（光学工程专业论文）oct轴向超分辨研究.pdf

摘要 光学相干层析成像术( o p t i c a lc o h e r e n c et 0 m o g r a p h y ，0 c t ) 是一种将低相 干迈克尔逊干涉仪和共焦扫描显微术相结合的极具潜力的新型光学成像方法。其 轴向分辨率由光源带宽和探测光束的聚焦条件共同决定。目前用来提高0 c t 轴 向分辨率的方法主要基于带宽光源技术。本文提出一种将光学超分辨术与o c t 相干门有机结合的方法来提高o c t 的轴向分辨率。通过适当形式的光瞳滤波器， 使0 c t 系统轴向响应的主瓣宽度缩小到相干门之内，而其旁瓣则处于相干门之 外，不对相干成像产生有效贡献。这样能够在光源带宽不变的条件下，有效提高 o c t 的轴向分辨率，避免了采用宽带光源所带来的费用昂贵和系统复杂等缺陷。 本文从三维点扩散函数理论出发，针对o c t 的结构特点，结合o c t 轴向超 分辨要求对几种典型的振幅型光瞳滤波器和位相型光瞳滤波器做了详细的数值 分析和讨论。最后在o c t 系统平台上进行了轴向超分辨初步实验研究。 本文正文部分共分为五章。第一章概述了光学超分辨研究技术的发展趋势。 介绍了o c t 相关原理，总结了当前提高o c t 轴向分辨率的各种方法，阐述了利 用超分辨术改善o c t 轴向分辨率的种种优势。第二章是光学超分辨理论基础， 对焦点附近点扩散函数的性质进行了详尽分析。结合不同光瞳滤波器的特点讨论 了评价光学超分辨效果的影响因子。第三章仔细考察了o c t 的轴向超分辨要求， 按照这个标准对振幅光瞳滤波器和位相型光瞳滤波器作了详细的理论推导，得出 了两种适用于o c t 轴向超分辨的理论方案。第四章将理论方案与实际的o c t 系 统相结合，采用三区位相型光瞳滤波器进行了o c t 轴向超分辨实验研究，并分 析了影响超分辨效果的各种因素。第五章对课题作出总结并提出了今后需要努力 的方向。 关键词：光学相干层析成像( o c t ) 、光学超分辨术、轴向分辨率、光瞳滤波器 a b s t r a c t 0 p t i c a lc o h e r e n c et o m o g r 印h y ( o c t ) i sa ne m e 唱i n gm o d a l i t yw h i c hc o m b i n e s c o n f o c a ls c a n n i n gm i c r o s c o p ya f l dl o wc o h e r e n c ei n t e 瓜r e n c et e c h n o l o g ya x i a l r e s o l u t i o ni no p t i c a lc o h e r e n c et o m o g r a p h y ( o c t ) i m a g i n gi sd e t e r m i n e db ym e c o h e r e n c ei e n g t l lo f1 i g h ts o u r c ea n dt h eb e a m f o c u s i n gc o n d i t i o n c u r r e n t l y ，t l l em o s t a d o p t e d 印p r o a c hf o ra c h i e v i n g1 1 i 曲a x i a l r e s 0 1 u t i o ni no c ti su s i n gal i g h ts o u r c e w i mab r o a d c nb a n d w i d m i nt 1 1 i st h e s i sw ep r o p o s ea i la l t e i n a t i v em e t h o dt oi n c r e a s e t h ea x i “r e s 0 1 u t i o no fo c tb yc o m b i n i n gc o h e r e n c eg a t i n gw i t hs u p e r r e s o l u t i o n t h r o u 曲a na p p r o p r i a t ep h a s ef i l t e l i nt l l ep r o p o s e do c t s y s t e m ，t l l e 谢d t 王lo ft h e c e m r a l l o b eo ft h ea x i a lp o i n ts p r e a df i m c t i o ni sn a r r o w e d 、v i t h i nt h ec o h e r e n c eg a t e o ft h el i g h ts o u r c e ，w h i l ei t ss i d e l o b e sa r el y i n go u 忸i d ew i t h o u tc o n t r i b u 虹n gt o c o h e r e n c ei m a g i n g i ti si nt h i s 、v a yt h a tw ec a no b t