（光学工程专业论文）光学相干层析成像横向扫描系统及外触发模式研究.pdf

浙江大学硕士论文 摘要 光学相干层析成像技术( o p t i c a lc o h e r e n c ot o m o g r a p h y , o c t ) 是近年来发展 迅速的一种生物组织层折成象技术。光学相干层析成像技术通过参考臂上的光线 延迟线实现了对被测样品纵向不同位置信息的探测。光线延迟线只能控制o c t 系统的纵向扫描。所以为了使得o c t 能够获得二维图像，就必须对样品不同的 点进行横向扫描。所以大多数o c t 系统须要在样品臂加入一个横向扫描系统， 使得o c t 能够对样品上不同的点进行扫描。 同时，因为o c t 的光线延迟线进行纵向扫描时，一定会存在非匀速的扫描。 而目前大多数o c t 都是采用系统设定的固定采样频率。这样就会使得o c t 获取 的纵向层析信息因为采样与非匀速纵向扫描不匹配，而产生纵向位置失真。 本文基于实验室的o c t 系统，首先通过研究分析计算，设计了一套工作在 实验室o c t 光源波段的线性扫描物镜系统，经过理论计算，证明该透镜的性能 指标能够满足o c t 横向扫描系统的要求。并且本文研究了横向扫描与纵向扫描 同步工作的方案与两个扫描系统的匹配。 其次本文基于实验室的现有条件，选择了元件，实现了横向扫描与纵向扫描 同步工作，完成搭建一套o c t 的横向扫描系统，并且通过实验测试与计算了该 横向扫描系统的分辨率为6 0 p m 以及扫描速率等性能。 最后，本文提出并实现了一套基于外触发数据采集模式的光学相干层析成像 系统，并且完成搭建了该系统，使得数据采集频率受到光线延迟线的光程延迟的 控制，从而使采样频率与光线延迟线的非匀速扫描相匹配，使得纵向位置失真控 制在l f a n 的量级 本文共分为七章，各章的主要内容如下： 第一章，绪论。概要性的阐述了光学相干层析成像技术，提出了本文的研究 目的。 第二章，时域o c t 的原理与系统。阐述了0 c t 的原理，与几个主要的子系 统。 第三章，o c t 横向扫描系统的研究。阐述了o c t 横向扫描系统的原理。设 浙江大学硕士论文 计了一个基于实验室o c t 光源的线性扫描物镜。研究了o c t 扫描系统的同步工 作方案。 第四章，横向扫描系统的搭建。依据实验室条件，选择元件与同步方案，搭 建了o c t 的横向扫描系统。 第五章，o c t 系统的搭建与横向扫描实验。搭建了整个o c t 系统，并且测 试了横向扫描系统的部分主要性能。 第六章，基于外触发数据采集的o c t 扫描。通过研究纵向扫描与采样的关 系，提出并搭建了o c t 的外触发数据采集系统，并通过实验验证系统的作用 第七章，总结与展望。总结了本文的工作内容与成果，并提出了未来进一步 的研究方向。 关键字：光学相干层析成像、横向扫描、线性扫描物镜、同步驱动信号、纵向位 置失真、外触发数据采集 n 浙江大学碗士论文 a b s t r a c t o 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 3 3 i so n eo f t h en e w l y d e v e l o p e dt e c h n i q u e s f o rb i o - t o m o g r a p h y i na no c ts y s t e mt h ed e p t hi n f o r m a t i o no fs m n p l e si so b t a i n e d b yl o n g i t u d i n a ls c a n n i n g , w h i c hi sc o n t r o l l e db ya l lo p t i c a ld e l a yl i n e ( o d l ) i nt h e r e f e r e n c e 锄1 t og e t2 - di m a g e so f t h es a r o p l e , i ti sn e c e s s a r yt od e f l e c tt h es a m p l e a mb e a mt od i f f e r e n tp o i n t so f t h es a m p l e s oi ti sv e r yi m p o r t a n tt od e s i g nal a t e r a l s c a n n i n gs y s t e mf o rt h eo c ts y 咖n l o p t i c a ld e l a yl i n e sa r eo f t e nu s e di no c ts y s t e m st op e r f o r ml o n g i t u d i n a l s c a n n i n g , h o w e v e r , t h es c a n n i n gv e l o c i t yo fat y p i 嘲o p t i m a ld d a yl i n ec a n n o tb ea c o n s t a n t m e a n w h