（测试计量技术及仪器专业论文）透射式快速扫描光学延迟线的研制和应用研究.pdf

浙江大学硕士论文 摘要 光学相干层析成像( 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 ) 技术是一种高分 辨率的、无损的、具有实时成像能力的医学成像手段。这些年来，o c t 在医学 成像领域，特别是眼科诊断方面，获得了很大的发展。由美国m i t 的f u j i m o t o 小组提出的快速扫描光学延迟线( r a p i ds c a n n i n go p t i c a ld e l a yl i n e s ，r s o d ) 在 提高o c t 性能中起到了很大的作用，如成像速度、信噪比、分辨率等。r s o d 具有相位调制、轴向扫描、色散匹配等功能，并且r s o d 具有易移植的特性， 使得它能够方便地应用到系统中。 本课题主要研究了r s o d 的原理、构造，比较平衡探测与非平衡探测的噪 声特性，得出平衡探测的优势。为了实现平衡探测，提出了一种基于直角棱镜偏 转光束的透射式r s o d ，该透射式r s o d 主要由反射型闪耀光栅，傅立叶透镜、 快速扫描振镜、直角棱镜和反射镜组成，它具备了反射式r s o d 同样的相位调 制、轴向扫描、调节色散功能。设计、搭建基于透射式r s o d 的平衡探测o c t 系统，编写平衡探测o c t 系统控制软件。通过实验表明，基于透射式r s o d 构 建的平衡探测型o c t 系统，与基于反射式r s o d 的非平衡探测型o c t 系统相 比，图像质量明显提高。 研究了傅立叶域o c t ( f o u r i e rd o m a i no c t ，f d o c t ) 镜像产生的原因以 及各种消镜像的方法，重点研究了利用色散消镜像的方法，将搭建完成的透射式 r s o d 引入扫频o c t ( s w e p ts o u r c eo c t ，s s o c t ) 系统，通过透射式r s o d 引入的色散编码，消去样品镜像。 本文正文部分分为五章： 第一章绪论，主要介绍了o c t 的原理，各种光学延迟线的形式，重点描述 了r s o d 的原理，以及本课题的意义、研究内容和创新点。 第二章透射式r s o d ，具体论述了平衡探测o c t 的优势，分析了各种透射 式r s o d 的优劣，提出并阐述了一种创新的透射式r s o d 的设计方案，分析透 射式r s o d 实现原理，确定透射式r s o d 各器件设计参数，详细描述了透射式 r s o d 的装配、调试方法。 第三章基于透射式r s o d 平衡探测o c t ，将透射式r s o d 应用于t d o c t 浙江大学硕士论文 系统中，体现r s o d 的基本功能，通过实验描述基于透射式r s o d 的平衡探测 o c t 系统的一些性能指标，通过比较基于透射式r s o d 平衡探测o c t 系统和基 于反射式r s o d 非平衡探测o c t 系统之间的实验结果，显示出透射式r s o d 的 优势。 第四章基于透射式r s o d 色散编码消镜像，具体论述了s s o c t 产生镜像 的原因、研究意义和现状，提出了一种新型的消除镜像的方法，将透射式r s o d 应用于s s o c t 系统中，提出通过透射式r s o d 产生的可调节的色散对信号进 行色散编码，消除图像镜像的方法。 第五章总结与展望，总结了本课题的成果，提出进一步深入研究的工作。 关键词：光学相干层析成像，透射式快速扫描光学延迟线，平衡探测，信噪比， 色散编码，复共轭镜像消除 浙江大学硕士论文 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 t ) i san o n - i n v a s i v e ，n o n c o n t a c tb i o m e d i c a l i m 姆n gt e c h n i q u e ，w h i c hc a l lo b t a i n i nv i v oc r o s s - s e c t i o n a li m a g e so ft i s s u e m i c r o s t r u c t u r ew i t hh i g hs e n s i t i v i t ya n da x i a lr e s o l u t i o n t h e s ey e a r s ，i td e v e l o p e d v e r yf a s t i nt h ef i e l do fb i o m e d i c a li m a g i n g ，e s p e c i a l l yi no p h t h a l m i cd i a g n o s e s r a p i ds c a n n i n go p t i c a ld e l a yl i n e ( r s o d ) ，w h i c hw a sf i r s tr e p o r