光学相干层析成像色散补偿研究

针对通过增加光源谱宽度来提高光学相干层析成像系统分辨率时样品色散特性的限制作用,分析了色散与光学相干层析成像系统纵向光程分辨率的约束关系.根据物质色散特性,采用数值变换方法对光学相干层析成像相干成像信号进行了色散补偿.实验使用了中心波长1550nm自激发辐射光源和光纤迈克尓逊干涉结构,对水和光学快速扫描延迟线引入的二阶和三阶色散进行了数值补偿并通过相位修正因子来改善补偿效果.确定了一种普适的、快速的数值色散补偿方法.在对水中盖玻片和生物组织和的光学相干层析成像图像的色散补偿实验中取得了良好的效果,证明了方法的可行性.     

用于频域光学相干层析成像的深度分辨色散补偿方法

提出一种深度分辨的色散补偿方法,用于增强频域光学相干层析成像的纵向分辨率。将频域光学相干层析成像采集的干涉谱信号傅里叶变换到空域,获取对应不同深度的干涉谱条纹相位,通过对其进行调整实现对被测样品不同深度处的色散的精确补偿。避免传统方法中采用统一色散系数进行色散补偿所带来的过补偿与欠补偿误差,可以有效消除色散引起的频域光学相干层析成像系统点扩展函数的展宽和扭曲。模拟和实验结果表明,基于深度分辨的色散补偿方法在样品的全深度探测范围内可以达到较佳的补偿效果,可有效提高光学相干层析成像系统的纵向分辨率。     

双光栅快速扫描光学延迟线的色散补偿

光学相干层析成像(OCT)系统的纵向分辨力不仅与光源的带宽有关,而且与系统中两干涉臂间的色散匹配有关。如果色散没有得到精确匹配,将使光学相干层析成像系统的纵向分辨力达不到所预期的理论值。色散问题在超高分辨光学相干层析成像系统中尤为突出。提出了一种基于双光栅快速扫描光学延迟线(RSOD),用于光学相干层析成像系统的色散补偿。该方法中新增的光栅引入了光栅间距这一独立变量,其与常规单光栅快速扫描光学延迟线机构中的光栅离焦量一起,可使光学相干层析成像系统中的群速度色散(GVD)和三阶色散(TOD)同时得到补偿。分析了双光栅快速扫描光学延迟线的色散特性和色散调节原则,并提供了一个典型光学相干层析成像系统中的色散补偿实例。     

系统中基于快速扫描光学延迟线的色散补偿

分析了光学相干层析成像(Optical Coherence Temography,OCT)系统中色散失配对系统纵向分辨率的影响,详细阐述了快速扫描光学延迟线(Rapid Scanning Optical Delay Line,RSOD)的色散性质,提出并采用基于RSOD的色散补偿方法,实验验证了这种色散补偿方法能够实现OCT系统的纵向分辨率接近于理论值,并因此得到了高质量的OCT图像.     

基于光程编码与相干合成的三维超分辨术

光学相干层析成像的轴向分辨率和横向分辨率是互为独立的,其轴向分辨率由系统光源带宽和探测光束的聚焦条件共同决定,而横向分辨率由系统样品臂的聚焦条件决定. 提高光学相干层析成像的轴向分辨率的方法主要基于宽带光源技术以及变迹术与相干门相结合的方法,而这些方法对于横向分辨率并没有提高. 提出了一种通过光程编码与相干合成的方法,可以同时提高其轴向分辨率和横向分辨率. 通过在光学相干层析成像系统的样品臂中加入光程编码分束器形成多种对应不同光程延迟的有效响应函数,基于光学相干层析成像术固有的光程分辨能力可以得到同一样品对应于不同有效响应函数的多幅图像. 通过数字控制不同有效响应函数的相对贡献对其进行相干合成,可以同时实现轴向和横向的超分辨效果. 与以前的方法相比,光程编码与相干合成方法简单易行、成本低廉,不仅可以避免系统复杂和价格昂贵等不足,而且可以同时较大幅度地提高系统的轴向分辨率和横向分辨率. 关键词： 光学相干层析成像 轴向超分辨 横向超分辨 光程编码     

适合于内窥成像的共路型光学相干层析成像系统

提出了一种采用光纤型迈克耳孙干涉仪进行光程补偿的菲佐型光学相干层析成像(OCT)系统.该系统的传感探头为共路干涉结构,以解决现有内窥光学相干层析成像系统中存在的探头运动导致图像失真、以及更换使用不同探头时需进行色散和偏振态调节等问题.光程补偿和振动干扰实验结果表明,光程补偿方法正确可行,系统对环境干扰不敏感.利用研制的系统对反射镜和近红外卡进行了成像实验,验证了系统的有效性.提出的方法非常适合于内窥成像,并给出了把系统扩展为内窥光学相干层析成像系统的具体实现过程.     