i l e , t h es a m p l i n gr a t eo ft h ea dc o n v e r t o ri sac o n s t a n t , w h i c h s h o u l db es e tb e f o r et h es c a n n i n g t h em i s m a t c hb e t w e e nt h er a t e so ft h ea d c o n v e r t o ra n dt h el o n g i t u d i n a ls c a n n i n gw i l lr e s u l ti nd i s t o r t i o ni nt h el o n g i t u d i n a l i n f o r m a t i o no f t h es a m p l e t ob u i l dal a t e r a ls c a n n i n gs y s t e mf o rt h eo c ts y s t e m , an e wf - t h e t al i n e a rl e n s h a sb e e nd e s i g n e db a s e do nas u p e r l u m i n 黝n td i o d es o u i v 七) w h o s ec e n t e r w a v e l e n g t hi s1 2 8 2 7 n m s e v e r a lm e t h o d st og e n e r a t et h es y n c h r o n o u ss i g n a l st o d r i v et h el a t e r a ls c a n n i n gs y s t e ma n dt h eo d lt ow o r ks y n c h r o n o u s l yh a v ea l s ob e e n s t u d i e d s e c o n d l yb a s e do nt h ee x i s t i n gc o n d i t i o n so f t h el a b ，w es e l e c t e dt h ec o m p o n e n t s f o rt h el a t e r a ls c a n n i n gs y s t e ma n dp i c k e da na p p r o p r i a t es y n c h r o n o u sm e t h o dt o d r i v et h el a t e r a la n dl o n g i t u d i n a ls c a n n i n g t h el a t e r a ls c a n n i n gs y s t e mo ft h eo c t h a sb e e ns u c c e s s f u l l yb u i l t ，a n dt h el a t e r a lr e s o l u t i o no ft h es c a n n i n gs y s t e ma n dt h e s c a n n i n gr a t eo ft h es y s t e m 啪m e a s u r e da n dt e s t e db yb o t he x p e r i m e n t sa n d c a l c u l a t i o n s f i n a l l y , a ne x t e r n a lt r i g g e ra dc o n v e r tm e t h o df u rt h eo c ts y s t e mh a sb e e n p r o p o s e df u rt h ef i r s tt i m ea n dr e a l i z e di nt h i sp a p e r w i t ht h ee x t e r n a lt r i g g e ra d c o n v e r tm e t h o d ，t h ed i s t o r t i o nw h i c hi sg e n e r a t e db yt h em i s m a t c ho f t h el o n g i t u d i n a l i 浙江大学硕士论文 s c a n n i n ga n d a dc o n v e r t o rd e c r e a s e se f f e c t i v e l y t h i sp a p e ri sd i v i d e di n t o $ 1 翻b , e nc h a p t c mo f t h ef o l l o w i n gm a j o rd e m e n t s ： c h a p t e rh i n t r o d u c t i o n t h eo u t l i n eo f o p t i c a lc o h e r e n c et o m o g r a p h yt e c h n o l