t e db yg r o u p f u j i m o t oo fm i t i n19 9 7 ，p l a y sag r e a tr o l ei ni m p r o v i n go c t sp e r f o r m a n c e ，s u c ha s t h ei m a g i n gs p e e d ，s i g n a lt on o i s er a t i o ，r e s o l u t i o n ，e t c r s o df u n c t i o n sf o rp h a s e m o d u l a t i o n ，a x i a ls c a n n i n ga n dd i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o ni no c ts y s t e m b e c a u s eo f i t se a s ym o b i l i t y ，r s o dc a nb ee a s i l ya p p l i e dt ot h es y s t e m i nt h i sr e s e a r c h ，t h er s o d sp r i n c i p l ea n ds t r u c t u r eh a v eb e e nr e a l i z e d c o m p a r e d w i t ht h en o i s ec h a r a c t e r i s t i c so fu n b a l a n c e dd e t e c t i o no c t , t h eb a l a n c e dd e t e c t i o n o c th a sm o r ea d v a n t a g e s i no r d e rt oa c h i e v eb a l a n c ed e t e c t i o n ，w ep r e s e n ta t r a n s m i s s i v er s o db a s e do nr i g h t - a n g l ep r i s m ，w h i c ho f f s e t st h er e f l e c t e db e a m t h i st r a n s m i s s i v er s o d ，c o n s i s t i n go far e f l e c t i v eb l a z e dg r a t i n g ，af o u r i e rl e n s ，a f a s t - s c a n n i n gg a l v o - m i r r o r ，ar i g h t a n g l ep r i s ma n dam i r r o r , f u n c t i o n sf o rp h a s e m o d u l a t i o n ，a x i a ls c a n n i n ga n dd i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o ni no c tj u s ta sar e f l e c t i v e r s o d w eh a v ed e s i g n e da n db u i l tt h et r a n s m i s s i v er s o df o rb a l a n c e dd e t e c t i o n b a s e do c t , d e v e l o p e dt h ec o n t r o ls o f t w a r eo ft h i ss y s t e m c o m p a r i s o ns t u d y i n d i c a t e st h a ti m p r o v e dq u a l i t yo fi m a g i n gi sa r c h i v e db yt h et r a n s m i s s i v er s o d b a s e do c t ，i nc o n t r a s tt ot h a tb yac o n v e n t i o n a lr e f l e c t i v er s o db a s e do c t w er e a l i z e dt h er e a s o no fm i r r o ri m a g ei nt h ef o u r i e rd o m a i no c t ( f d o c t ) a n d v a r i o u sm e t h o d st or e s o l v et h ec o m p l e x - c o n j u g a t ea m b i g u i t y , f o c u s e do nt h em e t h o d w h i c hu s e dd i s p e r s i o ne n c o d i n