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.     

内窥扫频光学相干层析探测牙齿根裂的研究

根裂诊疗是目前牙科临床医学的难点。搭建三维扫频光学相干层析成像系统,结合心血管内窥成像探头,对46个有根裂(裂缝宽度8～283μm)牙齿切片样本进行扫描成像,该系统对根裂大于30μm的样本的诊断准确率可达98.3%,对根裂小于30μm的诊断准确率为36.3%;对25个无根裂样本扫描,诊断准确率为92%。分析准确率差异原因,优化内窥导管探头与牙齿切片的相对位置和角度,并对部分图像进行三维重建,使得根裂大于30μm的样本的诊断准确率提高到100%,根裂小于30μm的诊断准确率提高到57.6%。实验表明,内窥光学相干层析技术在牙齿根裂临床诊断中具有良好的应用前景。     

内窥式扫频光源光学相干层析系统的探头设计

利用自聚焦透镜和单模光纤搭建了基于光纤旋转连接器的内窥式扫频光源光学相干层析成像系统.利用Zemax模拟了内窥探头的光学性能,分析了光纤到自聚焦透镜的距离和自聚焦透镜节距对探头性能参量的影响.在综合考虑元器件成本以及成像要求后,选择无需定制,节距为0.24Pitch的自聚焦透镜,确定光纤与自聚焦透镜之间的距离为0.7mm.经实验测得该系统的横向分辨率约为19.5μm,纵向分辨率约为9μm,工作距离约为7mm,成像深度为6.2mm(空气中),与理论值接近.为了验证该系统对生物组织的成像性能,利用该系统对猪食道进行离体成像,重建后的层析图中可以明显地观察到猪肠道的表皮层和固有层.测量系统的各项成像性能参量以及对生物组织的成像性能表明该探头在内窥成像中是可行的.     

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     

基于拉锥结构的全光纤型内窥OCT探针研究

本文报道了一种基于拉锥结构的全光纤型内窥光学相干层析成像探针. 基于大纤芯多模光纤的低光束发散特性, 使用大纤芯多模光纤代替透镜作为成像元件, 并在单模光纤与大纤芯多模光纤之间引入过渡拉锥段以减少插入损耗. 首先利用光学仿真软件(Rsoft)确定探针的最佳结构, 然后通过拉锥、切割以及熔接工艺实现探针制作, 并对探针的出射光束特性与插入损耗进行测量, 最后将该探针与扫频光学相干层析成像主系统联机, 对人体指尖皮肤及鸡气管壁组织进行成像. 该探针直径为250 μm, 不锈钢保护管外径为325 μm, 硬端长度1 cm, 插入损耗约为0.3 dB, 空气中有效成像范围达800 μm. 该探针为内窥光学相干层析成像技术在心血管疾病的应用提供了高紧凑度、高传输效率与高灵活性的选择.     

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。     

光纤型光学相干层析成像系统的研制

光学相干层析(OCT)成像技术是一新近发展的高分辨力生物医学成像手段,能非侵入性地对活体内部的结构与生理功能进行可视化观察。采用宽带近红外光源,基于迈克耳孙干涉原理和外差探测方法,建立了单模光纤型光学相干层析成像系统,相干地提取从生物体内部返回的深度分辨的弹性散射光信息,并依此构筑了自然状态下活体组织的二维光学相干层析成像图像和三维光学相干层析成像图像。光纤化设计的光学相干层析成像系统紧凑、灵活,便于与光纤导管、内窥镜和其它成像装置的有机结合,以拓展其观察范围和应用领域。     

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.     

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.     

Fiber-optic-bundle-based optical coherence tomography

A fiber-optic-bundle-based optical coherence tomography (OCT) probe method is presented. The experimental results demonstrate this multimode optical fiber-bundle-based OCT system can achieve a lateral resolution of 12 microm and an axial resolution of 10 microm with a superluminescent diode source. This novel OCT imaging approach eliminates any moving parts in the probe and has a primary advantage for use in extremely compact and safe OCT endoscopes for imaging internal organs and great potential to be combined with confocal endoscopic microscopy.     