o g y , a n dt h ep u r p o s eo f t h i sr e s e a r c hp r o j e c t c h a p t o r 2 ：t h et i m e - d o m a i no c t p r i n c i p l ea n ds y s t e m t h ep r i n c i p l e so f o c t a n ds e v e r a lm a j o rs u b s y s t e m so f o c t c h a p t e r3 ：t h er e s e a r c hf o ro c t l a t e r a ls c a n n i n gs y s t e m s d e t a i ld e s c r i p t i o n so f t h el a t e r a ls c a n n i n gs y s t e m so f o c t a c c o r d i n gt ot h eo c ts y s t e mo f t h el a b ，t h e d e s i g no f t h en e wl i n e a rs c a n n i n gl e n sf o rt h eo c ts y s t e m a n dt h es t u d yo f t h e m e t h o d sa n ds y s t e m sf o rg e n e r a t i n gt h es y n c h r o n o u sd r i v i n gs i g n a l s c h a p t e r4 ：t h e l a t e r a ls c a n n i n gs y g t c mc o n s t r u c t i o n i nt h i sc h a p t e rt h es e l e c t i o n o f t h ec o m p o n e n t sa n ds y n c h r o n o u sd r i v i n gs i g n a lg e n e r a t i n gs y s t e mm e t h o d sf o rt h e l a t e r a ls c a n n i n gs y s t e m , a n dt h ec o n s t r u c t i o no f t h el a t e r a ls c a n n i n gs y s t e m ，a r c i n t e r p r e t e di nd e t a i l c h a p t e r5 ：t h eo c ts y s t e mc o n s t r u c t i o na n dt h ee x p e r i m e n t sf o rt e s t i n gt h e l a t e r a ls c a n n i n gs y s t e m c h a p t e r6 ：e x t e r n a lt r i g g e r e d a do o n v e r tm e t h o df o ro c t t h en e ws y s t e mf o r o c th a sb e e nc o n s t r u c t e da n dt e s t c db ye x p e r i m e n t s c h a p t e r7 ：s u m m a r ya n d o u t l o o k i nt h i sc h a p t e rw es u m m a r i z et h ec o n t e n to f t h ew o r ka n da c h i e v e m e n t s , a n ds e to u tt h ef u t u r ed i r e c t i o nf o rf u r t h e rr e s e a r c h k e y w o r d s ：o p 6 c a lc o h e r e n c et o m o g r a p h y , l a t e r a ls c a n n i n g , l i n e a rs c a n n i n gl e n s ， s y n c h r o n o u sd r i v es i g n a l s ，d i s t o r t i o no f d e p t hs c a n n i n g , e x t e r n a lt r i g g e r e da d c o n v e r tm e t h o d i v 浙江大学硕士论文 1 1 引言 第1 章绪论 生物医学成像已经成为了一种在人类健康诊断和疾病治疗方面最可靠的方 法之一。现今，已经有了许多成熟的成像技术，如放射线照相术、x 射线成像、 计算机辅助层析成像( c a t 扫描) 、超声成像、核磁共振成像技术( m r i ) ，这些 医学成像技术已经给我们的医疗水平带来了革命性的改进。但是目前这些成像技 术都有许多的缺陷。