超高分辨光学相干层析成像技术与材料检测应用

本文报道了一种超高分辨率谱域光学相干层析成像(SD-OCT)系统. 该系统基于超连续谱激光光源并截取部分光谱作为宽带光源, 其中心波长为665 nm, 光谱半高全宽(FWHM) 230 nm. 系统轴向分辨率0.9 μm, 轴向扫描速率28600行/秒, 横向分辨率3.9 μm, 横向视场1 mm, 最大成像深度0.6 mm(空气中). 利用研制的超高分辨率SD-OCT系统, 对不同型号的工业砂纸精细结构进行了成像, 并与普通SD-OCT的成像结果进行对比, 充分展示了研制系统在材料无损检测中优势.     

高速线扫描共焦检眼镜

高速线扫描共焦检眼镜使用线光束照明眼底视网膜,同时利用线阵CCD对视网膜平面的单次散射线光束探测成像。系统光学放大率为7倍,横向分辨率小于10μm,对于58kHz线频的1024pixel×512pixel成像模式,成像帧频高达110frame/s。该系统实现了高分辨率、高帧频模拟人眼实验图像的获取。     

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     

用于光学相干层析成像设备点扩散函数测量的模体制作与使用方法研究

点扩散函数一般用于成像光学系统的分辨率评价,而掺杂微球的模体经常被用于获取光学相干层析成像(OCT)系统的点扩散函数。采用一种简单快速的基于表面硅烷化处理的加工工艺,制作出掺杂直径为1μm聚苯乙烯微球的聚二甲基硅氧烷(PDMS)点扩散函数模体,该工艺无需任何打磨与抛光即可得到光洁度优良的模体表面。使用一台谱域OCT系统对该模体进行检测,通过处理OCT图像得到点扩散函数并计算得到OCT系统的轴向与横向分辨率,分别为6.8 mm和14.3 mm,与理论预测值十分接近,证明了点扩散函数模体评价方法的有效性。     

基于液体变焦透镜和振镜的三维光片显微成像系统

搭建了一种基于液体变焦透镜和振镜的三维光片显微成像系统,设计了振镜、液体变焦透镜、相机的同步控制采集成像系统,通过调谐振镜和液体变焦透镜,使得光片激发样品和成像同步,获得样品不同切面的图像堆栈并实现样品的三维重建。当采用数值孔径为0.3、放大倍率为10的成像物镜时,该系统的轴向扫描范围为507μm,横向视场达到1970μm×1300μm,横向分辨率为1.32μm,轴向分辨率可达12.75μm。在轴向扫描过程中,系统的放大倍率保持恒定,可以用于对一定尺寸生物样品的成像实验和相关研究,并通过对斑马鱼胚胎进行成像验证所提系统对厚生物样品成像的可行性。     

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.     

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1 550 nm 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.     

频谱编码深度成像实验研究

频谱编码显微镜是用衍射光栅和光谱分析装置来获得显微图像.样品上不同的位置被不同的波长照明,通过对反射光光谱进行解码来得到空间信息.搭建了一个基于超连续光源和自制光谱仪的频谱编码显微成像系统,其横向分辨率为1.72±0.13μm(编码线方向)和1.26±0.08μm(垂直于编码线方向),测得不同横向位置处的轴向分辨率有差异.对离体猪肝组织不同部位进行了成像(可见血管、肝窦内皮细胞和肝细胞);对鸡心组织以10μm深度间隔进行成像,测得不同深度处结构信息不一样.结果表明,采用该频谱编码成像的方法能够进行高分辨的深度成像.     

