光光源。

所述第一光源101和第二光源106均为激光发射器，所述第一光源101的中心波长为840nm，半峰全宽为50nm，所述第二光源106的中心波长为671nm。所述第三光源113为白光光源。

作为优化，所述二向色镜111与样品120之间还设有可装配透镜组119，所述二向色镜111的出射光透过所述可装配透镜组119后射向样品120，所述可装配透镜组119可自主调节镜头焦距、视场范围等参数，有利于更好聚焦于样品120上。

所述光谱光学相干层析扫描***用于采集样品120表面的深度信息，通过电脑处理终端122计算出样品120的三维立体图。所述图像互相关***用于采集样品120的二维彩色图像，通过电脑处理终端122得到二维颜色信息。

所述第一光源101的聚焦束斑直径约为9.02μm，在空气中，横向分辨率为9.02μm，轴向分辨率为7.78μm。使用基于频域OCT技术的三维彩色动态成像装置成出的三维彩色动态图像的成像精度达到了微米级别，具有高分辨率的特点。

同时第一光源101和第二光源106为多波长激光光源，可进行远处三维彩色成像。

本发明装置通过光谱光学相干层析扫描***和图像互相关***实现三维彩色成像，成像精度达到微米级别，分辨率高，同时扫描速度快，扫描距离长。

所述一种基于频域OCT技术的三维彩色动态成像装置包括一种基于频域OCT技术的三维彩色动态成像方法，所述一种基于频域OCT技术的三维彩色动态成像方法应用在所述一种基于频域OCT技术的三维彩色动态成像装置上，所述方法包括：

获得样品120的OCT图像，得到样品120的三维立体图；

获得样品120的二维彩色图像，得到样品120的二维颜色信息；

所述二维颜色信号通过归一化互相关匹配算法配准到所述三维立体图，得到三维彩色成像图。

作为优化，所述得到样品120的三维立体图的过程包括：

根据光学相干层析成像原理得到样品120的OCT图像，再根据OCT图像中样品120表面不同位置的深度信息，重建出样品120的三维立体图。

参考图2，本发明的工作原理：

所述第一光源101发出的光束进入第一光纤耦合器102，按照50:50的分光比分成第一光束和第二光束，所述第一光束进入第一准直器103，第二光束进入第二光纤耦合器107；

第一光束经过第一准直器103准直平行后，透过第一聚焦透镜104聚焦到反射镜105，反射镜105将聚焦后的第一光束反射，被反射的第一光束沿原路返回到第一光纤耦合器102；

第二光束与第二光源106发出的光束射入第二光纤耦合器107后合成一束低相干光，所述低相干光通过所述偏振控制器108后射向第二准直器109进行准直平行，准直平行后的低相干光进入二维振镜***110进行偏转，偏转后的低相干光透过二向色镜111射向样品120，所述低相干光在样品120上发生散射后得到后向散射光，所述后向散射光沿原路返回第一光纤耦合器102；

所述低相干光在样品120的表面发生多次散射后，得到携带有所述样品120表面的深度信息的后向散射光；

返回第一光纤耦合器102的所述第一光束和所述后向散射光发生干涉，产生干涉光，所述干涉光进入第三准直器115准直平行，第三准直器115的出射光经过光栅116分光后在第二聚焦透镜117中聚焦，聚焦后的出射光被CCD相机118接收，CCD相机118将接收到的光信号转换为电信号，并将所述电信号传输到所述电脑处理终端122，电脑处理终端122对接收到的电信号进行处理，得到样品120的深度信息；

返回第一光纤耦合器102的所述第一光束和所述后向散射光发生干涉，产生干涉光，即为麦克尔逊干涉仪。根据单色光干涉理论可知，第一光纤耦合器102的干涉光光强可以表示为：

其中，I_R为所述第一光束的直流信号，I_S为所述后向散射光的直流信号，A_R为第一光束的振幅，A_S为后向散射光的振幅，z_j为等光程面的探测深度，为相位差。当干涉光经光栅116分光后，CCD相机118的每个线阵单元接收到的强度信号可以表示为：

