复谱频域OCT成像的研究

采用频域技术的OCT系统，深度扫描信息由背向散射光谱的傅立叶反变换获得，简化了轴向扫描过程，从而使快速OCT成像成为可能．为了实现复杂生物组织的OCT快速成像，消除谱频域OCT的“混叠”现象、重建样品的真实层析结构，本文引入了相移干涉技术，构建了一套满量程复谱频域OCT实验系统，并为系统设计了特殊的分束镜和移相器，为最终实现复杂生物组织的OCT快速成像提供了条件．     

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。     

扫频光学相干层析成像应用于判断黏液型胃癌边界区域

为了在癌症外科手术中提供实时反馈,更精确地切除癌症组织,从而在术中导航领域展现应用潜力,利用光学相干层析成像(OCT)系统对39例胃癌患者肿瘤组织成像,并与对应位置的病理切片进行对比。结果表明:有效的38个病例的OCT图像能清晰地分辨癌症组织与正常组织的差别,其中有4例黏液型胃癌,黏液型胃癌的肿瘤分泌的黏液会破坏胃组织的层状结构,导致纹理紊乱,黏膜残缺;黏液对光的背向散射更弱以及与黏膜组织的背向散射对比相差更大使得黏液型胃癌的OCT图像成像更清晰,B型超声扫描(B-scan)的OCT图像能够分辨该种类型癌症的边界区域;将B-scan的OCT图像进行三维(3D)重建后显示整个成像区域的体结构,经过表面展平后提取深度方向上不同层的切面图像,提供了另一维度视角观察胃癌组织的边界区域,与B-scan图像交叉验证可以显示优异的区分效果。     

利用激光背向散射成像的马铃薯品质智能分级

激光背向散射成像是激光与生物组织相互作用产生散射光的成像,在农产品的品质分类中有着广泛的应用。利用激光背向散射成像技术与深度学习,实现马铃薯在不同存储情况下的品质分类。对激光背向散射进行理论分析,搭建激光背向散射成像的数据采集系统,对马铃薯样品进行激光背向散射图像采集,得到新鲜马铃薯、冰箱存储与室温存储马铃薯的激光背向散射成像数据集。对数据集利用改进后的VGG16网络进行训练,并与DenseNet121网络、原始VGG16网络的训练结果进行对比。结果显示,改进后的VGG16网络对数据集的分类准确率为95.33%。由此表明,激光背向散射成像结合深度学习可以实现马铃薯品质的智能分级。     

OCT系统对人体牙齿组织的非失真成像深度的研究

利用基于蒙特卡罗方法的牙组织光学相干层析(OCT)成像模型,研究了不同牙组织的OCT非失真成像深度。通过模拟入射高斯光束以及光在牙组织中的传输,分别获得了单层牙釉质、单层牙本质以及两层牙组织结构的二维仿真OCT图像,与实验结果具有定性的一致性。通过分析二维仿真OCT图像所对应的一维OCT信号,分别得到了三种牙组织结构的平均非失真成像光学深度。研究结果表明,OCT系统对牙齿组织的非失真成像光学深度在150~2400μm之间,其中牙釉质的非失真成像深度要远大于牙本质的成像深度。所得的结果对于在实验中利用OCT图像对组织结构有效信息进行判断具有一定的参考价值。     

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。     

采用层析法对实际三维数据深度图的全息计算

提出利用层析法计算实际三维数据的强度图和深度图生成全息图的方法。根据层析法的原理,把复杂三维数据按照深度图的灰度值分成多层物面信息,并根据深度图把每层物面的深度转换成菲涅尔衍射距离。采用角谱算法分别对每层物面进行菲涅尔衍射计算,得到三维物体的全息图。研究结果显示该方法可以快速、准确地对实际复杂的三维物体进行全息图的记录和再现。     

基于子谱分析的白光频域OCT

为了提高频域OCT系统轴向分辨率和信噪比,提出了一种采用白光光源的频域OCT系统,研究了所用的CCD相机的横向像素数、白光光源的光谱与系统轴向分辨率之间的关系,建立了一种基于子谱分析的白光频域OCT系统。通过选择所需的白光光源及其接收频段,既能保证最大探测深度和高轴向分辨率,又能提高信噪比。实验结果验证了所提出的光源的相干长度和系统及图像轴向分辨率测量方法,证明了白光频域OCT的可行性。     

全光非接触光声层析及光学相干层析双模成像

提出全光非接触光声层析成像(nc PAT)与光学相干层析(OCT)双模成像的新方法,用于同时获取物体的吸收分布图像和散射分布图像。搭建nc PAT-OCT双模成像系统,采用同一探测光源、同一干涉系统用于提高系统稳定性;采用同步触发模式来确保双模成像在数据采集时间上的同步性;使用共同样品臂来保证采样区域在空间上的一致性。并在此基础上实现同时对同一个样品进行PAT和OCT两种模式成像,实验结果表明两种模式成像能够很好地匹配,而且可以在不同模式下获得不同的信息。     

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.     