gt oe l i m i n a t et h em i r r o ri m a g e t h et r a n s m i s s i v e r s o dw a si n t r o d u c e dt ot h es w e p ts o u r c eo c t ( s s - o c t ) ，w h i c hp r o d u c e d d i s p e r s i o ne n c o d i n g ，t or e s o l v et h ec o m p l e x c o n j u g a t ea m b i g u i t y f i v ec h a p t e r sa r ei n c l u d e di nt h i st h e s i s ： i nt h ef i r s tc h a p t e r , t h ep r i n c i p l eo fo c ta n dv a r i o u so p t i c a ld e l a yl i n e sa r ei n t r o d u c e d i v 浙江大学硕士论文 t h ep r i n c i p l eo fr s o d ，t h es i g n i 。f i c a n c eo ft h i st o p i c ，r e s e a r c hc o n t e n ta n dc r e a t i v i t y a r em a i n l yd e s c r i b e d i nt h es e c o n dc h a p t e rw ed i s c u s st h ea d v a n t a g e so fb a l a n c e dd e t e c t i o no c t c o m p a r e dw i t hv a r i o u st r a n s m i s s i v er s o d s ，an e w t r a n s m i s s i v er s o di sr e p o r t e d t h ep r i n c i p l eo ft h i st r a n s m i s s i v er s o di sd e s c r i b e d t h ed e s i g n i n gp a r a m e t e r sa r e d e t e r m i n e da n dt h ea d j u s tm e t h o do ft r a n s m i s s i v er s o di si n t r o d u c e d i nt h et h j r dc h a p t e r , t h et r a n s m i s s i v er s o da p p l i e dt ot h eb a l a n c e dd e t e c t i o no c t t h eb a s i cf u n c t i o no fr s o da n dt h ep e r f o r m a n c eo fb a l a n c e dd e t e c t i o no c ti s e x p r e s s e db yt h ee x p e r i m e n t c o m p a r i s o ns t u d yi n d i c a t e s t h a t a d v a n t a g e sa r e a r c h i v e db yt h et r a n s m i s s i v er s o db a s e do c t ，i nc o n t r a s tt ot h a tb yac o n v e n t i o n a l r e f l e c t i v er s o db a s e d0 c t i nt h ef o u r t hc h a p t e r , w ed i s c u s st h er e a s o no fm i r r o ri m a g ei nt h es s o c t , v a r i o u s m e t h o d st or e s o l v et h ec o m p l e x c o n j u g a t ea m b i g u i t ya n dc u r r e n t l yd e v e l o p i n g s i t u a t i o n an e wm e t h o do fe l i m i n a t i n gt h em i r r o ri m a g e ，w h i c hb a s e do nd i s p e r s i o n e n c o d i n gp r o d u c e db yt r a n s m i s s i v er s o d ，i sr e p o r t e d h 1t h ef i f t hc h a p t e r , w es u m m a