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.     

分子超光谱成像系统及其生物医学应用

设计出一种基于AOTF(acousto-optic tunable filters)的分子超光谱成像系统(MHSI).整个系统由显微镜、分光计、CCD镜头、数据采集卡和计算机等几部分组成.系统的光谱范围为550～1 000 nm,可采集225个波段,光谱分辨率优于2nm,空间分辨率达到0.3μm.由于系统的光源对样本的...     

线照明并行谱域光学相干层析成像系统与缺陷检测应用研究

针对玻璃缺陷在线无损检测的迫切需求,本文报道了一种基于线照明并行谱域光学相干层析成像系统的大视场检测系统.该系统采用快速面阵CMOS相机,单次拍摄即可获取完整的横截面(B-scan)图像.基于线照明面阵探测器的并行谱域光学相干层析成像系统,可以同时获取沿线照明方向各位置处的深度分辨信息,避免了横向扫描机构的应用.研制系统的轴向分辨率为17.9μm,并行方向上的横向分辨率55.7μm,扫描方向上的横向分辨率为24.8μm,轴向扫描速率为128 000 A-scan/s,横向视场为32 mm,空气中成像深度大于6 mm,成像灵敏度达到62 dB以上.利用研制的线照明并行谱域光学相干层析成像系统,开展了不同类型玻璃表面及其内部缺陷的检测应用研究.     

谱域光学相干层析系统中基于解卷积方法的像质优化

谱域光学相干层析（spectral domain optical coherence tomography, 简记为SD-OCT）系统的轴向点扩散函数（point spread function, 简记为PSF）并不具备空不变特性,无法直接应用于解卷积运算.为实现SD-OCT系统成像质量基于解卷积算法的优化,本文采用数值校正后的轴向扫描信号和轴向有效PSF来实施基于Lucy-Richardson算法的解卷积运算,进而实现了SD-OCT系统中图像质量尤其是轴向分辨率的改善.本文理论分析了SD-OCT系统中导致轴向有效PSF随成像深度增大而下降和图像模糊的因素,阐述了利用解卷积算法实现图像质量优化的过程,基于建立的SD-OCT系统实施了不同成像深度位置处PSF的标定,并利用离散轴向位置处PSF的峰值拟合了轴向有效PSF的调制函数.利用调制函数对所有轴向扫描信号进行数值校正,然后根据轴向有效PSF进行解卷积算法.典型样品的解卷积图像重建结果表明,提出的解卷积方法能有效提高系统的轴向分辨率,同时有效抑制系统灵敏度随成像深度增大而下降的趋势.     

可见光液晶光谱成像系统研究

利用向列相液晶材料的电控双折射效应,研制了用于可见光波段光谱调谐的大口径液晶可调滤光片,透过光谱测试表明,该滤光片在可见光波段(420~700 nm)以20 nm光谱分辨率可实现连续调谐和任意波长选择。利用该滤光片搭建了一种小型光谱成像系统,并在实验室内对若干样品进行了测试,结果表明,该系统可同时实现高图像分辨率和高光谱分辨率光谱成像,具备高、超光谱分辨率光谱成像的应用潜力,在生物医学、环境保护和资源探测等领域具有较好的应用前景。     

谱域光学相干层析系统中基于解卷积方法的像质优化

谱域光学相干层析（spectral domain optical coherence tomography, 简记为SD-OCT）系统的轴向点扩散函数（point spread function, 简记为PSF）并不具备空不变特性,无法直接应用于解卷积运算.为实现SD-OCT系统成像质量基于解卷积算法的优化,本文采用数值校正后的轴向扫描信号和轴向有效PSF来实施基于Lucy-Richardson算法的解卷积运算,进而实现了SD-OCT系统中图像质量尤其是轴向分辨率的改善.本文理论分析了SD-OCT系统中导致轴向有效PSF随成像深度增大而下降和图像模糊的因素,阐述了利用解卷积算法实现图像质量优化的过程,基于建立的SD-OCT系统实施了不同成像深度位置处PSF的标定,并利用离散轴向位置处PSF的峰值拟合了轴向有效PSF的调制函数.利用调制函数对所有轴向扫描信号进行数值校正,然后根据轴向有效PSF进行解卷积算法.典型样品的解卷积图像重建结果表明,提出的解卷积方法能有效提高系统的轴向分辨率,同时有效抑制系统灵敏度随成像深度增大而下降的趋势. 关键词： 谱域光学相干层析 Lucy-Richardson解卷积 有效点扩散函数     

基于法布里-珀罗调谐滤波器的傅里叶域锁模扫频激光光源

报道了一个光纤型1300 nm波段的傅里叶域锁模(Fourier domain mode locking, FDML)扫频激光光源, 用于扫频光学相干层析成像技术 (optical coherence tomography, OCT) 成像. 本实验扫频激光光源采用包含增益介质、调谐滤波器和延迟线组成的长腔激光谐振腔以及光功率增强单元. FDML扫频激光光源具有快速和高度稳定运转模式, 相位稳定性好. 基于法布里-珀罗调谐滤波器(fiber Fabry-Perot tunable filter, FFP-TF)的FDML扫频激光光源扫频范围为130 nm, 半高全宽为70 nm, 输出平均功率是11 mW. 与基于FFP-TF的短腔的扫频光源做了对比研究, FDML扫频光源速度从短腔的8 kHz提高到了48.12 kHz, 对应生物组织OCT成像轴向分辨率为7.8 μm, 比短腔的减小了1.9 μm. 关键词： 光学相干层析技术 扫频激光光源 傅里叶域锁模 法布里-珀罗调谐滤波器     