a i ni m p r o v e dr c s o l u t i o ni n0 c t s y s t e mw i t h o u tr e c u r r i n gt ob m a d e n i n gt h eb a l l d 谢d t ho fl i g h ts o u r c e ，w h i c hi s n e v e r t h e l e s sc o s t i n ga n di n c o n v e n i e n ti ni m p l e m e n t a t i o n w es t a r to f rw i t ht h et h e o r yo ft 1 1 r e ed i m e n s i o n a lp o i n ts p r e a df u n c t i o n ，a 1 1 a l y z e s u p e r r e s o l u t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fa m p l i t u d ef i l t e r sa n dp h a s ef i i t e r sb a s e do nt h e r e q u i r c m e n to fa x i a ls u p e r r e s 0 1 u t i o ni no c ts y s t e m ，a n dc a r r yo u tt h ee x p e r i m e n t u s i n ga i la s s i g n e df i l t e ro no c ts y s t e mi n1 a b o r a t o r y f o u r c h a p t e r s a r ei n c l u d e di nt h i st h e s i s i n c h 印t e r1 ，t h ed e v e l o p m e n to f s u p e r r e s 0 1 u t i o na n dt h ep r i n c i p l eo fo c t a r ei n 订o d u c e d t h em o s ta d o p t e da p p r o a c h t oi n c r e a s ea x i a lr e s 0 1 u t i o no fo c t s y s t e mi ss m m a r i z e da 1 1 ds e v e r a la d v a n t a g e so f t h e 印p l i c a t i o no fa x i a ls u p e r r e s o l u t i o ni no c ta r ep r c s e n t e d i nc h a p t e r2 ，t h e c h a r a c t e r i s t i c so fp o i ms p r e a dn m c t i o nn e a rt h ef o c u sa r ea n a i y z e di nd e t a i lb a s e do n t h em e o r yo fs u p e r r e s 0 1 u t i o n d i f f e r e n tk i n d so fo p t i c a lf i l t e r sa r ee n u r r 圮r a t e da n d t h r e ef a c t o r su s e dt oe v a l u a t et h ee f f b c to f s u p e r r e s o l u t i o na r ed i s c u s s e d i nc h 8 p t e r3 ， t h ea x i a lg a i n so fs e v e r a lc i a s s i c a lo p t i c a lf i l t e r sa r ec a l c u l a t e d a c c o r d i n gt 0t h e r e q u i r e m e n to fe n h a n c e m e mo fa ) 【i a ir e s o l u t i o ni no c tb ys u p e e s o l u t i o n t 、v o m e o r e t i cs c h e m e sa r ep u tf o 九v a r di no r d e rt oa c t u a l i z et h ea x i a ls u p e r r e s o h l t i o no f 0 c ti nc h a p t e r4 ，t h e o r e t i c a lr e s u h s 甜l dl a b o r a t o r i a lo c ts v s t e ma r ec o m b i n e d i i t h r o u 曲at h r e e z o n ep h a s ef i n e ri ne x p e r i m e n t i o u