r i z et h er e s u l t so ft h i st h e s i sa n dp u tf o r w a r df u r t h e r i n - d e p t hr e s e a r c h k e y w o r d s ：o p t i c a lc o h e r e n c et o m o g r a p h y , t r a n s m i s s i v er s o d ，b a l a n c e dd e t e c t i o n ， s n r ，d i s p e r s i o ne n c o d i n g ，r e s o l v i n gt h ec o m p l e x - c o n j u g a t ea m b i g u i t y v 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得盘姿i 坠堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：名泛 签字日期：2 9 p 年3 月卜日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝鋈盘堂有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝姿盘堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：缎 导师签名： 签字日期：z 口f d 年3 月f c 日 签字日期：纠年j 月c 日 浙江大学硕士论文 致谢 本文的研究工作是在导师丁志华教授的悉心教导下完成的，回首过去的将近 三年的研究生生活，无论在学习上还是生活上，丁老师都给予了无微不至的关怀 和孜孜不倦的教诲。在学 - - j 上，丁老师教授我科学的学 - j 方法，培养我创新的思 维，开阔我的视野，给我提供良好的科研环境和条件，对于我将来的发展很有帮 助。在生活上，他时常传授我一些科学的生活习惯，使我受益匪浅。在丁老师的 指导和关怀下，我顺利完成了本次课题，在此，我由衷地感谢丁老师的栽培和教 导。 本课题的完成，还得到了实验室各位同学的支持和帮助。感谢王凯博士给予 我软件上的帮助和指导；感谢孟婕博士教授我调光路的方法；很开心可以和吴彤 博士合作实验，感谢他的指导。感谢陈明惠博士、王川博士、陶渊浩硕士、王保 勇硕士、黄良敏硕士，商在明硕士以及实验室其他本科生、关心我的老师、同学 朋友，在你们的支持和陪伴之下，我度过了令人难忘的研究生生活。 最后我要感谢我的家人，我的爸爸妈妈，感谢你们一直以来的支持和培养， 还有一切关心我的亲戚朋友，在你们的关怀之下，我顺利的完成了学业。祝愿我 的家人身体健康，永远快乐。 徐磊 贰零壹零年壹月于求是园 浙江大学硕士论文 第一章绪论 1 1 光学相干层析系统的原理及发展现状 揭示生命本质、追求人类健康成为科技发展的一条主线。随着医疗技术的不 断发展，人类的生活质量、健康水平不断提高。1 8 世纪，随着光学显微镜的问世， 人类开始将光技术应用到生物医学中。自1 8 9 5 年伦琴发现x 射线以来，医学成像 技术不断发展，先后有超声波成像技术( u l t r a s o n i c ) 、x 射线计算层析成像术 ( x r a yc o m p u t e dt o p o g r a p h y ，x c t ) 、核磁共振成像技术( n u c l e a rm a g n e t i c r e s o n a n c ei m a g i n g ，n m r i ) 等，为医疗诊断提供了依据，在现代医学中发挥了 巨大的作用。随着医学成像技术的发展，光学相干层析成像【l 】( o p t i c a lc o h e r e n c e t o m o g r a p h y ，o c t ) 这种全新的生物医学光学成像技术应运而生，因其具有高分 辨率( 1 2 0 “m ) 、无损伤的、实时成像能力以及成本低廉【2 - 5 】，引起世人的广泛 关注。 1 9 9 1 年美国m i t 的f 蛳m o t o 小组第一次提出了o c t 技术，成功展示了人眼视 网膜的显微结构和冠状动脉壁的活体成像。o c t 的成像机理类似于b 超成像，不 同的是用光波代替了声波，利用弱相干光干涉仪的基本原理，通过干涉的方法探 测生物组织不同深度层面对入射弱相干光的背向散射信号，通过扫描，可得到生 物组织二维或三维的层析图像。o c t 技术只需借助光这个媒介，没有任何辐射危 害，又无需添加任何外加的显影剂，不许需要进行诸如生理切片等创伤手段进行 探测，故而比较安全无任何创伤及潜在的危险，故而远比之前的影像技术安全， 完全胜任无损检测，被称之为“光学活检”。同时利用o c t 的光学成像手段可以 在肿瘤和良性正常疾患之间有较高的软组织对比度，通过量化生理参数可以实 现功能成像，诸如获得血氧饱和度、血流( d o p p l e r ) 、胶原蛋白等等的信息；同 时虽然光学探测手段在生物组织中的穿透深度有限，但是利用宽带光源的宽光谱 决定的相干门可以获得较高分辨率，故而在眼科、皮肤以及各种人体组织的早期 诊断中将会有广大的用武之地【6 】。 