頻域光學干涉層析成像實驗系統的研制

韓 濤，王福娟,b，李佼洋,b，韓榮磊，蔡志崗,b

(中山大學 a.物理學院;b.物理國家級實驗教學示范中心(中山大學),廣東 廣州 510275)

1991年David Huang等人第一次提出并介紹了光學干涉層析成像(Optical Coherence Tomography, OCT)技術[1]. 隨著光纖、圖像傳感器、計算機等技術的發展，頻域OCT(Frequency-domain OCT，FD-OCT)技術得以產生和完善，并得以實際應用，現已成為眼科、心血管科等臨床使用的一種新的醫療影像技術[2]. OCT可以看成是普通實驗中邁克耳孫干涉實驗的延伸應用，并能實際體驗低相干光的測量技術，從新的角度理解光的相干性. 頻域OCT技術較時域OCT(Time-domain OCT，TD-OCT)技術[3]有更高的穩定性和成像速度，在臨床醫學上有廣闊的應用前景[4-7]，一般又細分為譜域OCT(Spectral-domain OCT，SD-OCT)和掃頻OCT(Swept-source OCT，SS-OCT)兩類，兩者在測量方法上有差異，但基本原理一致. 在本文中，以SD-OCT為例討論頻域OCT的技術問題. 在實驗室條件下實現空間型頻域OCT技術未見太多的相關研究報道，本文將在理論和實驗上探究如何在實驗室條件下搭建空間型頻域OCT系統，并在此基礎上對實際樣品進行測量，并討論和對比測量結果與理論的相符情況.

1 實驗原理

1.1 頻域OCT系統成像機理

頻域OCT系統基本示意圖如圖1所示. 類似邁克耳孫干涉儀，入射光經分束鏡分成2路，一路入射到固定的參考臂平面反射鏡反射回來，一路入射到樣品內散射回來，兩路反射光最后在分束鏡位置相遇干涉進入采集端的光譜儀，將采集的干涉光譜作傅里葉逆變換用于圖像重構.

圖1 頻域OCT系統示意圖

在建立數學模型時，為了方便討論，忽略分束鏡的厚度，以平板代替，將參考鏡的虛像設于樣品臂上，因此整個坐標系統可以簡化到樣品臂軸z上，分束器的中心為坐標的原點，簡化系統數學模型如圖2所示. 樣品臂軸方向為z軸，分束鏡中心為零點，參考鏡虛像到零點距離標記為zr，待測樣品到零點距離標記為zs. 入射光電場強度記為Ein，參考鏡虛像反射光強度記為Er，樣品反射光強度記為Es.

圖2 頻域OCT簡化系統模型

記入射光電場強度

Ein(k)=s(k),

(1)

考慮到樣品總的散射函數[7]為

(2)

光譜儀探測強度為光波電場強度及其復共軛的乘積，推導得探測光強度

I(k)=(Er+Es)·(Er+Es)*=

(3)

其中，T為分束鏡的功率反射率，R為分束鏡的功率透射率.

觀察式(3)可以看出，頻域OCT光譜儀探測到的信號由3個組成部分：

記光譜及其傅里葉變換對

(4)

式 (3) 作傅里葉逆變換，推導得探測光強度時域表達式

(5)

由式(5)就可以確定樣品不同深度散射層反射光和參考光干涉波峰位置z=2(zr-zsn)，由波峰間隔計算得散射層間距，即得樣品深度信息.

1.2 頻域OCT系統的探測深度

由于光譜儀內CCD存在一定的分辨率限制，因此頻域OCT系統存在最大探測深度. 理論上，頻域OCT系統最大成像深度[2]為

(6)

其中，λ0為光源光譜中心波長，δλs為CCD的采樣間隔(最大分辨率).

1.3 光譜傅里葉逆變換圖像的坐標標定

在頻域OCT系統重建圖像時，需將所測光譜進行傅里葉逆變換. 就傅里葉逆變換圖像提取深度信息時，須要考慮對圖像的橫坐標進行標定.

理論上，光譜傅里葉逆變換后圖像橫坐標換算為光程差[8-9]為

(7)

換算為深度為

(8)

2 實驗裝置

實驗室光學平臺上搭建的空間型頻域OCT系統裝置框架圖如圖3所示，實際裝置圖如圖4.

圖3 空間型頻域OCT裝置框架圖

1.綠光LED 2.光纖 3.透鏡 4.分束鏡 5.步進電機 6.樣品(平面反射鏡) 7.參考鏡(平面反射鏡)圖4 空間型頻域OCT實際裝置圖

2.1 綠光LED光源和分束鏡

系統光源采用高亮度綠光LED，經測定，采用的LED中心波長λ0=529 nm，半高全寬δλ=25 nm.

系統所用分束鏡為正方體狀的分光棱鏡，功率反射率和功率透射率T=R=50%.

2.2 USB2000+微型光纖光譜儀

所用USB2000+微型光纖光譜儀可測可見光波段和近紅外波段，測量波長范圍為350～1 100 nm，內置CCD陣列探測器最大像素點為2 048，最大分辨率(半高全寬)為0.35 nm.

由式(6)可計算得頻域OCT系統最大成像深度為

2.3 步進電機

在頻域OCT系統中，由于存在一定的成像深度，因此參考臂長與樣品臂長之差必須小于最大成像深度. 實際參考臂平面反射鏡置于步進電機上，可控制前后位置.