sf a c t o r st 圭l a ti n n u e n c et h e e 丘 c c t so fs u p e 玎e s o l u t i o na r e 趴a l y z e dc o n c r e t e l y i nc h a p t e r5 ，t h ep r o j e c ti ss u m m e d u pa i l df 弧h e fa s s i g n m e n t sa b o u tm ei m p r o v 锄e n to f o u rs c h e m ea r es u g g e s t e d k e yw o r d ：o p t i c a lc o h e r e n c et o m o 铲a p h y ，s u p e e s o l u t i o n ，a x i a l r e s o l u t i o n ，o p t i c a l p u p i lf i i t e r i r i 浙江大学硕士毕业论文 第一章绪论 1 1 课题意义 第一章绪论 近几十年来，生物医学科学领域迅猛发展，生命科学的研究从传统的定性研 究转为定量研究，对光学检测技术提出了很高的要求。光学相干层析成像术 ( 0 p t i c a lc o h e r e n c et o m o g r a p h y ，o c t ) 的概念自从1 9 9 1 年在美国麻省理工大 学被首次提出之后【l 】，在过去的十几年得到了飞速的发展。作为一种新兴的光学 检测技术，o c t 能无损伤地观察生物体表面以下的组织结构，具备组织病理分 析所需的高分辨率，有望成为生物光学成像研究的重要手段。为适应更多更广的 基础研究和i 晒床应用的需要，o c t 在分辨率、成像速度等方面都需要进一步提 高，其中分辨率是o c t 发展的重要指标。o c t 的轴向分辨能力决定了它的层柝 能力，我们迫切需要提高0 c t 的轴向分辨率。 目前提高o c t 轴向分辨率的方法主要是基于宽带光源技术，开发新型的宽 带光源以实现超高分辨率。如采用超快飞秒激光、克尔透镜锁模钛宝石激光、非 线性光纤、合成光源技术等等。虽然这些光源可以使0 c t 实现高达1 2 ，舰的超 高分辨率成像，但这些方法均存在费用昂贵、系统复杂、体积庞大等缺陷。 随着现代激光技术、计算机技术、精密机械及电子技术的飞速发展，超分辨 的光学成像技术应运而生。光学超分辨技术大致分为两类，一类通过采用短波波 长的方法使系统分辨率成倍提高】；二是超越经典的衍射极限，对经典分辨率 判据的改进和对分辨率概念拓展的超分辨研究，通过改变光学系统的成像结构、 成像方式或改变光瞳函数的分布等方法来提高系统分辨率【4 6 1 。自从1 9 7 7 年 s h 印p a r d 分析了共焦系统对圆环透镜的旁瓣抑制效应之后【7 。8 】，改变光瞳函数分 布，压缩系统点扩散函数主瓣宽度，以实现有限视场的超分辨术开始得到光学工 作者的重视，并开始不断完善和发展。鉴于对于分辨率改善的需求、超分辨理论 的发展以及微光学制造技术的成熟，我们考虑将o c t 与有限视场超分辨技术相 结合，实现系统分辨率的提高。利用光瞳滤波器将系统的轴向点扩散函数主瓣宽 度收缩到相干门之内，成为一种新颖、经济的提高光学相干层析成像轴向分辨率 浙江大学硕士毕业论文 第一章绪论 的方法。 o c t 具有许多独特的优点，非常适合有限视场超分辨术的运用。o c t 采用 外差交流探测技术，逐点探测样品信号，然后通过计算机作后续处理与图像重构， 部分缓解了超分辨术引起的光强衰减问题。另外，其共焦特性所保证的双点扩散 函数相乘作用为系统点扩散函数的调整以及相应的光瞳函数的设计提供新的自 由度和灵活性。经超分辨术形成的点扩散函数，旁瓣会有较大幅度的提高，双点 扩散函数的相乘特性本身就可以对旁瓣加以抑制，确保有效点扩散函数的最佳性 能。此外，如果对光瞳函数作适当改善，o c t 固有的相干门可以完全抑制增强 的旁瓣对于成像的影响，避免最终探测图像像质的下降。这是o c t 相对其他光 学成像系统而言，运用超分辨术提高轴向分辨率的主要优势。由此可见，基于光 瞳滤波器的光学超分辨术有望在o c t 中得到实际运用。 本课题研究基于上述考虑而选定，希望通过o c t 与有限视场超分辨术的结 合，妥善解决超分辨术在实际应用中的诸多限制，提高o c t 系统的轴向分辨率。 通过对本课题的研究促进对分辨率概念的完善和深入理解，探索出一套应用于 o c t 系统、改善其轴向分辨率的新概念和新方法。 1 2 光学超分辨概述 1 2 。1 关于分辨率问题的讨论 光学系统的空间分辨率是一个非常常用的概念，但是关于它的具体定义和描 述却有许多不同的见解。所有的经热分辨率标准都是针对等强度的两个点而言 的。最著名也是最为广泛采用的经典分辨率标准为r a y l e i 曲标准【皿”】。按照 r a y l e i 曲标准，两个等强度点恰好被分辨的条件是一个点的衍射斑的最大值与另 一点衍射斑的第一零值重合。因此r a y l e i 曲标准下的分辨率极限由光学系统的 强度点扩散函数的主瓣峰值点到第一零值点的距离所决定。