结合去卷积的艾里光束片状光显微成像研究

为了解决传统高斯光束片状光照明显微成像技术高轴向分辨率时视场范围(FOV)小的问题,结合艾里光束片状光照明样本成像与去卷积算法,实现了光片显微镜对样本的高轴向分辨率大视场成像。数值模拟了高斯光束与艾里光束经过物镜聚焦后的光强分布。搭建实验光路系统,在液晶空间光调制器上加载三次相位图生成艾里光束,并扫描光束生成片状光照明荧光微球、染色的斑马鱼肌肉组织进行成像实验。在艾里光束光片显微镜成像结果基础上,建立去卷积算法进行图像恢复,克服了艾里光束光片显微镜成像范围大但轴向分辨率不高的问题,对荧光微球成像,探测放大倍率为42倍,FOV从高斯光束光片显微镜的25μm扩大到208μm;对染色的斑马鱼肌肉组织进行成像,探测放大倍率为53倍,FOV由20μm扩大到167μm。仿真和实验表明,通过艾里光束光片显微镜与去卷积算法的结合可以在扩展光片显微镜成像视场的同时提高轴向分辨率。     

基于旋转扫描探头的OCT内窥成像系统设计*

为了同时获取样品的表面和深度信息,研究光学相干层析的成像原理,建立了基于光学相干层析技术的内窥系统,实现了旋转扫描成像,系统的工作波长为1 310 nm,工作带宽为80 nm.理论推导及计算机仿真得到了系统信噪比与干涉仪的分光比、反射率之间的关系并分析了理论分辨率和探测深度.提出外径为5 mm的内窥镜扫描探头,聚焦距离为12 mm,数值孔径NA为0.47,折射率分布常量A=0.218 7.利用微型电机驱动直角棱镜实现扫描,旋转速度为25 rpm,旋转一周得到640个采样点.采用多层盖玻片和洋葱表皮作为样品进行实验分析,得到了盖玻片和洋葱的图像,横向分辨率和纵向分辨率分别为10 μm和15 μm.结果表明,设计的光学相干层析内窥系统能够用于旋转扫描成像,获取更多的组织信息.     

Endoscopic optical coherence tomography based on a microelectromechanical mirror

An endoscopic optical coherence tomography (OCT) system based on a microelectromechanical mirror to facilitate lateral light scanning is described. The front-view OCT scope, adapted to the instrument channel of a commercial endoscopic sheath, allows real-time cross-sectional imaging of living biological tissue via direct endoscopic visual guidance. The transverse and axial resolutions of the OCT scope are roughly 20 and 10.2mum, respectively. Cross-sectional images of 500x1000 pixels covering an area of 2.9 mmx2.8 mm can be acquired at ~5 frames/s and with nearly 100-dB dynamic range. Applications in thickness measurement and bladder tissue imaging are demonstrated.     

High-speed phase- and group-delay scanning with a grating-based phase control delay line

A rapid-scanning optical delay line that employs phase control has several advantages, including high speed, high duty cycle, phase- and group-delay independence, and group-velocity dispersion compensation, over existing optical delay methods for interferometric optical ranging applications. We discuss the grating-based phase-control delay line and its applications to interferometric optical ranging and measurement techniques such as optical coherence domain reflectometry and optical coherence tomography. The system performs optical ranging over an axial range of 3 mm with a scanning rate of 6m/s and a repetition rate of 2 kHz. The device is especially well suited for applications such as optical coherence tomography that require high-speed, repetitive, linear delay line scanning with a high duty cycle.     

Fourier domain optical coherence tomography using optical demultiplexers imaging at 60,000,000 lines/s

We describe high-speed Fourier domain optical coherence tomography (OCT) using optical demultiplexers (ODs) for spectral dispersion. The OD enables separation of a narrow spectral band of 14 GHz (0.11 nm) from a broadband incident light at 256 different frequencies in 25.0 GHz intervals centered at 192.2 THz (1559.8 nm). OCT imaging of 60,000,000 axial scans per second was achieved through parallel signal acquisition using 256 balanced photoreceivers to simultaneously detect all the output signals from the ODs in a Fourier domain OCT system. OCT imaging at a 16 kHz frame rate, 1100 A-lines per frame, 3 mm depth range, and 23 microm resolution was demonstrated using a resonant scanner for lateral scanning.     