通过傅里叶变换将线阵CCD相机接收到的干涉光强信号从波矢空间变换到坐标空间，理想情况下，此时信号表示为：

其中z为反射镜105到第一准直器103的光程距离，z_i为样品120到二向色镜111的光程距离，δ为δ函数，当且仅当z-z_i＝0时，干涉强度最大。因此，可以根据光程差z-z_i得到样品120的深度信息。

参考图3和图5，所述电脑处理终端122与二维振镜***110电连接。电脑处理终端122为二维振镜***110提供控制电压，通过分别改变输送给二维振镜***110中的X轴反射镜和Y轴反射镜的电压大小，改变X轴反射镜和Y轴反射镜的偏转角度，使低相干光对样品120进行周期性扫描，根据光学相干层析成像技术得到样品120完整而连续的OCT图像，在根据OCT图像中样品120表面不同位置的深度信息，重建出样品120的三维立体图。

同时，参考图4，图像互相关***可实时采集样品120运动时二维彩色图像。所述第三光源113发出的光束经过入射角为45°的分光镜112折射后到达所述二向色镜111，分光镜112的反射光经过二向色镜111的反射后打到样品120上，光束在样品120表面发生反射，反射光沿原路返回到二向色镜111，经过二向色镜111的反射后透过所述分光镜112射向彩色相机114，得到样品120的二维彩色图像，所述彩色相机114将接收到的光信号转换为电信号，并将所述电信号传输到所述电脑处理终端122。

所述电脑处理终端122对相邻两帧二维彩色图像进行时域互相关运算，得出样品120运动的偏移量，偏移量D(t)的计算数学表达式为：

式中a(t)、b(t)表示相邻两帧的二维彩色图像，t是迭代索引，i是指向当前帧第一个元素的索引，W是图像长度。

在扫描的过程中，动态的样品120可能会发生偏移，为了实现对动态的样品120的完整采集，图像互相关***将偏移量转换为二维振镜***110的校正控制电压值，并将校正控制电压值传输到二维振镜***110上，通过改变输送给二维振镜***110中的X轴反射镜和Y轴反射镜的电压大小，改变X轴反射镜和Y轴反射镜的偏转角度，使光谱光学相干层析扫描***的每个线扫描通过样品120运动的偏移量进行校正，定位样品120移动后样品120中扫描的位置。

这样确保光谱光学相干层析扫描***可以跟踪扫描运动中的样品120，在对样品120进行周期性线扫描的同时，根据样品120运动的偏移量进行扫描的校正，有利于获得样品120完整的OCT图像，实现动态成像，避免出现错位的数据信息。

完成周期性扫描后，根据光学相干层析成像原理得到样品120完整而连续的OCT图像，在根据OCT图像中样品120表面不同位置的深度信息，重建出样品120的三维立体图。根据二维彩色图像得到的二维颜色信号通过归一化互相关匹配算法配准在三维立体图上，其运算过程为：

设待匹配的二维彩色图像I的像素大小为M×N，模板T的像素大小为m×n。从二维彩色图像I中任意选取一块像素大小为m×n的子图I_x,y，其左上角在二维彩色图像I中的坐标为(x，y)，可知坐标范围为0≤x≤M-m，0≤y≤N-n。其中，M，N分别为待匹配的二维彩色图像I像素的行数和列数，m，n分别为模板像素的行数和列数。

子图I_x,y和模板T的归一化互相关值R(x,y)定义为

其中，(i，j)为像素在模板T中的坐标；

为子图I_x,y的像素平均值；

为模板T的像素平均值。

所有的归一化互相关值构成归一化互相关矩阵R。

参考图6，通过归一化互相关计算出归一化互相关值R(x,y)，得到二维颜色信号配准到三维立体图所需的偏移量，对二维颜色信息进行旋转平移，以匹配三维立体图，再将旋转平移后的二维颜色信息与三维立体图进行融合处理以获得三维彩色成像图。通过连续多次采集来实现动态彩色三维成像。

本发明将采集得到的二维颜色信息通过归一化互相关匹配算法配准到采集计算得到的运动样品120的三维立体图上，并在扫描的过程中根据计算得到的样品120偏移量进行扫描校正，实现动态三维彩色成像，成像精度达到了微米级别，分辨率高，扫描距离大。

以上对本发明的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (5)