r a y l e i 曲分辨率标准 是以人眼视觉的分辨能力作为参考依据的，它还可以推广到光学系统的点扩散函 数主瓣附近无零响应点的情形。在这种情况下，r a y l e i 曲标准定义当两点衍射斑 合成强度的中央凹陷拥有中心峰值8 l 强度时两个点扩散函数主瓣峰之问的距 浙江大学颂士毕业论文 第一章绪论 离为光学系统的分辨极限。 r e s 0 1 v e d 图1 1 经典瑞利分辨率标准 其他被沿用的分辨率标准包括b u x t o n 标准、h o u s t o n 标准以及s c h u s t e r 标准等等。b u x t o n 标准将合成衍射分布时两主瓣峰值间距与单点衍射半强度 恰好相等作为极限标准，h o u s t o n 标准与b u x t o n 标准类似，但前者基于衍射强度 分布，后者基于衍射振幅分布。s c h u s t e r 标准定义能分辨的两点之间的距离极限 是衍射斑主瓣无重叠，这个标准的分辨率极限是r a y l e i 曲分辨率极限的两倍。 r a y l e i 曲标准以人眼视觉的分辨能力作为参考依据，然而，随着探测技术的 发展，这个标准失去实际意义。假如探测器的灵敏度任意高，极小的中央凹陷也 能被探测到。为此s p a r r o w 【l 习引入一种新的分辨率标准，将合成光强分布中央处 二阶微分为零作为分辨率极限。 上述分辨率标准通常是针对横向分辨率而言的，但对于轴向分辨率同样适 用。它们均与系统点扩散函数主瓣尺度相关，因此只取决于光学系统的数值孔径 和工作波长，而与光源强度和探测器灵敏度无关。这些基于计算图像而言的分辨 率标准有很大的缺陷，它们没有将实际的合成光强可能对应多个点源的情况，以 及探测图像与照明条件和探测器之间的关系列入考虑范围。实际上，分辨率问题 应该针对探测图像进行讨论，其极限应取决于系统误差和随机误差所导致的探测 图像与计算图像之间的差异。虽然如此，经典分辨率作为一种约定，仍不失为评 浙江大学硕士毕业论文 第一章绪论 价成像系统质量的一个重要依据。光学超分辨成像术涉及到的“超分辨”也是指 超越传统的r a y l e i 曲分辨率，本文后续讨论部分将继续沿用r a y l e i g h 分辨率概 念。 1 2 2 光学超分辨技术 实现光学系统的超高分辨率是光学工作者一直追求的目标。光学超分辨技术 包括两方面的内容。一是基于传统的r a y l e i 曲分辨率意义下的超分辨研究，通 过采用短波波长的方法提高系统分辨率。二是超越经典衍射极限的超分辨研究。 超越经典衍射极限意义下的超分辨研究是对传统意义下r a y l e 迢h 判据的改 进和对分辨率概念的拓展。这种超分辨通过两种方式实现，其一是对光学系统做 一定的改变，比如改变光瞳函数，插入光栅元件以及编码光源等等。其二是基于 软件技术对图像进行后续处理，即所谓的超分辨图像复原研究。 1 8 7 4 年，r a y l e i 曲1 1 和a b b e 【1 印提出衍射效应是由有限尺度的光瞳所引起的 观点，并给出了光学系统分辨率的r a y l e 堙h 判据。他们认为，除非物镜的孔径 无限大，否则其作用相当于一个低通滤波器，只能传递有限带宽的空间频率。此 后很长一段时间内，人们一直以为这个分辨率极限是不可逾越的。直到1 9 5 2 年 t o r a l d od if r a j l c ia 【”l 把超分辨天线的概念引入光学系统，人们的看法才有所改变。 t o r a l d od if r a n c i a 提出这样一种理论：光学衍射效应并不是制约光学成像分辨率 极限的最后因素。如果没有噪音，光学分辨率应该是没有上限的。通常所说的 r a y l e i 曲分辨率只不过是一个实际的限制，并不是理论上的极限。t o r a i d od i f r a l l c i a 还具体描述了超分辨滤波器的设计方法，首次提出有限视场超分辨的概 念。但当时有限视场超分辨思想并未引起光学工作者的重视，之后的超分辨研究 仍然主要基于r a y l e i 曲标准或s p a r r o w 标准1 8 0 ”。 1 9 4 4 年，l u n e b e r g u 如指出，在所有等能量的点扩散函数中，透明光照函数 对应于最大的衍射中心强度。这意味着我们利用光瞳滤波器缩小点扩散函数中心 主瓣宽度的同时降低了主瓣的强度峰值。1 9 5 0 年o s t e r b e r g 和w i l k i n s 【2 0 ，2 5 1 阐述了 任意r a y i e i 曲超分辨的可能性，但由于旁瓣强度的增大和主瓣强度的衰减，导 致图像对比度的急剧下降，阻碍了实际应用的可行性。此后许多学者转向了能量 浙江大学硕士毕业论文 第一章绪论 优化的研究2 6 。2 8 ，3 l 】。直到1 9 6 9 年，有限视场超分辨又重新得到重视【3 2 _ 3 9 j 。1 9 5 7 年m i n s k y 【4 0 首次在扫描显微镜基础上提出共焦扫描光学显微镜的概念，共焦扫 描成像系统与常规的成像系统不同，它的振幅点扩散函数是照明物镜和集光物镜 点扩散函数的乘积。当光瞳滤波器应用于共焦系统中时，这一性质可以降低系统 的旁瓣强度。共焦系统的这种纵深分辨特性引起了光学工作者的高度重视。