光学相干层析成像随深度变化的色散补偿方法

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。     

提高光学相干层析成像纵向分辨率的方法

光学相干层析成像技术是一种新型的成像技术，能实现对活体生物组织（透明和不透明）非接触、无伤害、高分辨率的体内断面成像。光学相干层析成像利用相干门技术，其纵向分辨率取决于光源的相干长度，要进一步提高它的纵向分辨率必须从光源入手，本文对采用不同光源提高光学相干层析成像纵向分辨率的方法进行了详细的讨论。     

光源对相干层析系统特性的影响

在分析相干层析系统成像机理的基础上，从理论上研究了光源对系统成像特性的影响，在考虑干涉条纹的强度用概率函数处理的条件下，由分析得出相干层析成像系统相当于一个复振幅的线性空间不变系统，从而给出相干函数和光源的功率谱密度之间的关系。通过对使用不同光源的系统相干传递函数比较，得出了采用具有较大线宽的低相干光源，系统的空间分辨率更好，可使测量更精确的结论。本文的工作为光学相干层析成像系统的优化设计提供了理论依据。     

新型成像技术的实验系统研究

光学相干层析成像是一种新型成像技术。超辐射发光二极管和超短脉冲飞秒激光是能满足成像系统要求的理想光源。在开展光学相干层析相关技术研究的基础上 ,建立了国内第一台上述两种光源的成像实验研究装置 ,对系统的横向、纵向分辨率等基本性能进行了测定 ;并对多种实际样品进行了层析成像。     

Demonstration of dispersion-canceled quantum-optical coherence tomography

We present an experimental demonstration of quantum-optical coherence tomography. The technique makes use of an entangled twin-photon light source to carry out axial optical sectioning. It is compared to conventional optical coherence tomography. The immunity of the quantum version to dispersion, as well as a factor of 2 enhancement in resolution, is experimentally demonstrated.     

光学相干层析术提取色散信息的初步研究

为了提取生物组织的色散信息,提出了一种基于Fourier变换以及多项式拟合的方法.该方法通过对光学相干层析术的干涉包络进行Fourier变换,再将得到的相位谱进行多项式拟合以实现色散信息的提取.通过数值模拟及相关实验验证了该方法的可行性.本文的分析结果不但有助于实现动态的色散补偿,而且可以用于区分不同的生物组织,以及同一生物组织的不同生理状态.     

Spectral shaping to improve the point spread function in optical coherence tomography

We demonstrate inhibition of the sidelobes of the axial point spread function in optical coherence tomography by shaping the power spectrum of the light source with a remaining power of 4.54 mW. A broadband amplified spontaneous emission source radiating at 1565 +/- 40 nm is employed in a free-space optical coherence tomography system. The axial point spread functions before and after optical spectral shaping are presented. Results show that spectral shaping of the source can inhibit sidelobes of the point spread function up to 12.9 dB, with an associated small increase of 2.2 dB in noise floor in the far field. The effect of spectral shaping on axial resolution is demonstrated according to three metrics. Image quality improvement is also illustrated with optical coherence tomography images of an onion before and after spectral shaping.     

基于光纤色散相位补偿的高分辨率激光频率扫描干涉测量研究

为了实现更高分辨率的激光频率扫描干涉测量, 增大光源的扫频范围以及减小扫描频率的非线性成为关键. 采用外腔式大带宽扫频光源结合光纤辅助干涉仪构建的外部时钟频率采样非线性校正是目前较为常用的方法. 本研究发现随着扫频带宽和测量范围的增加, 光纤辅助干涉仪与测量光路中存在的色散失配导致频谱出现严重展宽, 极大的降低了测量的分辨率. 本文建立了辅助干涉仪和测量干涉仪色散失配影响的理论模型, 利用该模型分析了扫频带宽和测量范围与测量分辨率的变化关系, 与实验结果相一致, 并进而提出了基于峰值演化消畸变的色散相位补偿方法, 有效地提高了测量的分辨率, 在2.53 m 处实现了接近理论值的64.5 μm的测量分辨率. 该色散失配模型及补偿方法为提高大尺寸激光频率扫描干涉仪的测量分辨率及测距范围提供了参考.     

Real-time dispersion compensation in scanning interferometry

We propose and demonstrate a method of real-time dispersion compensation suitable for scanning interferometry and optical coherence tomography. Static grating tilt in a scanning frequency-domain optical delay line is shown to produce dispersion that is linearly proportional to scan position, and we use this property to achieve depth-dependent dispersion compensation during an interferometric scan through a dispersive sample.     

Dual-fibre stretcher and coma as tools for independent 2nd and 3rd order tunable dispersion compensation in a fibre-based ‘scan-free’ time domain optical coherence tomography system

Dispersion compensation up to the third order is experimentally demonstrated by using a dual-fibre stretcher combined with the coma of an imaging lens, in a fibre-based scan-free time domain optical coherence tomography system, leading to an axial resolution of less than 3 μm.     

Blind dispersion compensation for optical coherence tomography

We present a numerical method for compensating dispersion effects in optical coherence tomography that does not require a priori knowledge of dispersive properties of the sample. The method yields results equivalent to recently demonstrated quantum-optical coherence tomography, but without exploiting non-classical states of optical radiation. Dispersion compensation is accomplished by processing phase information present in standard interferograms to calculate the generalized autoconvolution function. The operation of the method can be conveniently visualized using the Wigner distribution function formalism.     

Dispersion Compensation in Optical Coherence Tomography with a Prism in a Rapid-Scanning Optical Delay Line

We demonstrate the theoretical and experimental results of using a single prism in the rapid-scanning optical delay line of an optical coherence tomography (OCT) system for compensating the mismatches of the first- and second-order group delay dispersion (GDD) between the reference and sample arms. The analytical expressions for the first- and second-order GDD are derived based on the typically designed system configuration. Numerical results in varying various parameters are shown. An optimized set of parameters for efficient dispersion compensation in a practical fiber-based OCT system is obtained. The numerical result of the dispersion compensation is demonstrated. Also, the experimental implementation of such a dispersion compensation method is illustrated with the conditions similar to the numerical calculations. The compensation result is quite satisfactory