光学相干层析系统，即o c t 系统的基本结构如图1 - 1 所示，其本质是一个迈 克尔逊干涉仪。低相干光源发出来的宽带光经过分束镜分成两部分，一部分光入 射到参考臂，经反射镜反射回分束镜到探测器昂柏硎，另一部分光入射到样品 浙江大学硕士论文 臂，经样品返回小部分后向散射光。调节参考臂的光程，使得两束光发生 干涉，通过处理探测器上所得到的干涉信号，就可以得到样品的各种信患。 图1 1o c t 系统的基本结构图 可以得到： b 咖如( 妫= 4 ( 动e x p - j 2 f l s ( 动冬一倒】 ( 1 1 ) 昧。概( 砌= 以( c o ) e x p 一以2 厥( 叻厶一甜】 ( 1 2 ) 舭r e a ，l e s ( a ) ) e r ( 刎。等) r e a ， s ( o j ) e x p m 期( 1 3 ) 根据是否进行轴向扫描，o c t 技术被分为时域o c t ( t i m e d o m a i no c t ， t d o c t ) 技术和傅立叶域o c t ( f o u r i e r - d o m a i no c t ，f d o c t ) 技术两大类。 参考镜进行轴向扫描来匹配不同深处的反射光，这种成像方式就是t d o c t ；而 不需要进行轴向扫描的为f d o c t 。两种o c t 技术各有优势，t d o c t 技术成熟， 成本低，现在已经广泛应用到医院、诊所等医疗机构。相对于t d o c t ，f d o c t 由于不需要进行轴向扫描，不同横向位置出的散射信号一次性接收，所以其成像 速度快。 t d o c t 的图像是由不同横向位置处的序列轴向反射或散射信号构筑而成 浙江大学硕士论文 的，采用的轴向扫描方式在很大程度上决定了o c t , 统的成像速度冈，对系统信 噪比、分辨率也有很大影响。因此，扫描光学延迟线是t d o c t 的关键技术和研 究重点。各种光学延迟线被提了出来，如：线性平移反射镜【8 1 、压电驱动平移反 射镜9 1 等基于线性平移反射元件的光学延迟线；微镜阵y , j t l 0 1 、微棱镜阵列【1 1 】、旋 转立方体【1 2 】等通过旋转的方式来改变光程的光学延迟线；以及具有独立调节相 速度延迟( p h a s ed e l a y ) 、群速度延迟( g r o u pd e l a y ) 的快速扫描光学延迟线【”】 等，具体将在下一节中进行介绍。 f d o c t 主要分为两种，谱域o c t ( s p e c t r a ld o m a i no c t ，s d o c t ) 和扫 频o c t ( s w e p ts o u r c eo c t ，s s o c t ) 。s d o c td j f e r c h e r 等人在1 9 9 5 年提出， 其显著特点是不需要移动参考镜进行轴向扫描，线性探测器接收到的光谱信息通 过傅里叶逆变换得到样品的深度信息【1 4 1 。s d o c t 系统的基本结构如图1 - 2 所示 【”】，由样品臂和参考臂返回的光束重合后发生干涉，干涉光束被光谱仪接收， 接收到的信号为光强关于波数k 的函数i ( k ) ，再对i ( k ) 进行傅里叶逆变换，就得 到相对应的深度坐标z 的样品信号f ( z ) 。由于样品信息可以一次性接收，大幅度 提高系统的采样速率，在对视网膜的活体采样中获得了很好的应用。 l a t o r a l io c l - s c 鞠 图1 - 2f d o c t , 统结构图 1 9 9 7 年，c h i n n 等人提出s s o c t 16 1 ，其结构示意图如图1 3 所示，扫频光源 发出波长随时间变化的光，经过耦合器分为两束光，一束光进入样品臂，另一束 光进入参考臂，两臂返回的光在耦合器发生干涉，干涉信号由点探测器接收，经 3 浙江大学碗论文 过傅立叶反变换后获得样品信息。s s o c t 具有和s d - o c t - - 样的快速扫描能力 而且和t d o c t 一样兼有点探剥的优势 图1 3s s - o c t - 统结构厚理图 s s o c t 的核心在于扫频光源的制作，理想的扫频光源需要满足线性的频率 扫描，窄的瞬时线宽、宽的扫频范围和高的输出功率自1 9 9 7 年美国m i t t 均 f u j i m o t o d 组研制出最早的s s o c t 以来，已发展了各种不同的扫频光j 啄以及 s s o c t , 统，扫频速度从最初的几赫兹、几十赫兹发展到目前的几兆赫兹，带 宽也从几十纳米拓展到几百纳米”1 ， 近几年来，f d o c t 于其在成像速度和灵敏度上的优势，获得了迅猛发展， 有取代t d o c t 的趋势1 8 - 2 1 i 。但是f d o c t 技术也有其固有的缺陷，如复共轭镜 像和自相关噪声的存在，信噪比随着成像深度的增加而下降”，捌，无法实施动 态聚焦等。因此，t d o c t 系统仍旧具有发展的空间。 