结构光照明的频域光学相干层析系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种结构光照明的频域光学相干层析系统及方法，其中系统包括：空间滤波器用于产生干净且空间分布均匀的准直高斯光束；空间光调制器用于对准直高斯光束进行幅值的调制；迈克尔逊干涉仪用于对样本进行干涉测量；成像系统用于将入射的结构光照明成像至样本所在平面；高速光谱探测系统用于在探测端将参考臂和样本臂合并的光束会聚到光谱仪探测的有效区域；处理器用于产生触发信号确保空间光调制器和高速光谱探测系统同步的同时，通过压缩感知算法重建出多次结构光照明下平面中每个像素单元的光谱响应。该系统可以有效提高相干层析的便捷性和鲁棒性，扩展性好，可以实现极低采样率下的有效重建。

Frequency domain optical coherence tomography system based on structured light illumination

The present invention discloses a frequency domain optical coherence tomography system and method for structural light illumination, in which a spatial filter is used to produce a clean and uniformly spaced collimated Gauss beam; a spatial light modulator is used to modulate the amplitude of the collimated Gauss beam; the Michelson interferometer is used to dry the sample. The imaging system is used to illuminate the incident structural light to the plane of the sample; the high speed spectrum detection system is used to converge the beam of the reference arm and the sample arm to the effective area of the spectrograph detection at the detection end; the processor is used to produce a trigger signal to ensure that the spatial light modulator and the high-speed spectral detection system are the same. At the same time, the spectral response of each pixel unit in the plane under multiple structured light illumination is reconstructed by compressive sensing algorithm. The system can effectively improve the convenience and robustness of the coherence tomography, and has good expansibility. It can achieve effective reconstruction at very low sampling rate.