1 9 7 7 年s h e p p a r d 【7 首先分析了圆环透镜的旁瓣在共焦系统中被抑制的效应。从此有限 视场超分辨理论得到了有效实施，对于有限视场光学超分辨技术的研究开始逐步 发展和不断完善4 1 4 9 1 。 从信息自由度理论出发，在常规光学系统中插入必要的光学元件，是除光瞳 函数之外改变光学系统，实现光学超分辨的又一个重要途径。任何物体都不可能 是整个空间域、时间域、偏振态和色散的完整函数，它们往往是空间受限、或时 间不变、或单一偏振状态、或无色散。其中任何一个参量受限都是我们进行超分 辨信息编码的前提。根据l u k o s z 、c o x 和s h 印p a r d 【5 l l 以及l o h m a n n 5 2 - 5 4 】等人 的论述，比较可行的提高空间分辨率的方法有：a ) 利用物体的空间受限性质进行 空间编码 5 5 ；b ) 利用物体时间受限性质进行时空编码【5 6 ；c ) 只用单一偏振态传递 信息，从而使空间分辨率加倍旧；d ) 根据物体的无色散性质采用波长复用编码法 【5 8 】；e ) 基于物体一维分辨率要求对一维信号进行二维编码；f ) 牺牲图像信噪比 获取超分辨口“。不过这些方法都存在局限性，如光栅或棱镜的运用使得系统规 模变大，调整变难，以及虚假图像的产生等等。 近代光学的研究表明，光学系统的成像不但取决于光的折射、反射以及传播 特性，光的相干性对成像系统亦有重大影响。因此，y u 【6 伽和庄松林6 1 1 提出利用 编码光源照明法来实现光学超分辨。不过该技术存在光学假像问题，而且成像区 域受到限制。 除了对光学系统做必要的修改以外，超分辨还可以通过对图像的后处理来实 现。超分辨图像复原的研究与上述光学超分辨研究在历史上并驾齐驱。1 9 5 5 年 t o r a l d od if m c i a 【5 5 j 从信息论的观点阐述了光学系统分辨率问题，他认为物体经 过光学系统后大量信息丢失，从而会出现多个物体对应同一图像的情况。t 0 r a l d o d if r a l l c i a 预言，如果得到物体的预知信息，则这种多对一的模糊性可以消除。 基于这一思路，1 9 6 4 年h a r r i s 【6 2 指出，如果物体为有限尺度，则这一预知信息 浙江大学硕士毕业论文 第一章绪论 就足以彻底消除物体与图像之问的非一一对应关系。他根据物体的傅立叶级数展 开和采样定理推导了物体频谱的解析拓展公式。b a m e s r l o 俐基于s l e p i a n 和 p o l l a k 【“1 的扁长球函数系，讨论了一维相干成像系统中物体频谱的解析拓展问 题。f r i e d e n 6 5 】则将其推广到二维非相干单色成像系统和部分相干多色成像系统。 从此，超分辨图像复原研究迅速发展，至今仍然相当活跃。 需要指出的是，在光学成像系统中，光学超分辨术和超分辨图像复原术一般 都是分别加以运用，但如果将二者有效结合起来效果可能会更加理想。 综上所述，实现光学系统超高分辨率的途径有：1 、短波长成像；2 、结合有 限视场预知信息，采用光瞳滤波器改变衍射光斑分布；3 、从信息自由度理论出 发，结合物体预知信息对光信息进行合理编码；4 、根据部分相干理论采用编码 光源照明法。在本文中我们讨论的光学超分辨术是基于光瞳函数的改变改善系统 点扩散函数分布，进而提高系统分辨率的光学技术。 1 2 3 光学超分辨术的应用领域 光学超分辨技术在光学成像、微电子技术、激光打印技术、高密度光存储等 许多领域都有重要的应用【6 ”6 ”。在光存储领域，为了增加单位区域内的读写密度， 目前提高针尖分辨率的研究主要集中在如何更好地矫正高数值孔径的物镜以实 现微米或者更小量级的聚焦光斑。然而这类透镜一般对像差和装配误差的敏感程 度特别高。沿用传统的探头结构越来越难以实现紧凑的高数值孔径的透镜。除非 制作技术非常完美，否则想要得到合乎条件的物镜是极其困难的。超分辨技术通 过改变光瞳函数位相信息来改善分辨率，使得物镜不再负担提高分辨率的任务， 从另外一个角度为如何提高光存储的记录或读出面密度提供了新的途径。 光学超分辨技术另一个成功应用是与共焦扫描成像的结合 7 。8 】。普通光学显 微镜中，实现超分辨( 中心主瓣宽度缩小) 所引起的旁瓣增强效应会导致系统信 噪比下降，抵消或者恶化了系统分辨率的提高。共焦扫描成像术采用共轭焦点技 术，使光源、待测物体和探测器处于彼此对应的共轭位置，光源照明和探测都限 制在样品的某一点上，背景光被小孑l 光阑有效滤除，能够成功地抑制由光学超分 辨术带来的旁瓣增强效应，进而实现系统分辨率的提高。 浙江大学硕士毕业论文 第一章绪论 本课题涉及的o c t 系统不仅有共焦扫描显微镜所具有的共焦特性，能够有 效滤除背景杂散光，而且其固有的相干门可以完全抑制增强的旁瓣对于成像的影 响，这一点是o c t 与光学超分辨术相结合实现轴向超分辨的最大优势。基于以 上分析，我们考虑采用光学超分辨术来提高o c t 的分辨率。关于o c t 的共焦特 性及其相干门的旁瓣抑制特性，我们将在后文进行进一步的阐述。 1 3 光学相干层析成像( o c t ) 概述 光学相干层析成像术( o p t i c a lc o h e 瑚】c et o m o g r a p h y ，o c t ) 是一种将低相 干迈克尔逊干涉仪和共焦扫描显微术相结合的极具潜力的新型光学成像方法。