例如x 射线和放射性同位素成像对身体有一定的危害；i v l r i 不能提供某些特殊的化学信息和任何动态信息；而超声成像的分辨率比较低。 光学成像却能克服这些不足。光学成像技术一般利用可以穿透生物组织的近 红外光，并且利用了生物组织的光学特性。从而通过探测生物体内的反射、散射、 透射和荧光等信号，以此来获得生物组织内的图像。光学成像有着无害，分辨率 高、可以实时探测等优点，越来越受到众多研究人员的关注。而其中，光学层析 成像技术就是一种新型的光学生物成像技术。 。 1 2o p t i c a lc o h e r e n c et o m o g r a p h y 概述 光学层析成像技术o 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 ) 是- - 种新型的非侵入 式的生物层析图像成像系统。它最早于1 9 9 1 年，由哈佛大学医学院的d a v i d h u a n g 博士等人提出【l l 。o c t 是利用迈克尔逊干涉仪，通过测量后向反射和后向 散射光，从而获得具有高分辨率的材料与生物内部微结构的截面层析图像。散射 光的灵敏性和对特殊后向散射位置的选择性，是通过后向散射光的参考光的相干 来实现的。当从样品臂返回的光和从参考臂返回的光的光程差在光的相干范围内 时，将会发生相干现象f 2 】。o c t 的成像分辨率可以达到l 到1 5 a m ，这比通常的 超声成像的分辨率高出1 到2 个量级i 圳。o c t 可以实时的快速成像。这个独特 的特点使得o c t 有着广阔的研究空间和很高临床应用价值 s - t ”。 一般来说，o c t 分为两个大类1 1 2 1 ：一种是时域光学层析成像t i m e - d o m a i n 1 浙江大学硕士论文 o c a ( t d o c t ) ，另一种是频域光学层析成像s p e c t r a l - d o m a i no c t ( s d - o c t ) 。 t d _ 0 c t 利用宽带光源发出的低相干光被分为了两束光，分别进入了样品臂和参 考臂。由于光源发出的是低相干的光。所以只有当样品臂和参考臂的光程差一致 时，才能得到相干信号。因此t d - o c t 都是通过在参考臂上加一个光线延迟线 o p t i c a ld e l a yl i n e ( o d l ) 来控制o c t 的探测深度。因此t d - o c t 要取得样品上一 个轴向上的所有深度信息，就必须对该方向上不同的深度尽心逐点扫描。 8 d - o c t 的主要部件是一个迈克尔逊干涉仪以及一个频谱仪。从样品臂返回的光 可以看作是多个单色光的叠加，在于成分相似的参考光干涉后，在干涉光谱中就 会产生干涉条纹。干涉条纹的频率编码中包含着深度信息，通过f o u r i e r 变换就 很容易同时得到一个轴向上不同深度处的信息。 1 3o c t 技术的应用 最早用o c t 探测后向散射和后向反射以成2 d 的图像是见于d a v i dh u a n g 博士1 9 9 1 年在s c i e n c e 上发表的o p t i c a lc o h e r e n c et o m o g r a p h y 一文中。从此以后 出现了数量众多的利用o c t 探测材料和生物组织的应用。与此同时，o c t 的成 像技术也得到了不断的改进。 以下几个特征是的o c t 有着广泛的用途。第一，o c t 的成像无需接触和破 坏被测样品。一般o c t 的分辨率可以达到1 0 到1 5 , u r n ，而高分辨率的o c t 甚至 可以达到l j m 。同时，o c t 具有高成像速率，可以以数个f 酗的速率获得2 5 0 - 5 0 0 像素的图像。其次o c t 可以匹配不同的图像传输系统和探头。由于o c t 是基于 光线光学及通信元器件所构造的，所以o c t 的信号转化为电信号以后可以利用 现在成熟的电信号处理技术进行处理、储存和传输。最后，o c t 系统有着造价 便宜、结构紧凑与适合临床、生产和研究等应用。 由于o c t 具有实时、对组织微结构的无损快速探测，而不想传统的组织病 理学与活体组织检查需要获取和分析组织的切片。这些优点使得o c t 在医学上 有着广泛的应用。对于使用者，可以利用o c t 非侵入式的获得组织的“光学切 片”以及实时的得到组织的形态结构，这些可以帮助使用者立即进行诊断。当 o c t 配上了导管探头、内窥镜探头或腹腔镜探头后，o c t 可以获得更加广泛的 浙江大学硕上论文 应用。 一般来说，o c t 主要应用在以下几个方面： 1 眼科学的成像【“。 2 可以利用o c t 的图像来诊断早期癌变 3 利用o c t 诊断牙齿、口腔等组织的成像m 4 对人体的肠胃组织和皮肤组织进行成像 1 8 - 1 9 1 同时，o c t 也被应用于一些非医学领域。例如，利用o c t 进行高密度数据 的存储。 1 4o c t 横向扫描概况 一般来说，不论是t d o c t ，还是s d o c t ，要获取2 d 或3 d 图像，一般都 要有横向扫描装置。对于时域的o c t ，主要由光源，迈克尔逊干涉仪，光线延 迟线、横向扫描装置以及信号采集与处理几个部分组成。