【技术实现步骤摘要】
结构光照明的频域光学相干层析系统及方法
本专利技术涉及无机械扫描、具备光学层析能力的数字成像
，特别涉及一种结构光照明的频域光学相干层析系统及方法。
技术介绍
光学相干层析技术是对样本进行相干测量获得深度方向反射率的一项成像技术，是三维成像或者层析的一个典型代表，并由于其在穿透深度和分辨率上的独特优势使其在生物医学成像，尤其是视网膜成像和表层软组织成像上得到广泛的应用，已成为医疗诊断一项必不可少的关键技术。光学相干层析的基本原理是将光束分为两束，分别为参考臂和样本臂，然后将两束光合并，组成迈克尔逊干涉仪，调节两束光的光程差使其干涉，通过测量并分析不同光程差下的干涉图样，得到深度方向的反射率信息。光学相干层析根据测量方法的不同分为时域光学相干层析和频域光学相干层析，其中时域光学相干层析是测量不同光程差下的干涉图样，得到干涉仪的自相关函数，从而分析其包络得到深度方向样本反射率信息。频域光学相干层析是利用信号的自相关函数与其功率谱密度函数的傅里叶变换关系，将需要通过测量不同光程差下的干涉图样得到干涉仪的自相关函数转化为通过测量不同波长下的响应得到其功率谱密度函数。因此，通常频率光学相干层析方法仅需要光谱仪测量单点的不同波长下的响应，不需要改变光程差从而避免了机械移动，从而极大地提高了成像的速率，并且一定程度上增强信噪比。频域光学相干层析以其快速和高信噪比的优势成为目前商业平台广泛采用的方法，尤其在眼科视网膜成像及心脏病学冠状动脉疾病诊断等方面具有突出表现。
技术实现思路
本专利技术旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本专利技术的一个目的在于提出一种结构光照明的频域光学相干层析系统，该系统可以有效提高相干层析的便捷性和鲁棒性，扩展性好，可以实现极低采样率下的有效重建。本专利技术的另一个目的在于提出一种结构光照明的频域光学相干层析方法。为达到上述目的，本专利技术一方面实施例提出了一种结构光照明的频域光学相干层析系统，包括：空间滤波器，用于产生干净且空间分布均匀的准直高斯光束；空间光调制器，用于对所述准直高斯光束进行幅值的调制，以得到所需要的结构光照明；迈克尔逊干涉仪，用于对样本进行干涉测量，以得到所述样本的深度方向反射率信息；成像系统，用于将入射的结所述构光照明成像至样本所在平面，且将经过样本反射的光返回到所述迈克尔逊干涉仪，进入探测端，以根据成像样本的尺度和分辨率的要求适应从微观到宏观的不同尺度和从低分辨率到高分辨率不同精度；高速光谱探测系统，用于在所述探测端将参考臂和样本臂合并的光束会聚到光谱仪探测的有效区域，并且以适应于所述空间光调制器的速率探测单点的光谱信息；处理器，用于产生触发信号确保所述空间光调制器和所述高速光谱探测系统同步的同时，通过压缩感知算法重建出多次结构光照明下平面中每个像素单元的光谱响应，并对其进行傅里叶变换得到对应的深度方向反射率信息，从而获得整个二维平面深度方向样本反射率信息，得到所述样本的光学层析的结果。本专利技术实施例的结构光照明的频域光学相干层析系统，能够将频域光学相干层析系统单次测量仅能得到单点深度方向反射率信息而无横向信息与压缩感知成像能够以多次结构光照明重建出二维信息进行优势互补，得到整个样本二维平面上深度方向反射率的信息，从而有效提高相干层析的便捷性和鲁棒性，扩展性好，可以实现极低采样率下的有效重建。另外，根据本专利技术上述实施例的结构光照明的频域光学相干层析系统还可以具有以下附加的技术特征：进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述处理器进一步用于利用所述多次结构光照明下样本平面整体在所述探测端整体的光谱响应，按照每个波长重建出所述样本平面每个像素单元的光谱响应，得到对应于频域光学相干层析系统逐点扫描的光谱响应。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述处理器进一步用于将所述样本平面每个像素单元的光谱响应进行傅里叶变换得到该像素位置的深度方向反射率的信息，且将所有像素的深度方向折射率信息整合起来得到最终整个样本平面的深度方向反射率信息。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，从微米级到米级，其中不同尺度的成像系统通过调整所述空间光调制器到所述样本之间的成像模块实现。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，利用哈达玛图案或正弦图案的正交基作为所述结构光照明的图案，通过多次结构光照明计算对应的哈达玛频域和傅里叶频域的系数，利用其对应的逆变换重建出压缩感知图像，或者，利用扰动的所述哈达玛图案并结合所述压缩感知算法上的优化实现极低采样率下的压缩感知重建。为达到上述目的，本专利技术另一方面实施例提出了一种结构光照明的频域光学相干层析方法，包括以下步骤：产生干净且空间分布均匀的准直高斯光束；对所述准直高斯光束进行幅值的调制，以得到所需要的结构光照明；对样本进行干涉测量，以得到所述样本的深度方向反射率信息；将入射的结所述构光照明成像至样本所在平面，且将经过样本反射的光返回到所述迈克尔逊干涉仪，进入探测端，以根据成像样本的尺度和分辨率的要求适应从微观到宏观的不同尺度和从低分辨率到高分辨率不同精度；在所述探测端将参考臂和样本臂合并的光束会聚到光谱仪探测的有效区域，并且以适应于所述空间光调制器的速率探测单点的光谱信息；产生触发信号确保所述空间光调制器和所述高速光谱探测系统同步的同时，通过压缩感知算法重建出多次结构光照明下平面中每个像素单元的光谱响应，并对其进行傅里叶变换得到对应的深度方向反射率信息，从而获得整个二维平面深度方向样本反射率信息，得到所述样本的光学层析的结果。本专利技术实施例的结构光照明的频域光学相干层析方法，能够将频域光学相干层析系统单次测量仅能得到单点深度方向反射率信息而无横向信息与压缩感知成像能够以多次结构光照明重建出二维信息进行优势互补，得到整个样本二维平面上深度方向反射率的信息，从而有效提高相干层析的便捷性和鲁棒性，扩展性好，可以实现极低采样率下的有效重建。另外，根据本专利技术上述实施例的结构光照明的频域光学相干层析方法还可以具有以下附加的技术特征：进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述通过压缩感知算法重建出多次结构光照明下平面中每个像素单元的光谱响应，还包括：利用所述多次结构光照明下样本平面整体在所述探测端整体的光谱响应，按照每个波长重建出所述样本平面每个像素单元的光谱响应，得到对应于频域光学相干层析系统逐点扫描的光谱响应。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述并对其进行傅里叶变换得到对应的深度方向反射率信息，从而获得整个二维平面深度方向样本反射率信息，还包括：将所述样本平面每个像素单元的光谱响应进行傅里叶变换得到该像素位置的深度方向反射率的信息，且将所有像素的深度方向折射率信息整合起来得到最终整个样本平面的深度方向反射率信息。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，利用哈达玛图案或正弦图案的正交基作为所述结构光照明的图案，通过多次结构光照明计算对应的哈达玛频域和傅里叶频域的系数，利用其对应的逆变换重建出压缩感知图像，或者，利用扰动的所述哈达玛图案并结合所述压缩感知算法上的优化实现极低采样率下的压缩感知重建。本专利技术附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本专利技术的实践了解到。附图说明本专利技术上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种结构光照明的频域光学相干层析系统，其特征在于，包括：空间滤波器，用于产生干净且空间分布均匀的准直高斯光束；空间光调制器，用于对所述准直高斯光束进行幅值的调制，以得到所需要的结构光照明；迈克尔逊干涉仪，用于对样本进行干涉测量，以得到所述样本的深度方向反射率信息；成像系统，用于将入射的结所述构光照明成像至样本所在平面，且将经过样本反射的光返回到所述迈克尔逊干涉仪，进入探测端，以根据成像样本的尺度和分辨率的要求适应从微观到宏观的不同尺度和从低分辨率到高分辨率不同精度；高速光谱探测系统，用于在所述探测端将参考臂和样本臂合并的光束会聚到光谱仪探测的有效区域，并且以适应于所述空间光调制器的速率探测单点的光谱信息；以及处理器，用于产生触发信号确保所述空间光调制器和所述高速光谱探测系统同步的同时，通过压缩感知算法重建出多次结构光照明下平面中每个像素单元的光谱响应，并对其进行傅里叶变换得到对应的深度方向反射率信息，从而获得整个二维平面深度方向样本反射率信息，得到所述样本的光学层析的结果。