与 传统成像方式相比，它在许多方面具有无可比拟的优点，如高空间分辨率、高灵 敏度、无损伤非侵入性、非电离辐射性、二维或三维实时成像、良好的功能拓展 机制等等，被认为是最有发展前途的一种新型光学成像技术，在科学研究和临床 医学上具有广泛的应用前景【6 8 _ 7 0 1 。 目前o c t 已经发展成为针对生物体微观结构的有力的成像工具。虽然o c t 的成像深度同其他临床成像方法相比较浅，但是o c t 的图像比超声波成像、磁 共振成像等要精细1 0 1 0 0 倍。 1 3 1o c t 的基本原理 o c t 是用光波代替声波的“超声波成像”技术。系统的核心是迈克尔逊低 相干干涉仪。一套典型的光纤o c t 系统装置如图1 2 所示。从超辐射二极管光 源( s u p e rl m i n e s c e n td i o d e s ，s l d ) 发出来的低相干光经过2 2 光纤耦合器分 束后分别射入参考臂和样品臂。进入参考臂的光先通过位相调制器，再进入由准 直镜、衍射光栅、傅里叶变换透镜和振镜组成的快速扫描光学延迟线( r 丑p i d s c a i 】m n go p t i c a ld e l a y1 i n e ，r s o d ) 。r s o d 实现o c t 系统的轴向扫描，同时能 够对光路中的群速度色散进行有效控制。入射到样品臂上的光经偏振控制器后， 通过准直镜和物镜投射于待测样品。样品臂由机电位移平台实现对样品的横向扫 描。从参考臂和样品臂返回的光在光纤耦合器处汇合，若它们的光程差在光源的 浙江大学硕士毕业论文 第一章绪论 相干长度以内则发生干涉。产生的干涉信号经过探测器和前置放大器后输到数据 采集卡，并由计算机进行后续处理和图像重建。 图1 2 光纤o c t 原理图 由于采用干涉工作方式和低相干光源，o c t 系统具有极强的层析性能。只 有在参考镜共轭面上的样品反射( 后向散射) 的光才能与参考光形成有效干涉信 号，共轭面以外的反射光或者后向散射光以模糊分布成为图像不希望有的背景。 o c t 的这种共焦结构起到了一种空间选通门的作用，使其对非共轭点的背景能 量有一定的滤除作用，能够有效排除离焦散射光的影响，保证0 c t 的光学层析 能力。此外，由于光源的低相干性，随着光程差的增大，干涉信号强度急剧下降， 因此只有在0 c t 相干门范围之内的光才能参与干涉成像。如果能够将光学超分 辨术适当地运用于o c t 系统，使样品臂点扩散函数的主瓣和旁瓣分别位于相干 门内外，就可以在改善o c t 轴向分辨率的同时避免旁瓣对干涉成像造成的影响。 0 c t 固有的相干门是我们利用光学超分辨术实现其轴向分辨率提高的根本依据 和基础。 1 3 2 光源光谱对o c t 系统特性的影响 同样的光学系统对于具有不同入射功率谱的光波的自相关函数是不一样的。 确定适合某个系统的光瞳滤波器时首先要分析系统光源的功率谱及其对应的自 浙江大学硕士毕业论文 第一章绪论 相关函数。下表列出了具有代表性的光源的两个特性参数：归一化功率谱和自相 关函数模刚。 表1 1 不同光源的特征参数 理想点源 高斯型 洛仑兹型 p ( v ) ： ! v 归一化功率 g ( v ) = 占( v v ) g 【v ) 2 了磊i 。p 一“2 1 f ) j州4 ( v v ) 2 + ( v ) 2 】 光源 啦胁一 一 鑫) 2 ) 唯冲x 一 一z 争j r 忙) = 1 自相关函数模 o c t 系统原理决定了它不能采用理想点光源，宜采用高斯型或与洛仑兹型 分布功率谱的光源。当五咒2 增大时，系统传输的高频信息变得丰富，测量纵向 结构更加精确。如果采用其他形式光谱的光源( 如矩型光谱光源) 会给干涉信号 带来明显的旁瓣，直接影响系统的分辨率7 2 1 。目前0 c t 系统大多采用高斯型分 布的光源。 1 3 3o c t 的分辨率 分辨率是衡量o c t 的性能的最主要参数，和传统的光学系统不同，o c t 的 轴向和横向分辨率是由系统不同的物理特性决定的。 o c t 的测定光为低相干光束，光源具有一定的相干长度。只有当两路光的 光程差与光源的相干长度相匹配时才会产生干涉，当光程差大于相干长度时 0 c t 的干涉信号幅度将迅速衰减。借助参考臂上的扫描时延我们能够以光源相 干长度数量级的精确度实现对样品反射的纵向定位。从这个意义上讲，o c t 光 源的相干长度决定了系统的轴向分辨率。对于光源为高斯型分布的o c t 系统而 言，轴向分辨率z 与光源光谱宽度之间的关系为： 2 】n 2月? 止= - ( 1 1 ) n 凸 i ：w h m 五是光源的中心波长， 。，为光源的半极值全宽度带宽。由上式可知， 浙江大学硕士毕业论文 第一章绪论 o c t 的轴向分辨率与光源的带宽成正比，与光源中心波长的平方成反比。鉴于 分辨率与矛五即相干长度的这种依赖关系，采用宽带光源对于提高0 c t 系统 的轴向分辨率非常有益。 o c t 系统的横向分辨率是由o c t 系统的光学聚焦能力决定的。对于光纤 0 c t 系统来说，通过光纤耦合器后入射到样品臂物镜上的光束为准高斯光束。 