Substance identification by depth resolved spectroscopic pattern reconstruction in frequency domain optical coherence tomography

We analyze a method to extract additional depth resolved spectroscopic information from frequency domain optical coherence tomography (FDOCT) data. The reconstruction of depth resolved spectra is obtained by a Fourier transform of the individual peaks in the complex FDOCT depth profiles. We demonstrate a validation of this concept with theoretical simulations and with accurate experimental studies on a multilayer sample with four different characteristic absorbers. The spatially resolved spectroscopic patterns of all individual sample layers are calculated from the depth resolved reconstructed spectra. With an additional pattern recognition algorithm, these reconstructed patterns are compared automatically to the spectral characteristics of the expected substances. This provides an allocation of the reconstructed spectra to the substances with high reliability. Thus, we present an automated substance identification directly from conventional FDOCT data, which increases significantly the information content of the image.     

Superresolution vibrational imaging by simultaneous detection of Raman and hyper-Raman scattering

We have developed a superresolution vibrational imaging method by simultaneous detection of Raman and hyper-Raman scattering. Raman and hyper-Raman images obtained with the same laser spot carry independent information on the sample spatial distribution, owing to different signal dependence (linear in Raman and quadratic in hyper-Raman) on the incident light intensity. This information can be quantitatively analyzed to recover the incident light intensity distribution at the focal plane. A superresolution vibrational image is then derived by the constrained deconvolution of the images by the obtained incident light intensity distribution. This method has been applied to a TiO? nanostructure and the obtained superresolution image was compared with a scanning electron microscopy image. The spatial resolution achieved by the present method is evaluated to be 160 nm, which is more than twice better than the diffraction limited resolution.     

皮肤组织容积脉搏波400~1000 nm光谱特性仿真研究

根据皮肤组织解剖结构特性建立了六层层状模型,并给出了皮肤组织各层的特性参数;考虑了氧合血红蛋白和还原血红蛋白的吸收特性,依据皮肤组织各层的水、血、脂肪、血氧饱和度含量以及血管大小给出了皮肤组织各层的光谱吸收系数;对不同波长散射系数做了适当简化,给出了皮肤组织各层的光谱散射系数。利用蒙特卡罗方法仿真血管组织在收缩与舒张两种状态下, 400~1 000 nm波长光在皮肤组织多层模型中的传输过程,并通过统计大量光子的分布特性,获得了皮肤组织光谱反射系数,并利用模拟所得的两种状态下的反射系数计算得到了光谱容积脉搏波幅度。仿真结果表明,当入射光强一定时,绿光的容积脉搏波幅度优于红光和蓝光。通过计算不同波长光沿皮肤组织深度方向光能流率衰减为1/e时对应的皮肤组织深度,获得了皮肤组织光谱穿透深度。结果显示,血管舒张状态下蓝光和绿光的穿透深度较小,蓝光大部分只能达到表皮层,绿光能到达微循环层,红光可直达真皮层。考虑到光在皮肤组织中传播包含了一个从收缩到舒张的动态过程,基于此,根据穿透深度定义了脉搏波信号产生深度,利用血管舒张与收缩两种不同状态下的穿透深度计算得到了光谱产生深度。结果表明,不同波长光产生深度大于其穿透深度,蓝光产生深度较浅,且其受到的血液吸收调制较小,因而其获得的脉搏信号易受噪声干扰;红光的容积脉搏波产生深度较大,但是相比于绿光其受血液吸收调制较小,且绿光产生深度足够达到真皮血管层,因而红光容积脉搏波的幅度小于绿光。上述仿真结果明确了皮肤组织部分光谱特性,为皮肤组织多光谱容积脉搏波的精确获取及其他相关研究提供了一定的理论基础。     

Parallel frequency-domain optical coherence tomography scatter-mode imaging of the hamster cheek pouch using a thermal light source

We use a parallel frequency-domain optical coherence tomography (FDOCT) system to generate a scatter-mode image of the hamster cheek pouch epithelium. To our knowledge, this is the first optical coherence tomography (OCT) image of a biological sample obtained using a thermal light source in the frequency domain. The system employs an imaging spectrometer to acquire depth-resolved profiles from adjacent spatial points without the need for any scanning. To enable this imaging modality, we have considered that signals originating from multiple depths combine in a different manner in FDOCT compared to time-domain optical coherence tomography (TDOCT). Because a multicomponent FDOCT signal is a coherent sum, it is necessary to limit the number of modes that contribute to the detected signal. Conversely, multicomponent TDOCT signals can be represented as incoherent sums, where increasing the number of modes improves the signal.     

