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提出一种随深度变化的色散补偿方法, 用以提升频域光学相干层析成像系统的纵向分辨率。该方法利用迭代算法计算出不同成像深度处的色散补偿系数, 通过数值计算, 得到色散补偿系数与成像深度的关系表达式, 计算出各成像深度处的色散补偿系数, 利用这些色散补偿系数消除相应深度位置处信号的高阶色散相位, 从而有针对性地对系统中参考臂与样品臂的色散失配进行补偿, 消除色散的展宽效应。理论推导和实验结果表明, 光学相干层析成像系统中, 随深度变化的色散补偿方法对各成像深度位置处的信号, 包括成像深度较深位置处的弱信号, 均可以进行有效的色散补偿, 进而得到更多的样品结构信息。
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资源评论
第
37
卷
第
5
期
光
学
学
报
Vol.37
,
No.5
2017
年
5
月
,
2017
光学相干层析成像随深度变化的色散补偿方法
潘 柳 华
1
,
2
,
李 中 梁
1
,
2
,
王 向 朝
1
,
2
,
张 向 阳
3
,
南
楠
1
,
陈
艳
1
,
2
,
王
瑄
1
,
2
,
卢
宇
1
,
2
1
中国科学院上海光学精密机械研究所信息光学与光电技术实验室
,
上海
201800
;
2
中国科学院大学
,
北京
100049
;
3
江南大学理学院
,
江苏 无锡
214122
;
摘要
提出一种随深度变化的色散补偿方法
,
用以提升频域光学相干层析成像系 统的 纵向分 辨率
.
该方 法利 用迭
代算法计算出不同成像深度处的色散补偿系数
,
通过数值计算
,
得到色散补偿系数 与成 像深度 的关 系表达 式
,
计算
出各成像深度处的色散补偿系数
,
利用这些色散补偿系 数消 除 相应 深度 位 置处 信号 的 高阶 色散 相 位
,
从 而有 针对
性地对系统中参考臂与样品臂的色散失配进行补偿
,
消 除色 散的 展 宽效 应
.
理 论推 导和 实 验结 果表 明
,
光 学相 干
层析成像系统中
,
随深度变化的色散补偿方法对各成像深度位置处的信号
,
包括成 像深 度较深 位置 处的弱 信号
,
均
可以进行有效的色散补偿
,
进而得到更多的样品结构信息
.
关键词
成像系统
;
医用光学
;
光学相干层析成像
;
图像处理
;
色散补偿
中图分类号
TN247
文献标识码
A
doi
:
103788
/
2017370511002
收稿日期
:
20161026
;
收到修改稿日期
:
20170104
基金项目
:
上海市科学技术委员会创新行动计划
(
15441905600
)、
广西 高校 光电 信息 处理 重 点实 验室 开 放基 金资 助 项目
(
201604
)
作者简介
:
潘柳华
(
1987
—),
男
,
博士研究生
,
主要从事光学成像技术方面的研究
.
:
16@
导师简介
:
王向朝
(
1957-
),
男
,
博士
,
研究员
,
博士生导师
,
主要从事信息光电子技术方面的研究
.
:
26267@
De
p
thGDe
p
endentDis
p
ersionCom
p
ensationfor
O
p
ticalCoherenceTomo
g
ra
p
h
y
12
12
12
3
1
12
12
12
1
Laborator
y
o
f
In
f
ormationO
p
ticsandO
p
toelectronicTechnolo
gy
Shan
g
haiInstituteo
f
O
p
ticsandFineMechanics
ChineseAcadem
y
o
f
Sciences
Shan
g
hai
201800
China
2
Universit
y
o
f
ChineseAcadem
y
o
f
Sciences
Bei
j
in
g
100049
China
3
Schoolo
f
Science
Jian
g
nanUniversit
y
Wuxi
Jian
g
su
214122
China
Abstract
Ke
y
words
OCIScodes 110317517038801704500180165510069502602030
0511002G1
光
学
学
报
1
引
言
光学相干层析成像
(
OCT
)
是生物医学光 学领域中一 项重要的在 体成像技术
,
具有高分 辨 率
、
非侵入性
等特点
[
1G2
]
,
目前已广泛应用于眼科
、
皮肤科
、
心血管科等临 床诊断和病 理研究中
[
3G6
]
.
为了实现活 体生物组
织中亚细胞结构的高分辨率成像
,
超高分辨率
OCT
技术成为
OCT
领域的研究 热点
,
而为了获得 超高的分
辨率
,
OCT
系统往往会使用宽光谱带宽的光源
[
7G8
]
,
但宽光谱带宽光源发出的光在光学元件和样品的传输过
程中
,
会引起
OCT
系统干涉臂之间的色散失 配
,
导致系统输 出光学相干 包络的展宽和 畸 变
,
降低系统 的 分
辨率
,
影响成像质量
,
因此
,
色散补偿是提高
OCT
系统分辨率及成像质量的关键技术
.
