基于单光谱仪偏振敏感光学相干层析成像系统及应用
单偏振半导体光放大器扫频光相干层析系统_尚怀嬴,霍 力,吴远鹏
， 有 着 非 侵 入 和 无 辐 射 等 优 点， Ｔ ｏ ｍ ｏ ｒ ａ ｈ Ｏ Ｃ Ｔ） ｇ ｐ ｙ 在许多领域都有着 广 泛 的 应 用 ， 尤其是在生物医学
２］ 。 基于扫频光源的扫频光相干层析 光学成像方面 ［
技术 （ 与其他 Ｏ Ｓ ｗ ｅ ｔ ｓ ｏ ｕ ｒ ｃ ｅ Ｏ Ｃ Ｔ） Ｃ Ｔ 技术相比有 － ｐ
（ ） 清华大学 电子工程系 ， 信息科学与技术国家实验室 ， 集成光电子学国家重点实验室 ， 北京 １ ０ ０ ０ ８ ４
摘 要： 实现了基于单偏振半导体光放大器高速 扫 频 光 源 的 光 相 干 层 析 系 统 。 系 统 中 的 扫 频光源使用偏振相关的半导体光放大器 ， 采用傅里叶域锁模 结 构 。 偏 振 相 关 的 半 导 体 光 放 大 器 有 输出功率高的优点 ， 使得光源仅使用一个放大器即可获得足够的增益谱宽与输出功 着增益谱宽大 、 ， 有效扫描频率为 ４ 输出光谱的中心波长 为 １ 率 。 扫频光源输出功率达到 ３ ２ｍＷ 左右 ， ５ｋ Ｈ ｚ ３ ２ ６ 光谱宽度为 １ 横 向 分 辨 率 为 ９μ 纵向分辨率为 ｎ ｍ， １ ５ｎ ｍ。 利 用 系 统 进 行 光 相 干 层 析 成 像 时 ， ｍ， 灵敏度为 １ １ ２． ９μ ｍ左右 ， ０ ５ｄ Ｂ。 利用该系统实现了多种生物和非生物样品的光学相干层析成像 。 关键词 ： 相干光学 ；傅里叶域锁模结构光源 ；光相干层析 ；半导体光放大器 （ ） 中图分类号 ： ＴＮ ２ ４ ８． ４ 文献标识码 ：Ａ 文章编号 ：１ ０ ０ １－５ ８ ６ ８ ２ ０ １ ４ ０ １－０ １ １ ３－０ ５
７］ ， 纤延 时 线 会 引 入 波 长 相 关 的 偏 振 旋 转 ［ 如果不使
频域偏振敏感光学相干层析系统的研制及应用研究_代祥松
1 引 言
光学相干层析(OCT)技术是一种高分辨率 、非接触 、无损 伤的生物医学成像新方法 ,通过高分辨的探测样品不同深度层 面背向散射回来的光强 ,可以得到高清晰的样品微观结构信 息 ,正在成为继电子计算机 X 线断层扫描成像 、超声波成像和 核磁共振成像技术之后 ,又一新的重要断层成像技术[ 1 ,2] 。在 研究生物组织光学特性的众多报道中[3 ,4] , 偏振光在组织中的 传播是组织特性研究的一个重要热门领域 ,偏振敏感光学相干 层 析 技 术 (PS-OCT , polarization-sensitive optical coherence tomography)是在传统 OCT 装置的基础上发展出的一种功能 型 OCT ,不仅能得到普通 OCT 的反射光强信息 ,还能同时得 到反射光的偏振状态信息 , 从而确定被测物的偏振特性[ 5, 6] 。 与偏光显微镜等传统偏振检测技术相比 , PS-OCT 兼有了 OCT 技术可层析 、非接触 、无须切片 、无损伤 、高分辨率 、探测深度较 深的特点 , 非常适合研究组织偏振性质 。目前 , PS-OCT 已经 在皮肤烧伤检测[7] 、龋齿判别[ 8] 、青光眼和糖尿病水肿诊断[ 9] 、 冠心病监测[ 10] 等方向取得显著研究进展 。
差 , Γ为自相关函数 。(1)式中第 1 、2 项分别为样品臂 、参考臂返 回的光强直流量 ,第 3 项为样品各层之间的干涉 , 称作自相关 项 ,最后 1 项为样品各层与参考臂干涉信号 , 称为互相关项 。可 以看出 ,通过对 Ix(k)、Iy(k)作傅立叶逆变换 ,直接得到了某一 深度 z 的时域信号的振幅 Ax,y(z)和相位 eiΥx , y(z)信息 。 光进入具有双折射性质的物质后 , 分别沿着双折射快轴和 慢轴传播的光分量之间相位差会发生变化 , 称之为相位延迟 。
光学相干层析成像技术 ppt课件
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OCT分辨率