基于菲佐干涉仪与多通道光电倍增管阵列的多普勒频移检测技术

提出了基于菲佐干涉仪和多通道光电倍增管(PMT)阵列探测器组合的多普勒频移检测的方案,适用于风速测量的直接探测多普勒激光雷达。首先介绍了工作原理,再根据菲佐干涉仪光谱特征对频移检测用干涉仪进行了优化设计,优化设计的菲佐干涉仪腔长150mm、平板反射率0．755。对提出的菲佐干涉仪和多通道光电倍增管阵列探测器组合的方案进行了数值模拟,以分子散射作为背景噪声,计算了该方法的风速测量误差。模拟结果表明,设计的基于菲佐干涉仪的直接探测多普勒测风激光雷达,在30 s的积分时间内、探测高度5 km以下,风速测量误差可以达到0．56 m/s。     

Non-Scanning Optical Coherence Tomography Using Off-Axis Interferometry with an Angular-Dispersion Imaging Scheme

We present a non-scanning approach for real-time optical coherence tomography (OCT). Our approach is based on an off-axis interferometer that laterally projects the time-of-flight or depth information of the sample onto an image sensor. To facilitate the use of an off-axis interferometer in OCT, an angular-dispersion imaging method has been developed. Theoretical analysis and experimental results are presented to demonstrate that this method is capable of demodulating the interferogram and thus permits a direct inspection of the depth-resolved image. Depth resolution and detection range of the present method are also studied.     

Micromotor endoscope catheter for in vivo, ultrahigh-resolution optical coherence tomography

A distally actuated, rotational-scanning micromotor endoscope catheter probe is demonstrated for ultrahigh-resolution in vivo endoscopic optical coherence tomography (OCT) imaging. The probe permits focus adjustment for visualization of tissue morphology at varying depths with improved transverse resolution compared with standard OCT imaging probes. The distal actuation avoids nonuniform scanning motion artifacts that are present with other probe designs and can permit a wider range of imaging speeds. Ultrahigh-resolution endoscopic imaging is demonstrated in a rabbit with <4-microm axial resolution by use of a femtosecond Cr:forsterite laser light source. The micromotor endoscope catheter probe promises to improve OCT imaging performance in future endoscopic imaging applications.     

标准球面透镜的几何特性与误差分析

标准球面透镜是斐索型干涉仪的核心器件，综述标准球面透镜的几何特性和误差。分析标准球面透镜在干涉照明光路和成像光路中的作用，重点介绍并实验验证了球面干涉成像的R-sinθ几何特性关系模型，给出了采用Q非球面实现非球面分裂的新型设计方法，以及2片式非球面标准球面透镜结构的实例，概述了针对小F数标准球面透镜球面干涉腔中的待测球面调整误差和移相空间非均匀性误差的研究成果，介绍了校正球面干涉腔中误差的波面差分算法，指出在近标准球面透镜焦点位置测量球面时的回程误差影响，从物像共轭关系角度解释了近焦点位置回程误差较大的原因，比对分析了标准球面透镜的透射波前与斜率对回程误差的影响。提出了在设计标准球面透镜时需注意的几何特性关系，以及使用标准球面透镜时易产生的误差和相应的抑制方法。     

A compact ESPI system for displacement measurements of specular reflecting or optical rough surfaces

A stable and compact speckle interferometer for doing out-of-plane displacement measurements on reflective as well as diffusely scattering object surfaces is demonstrated. The set-up is based on a nearly path length compensated interferometer of the Fizeau type and uses diffuse illumination of the object combined with a speckled reference wave. This combination eliminates the need for special optical components, and the interferometer can be built of commonly available components. The diffuse illumination wave is obtained by scattering coherent light from a diffusely scattering surface. The speckled reference wave is established by reflecting a part of the diffuse illumination wave from a glass plate placed in front of the object. Besides relaxing the alignment tolerances of the set-up, the diffuse illumination eliminates the need for any preparation of the surface under test, which turns the system into a candidate for testing micro mechanical systems. When using the interferometer for measurements of the eye, the risk of focusing the laser beam on the retina is decreased due to the diffuse object illumination.     

In situ measurement of group refractive index using tandem low-coherence interferometer

The group refractive index of BK-7 glass material is accurately measured using a tandem low-coherence interferometer, which is composed of a Mychelson interferometer and a Fizeau interferometer, within a combined standard uncertainty of 8.4 ppm. The experimental results are compared with the value calculated from the conventional data base on the phase refractive index, within a difference of about 4.7 ppm. This new method is applicable to in situ measurement due to the principle of its common optical path.