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     

新型分子高光谱成像系统性能分析及数据预处理

将分子成像技术和高光谱技术相结合,研制了基于AOTF(Acousto-optic Tunable Filters)的分子高光谱成像系统。系统由显微镜、分光仪、CCD镜头、图像数据采集卡和计算机等几部分组成。在综合考虑各功能部件的性能及相互的制约关系的基础上,分析了系统的性能指标,系统的光谱范围从550～1 000 nm,可采集200个波段,空间分辨率可达0.061 5 μm,光谱分辨率可达2 nm,当CCD工作在积分模式下采集速度可达到2.612 5 s·B-1,当CCD工作在非积分模式下可达到约0.11 μs·B-1。由于受系统光源和光路中透镜及传感器性能的影响,采集到的图像数据需要进行预处理,文中提出一种空间维和光谱维联合校正的灰度校正系数算法,并给出算法的具体实现。以白血病的血液作样本,通过对比校正前后的单波段图像、伪彩色图像和光谱曲线,说明校正算法的有效性,为后续的光谱图像数据分析提供了有效的数据。     

基于离轴两反利特罗结构的棱镜高光谱成像系统的光学设计

为满足高光谱成像系统高空间分辨率和高光谱分辨率的要求,并应对实际应用中对仪器小型化、轻量化、高光学效率的新需求,研究一种基于利特罗结构的棱镜色散高光谱成像系统,采用离轴两反的利特罗结构形式减小光学系统的体积,同时为平面棱镜提供准直光路,并以宏编程的优化方式,避免系统中光路干涉。结果表明,通过非球面反射镜和双校正透镜的设计,该光学成像系统的谱线弯曲均小于2.1 μm,色畸变小于1.3 μm,控制在18%像元内,在400～1 080 nm可见—近红外(VNIR)工作波段的光学调制传递函数(MTF)均达到0.9以上,光谱分辨率为1.6～5.0 nm,光谱透过率在51.5%以上,系统在整个工作光谱范围都具有较高的透过率和像质。     

Spectral domain optical coherence tomography imaging with an integrated optics spectrometer

We designed and fabricated an arrayed-waveguide grating (AWG) in silicon oxynitride as a spectrometer for spectral domain optical coherence tomography (SD-OCT). The AWG has a footprint of only 3.0 cm × 2.5 cm, operates at a center wavelength of 1300 nm, and has 78 nm free spectral range. OCT measurements are performed that demonstrate imaging up to a maximum depth of 1 mm with an axial resolution of 19 μm, both in agreement with the AWG design parameters. Using the AWG spectrometer combined with a fiber-based SD-OCT system, we demonstrate cross-sectional OCT imaging of a multilayered scattering phantom.     

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.     

Supercontinuum generation at 1.55μm using highly nonlinear photonic crystal fiber for telecommunication and medical applications

In this paper, we present a theoretical calculation of a highly nonlinear germanium (Ge) doped photonic crystal fiber with all-normal group velocity dispersion to design a supercontinuum (SC) light source at 1.55 μm. By doping 3% higher refractive index Ge inside the host silica, the nonlinear coefficient is increased to a value as large as 60.5 W^?1 km^?1 at 1.55 μm. A 10 dB bandwidth of a 120 nm SC spectrum for a 2.5 ps input optical pulse and a 10 dB bandwidth of a 190 nm SC spectrum for a 1.0 ps input optical pulse have been found using the same fiber length of 200m and input optical power of 18 W. The coherent lengths of the generated SC light sources are found to be 8.8 μm for a 2.5 ps input optical pulse and 5.6 μm for a 1.0 ps input optical pulse. Therefore, the highest longitudinal resolution at 1.55 μm is found to be about 4.0 μm for biological tissues.     

High-speed, high-resolution optical coherence tomography retinal imaging with a frequency-swept laser at 850 nm

High-speed, high-resolution optical coherence tomography (OCT) imaging of the human retina is demonstrated using a frequency-swept laser at 850 nm. A compact external cavity semiconductor laser design, optimized for swept-source ophthalmic OCT, is described. The laser enables an effective 16 kHz sweep rate with >10 mm coherence length and a tuning range of approximately 35 nm full width at half-maximum, yielding an axial resolution of <7 micro m in tissue.     

Parallel optical coherence tomography using a CCD camera

Parallel optical coherence tomography is demonstrated using a 12-bit scientific-grade charge-coupled device array.A superluminescent diode in combination with a free-space Michelson interferometer was employed to achieve 10-μm axial resolution and 1.1-μm transverse resolution on a 902×575 μm2 field of view.We imaged a test mirror and bovine retinal tissue using a four-step phase shift method.     

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.     

In vivo imaging of intrinsic optical signals in chicken retina with functional optical coherence tomography

Visually evoked intrinsic optical signals (IOSs) were measured in vivo for the first time to our knowledge from all retina layers of the chicken retina with a combined functional optical coherence tomography and electroretinography (ERG) system. IOS traces were recorded from a small volume in the retina with 3.5 μm axial resolution and 7 ms time resolution. Comparison of the IOS and ERG traces shows a correlation between the positive and negative IOS measured from different retinal layers and the timing of the a and b waves in the ERG recording.     

Adaptive optics optical coherence tomography for retina imaging

When optical coherence tomography (OCT) is used for human retina imaging, its transverse resolution is limited by the aberrations of human eyes. To overcome this disadvantage, a high resolution imaging system for living human retina, which consists of a time domain OCT system and a 37-elements adaptive optics (AO) system, has been developed. The AO closed loop rate is 20 frames per second, and the OCT has a 6.7-μm axial resolution. In this paper, this system is introduced and the high resolution imaging results for retina are presented.