【技术特征摘要】
1.一种结构光照明的频域光学相干层析系统，其特征在于，包括：空间滤波器，用于产生干净且空间分布均匀的准直高斯光束；空间光调制器，用于对所述准直高斯光束进行幅值的调制，以得到所需要的结构光照明；迈克尔逊干涉仪，用于对样本进行干涉测量，以得到所述样本的深度方向反射率信息；成像系统，用于将入射的结所述构光照明成像至样本所在平面，且将经过样本反射的光返回到所述迈克尔逊干涉仪，进入探测端，以根据成像样本的尺度和分辨率的要求适应从微观到宏观的不同尺度和从低分辨率到高分辨率不同精度；高速光谱探测系统，用于在所述探测端将参考臂和样本臂合并的光束会聚到光谱仪探测的有效区域，并且以适应于所述空间光调制器的速率探测单点的光谱信息；以及处理器，用于产生触发信号确保所述空间光调制器和所述高速光谱探测系统同步的同时，通过压缩感知算法重建出多次结构光照明下平面中每个像素单元的光谱响应，并对其进行傅里叶变换得到对应的深度方向反射率信息，从而获得整个二维平面深度方向样本反射率信息，得到所述样本的光学层析的结果。2.根据权利要求1所述的结构光照明的频域光学相干层析系统，其特征在于，所述处理器进一步用于利用所述多次结构光照明下样本平面整体在所述探测端整体的光谱响应，按照每个波长重建出所述样本平面每个像素单元的光谱响应，得到对应于频域光学相干层析系统逐点扫描的光谱响应。3.根据权利要求2所述的结构光照明的频域光学相干层析系统，其特征在于，所述处理器进一步用于将所述样本平面每个像素单元的光谱响应进行傅里叶变换得到该像素位置的深度方向反射率的信息，且将所有像素的深度方向折射率信息整合起来得到最终整个样本平面的深度方向反射率信息。4.根据权利要求1所述的结构光照明的频域光学相干层析系统，其特征在于，从微米级到米级，其中不同尺度的成像系统通过调整所述空间光调制器到所述样本之间的成像模块实现。5.根据权利要求1所述的结构光照明的频域光学相干层析系统，其特征在于，利用哈达玛图案或正弦图案的正交基作为所述结构光照明的图案，通过多次结构光照明计算对应的哈达玛频域和傅里叶频域的系数，利用其对应的逆变换重建出压缩感知图像，或者，利用扰动的所述哈达玛图案并结合...

【专利技术属性】
技术研发人员：索津莉，刘洋，戴琼海，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11