• OCT的分辨本领由其纵向分辨率和横向分 辨率来衡量
• 其纵向分辨率取决于OCT系统低相干光源
的相干长度 L2In2•2
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• OCT的横向分辨率取决于光束通过焦距为f
的透镜聚焦到样品上的光斑直径
X4df 2NA
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• 实验结果证明，OCT 诊断各种视网膜疾病 非常有用，从有斑点产生，到形成青光眼， 再到视网膜脱离均可探测。
• 在描绘眼睛结构方面，OCT的能力是其他 成像仪器所不能比拟的
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牙科诊断
• PS—OCT（偏振敏感OCT） • 使用样品对背散射光双折射的大小成像 • 牙齿表面的釉质具有强烈的双折射效应，
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医学成像诊断的要求
• 实时
• 在体：不影响组织的结构，
• 危害性小：无创，辐射小
• 分辨力高
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光学相干层析成像（OCT）
• 光学相干层析(OCT)是9O年代发展起来的 一种新型光学成像手段。它通过测量生物 组织的背散射光强度和相位获取内部的显 微结构信息进行层析成像。
• 分辨率1um～15um， 比传统的超声成像高 l～2个数量级，并且可以实现实时在体检测。 OCT系统的体积和制造成本都远小于磁共 振成像(MRI)这使得该技术在实验研究和临 床应用方面都大有可为
光学相干层析成像技术 及其在医学中的应用
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应用需要
• 对病变组织的精 确诊断是当今世界医学研究的重 要 课题之一，生物 医学 工作者一直在寻找无创 的生物体检测方法 。
光学原理_光学相干层析成像技术
光学相干层析成像技术摘要：光学相干层析成像技术（Optical Coherent Tomography, OCT）在生物组织的微观结构成像的研究中起着重要的作用，它是一种非接触的、无损伤的和高性能的成像技术。
和传统的时域OCT（Time Domain-OCT）相比，频域OCT（Fourier Domain-OCT）能够提供了更高的分辨率，更高的动态范围，以及更高速的成像速度，被广泛的应用在了生物组织医学成像等方面。
但不可否认的是，对于像跟腱，角膜，视网膜，骨头，牙齿，神经，肌肉等具有双折射特性的生物组织，FD-OCT 没有足够的能力来描述这些它们的分层结构和双折射的对比度。
偏振OCT （Polarization Sensitive-OCT）的基础正是由于样品组织对于偏振光的敏感性而建立的。
因此，PS-OCT是描述具有双折射特性组织的强有力的工具。
偏振频域OCT（Polarization-sensitive Fourier-domain optical coherence tomography，PS-FD-OCT）是目前最优的OCT是PS-FD-OCT。
它系统同时具备了偏振OCT 和频域OCT两种系统的优点。
本文利用琼斯矢量法对其进行了描述。
正文：1光学相干层析成像技术的发展和现状1.1光学相干层析成像技术的发展显微成像技术已经发展了很长时间了。
为了观察生物组织、微生物组织和了解材料的结构，人们发展了多种成像技术，如：X光技术及层析技术、核磁共振技术、超声、正电子辐射层析技术及光学层析成像技术OT（Optical tomography）等。
在OT技术中的光源主要采取红外或近红外光（700—1300nm），该波段光较容易透过某种生物类混沌介质，对生物活体无辐射伤害，而且通过分析光谱还可以获得组织的新城代谢功能等信息。