1 2 光学廷迟线 1 21 光学延迟线的形式 光学延迟线是t d o c t , 统中的重要组成部分，它决定了o c t 系统的扫描速 度，影响整个系统的信噪 匕和分辨率，是o c t 技术中的一个关键部分和研究热点。 光学延迟线的设计要考虑很多因素：扫描范围：扫描速度；扫描线性度、光损失 率以及带来的色散、偏振的影响。这些都会影响到整个系统的性能。一个高效， 浙江大学硕士论文 合理的光学延迟线需要具有较大的扫描范围以获得较深扫描深度，较快的扫描速 度实现实时成像，较高的扫描线性度，以及较低的光损失率，同时具有一定的色 散调节能力来匹配参考臂、样品臂之间的色散。 光学延迟线根据其扫描原理的不同可以分为四大类：1 基于平面反射镜线 性平移的光学延迟线；2 基于旋转机构的光学延迟线；3 基于光纤伸缩的光学 延迟线；4 基于光栅衍射效应进行群速度控制的光学延迟线。表1 1 列出了各种 常见的光学延迟线的设计。 表1 - 1 各种光学延迟线 扫描方式延迟线形式优点缺点 简单，损耗小，扫描 单通反射镜扫描速度慢 范围大，无色散 基于平面反射镜 损耗大，光速偏振 线性平移的光学 多通反射镜简单，扫描范围大 状态影响大 延迟线 扫描范围大，占空比受机械惯性影响 振镜驱动反射镜 高扫描速度慢 腔型多通延迟线紧凑、扫描速度快有寄生调制信号 扫描不均匀、占空 旋转立方体扫描速度快比低、扫描范围不 确定 扫描速度较高，无明 基于旋转机构的 振镜扫描扫描范围有限 显色散影响 光学延迟线 高速、高占空比、线 反射镜阵列安装 旋转反射镜阵列形扫描、不影响群速 要求较高 度、高信噪比 扫描范围较高、高占扫描时并非完全 旋转棱镜阵列 空比线性 s 浙江大学硕士论文 高速、扫描范围大、易受温度影响、受 基于光纤伸缩的 光纤扫描延迟线 占空比较高、光损耗光纤双折射效应 光学延迟线较稳定且不大、适用影响、有迟滞效 于光纤o c t 系统应、偏振模色散 扫描速度较快、群速 快速扫描光学延离实时成像还有 度和相速度分离、色 迟线一定距离 散可调 高速、高信噪比、群 基于光栅衍射效 位相延迟非线性 应进行群速度控 多边形扫描器 速度和相速度分离、 化、在信号上产生 群速度色散可以忽 制的光学延迟线 啁啾 略 基于声光调制器 响应速度快、无需运 光损耗较大、不适 动部件、适用于时域 的光学延迟线合超宽带宽的光 的多路器 1 2 2 快速扫描光学延迟线的原理及其功能 双通快速扫描光学延迟线( d o u b l e - p a s sr a p i ds c a n n i n go p t i c a ld e l a yl i n e ， r s o d ) 由美国m i t 的f u j i m o t o 小组提出，它基于光栅衍射效应实现独立控制相 速度延迟、群速度延迟，并可以调节色散，r s o d 的扫描速度可以达到几百赫兹， 基本可以实现实时成像【2 4 1 。 典型的r s o d 是由光栅、傅立叶透镜、振镜构成，其几何布局如图1 - 4 所示 【2 5 1 。经准直后的光线投射到反射型衍射光栅上，其一级衍射光经傅立叶透镜聚 焦在扫描振镜上，经振镜反射回的光再次通过傅立叶透镜投射到光栅上，并被反 射回来，其中，光栅位于傅立叶透镜的前焦面，振镜位于傅立叶透镜的后焦面； 0 、x o 、f 分别表示振镜转过的夹角、振镜偏移光轴的距离、傅立叶透镜的焦距。 考虑光栅的相位校正因子，通过光线追迹，计算振镜转动时某个波长的光在 r s o d 中的光程变化量，可以推出r s o d 的相位变化量： 缈= 2 k x o o + 4 n m 0 f ( k - 一k o ) ( 1 4 ) p k q 其中k 表示某个波长下光的波矢量，表示中心波矢量，p 表示光栅常数，m 6 浙江大学硕士论文 表示光栅的衍射级次，在这里取1 。 星j 三 7 彳二二二弋 霹 图1 - 4r s o d 结构图 考虑参考臂和样品臂之间的固有光程差，结合( 1 4 ) ，可以得到两个干涉臂 之间的光程差： 缈( 尼) = 2 k 6 + 2 o c o g + 4 n m o f ( _ k - 一k o ) ( 1 5 ) p k 电 式中，6 表示两个干涉臂之间的光程差。 将其按泰勒公式展开： 缈( 尼) = v ( k o ) + 缈( ) ( 七一) + ( ) ( k 丁- k o ) + 缈( ) ( k 丁- k o ) + ( 1 6 ) 根据相速度延迟和群速度延迟的定义，展开后第一项系数表示相延迟： t = 掣= 一十垫(17)p 2 8 ， 。 、j ， c 杯 c c 第二项系数表示群速度延迟： 名= 拟栌等+ 半+ 等 8 ， 因此，将r s o d 作为参考臂，不仅可以实现相位调制，而且还可以实现深度 扫描。 当光栅不在透镜前焦面时，如图1 - 5 所示2 5 1 ，艮、a z 、工、勒分别表示光 栅倾斜角、光栅离焦量、傅立叶透镜焦距、衍射角、振镜中心的偏移量。