實驗中所用步進電機采用日本IKO公司NT88H25型號直線導軌. 步進電機最小步長為10 nm，最大線程為2.5 cm. 在配套控制器控制下，可自主設定移動速度和移動距離，最小速度可以達到10 nm/s.

3 實驗結果和分析

3.1 平面反射鏡作為樣品測量結果

控制步進電機，從參考臂和樣品臂等臂長位置朝某一個方向每10 μm移動1次參考鏡，測量光譜，直到光譜上強度調制信息人眼可見下消失為止. 微調參考鏡，得到的光譜如圖5所示.

觀察圖5，對比理論公式可以看出，根據所搭建空間型頻域OCT實際測量結果，可以分析出以下特征：

1)參考臂和樣品臂光程差為零時，光譜強度沒有被調制. 隨著光程差的增大，光譜的強度調制周期逐漸變小，這與理論公式及其模擬相符.

2)在理論公式模擬中，若參考鏡和樣品反射率相等時，光譜強度會周期地被調制為零. 實際光譜測量時可以看出光譜強度不存在被調制為零的位置，可知實驗系統中參考臂和樣品臂所用的2塊平面反射鏡反射率不完全相同.

3)理論公式模擬中，固定樣品反射率，移動參考鏡時光譜強度被調制的周期改變，但調制幅度不變. 這意味著不同光程差位置測量的光譜內外2個包絡相同. 而分析實際空間型頻域OCT測量光譜可以看出，隨著光程差的增大，調制幅度逐漸變小；當zs-zr≥90 μm時，光譜上已經無法分辨強度調制信息了，故實驗所搭建的頻域OCT系統可以實現的最大單向成像深度zmax≈90 μm，小于理論最大成像深度199.9 μm，原因可能是隨著光程差的增大，測量光譜調制信息的襯比度下降，肉眼無法分辨，但光譜中依然含有干涉信息.

對圖5(d)進行快速傅里葉逆變換得到如圖6所示圖像.

由圖6可看到，當參考臂和樣品臂都為平面反射鏡時，光譜傅里葉逆變換后會得到3個峰.

(a)zs-zr≈0

(c)zs-zr≈20 μm

(e)zs-zr≈60 μm

(b)zs-zr≈10 μm

(d)zs-zr≈30 μm

(f)zs-zr≈90 μm

圖6 圖5(d)的傅里葉逆變換圖像

峰1對應直流項，峰2對應互相關項，峰3對應互相關項的偽像，且峰2和峰3關于直流項對稱.

理論上，峰1和峰2之間間距為兩面平面鏡反射光的光程差，從6圖中可以得到峰2位置s=5.25TF.

3.2 透明膠帶作為樣品測量結果

在用實際樣品測量過程中，將一層透明膠帶貼在平面鏡上作為樣品檢測，透明膠帶用螺旋測微器測得厚度約為49 μm. 對該樣品進行測量，得到測量光譜如圖7所示.

圖7 加樣品后檢測的光譜

由圖7可以看到，在平面鏡上貼透明膠帶后光譜中的干涉信息對比度已經較差，只能在中心波數位置較明顯地看出光譜的強度被調制.

對圖7光譜數據做快速傅里葉逆變換，空間域圖像如圖8所示.

(a)整體圖

(b)部分放大圖圖8 加實際樣品后探測光譜傅里葉逆變換圖

觀察圖8(a)可以看到，由于透明膠條表面相對平面鏡反射率很低，而樣品臂平面鏡由于貼膠條后光強衰減，導致等效反射率降低，因此光譜傅里葉逆變換后直流項(峰1)強度遠大于互相關項強度. 將縱軸相對強度放大后[圖8(b)]可以明顯看到4個互相關項對應的波峰：峰2、峰3及其偽像峰4、峰5. 其中，峰2對應透明膠條表面和參考臂平面鏡之間反射光的干涉，峰3對應樣品臂平面鏡和參考臂平面鏡之間反射光的干涉.

由圖8(b)可知峰2與峰3之間的間距為15TF，透明膠帶折射率n≈1.5，經計算可得透明膠條厚度為d=55.95 μm，與螺旋測微器測量結果相符.

在實際樣品測量時，有不少需考慮的因素要留意. 若選用蓋玻片、透明膠條等材料作為樣品，會有以下幾個實際問題：

1)樣品反射率很低，遠低于平面反射鏡，在實驗室沒有分光比大于1∶1的分束鏡條件下，干涉信號會“淹沒”于噪聲中，因此還必須要考慮降噪問題.

2)在對樣品某一點進行深度信息測量時，需要在樣品臂加凸透鏡將光聚焦到樣品表面一點上. 實際在加凸透鏡聚焦中，由于LED光源不是嚴格的點光源，在不完善成像條件下，無法聚焦到一點，因此無法實現理論上對某一點的深度方向進行測量.

4 結束語

介紹了在實驗室條件下搭建空間型頻域OCT系統的方法，并在搭建的系統上進行了測試和實際樣品的測量，測量結果與理論符合得較好. 頻域OCT系統可以在一般實驗室條件下搭建，對OCT相關實驗和深入學習探討有示范作用. 最后本文提出了在測量多層樣品時需要解決的問題和系統改進的方法.