1.一种基于频域OCT技术的三维彩色动态成像方法，其特征在于：应用于一种基于频域OCT技术的三维彩色动态成像装置，所述装置包括光谱光学相干层析扫描***、图像互相关***和电脑处理终端；所述光谱光学相干层析扫描***包括：第一光源、第一光纤耦合器、第一准直器、第一聚焦透镜、反射镜、第二光源、第二光纤耦合器、偏振控制器、第二准直器、二维振镜***、第三准直器、光栅、第二聚焦透镜和CCD相机；所述图像互相关***包括：二向色镜、分光镜、第三光源和彩色相机；所述第一光纤耦合器分别与所述第一光源、第一准直器、第三准直器和第二光纤耦合器通过光纤连接，所述第二光纤耦合器分别与所述第二光源、偏振控制器的一端通过光纤连接，所述偏振控制器的另一端与第二准直器通过光线连接，所述电脑处理终端分别与所述CCD相机、彩色相机和二维振镜***电连接；其中，所述第一准直器通过第一聚焦透镜与反射镜光线连接，所述第二准直器的出射光进入二维振镜***进行偏转，偏转后的出射光透过二向色镜射向样品；所述第三光源通过分光镜的反射面与二向色镜光线连接，所述分光镜以45°的入射角反射所述第三光源的出射光，所述分光镜的反射光经二向色镜反射后射向样品，所述彩色相机用于接收所述分光镜的透射光，从而得到样品的二维彩色图像；所述第三准直器的出射光经过光栅分光后在第二聚焦透镜中聚焦，聚焦后的出射光被CCD相机接收，从而得到所述样品的OCT图像；

所述方法包括如下步骤：

获得样品的OCT图像，得到样品的三维立体图；

获得样品的二维彩色图像，得到样品的二维颜色信息；

所述二维颜色信号通过归一化互相关匹配算法配准到所述三维立体图，得到三维彩色成像图；

其中，所述二维颜色信号通过归一化互相关匹配算法配准到所述三维立体图的步骤包括：

设待匹配的二维彩色图像I的像素大小为，模板T的像素大小为/>，从二维彩色图像I中任意选取一块像素大小为/>的子图/>，其左上角在二维彩色图像I中的坐标为/>，坐标范围为/>，/>，/>分别为待匹配的二维彩色图像I像素的行数和列数，/>分别为模板像素的行数和列数，那么，子图/>和模板T的归一化互相关值/>定义为：

；

其中，为像素在模板T中的坐标；/>为子图/>的像素平均值；/>为模板T的像素平均值；所有的归一化互相关值构成归一化互相关矩阵R；

通过归一化互相关计算出归一化互相关值，得到二维颜色信号配准到三维立体图所需的偏移量，对二维颜色信息进行旋转平移，以匹配三维立体图，再将旋转平移后的二维颜色信息与三维立体图进行融合处理以获得三维彩色成像图，通过连续多次采集来实现动态彩色三维成像；

其中，在所述光谱光学相干层析***的扫描过程中，所述电脑处理终端对相邻两帧所述二维彩色图像进行时域互相关运算，得到所述样品运动的偏移量，所述图像互相关***将所述偏移量转换为所述二维振镜***的校正控制电压值，并将所述校正控制电压值传输到所述二维振镜***上，通过改变输送给所述二维振镜***中的X轴反射镜和Y轴反射镜的电压大小来改变所述X轴反射镜和所述Y轴反射镜的偏转角度，从而使得所述光谱光学相干层析扫描***的每个线扫描均通过所述样品运动的偏移量进行校正。

2.根据权利要求1所述的一种基于频域OCT技术的三维彩色动态成像方法，其特征在于：所述CCD相机为线阵CCD相机。

3.根据权利要求1所述的一种基于频域OCT技术的三维彩色动态成像方法，其特征在于：所述分光镜的分光比为50:50。

4.根据权利要求1所述的一种基于频域OCT技术的三维彩色动态成像方法，其特征在于：所述第一光源和第二光源均为激光光源。

5.根据权利要求1所述的一种基于频域OCT技术的三维彩色动态成像方法，其特征在于：所述得到样品的三维立体图的过程包括：

根据光学相干层析成像原理得到样品的OCT图像，再根据OCT图像中样品表面不同位置的深度信息，重建出样品的三维立体图。