谱域光学相干层析成像系统的实验研究

　　光学相干层析成像技术(OCT)具有极高的探测灵敏度与噪声抑制能力,分辨率高且无损伤,在体检测上对活体组织无辐射,并且具有造价低、结构简单等优点[1],因此在材料科学和生物医学等领域的无损检测方面得到了应用[2],特别是在生物组织活体检测和成像方面具有广泛的应用前景[3].

　　目前, OCT技术是所谓的时域OCT (TD-OCT)系统,它在图像获取率和灵敏度方面存在着明显的不足[4].近年来,一种新颖的OCT系统———谱域OCT(SD-OCT)正成为研究的热点[5],该系统不仅改善了灵敏度,同时还提高了对样品的采样速度[4].在SD-OCT中,全部的深度结构被同步获得而不需要深度扫描,同时SD-OCT信号在光谱密度中被采样,且作为一个傅里叶重构的结果,改善了信噪比[5].本文针对SD-OCT研究、设计和构建了一套实验系统,同时在后续的数据处理中,用3次样条插值技术进行重采样,并提出了一种新的有关非高斯光源的修正算法.

　　1　SD-OCT原理和方法

　　SD-OCT的原理依赖于Fercher的结论,即后向散射光场的复振幅扰动等于反映样品纵向结构的散射势函数的傅里叶变换[6]

　　式中:Es(P,k)为探测点P处散射光场的复振幅;C为比例常数;k为波数;z为探测样品对应的轴向深度;n(z)表示样品媒质折射率函数;F(z)为样品散射势函数,它反映了样品结构.

　　对探测到的样品后向散射光强的功率谱密度进行傅里叶逆变换,由式(1)得到样品的散射势函数的自相关函数,一般很难从自相关函数中解出原函数.为此,用一束高反射率表面(参考镜)的反射光与相同光源照明的样品的后向散射光叠加,将参考镜置于距样品的光程zl处,对其功率谱密度进行傅里叶逆变换,得到

　　式中:I(k)为光功率谱密度的分量;CF是散射势函数的自相关函数;R为参考镜的反射率; F*是散射势函数的镜像即复共轭函数;δ为参考镜引起的峰值.由式(2)可知,第3项就是样品的散射势函数,其中心在z=-zl处.为避免与其他项混叠,测量中样品和参考镜需保持一定的光程差,但不可过大以免超出测量范围[6].

　　SD-OCT技术可设计成采用宽带光源和光纤迈克尔逊干涉仪构造的、并由光谱仪接收干涉信号的系统[5],它由低时间相干度光源、迈克尔逊干涉仪、光谱仪、参考镜和横向扫描装置构成,其核心部件是迈克尔逊干涉仪和光谱仪.光谱仪由准直透镜、衍射光栅、成像透镜和CCD线扫描照相机组成,光源发出的光耦合进2×2光纤耦合器,并分别进入有反射镜的参考臂和放有被测样品的样品臂.反射镜反射回来的光(参考光)与样品的后向散射光(信号光)经过光纤耦合器重新汇合后产生干涉信号,此时可把耦合的光看成是从样品后向散射光的各个单色波分量与从参考镜返回的相应分量相干涉后的叠加,干涉信号从光纤耦合器的另一端输出,被光谱仪接收并经光谱仪中的衍射光栅展开,由CCD采集并转换为电信号和数字化后输入计算机.然后,将所得数据进行傅里叶逆变换,即可得到样品的F(z)或一维深度信息.在此基础上,通过横向扫描,就可重构样品的二维层析图像,从而获得被测物体的结构.根据SD-OCT的原理和方法,设计和搭建了一套以光纤迈克尔逊干涉仪为核心的谱域OCT(SD-OCT)实验系统,如图1所示.