探测光束弱聚焦条件下，入射到物镜上的高斯光束一般不被透镜口径所拦截，出 射光束仍然为高斯光束。所以此时0 c t 的横向分辨率由束腰半径决定，焦深由 共焦参数决定。在探测光束强聚焦条件下，一般要使光束扩束实现对物镜的均匀 照明。我们以下的讨论均基于o c t 样品臂为均匀照明这个前提，横向分辨率出 可以表示为： 缸：竺( 1 2 ) 刀“ 其中是物镜的焦距，d 是物镜孔径上的光斑尺寸。通常采用提高透镜数值 孔径的方法来提高o c t 的横向分辨率。 均匀照明条件下，样品臂物镜孔径的限制会产生衍射效应，在焦点附近形成 类椭圆的扁长型衍射斑。 图1 - 3 均匀照明下o c t 样品臂物镜焦点衍射斑 对于轴向分辨率来说，在探测光束弱聚焦条件下，o c t 系统样品臂的轴向 响应强度主瓣的尺寸不仅大于横向响应强度主瓣的尺寸，而且还远大于光源相干 长度。由于只有当两路光的光程差与光源的相干长度相匹配时才会产生干涉，所 以沿轴方向存在相干门的限制作用，超出相干门范围的光都不能参与干涉。因此 浙江大学顶士毕业论文 第一章绪论 此时o c t 系统的轴向分辨率完全由光源的相干长度所决定。 在探测光束强聚焦条件下，o c t 系统样品臂物镜的轴向响应主瓣宽度已与 相干门接近。系统轴向分辨率与光源带宽和轴向响应主瓣宽度直接相关。在这种 情形下，考虑采用光学超分辨术，即选择适当形式的光瞳滤波器，将系统的轴向 响应主瓣宽度缩小到相干门之内，根据瑞利判据可知此时o c t 的轴向分辨率将 由其样品臂物镜焦点附近的轴向响应宽度来决定。与取决于光源相干长度的情况 相比，此时的轴向分辨率被有效提高。国内外尚未有文献阐述利用光学超分辨术 来提高o c t 轴向分辨率，因此这种方法无疑将是一种经济有效的提高o c t 轴向 分辨率的新途径。 1 3 4 目前提高o c t 轴向分辨率的各种方法 根据前面对o c t 系统轴向分辨率的分析可知，通常情况下o c t 的轴向分辨 率主要由光源的相干长度所决定，即分辨率与光源的带宽成正比，与光源中心波 长的平方成反比。因此，若要提高0 c t 的轴向分辨率，个方法是改变光源的 中心波长，另一个方法是增加光源光谱的带宽以获得小的相干长度。 从光源的中心波长考虑，从o c t 的生物成像功能角度来讲 7 5 】，当 6 0 0 1 3 0 0 m 波长的光照射到软组织上时，软组织的吸收系数儿在0 1 1 i n m - 1 量 级，其散射系数。在1 0 1 0 0 m m 。1 量级，因此这个波段最适合用于生物组织的成 像。此波长范围亦被人们称为“组织天窗”或者“治疗窗口”。对于光纤0 c t 系统而言，光纤中d 日一离子的存在会使光产生比较严重的损耗，如图1 4 所示， 在光通信领域存在三个传输窗口 7 6 】，其中心波长分别位于8 5 0 、1 3 1 0 、1 5 5 0 n m ， 在这三个窗口光传输损耗最小，分别为4 d b 服m ( 8 5 0 n n l ) 、o 5 d b 瓜m ( 1 3 l o m ) 、 o 3 d b 瓜m ( 1 5 5 0 n m ) 。基于以上原因，o c t 光源的中心波长多选在8 5 0 姗和 1 3 1 0 n m 附近。 浙江大学硕士毕业论文 第一章绪论 图1 4 光纤通信中三个传输窗口( 8 5 0 n i n 、1 3 l o n m 、1 5 5 0 n m ) 当o c t 光源的中心波长范围基本确定以后，进一步提高分辨率更多的考虑 是基于宽带光源技术，这也是目前用来提高0 c t 轴向分辨率的主要研究方向。 自从o c t 问世以来，s l d 一直是各个研究小组的首选光源【7 7 l 。因为其可选 的光谱范围从6 7 5 砌到1 6 0 0 n m ，输出功率可以高达5 0 m w ，而且光源带宽可以 达到7 0 n m 。通常采用s l d 作为光源的o c t 系统可以达到l o 1 5 j 册的轴向分辨 率。s e m e n o v 等人特别研制的一种级联结构的s l d 在8 2 0 n m 波长达到了9 8 n n l 的宽度，然而这项技术并未实现商业化。 目前用来实现o c t 轴向超高分辨率的主要宽带光源技术包括锁模钛蓝宝石 激光器【7 9 。8 “、飞秒激光器【8 2 - 8 引、光予晶体光纤或锥形光纤等非线性光纤技术 8 6 4 ”、光谱整形技术旧、合成光源技术 9 3 】等等。 在过去的十几年里，通过在晶体中掺杂的方法人们研制出了许多新的激光晶 体，它们的闷世带动了固体激光器的发展，通过锁模的方法，一些超快飞秒激光 器被引入到o c t 领域中，比如中心波长在8 0 0 m 的t i ：a 1 2 0 3 激光器，可以激发 出 1 0f s 的脉冲，可以达到非常理想的分辨能力( 2 j 肋) 【8 4 】；以及中心波长在 红外波段的c r 4 + ：m 9 2 s i 0 4 飞秒激光，通过锁模控制其激光脉冲宽度可以获得高 达1 ，肋的分辨率。 锁模钛蓝宝石激光器陟8 1 1 ( k e r rl e n sm o d el o c k e dn ：s 印p h i r e ) 是被广泛应用 于超高分辨率o c t 系统的一种光源，采用这种激光器可以使o c t 系统获得超高的 轴向分辨率和很大的动态范围。