同样， 通过光线追迹，计算振镜转动时r s o d 的光程变化量，得出r s o d 的相位变化 量： a q g ( k ) = 2 k z 生z c o s f l + 2 k x 0 0 - 2 k o f s i n f l ( 1 9 ) 浙江大学硕士论文 根据( 1 5 ) 、( 1 6 ) ，按泰勒公式展开后，其第三项系数第四项系数分别代 表了r s o d 的二阶色散和三阶色散，求得r s o d 的二阶色散和三阶色散为： 巩一端， d 0 9 ) = 箍叶焉， g r f 奄 。 - l m 1 ： 曼豫芸彳 、ai 曼影乒龚磊- ：】。- - - j q ； 1 豁髟_ p ，善 图1 5 光栅离焦时r s o d 结构图 调节光栅离焦量z ，使得r s o d 产生色散，匹配系统产生的色散，提高系 统的分辨率。 因此从原理上分析，通过调节r s o d ，主要可以实现以下几个功能： 1 调节光栅离焦量，使r s o d 产生色散，匹配系统色散。 2 依靠振镜的高速转动，产生不同的群速度延迟，实现对样品的高速轴向扫 描。 3 调节振镜中心的偏移量，进行相位调制。 4 调节振镜中心到一定位置，使得r s o d 相位变化量与波矢量k 无关， 作为无色散相移器使用。 1 3 本课题的意义，研究内容和创新点 1 本课题的意义 社会的发展，人们生活水平的提高，使得人们对健康的要求越来越高。光学 技术正在进入人类的健康领域，改变传统的医疗手段，并为医疗诊断提供新的方 法。光学相干层析成像技术是近十年迅速发展起来的一种成像技术，以光作为媒 介，不需要标定物质，真正做到了非侵入、无损成像；具有很高的纵向空间分辨 8 浙江大学硕上论文 率，可以达到l 1 5 9 m ，比超声技术高1 2 个数量级，在医学诊断中具有很高的 利用价值；o c t 成像速度非常快，可以达到几兆的速度，在活体采样中起到了 非常大的作用。如今，o c t 技术主要应用在眼科诊断，是当前对眼底视网膜多 层精细结构进行高分辨率层析成像最佳手段。 信噪比和分辨率是影响图像质量的两个重要的参数，也是评价o c t 系统的 重要参数。信噪比越高，图像所能表达的组织结构越多；分辨率越高，图像越清 晰对于医学诊断来说，提高o c t 系统的信噪比和分辨率可以提高诊断的正确 率，让病人得到及时的治疗。 根据探测光路选用单个光电探测器进行单路探测还是两个光电探测器加差 分放大进行双路探测情况，实际o c t 系统可以分为非平衡探测与平衡探测两大 类。基于m i c h e l s o n 干涉仪的最简单o c t 系统属于非平衡探测，采用单点探测 器，探测得到的除了干涉信号外，还包括直流本底信号。由于直流本底信号本身 含有强度起伏噪声，并非绝对直流，将影响整个系统的噪声特性。对于平衡探测， 直流本底信号在差分中被相互减去，而干涉信号加倍。平衡探测可以抑制部分过 量强度噪声，信噪比大于非平衡探测的信噪比。搭建基于透射式r s o d 的o c t 系统，可以实现平衡探测，提高系统的信噪比。 o c t 系统的纵向分辨率不仅与光源的带宽有关，而且与系统中两干涉臂之 间的色散匹配有关。如果色散没有精确匹配，分辨率就达不到预期的理论值。透 射式r s o d 还可以匹配样品臂、参考臂之间的色散，提高系统分辨率。 f d o c t 相对t d o c t 虽然有灵敏度高和测量速度快的优点，但是本身也有 缺陷：复共轭镜像的影响。在f d o c t 中，通过傅立叶变换将探测器探测到的 干涉光谱变换到样品空间，因为一个实值函数的傅立叶变换是厄密共轭的，它产 生一个复共轭像，复共轭像与理想的实值像在复平面上关于参考臂与样品臂的零 相位延迟对称，所以样品臂相对于参考臂零光程点的正负方向的样品信息不能唯 一的提取出来，这样形成关于零光程共轭对称镜像，重建的图像则相互重叠模糊。 不能区分正延迟和负延迟，对称模糊就会导致得到的结构图错误。为了避免这样 的模糊产生，实际中，一般把样品置放于等效零光程的一边。如图1 - 6 所示。所 显示的图像如图1 7 所示，可以看到镜面图像位于中心位置的两侧，关于中心对 称，而中心位置是信噪比最高区域，这样子的图像对于信噪比高的区域利用率低， 9 浙江大学硕论文 若是能够消除镜像，就能进一步提高系统的成像范围，提高高信嘬比成像区域利 用率口6 1 。 目1 7 复共轭镜像 因此，透射式r s o d 在t d o c t 系统，f d o c t 系统中，都起到了非常重 要的作用，解决了系统中的实际问题。但据作者所知，到目前为止国内还没有相 关的研究报道。所以，将透射式r s o d 作为直接的研究对象，并将其应用于o c t 系统中，在技术上具有先进性，并可以弥补国内在这一领域的研究空白，具有很 大的创新。 2 本课题的研究内容 本篇论文主要分成三个部分：( 1 ) 透射式r s o d 的研制；( 2 ) 基于透射式 r s o d 的平衡探测o c t 系统研制；( 3 ) 基于色散编码消镜像。 第一部分内容中，具体论述了平衡探测o c t 的优势，分析了各种透射武 浙江大学硕士论文 r s o d 的优劣，提出并阐述了一种创新的透射式r s o d 的设计方案，分析透射式 r s o d 实现原理，确定透射式r s o d 各器件设计参数，详细描述了透射式r s o d 的装配、调试方法。 