浅海被动水下偏振成像探测方法

针对传统被动水下偏振成像方法忽略水体对光的吸收效应,成像结果中存在严重的色彩失真,且并未深入发掘利用背景散射光中包含的场景信息的问题.提出浅海被动水下偏振成像探测方法,该方法从水体中背景散射光的传输特性出发,分析场景深度信息与散射光的物理关系,建立基于深度信息的水下Lambertian反射模型,实现无色彩畸变的水下目标场景清晰成像探测.实验结果表明,该方法能够提供接近水下目标真实色彩、符合人眼视觉特性的清晰探测结果,提高水下成像探测能力.     

小鼠卵母细胞染色体三维双光子荧光图像的轴向衰减

双光子荧光显微镜作为一种高分辨光学仪器,已经被广泛应用于生物样品的非侵入式三维光学成像中。相比共聚焦显微镜,双光子荧光显微镜拥有更深的探测深度。然而,即便如此,在对较厚的生物样品进行非侵入式光学三维成像时,样品的成像质量也往往会随着探测深度的增加而下降。在临床和生物学领域对研究母性遗传起重要作用的小鼠卵母细胞拥有较大的直径(80～100 μm),吸收和散射效应较为明显。本文研究小鼠卵母细胞染色体的三维双光子荧光图像随探测深度增加图像质量的衰减程度。通过对所得图像进行轴向衰减矫正,利用体积作为参数,将矫正前后小鼠卵母细胞内染色体三维双光子荧光图像进行对比。结果表明,由于吸收和散射效应,卵母细胞存在较严重的光学轴向衰减问题,因此,对用双光子荧光三维成像手段获得的小鼠卵母细胞图像进行衰减矫正是有必要的。这为进一步精确定量的研究卵母细胞内染色体的三维构像打下良好的基础。     

太赫兹量子阱光电探测器光栅耦合的模拟与优化

光栅耦合是量子阱光电探测器探测正入射电磁辐射的常用耦合方法,本文采用模式展开法研究了一维金属光栅太赫兹量子阱光电探测器中的电磁场分布,并给出了器件有源区中的平均光强.研究结果表明,若一维光栅的周期与太赫兹波在器件材料中的波长相当,并且根据器件结构选取合理的光栅占空比,可使器件中的平均光场最强,光栅的光耦合效率最高,从而提高器件的响应率. 关键词： 太赫兹 量子阱光电探测器 光栅     

反射光偏振特性分析与物体形状的测量

基于反射光偏振特性,提出了利用图像处理技术测量透明物体三维形状的理论和方法.分析了物体表面反射光的偏振特性,表明自然光在经透明物体表面反射后,反射率随光的振动方向不同而不同,即反射光表现出部分偏振光的特性.研究了强度反射率与入射角以及光强与偏振片方向之间的函数关系,得到了光强大小与入射面方向的关系;根据偏振度概念并结合菲涅耳公式和折射定律,建立了偏振度和入射角之间的表达式,可求得物体表面法线方向,进而得到透明物体的形状.研制了光学实验平台,获得了物体反射光的偏振图像,经过图像处理,获得了被测物体的三维形状.实验结果表明,这种方法对透明物体形状测量是有效和实用的.     

拉曼高光谱成像系统中光在奶粉层的穿透深度研究

拉曼高光谱成像技术不仅可以获取样本的空间分布信息,图像上每个像素点还包括了完整的光谱信息,因其信息量丰富的特点已在食品安全检测方面得到了应用。本研究探索拉曼高光谱成像系统中光在奶粉层中的穿透深度,以及采集参数和奶粉类型对穿透深度的影响。实验选取均匀奶粉层样品放置于厚度为5 mm的三聚氰胺样本之上,检测奶粉层厚度为0.8～4.0 mm时的三聚氰胺特征峰强度,以此评估光在奶粉层中的穿透性和信号衰减情况。结果显示当奶粉层厚度一定时,随着激光功率变大,拉曼特征峰值随之增加,此外更长的曝光时间也可以使拉曼信号得到增强。在激光功率不小于2 W且曝光时间不小于500 ms时,光在全脂奶粉层的穿透深度可达4 mm。奶粉层厚度在0.8～4.0 mm范围内,穿透奶粉层的拉曼信号随着奶粉层厚度增加呈指数式衰减。在激光功率为8 W、曝光时间为1 000 ms的条件下,光在全脂、低脂和脱脂奶粉层的穿透深度均达到了4 mm。在相同测量厚度下,通过脱脂奶粉层接收的拉曼信号弱于通过全脂和低脂奶粉层接收的拉曼信号强度。研究结果为拉曼高光谱检测中奶粉样品的前处理提供了有益参考。     

X射线衍射多晶谱计算机深度层析技术探索

提出了一种可用于将来自不同真实深度处的X射线衍射谱信息各自分离出来的技术方案,可以得出不同深度处的衍射强度、峰位和线形.该方法是定量和无损的,并且其深度尺度是真实尺度.此外并提出了吸收深度的概念.这一技术可称为直接法X射线衍射计算机深度层析技术,其可行性用Ni/Mo.双层膜样品进行了初步验证.该方法可应用于定量无损地测量峰形、峰位和峰强的深度剖面,并有可能用于界面层分析. 关键词：