o c t 的横向扫描主要 是为了使得o c t 能够获得2 d 或3 d 的图像。获取2 d 、3 d 图像也是o c t 与o p t i c a l c o h e r e n c 宅r e f l e c t o m e t r y 的最大的区别。 一般o c t 的横向扫描要比纵向扫描的速度慢。特别是由于纵向扫描速度的 恒定与相干信号需要利用带通滤波提取，所以o c t 纵向扫描优先。目前所知的 所有的o c t 扫描系统实质上都是光学机械系统。横向扫描系统主要是使得样品 或探头具有线形的移动特性。由于扫描系统的体积和大小很大程度上决定了其的 使用范围。所以，可以根据o c t 扫描系统的尺寸体积，把扫描系统分为以下几 类： 1 台式扫描系统，这种扫描系统不需要考虑外型体积大小 2 手持式扫描系统，这种扫描系统的体积一般为几十个立方厘米的大小 3 内窥式扫描系统，由于这种扫描系统需要放入人体，所以体积一般只有 立方厘米的量级，甚至更加的小。 从光学设计的角度，探头获取图像依靠光纤断面到样品的表面以及在样品表 面的扫描。o c t 扫描系统可以有单个透镜、透镜组或者变折射率g r i n 透镜组 成。 浙江大学硕士论文 台式扫描系统是最早的o c t 横向扫描系统。台式扫描系统作为最简单的 o c t 扫描系统之一，有其优点。由于台式扫描系统不需要考虑系统的体积大小， 所以可以很好的设计光学系统从而矫正扫描的像差。至今台式扫描仍然广泛的应 用于各个实验室的o c t 系统上。例如利用振镜使得光线转动，然后通过物镜把 探测光线会聚在被测物表面的台式检流计扫描系统就是一个优良的选择【2 。 但是台式扫描系统对于环境的适应性较差。与其相比，手持式的扫描系统对 环境的适应性较强，并且体积较小，可以方便的应用在临床检查上手持式的扫 描系统因为有着体积大小和使用环境的限制要求。所以，手持式扫描系统的设计 要求和台式有着不同。但是在扫描的原理上，手持式扫描系统和台式扫描系统相 似。例如，检流计扫描技术同时也被手持式扫描系统所应用【“。 内窥视的扫描系统的设计在所有的扫描系统的设计中最为困难。第一，内窥 视扫描系统的大小尺寸限制很严格；第二，内窥视扫描系统必须严格遵从一些医 学参数，并且要求对人体无害，而且便于消毒。第一个内窥式探头见于1 9 9 6 年 t e a r n e yg j b o p p a r ts a 等在o p i t c sl e t t e r 上发表的s c a n n i n gs i n g l e - m o d e f i b e ro p t i cc a t h e t e r e n d o s c o p ef o ro p t i c a lc o h e r e n c et o m o g r a p h y 一文中。该文章中所 描述的内窥式探头是模仿超声血管仪器的旋转探测部件的结构来构造的。这 种旋转式内窥扫描探头的直径只有1 1 m m ，在实验中研究者利用该探头探测了动 物的呼吸系统和胃肠系统的细小通道。而第一次用于人体实验的内窥式o c t 所 用的横向扫描探头是基于检流计扫描技术设计的。此外，基于检流计扫描技术的 内窥横向扫描探头也有使用1 2 4 1 。 最近为了使得内窥式o c t 的探头的可靠性更高，系统更加紧凑，体积更加 微型化。研究人员开始采用各种技术来改进内窥式o c t 的探头。一种目前广泛 关注的技术是微光机电技术m e m s 。微光机电系统来做为内窥式o c t 的横向扫 描探头。l ，能够大大减小横向扫描系统的体积、提高横向扫描的速率并且使 得光的损耗变少，并且能够提高系统的稳定性和抗干扰能力。 最近，产生了一种基于离轴旋转光路的o c t 内窥横向扫描探头。这种探头 的光纤的旋转部分不再探头物镜的主轴上，并且在探头最外有一个小型棱镜。当 光纤旋转时，会产生出射光线的旋转，又由于棱镜的存在，使得探头能够同时探 4 浙江大学硕士论文 测侧面和前方多个方向的信息【。 1 5o c t 数据采集 o c t 系统的终端是计算机。由于o c t 的数据量大，所以一般都将实时采集 的信号利用计算机来进行处理。因为o c t 探测到的是相干信号，是一种模拟信 号量，因此要将其转换成数字信号，从而才能在计算机中进行图像处理。 目前o c t 的数据采集频率大多是固定的频率，因此这种固定频率的采样就 必须通过计算机在图像处理中将采样与o c t 的纵向扫描位置相匹配起来。这就 要求o c t 的纵向扫描必须是匀速扫描，否则计算机将无法计算出相邻的两个采 样点之间的物理距离。仍而目前所有o c t 的级向扫描在扫描过程中都会存在非 匀速扫描。所以采样固定采样频率的o c t 就容易在采样中给数据引入纵向位置 的失真。 1 6 本文的主要研究内容与意义 从上面的讨论可以看出，基于检流计扫描技术的o c t 横向扫描系统十分普 遍，包括了从台式横向扫描系统到内窥式横向扫描系统的所有应用。所不同的是 各种类型的扫描系统对元器件大小的选择不同，从台式横向扫描系统的尺寸较大 的光学元件到内窥式横向扫描系统的m e m s 振镜。 本文建立了一套基于检流计扫描技术的台式横向扫描系统。