第二部分内容中，将透射式r s o d 应用于t d o c t 系统中，体现r s o d 的 基本功能，通过实验描述基于透射式r s o d 的平衡探测o c t 系统的一些性能指 标，通过比较基于透射式r s o d 平衡探测o c t 系统和基于反射式r s o d 非平衡 探测o c t 系统之间的实验结果，显示出透射式r s o d 的优势。 第三部分内容中，具体论述了s s o c t 产生镜像的原因、研究意义和现状， 提出了一种新型的消除镜像的方法，将透射式r s o d 应用于s s o c t 系统中， 提出通过透射式r s o d 产生的可调节的色散对信号进行色散编码，消除图像镜 像的方法。 3 本课题的主要创新点 本文开展的关于r s o d 的设计及其拓展应用的研究，其主要特色和创新点 在于： l - 通过对现有r s o d 机理的深入分析，提出了一种创新型的基于直角棱镜转折 光路的透射式r s o d ，并将其定型、实现。 2 搭建基于透射式r s o d 的平衡探测o c t 系统。这种透射式r s o d 在具有 r s o d 基本功能的同时，实现o c t 的平衡探测，提高了整个系统的信噪比。 3 将搭建好的透射式r s o d 应用到s s o c t ，可以补偿大色散样品带来的色散， 提高分辨率，又可以通过引入色散编码，消去s s o c t 的镜像，提高系统的成像 深度。 1 1 浙江大学硕士论文 第二章透射式r s o d 具体论述了平衡探测o c t 的优势，分析了各种透射式r s o d 的优劣，提出 并阐述了一种创新的透射式r s o d 的设计方案，并将其应用于t d o c t 系统中， 在实现r s o d 基本功能的同时，通过比较透射式r s o d 和反射式r s o d 之间的 实验结果，显示出透射式r s o d 的优势。 2 1 平衡探测的意义和研究现状 o c t 系统的信噪比可以用两种不同的方式来定义【2 7 1 ，一种方法是把信噪比 定义为干涉信号经光电转换后得到的信号电流i g 与无信号时本底噪声电流的均 方根统计偏差巩之间比值的平方 s n r ：( 至) 2 呸 ( 2 1 ) 另一种方法是将信噪比定义为理想情况下来自被测样品的1 0 0 的后向光散射率 与信号检测实际能够容许的最小散射率之比，即 1 s n r = l ( 2 2 ) g i n 、7 所谓的最小散射率也就是散射光功率与系统噪声光功率刚好相等时所对应的散 射率。 根据探测光路时选用单个光电探测器进行单路探测还是选用平衡探测器进 行双路探测差分放大的情况，实际的o c t 系统可以分为非平衡探测和平衡探测 两大类。平衡双路探测结构如图2 1 所示。最、耳、分别表示样品臂光场、参考 臂广场，b 、e 表示经过耦合器后的干涉信号光电场。 图2 - 1 平衡双路探测结构图 经过耦合器后，干涉信号光电场可以表示为： d e t e c t o r 浙江大学硕士论文 e ：去( e e - i a t + e r p 枷一号) ，e ：- - 万1 ( e , e 一胁一号+ 巨p 一埘) ( 2 3 ) v z ，一 平衡探测器接收到的光电流信号为： _ - i 1 ， 量石 ( 2 4 ) 1 量石 、 = 去 t i 罡l - i 1 1 二 j l 石 ( 2 - 5 ) 石 、 。1 = i 平衡探测器输出的信号为： i - i + 一t = 去 ：i ( 2 6 ) 从上述分析可知，在平衡探测系统中，平衡探测器两路接收光平均光功率相 同，而干涉信号项有尢的相位差。因此经过差分放大以后，直流本底信号相消， 干涉信号变为两倍。更加有利于信号的分析和处理。 图1 - 1 所示的是基于迈克尔逊干涉仪的最简单的o c t 系统，属于非平衡探 测，这种情况下，光电探测器探测到的不仅仅是干涉信号，还包括直流本底信号。 由于直流本底信号本身含有强度起伏噪声，并非绝对的直流，将影响整个系统的 噪声特性。 系统噪声电流的方均根统计偏差o 一般可以表示为： o 2 兰 = + + + ( 2 7 ) 其中散粒噪声 锄2 = 2 e 曰 ( 2 8 ) 冗余强度噪声 毫扛了2 业：驴 ( 2 9 ) 热噪声 “艺声等 ( 2 1 0 ) 浙江大学硕士论文 跳动噪声 优 ( 2 1 1 ) j f 、。 在以上表达式中，三角括号“ ”代表统计平均， 为探测器的平均光 电流，曰为电信号频谱带宽，y 是光源偏振度，v 是光源f w h m 谱宽度，如为 波尔兹曼常量，丁为绝对温度，凡为探测器回路等效负载电阻。因为o c t 系统 采用交流信号探测，干涉项载频一般大于几十千赫，所以，跳动噪声的影响可以 忽略。 在o c t 系统中，探测器探测到的光电流主要由三部分组成，包括参考光、 来自样品的信号光以及其他的杂散光或缎面反射光，即 其中， p 、 心 ) + 警( 喇 ) 2 ( 2 1 3 ) 在 = 0 的条件下，则非平衡探测情况下，s n r 为 眠一亭；一 亿1 4 ) 式中b 、只分别表示光电探测器探测到的参考臂和样品臂的光功率。 对于平