基于旋转扫描探头的OCT内窥成像系统设计

为了同时获取样品的表面和深度信息,研究光学相干层析的成像原理,建立了基于光学相干层析技术的内窥系统,实现了旋转扫描成像,系统的工作波长为1 310 nm,工作带宽为80 nm.理论推导及计算机仿真得到了系统信噪比与干涉仪的分光比、反射率之间的关系并分析了理论分辨率和探测深度.提出外径为5 mm的内窥镜扫描探头,聚焦距离为12 mm,数值孔径NA为0.47,折射率分布常量A=0.218 7.利用微型电机驱动直角棱镜实现扫描,旋转速度为25 rpm,旋转一周得到640个采样点.采用多层盖玻片和洋葱表皮作为样品进行实验分析,得到了盖玻片和洋葱的图像,横向分辨率和纵向分辨率分别为10 μm和15 μm.结果表明,设计的光学相干层析内窥系统能够用于旋转扫描成像,获取更多的组织信息.     

Multifocal multiphoton endoscope

We report a miniaturized resonant/non-resonant multi-fiber raster scanner that is paired with a gradient-index lens assembly to achieve a compact and flexible multifocal multiphoton endoscope capable of longitudinal parallel image acquisition. Multiphoton images are obtained simultaneously at three axial depths, separated by ≥4.8 μm, by incorporating three axially offset double clad optical fibers into the miniaturized scanner. The fabricated endoscope has an outer diameter of 3 mm, a rigid length of 4 cm, and acquires images at 4 frames/s per focal plane, with lateral and axial resolutions for two-photon imaging of 0.8 and 10 μm, respectively.     

宽场光学相干断层成像系统的三维显微成像

宽场相干断层成像技术（WFOCT）具有提高OCT系统的扫描速率和实现高分辨率的三维显微技术等优点,成为当前研究的热点。本文阐述了WFOCT的基本原理,利用八步移相法重建出玻璃物体微细结构的断层图像,研究了宽场OCT系统对玻璃材料的纵向分辨率和探测深度,其中探测深度可达3.3 mm。在获得多幅断层图像的基础上,利用VC6.0和OpenGL混合编程,采用移动立方体（MC）算法重建出玻璃物体微细结构的三维图像。实验结果表明,WFOCT系统不但能够在生物组织检测等医学方面得到应用,而且对反射率较高的物体能够完成三维形貌显微成像探测和深度探测。     

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。     

基于最优化线性波数光谱仪的谱域光学相干层析成像系统

相比传统光谱仪,基于线性波数光谱仪的谱域光学相干层析(OCT)无需对非线性波数干涉光谱数据进行重采样和插值,可大大减少数据计算量并提高成像灵敏度.通过模拟计算干涉光谱信号和点扩散函数,以点扩散函数半峰全宽值的倒数作为评价准则,可以优化包括色散棱镜材料的折射率、顶角角度以及衍射光栅和色散棱镜之间旋转角角度的线性波数光谱仪的结构参数.根据优化结果,实验中选用F2玻璃等边色散棱镜,以光栅-棱镜间旋转角角度为21.8°搭建了最优化线性波数光谱仪,并引入谱域OCT成像系统.实验测得成像系统的轴向分辨率达到8.52μm,灵敏度达到91 dB,6 dB成像深度达到1.2 mm.结合具有通用并行计算能力的图形处理卡,在无需重采样和插值的情况下可实时处理和显示人手指指甲皮肤接缝处的横断面OCT图像,验证了基于最优化线性波数光谱仪的谱域OCT系统的成像性能.     

Dual femtosecond laser multiheterodyne optical coherence tomography

A time domain optical coherence tomography (OCT) system without moving parts is described, which is based on multiheterodyning utilizing two mode-locked femtosecond lasers. By synchronizing the two lasers to slightly different repetition rates and coupling to an interferometric OCT setup, we obtain amplitude-modulated beat signals representing the structure of the specimen under investigation. Our system is suitable for biological imaging as well as technical applications. We demonstrate high axial imaging depths of 150 mm with up to 5000 axial scans per second, achieving equivalent path scanning velocities of 750 m/s.