利用准直物镜、 振镜和扫描物镜来获得横向扫描。再而配合已经搭建好的r s o d 系统，来进行 o c t 的快速扫描。 但是由于扫描系统的像差的存在和其他的一些因素的影响，必然会给系统获 得图像带来一定的误差。所以必须分析光学系统带来的像差，以给今后的工作打 下基础。 同时，由于o c t 采用固定采样频率会使得采样与o c t 的非匀速扫描不匹配， 从而产生纵向位置的失真。所以本文也提出了一种新颖的o c t 数据采集方法， 该数据采集系统利用光路产生一个外触发信号来控制o c t 的数据采集频率，从 而能够克服1 5 节中所述的纵向位置失真，因此使得o c t 系统能够不受到纵向 浙江大学硕士论文 非匀速扫描的影响。 本文是在国家自然科学基金项目“基于光学相干的无损检测技术研究” ( n o 6 0 3 7 2 0 3 2 ) 的支持下完成的。它采用了目前在o c t 横向扫描中的广泛应用 的检流计扫描技术，改善了实验室中现有o c t 实验系统的性能；并且本文通过 在o c t 中引入外触发数据采集模式，大大改善了o c t 对纵向非匀速扫描的抗干 扰能力。 本文的工作也将会给未来的研究工作打下坚实的基础。 6 浙江大学硕： 论文 第2 章时域o c t 的原理与系统 2 1 时域o c t 框图概述 l 计算机信号处| 理与显示 图2 1 l - t 的基本框图 如图2 - l 中是一个典型的o c t 系统。该典型的光学层析成像系统由干涉仪、 宽带光源、横向扫描系统、纵向扫描系统、光电探测器、小信号放大器、带通滤 波器、a d 转换以及计算机组成。光从宽带光源发出后，经过干涉仪以后分成光 强为1 ：l 的两部分分别进入干涉仪的参考臂和样品臂。在参考臂上有着纵向扫描， 通过改变参考臂上的光程来控制对样品的扫描深度；在样品臂上有着横向扫描系 统，通过改变入射光点的位置( 如图2 - 1 所示) 来实现对样品的横向扫描。从样 品臂和参考臂中返回的光再次进过干涉以后，如果满足相干条件就会发生干涉， 从而利用光电探测器探测到干涉信号，然后进过小信号放大，带通滤波，a d 信 号转化以后，最后输入计算机进行图像处理，从而获得被测样品的层析信息。本 章将会讨论o c t 的相关原理。 7 浙江大学硕士论文 2 2 低相干干涉仪 例如图2 - 2 中的m i e h e l s o n 干涉仪。在该图中，样品用一个理想的反射镜代 替。光源发出的光进过分光镜之后被分为了两束光线，分别变成参考光和样品光 从样品端的反射镜返回的光与从参考端反射镜反射回来的光在同一个分光镜重 新耦合到了一起，并进入了光电探测器。参考反射镜和样品反射镜分别放在距离 分光镜及处。从参考反射镜和从样品反射镜返回的光波的电场分量分别为 e r se s ，鼬 b = 4e x p ( - j c a t + j 2 k s l s ) ( 2 - 1 ) 乓；4 e x p ( - j o l t + j 2 k s l s ) ( 2 - 2 ) ( 2 1 ) 式与( 2 2 ) 式中各参数分别为： 4 与4 分别为反射回的参考光波和反射回的样品光波电场分量振幅。 k 与知分别为反射回的参考光与反射回的样品光的波数。 图2 - 2m i c h e l s o n 干涉仪 所以，入射到光电探测器上的光的电场分量为 e h 2 e r + e s 则入射到探测器上的光强为： ( 2 3 ) 浙江大学硕士论文 l 2 瓦1 ：p e + b 1 2 如 ( 2 4 ) l 2 去0 以c x p ( 一胁+ _ ，2 k ) + a s e x p ( - j o j t + ，磁) 卧d 盯( 2 5 ) = 去侄1 4 1 2 + 圭k 1 2 + m ，( b e ) c 2 6 ， r e a l ( e s e * n ) = a , a sc o s ( 2 k , l , - 2 k s l s l ( 2 7 其中，为真空中的波阻抗，定义为 = ( 翁 ( 2 8 ) 如果m i c h d s o n 干涉仪处于真空中，则参考光和样品光的波数将相同，1 5 k = 缸= 七= 2 月r a ，贝 ，翻，( 忍耳) = 4 4 s ( 2 万刁a 三 ( 2 9 ) 所以，入射到探测器上的光强为： 厶2 去 k c x p ( 研+ ，2 ) + a se x p ( - j a ，t + _ ，2 ) 门。d ( 2 _ l 。) 屯= 舶小i 弦+ a 4 c o s ( 2 嗾) 协m 式( 2 7 ) 与( 2 - 9 ) 为参考镜返回的光与样品镜返回的光的相干项，通常我们只考虑相 干项。 ，阳，( 风最) = 4 4 c o s ( 2 石j a 涯 c 2 2 ， 如果光源是高斯振幅分布，即光源的频谱为： 砸叫志 ；唧 一警 协 此频谱已经归一化，其中，为该频谱标准差半宽。 浙江大学硕士论文 所以光电探测器探测到的相干光强为： m ， o p e 一钥耐嘲吲) 沼 其中，为群延迟，0 为相延迟，c r r 为光源的时域标准差半宽。 可见，干涉信号也是高斯型分布。并且，当大于2 q 时，相干信号将迅 速衰减，所以可以基于该原理，通过调制参考臂与样品臂之间的光程差来改变群 延迟，从而实现纵向扫描。 