目前用于
OCT
系统的色散补偿方法有很多种
,
主要分为硬 件补偿 和算法补 偿 两类
.
硬件补偿 方 法是
通过在参考臂和样品臂中加入色散补偿元件
,
或者通过改变光栅的离焦量来调整参考臂的色散参数
,
实现参
考臂和样品臂的色散匹配
[
9G11
]
.
这类补偿方法需要额外的元件和设备
,
增加了系统的成本和复杂性
,
同时针
对不同的样品
,
需要重新调整色散补偿器件
.
与硬件补偿方法相比
,
算法补偿方法更为灵活
,
主要有解卷积算法
[
12
]
、
多项式拟合法
[
13
]
、
自聚焦算法
[
14
]
和迭代补偿算法
[
15
]
等
.
其中解卷积算法是将干涉 信号与随深 度变化的样 品色散参数 的卷积核进 行逆卷积
实现色散补偿
,
但前提是已知样品的结构和性质
;
多项式拟合法是对样品信号相位进 行多项式拟 合
,
去除二
阶及以上的高阶色散相位
,
进行色散补偿
,
但样品中较深位置处的信号强度太弱
,
无法利用该 方法进行色 散
补偿
;
自聚焦算法与迭代补偿算法均是利用统一的色散补偿系数对图像进行色散补 偿
,
但对整幅图 像来说
,
不同成像深度有着不同的色散参数
,
利用统一的色散补偿系数进行色散补偿会出现欠补偿或过补偿的效果
.
本文在迭代算法的基础上
,
提 出 了 一 种 随 深 度 变 化 的 色 散 补 偿 方 法
,
用 于 提 升
OCT
系 统 的 纵 向 分 辨
率
.
该方法计算出样品各成像深度处的色散补偿系数
,
利用这些色散补偿系数补偿相应深 度位置处信 号中
的高阶色散相位
,
实现色散匹配
.
通过理论推导
,
说明了该方法在原理上的可行性
,
最终通过实验
,
验证了该
方法对样品不同深度位置的色散补偿效果
.
2
理论分析
2.1
频域
OCT
系统的色散分析
频域
OCT
系统是通过探测样品的背向 散射光对样 品不同深度 进行成像
,
光源发出 的 低相干光 通 过参
考臂与样品臂分别照射到反射镜和样品上
,
从反射镜返回的参考光与从样品不同深度 处返回的样 品光进行
干涉后
,
被高速
CCD
或光电二极管阵列所记录
,
若不考虑直流项
,
其干涉信号可表示为
S
int
(
k
)
=
2Re
Σ
n
I
n
(
k
)
I
r
(
k
)
ex
p
i
φ
k
,
Δz
n
( )[ ]
{ }
=
2Re
Σ
n
I
n
(
k
)
I
r
(
k
)
ex
p
i
k
Δ
z
n
+
ϕ
k
,
Δ
z
n
( )[ ]{ }
{ }
, (
1
)
式中
k
为波数
,
Re
表示取复数的实部
,
I
n
(
k
)
为由样品第
n
层散射回的光强
,
I
r
(
k
)
为由反射镜返回的光强
,
Δ
z
n
为样品第
n
层相对于参考臂反射镜的光程差
,
φ
k
,
Δ
z
n
( )
为样品第
n
层散射光相 对于参考光 的相位差
,
包括高阶色散相位
ϕ
k
,
Δ
z
n
( )
.
高阶色散相 位的引入是 导致干涉信 号包络展宽 和畸变
,
系统分辨率 降低的
主要原因
,
色散补偿的目的即为消除高阶色散相位
.
第
n
层散射光相对于参考光的相位差
φ
k
,
Δ
z
n
( )
可以表示为
φ
k
,
Δ
z
n
( )
=
β
n
(
k
)
Δ
z
n
, (
2
)
式中
β
n
(
k
)
是样品第
n
层 处 的 有 效 传 播 系 数
,
对 于 参 考 臂 和 样 品 臂 中 各 光 学 元 件 已 知 的
OCT
系 统 来 说
,
β
n
(
k
)
可以在光源中心波长对应的波数
k
0
附近作泰勒级数展开
:
β
n
(
k
)
=
β
n
(
k
0
)
+
β
′
n
(
k
0
)(
k
-
k
0
)
+
β
″
n
(
k
0
)
(
k
-
k
0
)
2
2
!
+
β
″′
n
(
k
0
)
(
k
-
k
0
)
3
3
!
+
=
n
n
(
k
0
)
k
0
+
n
g
,
n
(
k
0
)(
k
-
k
0
)
+
β
″
n
(
k
0
)
(
k
-
k
0
)
2
2
!
+
β
″′
n
(
k
0
)
(
k
-
k
0
)
3
3
!
+
, (
3
)
式中
n
n
为样品第
n
层处的有效折射率
,
n
g
,
n
为样品第
n
层处的有效群折射率
,
β
″
n
及
β
″′
n
分别 为样品第
n
层处
的二阶有效色散系数及三阶有效色散系数
,
于是可得
0511002G2
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