它的中心波长在0 7 1 1 z 聊之间可调【8 0 】。如果 浙江大学硕士毕业论文 第一章绪论 采用低色散的棱镜材料能够获得高达4 0 0 r l i n 带宽的o c t 光源【8 1 】。是一种相对成熟 的宽带光源技术。 除了利用飞秒激光等超快光源，采用宽光谱的连续光源也可以达到获得高分 辨能力的效果【8 6 删。这种连续宽光谱的实现通常是采用光子晶体光纤( p h o t o n i c c r y s t a lf i b 钱p c f ) 8 6 - 8 8 1 或锥形光纤( t a p e r e df i b e r ) 【8 9 1 等非线性光纤将激光器 出射光频谱展宽而产生的。p c f 是基于光子晶体技术发展起来的下一代传输光 纤，又称为微结构光纤或多空光纤。p c f 的横截面由微型气孔阵列组成，这些微 气孔是直径为光波长量级毛细管，围绕着光纤的纯硅芯径。硅与空气之间的折射 率突变使得光能够集中在非常小的区域，导致光纤非线性效应的增强。p c f 这种 非线性效应的一个显著的用途就是产生超连续光谱。同p c f 一样，锥形光纤也能 够产生超宽光谱。标准的单模光纤被加热然后被控长为锥状，低能量的飞秒脉冲 耦合进入光纤芯径后，在锥形区域光将在包层里面传播。锥形光纤包层和周围空 气之间的折射率突变会引起零色散波长位置的偏移。利用这些非线性光纤能够实 现非常理想的超高分辨率o c t 。如p o v a z a y 小组【9 0 】采用光子晶体光纤可以实现中 心波长在7 2 5 1 1 1 1 1 ，空间分辨率高达0 7 5 ，删的亚微米级别超高分辨率o c t ；b o p p a r t 小组刚利用超高数值孔径的g e 0 2 光纤的非线性效应，将普通的t i ：a 1 2 0 3 激光器 出射的2 0 衄的频谱展宽得到了近2 0 0 n m 的带宽，可以获得1 胛2 左右的o c t 图像。 b i u ep c fy e l j o wp c fv i sp c fa c m t i ：s a p p h r e n i rp c fp 舡i n ip c fe r + 9 p e c f l b e r k 。 4 7 5n m6 0 5n m 7 2 5n m 7 8 5n m1 0 n m1 1 3 0n m1 3 7 5n m a 硝引r e s 1 9 “m1 t 3 no 嚣 t i n0 9 j l m3 0 m1 1 i m 1 4h m 图1 5 超高o c t 系统采用的各种光源技术及光谱覆盖范围 v i s 一可见光波段；n i r 一近红外波段 p c f 一光子晶体光纤； p s m l 一皮秒锁模激光；e 什s p e c n b e r 一掺铒光纤激光 浙江大学硕士毕业论文 第一章绪论 通过光谱整形技术来改善系统的带宽9 2 。9 引，也是一种获得o c t 超高分辨率 的方法。o c t 的轴向分辨率与光源相干长度之间相关，雨光源相干长度直接取 决于光源光谱功率密度的傅立叶变换。对于o c t 来说，最理想的光源光谱应为 高斯分布。某些非高斯分布的光谱会降低系统的轴向分辨率。采用插入分色镜或 者干涉滤波器的方法，或者将出射光用棱镜色散后在色散光路中插入薄物体挡住 某些波段的光波光谱，都可以实现光谱整形从而改善o c t 系统的轴向分辨率 9 3 1 。 然而这些方法对光功率的损耗也是很大的。 此外，应用合成光源技术9 4 。9 副，利用两个光谱波段位置错开的光源来实现宽 带性能，可以在消除在检测过程中因活体运动而产生的扰动信号的同时提高 o c t 的轴向分辨率9 4 1 。b a 啪g a 呦e r 小组【9 5 】采用两个s l d 合成光源对视网膜成 像，得到了近7 ，删的轴向分辨率。s c h m i t t 等芦q 采用1 3 0 0 m 波段的l e d 合成光 源在自由空间获得了7 2 删的轴向分辨率。相对常规o c t 来说，采用合成光源 的o c t 系统相对复杂，而且无法获得利用非线性光纤等技术所达到的超高分辨 率。 1 3 5 利用超分辨术提高o c t 轴向分辨率的优势 对于光纤o c t 系统来说，采用宽带光源技术提高轴向分辨率有比较大的局 限性。这些局限性主要体现在对能够匹配宽带波段的光通信器件上。当光源的带 宽超过2 0 0 m 时，我们将难以找到对应波段的2 2 光纤耦合器；由于色差的存 在，带有光纤准直器或者聚焦器件的透镜系统将限制整套系统的有效带宽；另外， 如果光谱的最短波长低于光纤的截止波长，单模光纤将变为多模。除器件上的种 种限制之外，超宽带光源往往存在价格昂贵，系统复杂等实际应用上的缺陷。从 这些方面来看，采用改变光瞳函数的超分辨术来改善o c t 的轴向分辨率可以避 免采用宽带光源技术的种种不足之处。 此外，o c t 还具有许多独特的优点，非常适合有限视场超分辨术的运用。 首先，o c t 采用外差交流探测技术，逐点探测样品信号，然后通过计算机作后 续处理与图像重构，能够在很大程度上缓解超分辨术引起的光强衰减问题。第二， 浙江大学硕士毕业论文第一章绪论 由于采用干涉工作方式和低相干光源，o c t 系统具有一种类似于空间选通门的 共焦结构，使其对非共轭点的