通常，表示高斯光源的带宽以及分辨率，一般用半高全宽( f w h m , af u l lw i d t h a tah a l f - m a x i m u m ) 来表示要更加方便。 对于真空中的高斯光干涉仪，f w h m 分辨率。与光源的带宽a 五相关。 = 半( 鲁 协渤 其中，凡是光源的中心波长。 2 3o c t 光源 利用低相干原理的o c t 最早在生物医学上是用于人眼的纵向扫描以及视网 膜的层析成像。该o c t 所用的光源是一个8 5 0 n m 的超辐射发光二极管 s u p e r l u m i n e s e e n td i o d e ( s l d ) 。该s l d 发出的光可以很好的穿透人眼中的玻璃体 和视网膜。对视网膜的成像有着一个特殊的要求，即入射到人眼内部的光强要较 微弱，人眼是一个透明度很高的组织，并且o c t 探测所需要获得的组织的形态 结构。而对于人体其它组织，由于散射吸收很强烈，所以一般会使用其它波长的 光源，而非8 5 0 n m 的超辐射二极管。 一个o c t 的光源通常通过四个标准来进行评价：波长、带宽、强度以及光 源的稳定性。在应用时，最终要考虑光源的便携性、使用的简单程度以及与应用 环境的适应性。通常，o c t 的探测深度同时被介质的吸收与散射限制，并且所 有的衰减都和光的波长有关系。可见光波段的红光一般被称为治疗和诊断窗口， 因为该波段的光在水和血液中的吸收相对比其他波段的光要小。而在可见光与近 红外光波段，介质的散射则是随着光波波长的增加而单调递减的。所以，要增加 1 0 浙江人学硕士论文 o c t 的探测深度就必须选取一个可以平衡两个影响因素的中心波长。生物组织 的光学特性的理论与研究已经指出，当使用1 3 z m 附近与1 6 5 z m 附近波长的光 时，将达到最佳的穿透深度 2 9 - 3 1 】。 o c t 的纵向分辨率由o c t 所使用的光源带宽所决定，即： a z = 半 协 石卧， 其中，a 是光源的中心波长。a 名是光源的f m h w 光谱宽度。对于一个给定了 中心波长的光源，当增加光源的带宽时，将同时会提高o c t 系统的纵向分辨率。 上式给出了o c t 系统纵向分辨率与o c t 光源带宽的关系，同时该式也说明o c t 要获得足够的纵向分辨率就不宜于采用长波长光波。因为，从上式可以得出，光 源的中心波长越长，纵向分辨率就越低，所以o c t 必须选用合适的波长。 o c t 光源的发光功率受到下式的限制： s n r o l ：c 口儿甜( 2 - 1 7 ) c l 其中，s n r 是信噪比( 或灵敏度) ，q 与o c t 的纵向扫描速率成正比，只是仅 从o c t 样品臂返回到光电探测器上的光功率。这个关系式说明，当要在保持对 微弱的样品臂返回光的灵敏度的同时提高o c t 的纵向扫描速率，就必须提高光 源的光功率。因为o c t 最后检测到的是样品臂和参考臂中返回的光的相干信号， 所以空问非相干的光源很难用于o c t 上，除非从样品臂和参考臂返回到大探测 器上的电磁波是同一波前。通常，在典型的干涉仪中，通过不同路径的波前变换 是不相同的。但使用单模光源时，通常可以通过空间滤波器把经过散射由低次模 变成高次模的光波滤出，从而保持相干条纹的对比度。目前o c t 中应用最广泛 最普遍的干涉仪就是基于单模光纤的干涉仪。其中，单模光纤同时起到两个作用， 第一是使得传输的光尽量少的散射成高次模式，第二是起到空间滤波器的作用以 滤掉经过样品和外部光学系统散射而转换成高次模式的光。 同时式( 2 1 7 ) 的推导是假设探测系统的散粒噪声受到了限制。这个可以非 常容易的利用外差探测的方法来实现并且可以实现量子级别的灵敏度。散粒噪声 受抑制的探测方法可以通过在探测臂利用相对低光强的光( 一1 0 r w ) 的方式来实 浙江大学颈士论文 现。但是这种方法并不能提高探测的灵敏度。目前o c t 最常用的是基于单模光 纤的迈克尔逊干涉仪。因此，从样品臂回的光和从参考臂返回的光到达探测器后 只相当于光源发出的光的5 0 ，大约有5 0 0 , 6 的光会损耗掉。利用超辐射发光二 极管的o c t ，由于光源的光本身就很微弱，所以探测器获得的振荡信号将很微 弱，这样已经可以有效的抑制住散粒噪声。但是当o c t 所用的光源的功率变大 以后，因为除了有5 0 的光被损耗之外，近乎所有参考臂光都是过剩的，因此这 种情况下迈克尔逊干涉仪的效率已经较低了。最近已经有利用带光循环器的马克 一森德干涉仪的o c t 已经显著的提高了这种效率，它通过把大多数光源的光射入 样品臂来实现【1 7 】这种o c t 可以利用目前很多新型的高功率光源。 o c t 光源的最后一个的要求便是与环境的匹配。早期的o c t 研究都是基于 实验室的实验平台，因此早期o c t 系统与光源的结合不是一个很关键的要求。 到了目前，o c t 的研究大多已经基于实时成像，所以一个简单、集成并便于使 用的系统是基本的。但是，目前能够使得o c t 获得最佳成像性能的光源却无法 满足集成、体积、便于使用以及对环境的稳定性等要求。例如飞秒激光器可以使 得o c t 获得l p m 的分辨率，并且飞秒激光器可以发出多个波长的近红外光。 因此，目前o c t 多采用集成度高、体积小、造价低以及便于与系统集成的 光源，如超辐射发光二极管s u p e r l u m i n e s c e n td i o d e s ( s l d s ) 。s l d 是一种半导 体光源。早期的o c t 大多数使用s l d 光源，这是因为s l d 光源造价相对便宜 以及使用简单。在早期，大多数o c t 实用的s l d 的中心波长是8 5 0 n m ，并且带 宽大约为2 0 r i m 。基于这样的s l d 光源的o c t 系统的纵向分辨率可以达到1 5 p r o 。 s l d 具有较为光滑的高斯型光谱分布，这为o c t 提供了低噪声、自由回声的成 像。但是成像时间较长，甚至达到数分钟。 除了，半导体光源以外，常用的o c t 光源还有多普勒光纤光源、固体激光 器。 2 4o c t 的光线延迟线 对于时域o c t 要实现纵向扫描就必须在参考臂上调节光程，从而实现对样 品不同深度的扫描，以此来获得样品的层状信息。这个改变参考臂光程的子系统 1 2 浙江大学硕士论文 就是o c t 的光线延迟线o p t i c a l d e l a y l i n e s ( o d l s ) 光线延迟线有着不同的种类， 因此需要根据o c t 具体情况来选择，这包括：成像要求、干涉仪的结构、可用 到的资源与技术。以下将详细介绍两种光线延迟线。 2 4 1 线性位移式光线延迟线 o c t 利用的最简单的光线延迟线就是把一反射镜安装在一个可以线形位移 的平台上，已通过反射镜的移动来改变参考臂的光程，从而实现光线延迟的。从 参考臂出来的光束经过准直镜准直以后入射到反射镜上，经过反射后又通过准直 镜重新耦合进入参考臂光纤，最后和样品臂返回的光耦合相干。反射镜被安装固 定在一个可以平移的平台( 如步进电机) 上，从而实现光的延迟。通常，这种延 迟线所用的机械平移平台都可以很好的满足光线延迟所需的位移长度。但是这种 方法有着一个很大的不足之处在于，这种方法所获得的扫描速度相对缓慢。一般 的位移平台的移动速度能达到1 0 0 m m s 。 线性平移式光线延迟线的适用性较为广泛，它有着很大的扫描距离和一定范 围的扫描速率。线性平移式光线延迟线的扫描重复率和占空比取决于扫描的范 围、速度以及扫描是否选用单边或双边扫描。通常这种线性平移平台可以利用步 进电机或者线性电机等实现。由于电机在运行时的振动以及电机转动的离散性， 必然会使得这种线性位移平台的位移产生一定的非线性。所以必须选择适当的电 机来尽量将小位移的非线性，同时也可以通过机械控制来减小扫描的非线性。 此外也可以利用压电陶瓷珊叮来实现线性位移。但是由于p z t 能改变的行 程很短，一般只有几十个微米，而且压电陶瓷对信号的非线性很敏感。 反射镜和准直镜是线性位移光线延迟线最小的部件。所以，利用线性位移式 光线延迟线的光损失最小。对于这种光线延迟线，光损耗是由于反射镜的缺陷以 及光线与干涉仪的耦合缺陷带来的。通常，光损耗要小于5 0 0 4 3 d b ) 。并且，这 种光线延迟线不会带来偏正与散射效应。 利用线性位移式光线延迟线时，o c t 信号的中心频率可以表示为： f 0 = 2 s 凡 ( 2 - 1 8 ) 其中，s 是光线延迟线上反射镜的移动速率( 延迟扫描速率为y = 2 s ) 。所以， o c t 信号的带宽为： 浙江大学硕士论文 = 等2 等 2 4 2 傅立叶快速光线延迟线 ( 2 1 9 ) 傅立叶快速光线延迟线是基于频域技术的一种光线延迟线3 2 “】。这种傅立叶 快速光线延迟线的扫描深度可以达到数个毫米，扫描频率可以达到上千赫兹。并 且，傅立叶快速光线延迟线可以把群延迟和相延迟相互独立 傅立叶快速光线延迟线的结构如图2 3 所示，该快速光线延迟线由光栅、透 镜和振镜等在主要部件组成。其中光栅的光栅常数为d 。中心波长为凡的光入射 到光栅上，中心波长的一级衍射角为o o 。衍射后的光线，经过焦距为，的透镜后 再入射到振镜上，振镜位于透镜的焦面上。其中，中心波长的光经过衍射后的光 平行于透镜的光轴。振镜的倾角为，并且振镜的转动轴偏移焦平面上中心波长 的成像位置一个而的距离，如图2 - 3 中所示。 图2 - 3 快速光线延迟线的基本结构图 由于振镜倾角的存在，所以会产生一个兰写生的相位变化。 另外又因为光栅色散的存在，在一级衍射位置，光栅在的线色散为 1 4 浙江大学硕士论文 垒：上 t d , d c o s o o 因此，光栅色散带来的相位变化为! ! 擎 因而，快速光线延迟线妒( a ) 的相位变化应该为以上两项之和： = 丁4 1 0 x o + 1 4 n t f 瓦( 2 矿- 2 , ) 同样，妒q ) 可以表示成光频率的函数： 矿( 国) = 2 ，。x o m 一1 4 r t y f 可( t o - 1 0 0 ) 其中，是光的中心频率。 而相延时的定义为： 0 = 妒( ) 所以，快速光线延迟线的相延时为： = 2 y x o c 所以，相应的真空中的相延迟为： 厶= 2 y x o 同时，根据群延时的定义： = 掣l ( 2 - 2 0 ) ( 2 2 0 ( 2