因此OT技术正在生物医学界得到广泛的研究和应用。
根据原理OT技术可以分为两类：散斑光学层析成像技术DOT （diffuseoptical tomography），和光学衍射层析成像技术ODT（optical diffractiontomography）。
偏振相干层析成像技术
偏振相干层析成像技术
偏振相干层析成像技术是一种非破坏性的光学成像技术，可以用于材料的微观结构分析和成像。
该技术基于光的偏振旋转性质，通过将样品置于不同极化方向的光束中，并测量透射光的相位差，可以得到样品的折射率分布信息。
然后，通过层析重建算法，可以将这些信息转化为三维图像，展示样品的微观结构。
与传统的光学显微镜相比，偏振相干层析成像技术具有更高的分辨率和对透明样品的成像能力，因此在材料科学、生物医学和电子器件等领域有广泛应用前景。
- 1 -。
偏振频域光学相干层析成像系统的研究的开题报告
偏振频域光学相干层析成像系统的研究的开题报告一、选题背景相干光学成像技术是目前生物医学领域中非常有前途的研究方向之一。
随着医学成像技术的发展，光学成像技术也在不断地向深度和分辨率方向发展。
其中，偏振频域光学相干层析成像系统是一种新型的非侵入式成像技术，可以对生物组织的内部结构进行高分辨率成像，为疾病诊断和治疗提供更加准确的基础。
二、研究目的本次研究旨在研究偏振频域光学相干层析成像系统的原理、结构和成像方法，并采用该技术对生物组织进行成像，研究其成像效果及可能的应用。
三、研究内容1. 偏振频域光学相干层析成像系统的原理及基本结构研究。
2. 偏振频域光学相干层析成像系统成像方法的研究，包括如何进行数据采集和图像重建。
3. 利用偏振频域光学相干层析成像系统对生物样本进行成像，研究其成像效果，并分析成像结果。
4. 探索偏振频域光学相干层析成像系统在生物医学领域的相关应用，如疾病诊断、治疗等。
四、研究方法1.文献调研：对相关文献进行调研，了解成像技术的基本原理及已有的研究成果。
2.搭建成像系统：设计搭建偏振频域光学相干层析成像系统。
3.数据采集与图像处理：进行数据采集，在计算机上进行数据处理和图像重建。
4.生物样本成像：利用搭建成像系统对不同类型的生物样本进行成像。
五、研究意义偏振频域光学相干层析成像技术作为一种新型的成像技术，对于疾病的诊断及治疗具有很大的潜力。
本次研究能够更加深入地探究偏振频域光学相干层析成像技术的成像原理和方法，为该技术的发展提供有力的支撑。
同时，本研究还能够为生物医学领域的相关研究提供新的观点和思路，促进医学成像技术的发展。
六、预期结果通过本次研究，能够建立一个偏振频域光学相干层析成像系统，并对不同类型的生物样本进行成像实验，并分析和探究该技术在生物医学领域中的应用前景。
七、研究时间安排2021 年 8 月-2022 年 1 月：文献调研；2022 年 2 月-2022 年 7 月：搭建成像系统，并进行样本成像实验，并对结果进行分析研究；2022 年 8 月-2022 年 9 月：论文撰写、修改、格式编排；2022 年 10 月-2022 年 11 月：论文答辩及提交。
光学相干层析成像技术在皮肤光损伤检测及抗氧化剂治疗中的应用研究的开题报告
光学相干层析成像技术在皮肤光损伤检测及抗氧化剂治疗中的应用研究的开题报告一、研究背景及意义光学相干层析成像技术是一种非侵入性的成像方法，可以对皮肤及其组织进行高分辨率的成像。
随着人们对美容、抗衰老、抗氧化等方面的需求越来越高，快速、准确、无创伤的皮肤检测技术也越来越受到关注。
光学相干层析成像技术因其高分辨率、无损伤等优点，在皮肤光损伤及抗氧化剂治疗中具有广泛的应用前景。
二、研究内容1. 分析光学相干层析成像技术的原理及优势；2. 探讨光学相干层析成像技术在皮肤铅笔式损伤、晒伤等方面的应用；3. 研究光学相干层析成像技术在皮肤抗氧化剂治疗中的作用及效果；4. 评估光学相干层析成像技术在皮肤检测及抗氧化剂治疗中的临床应用前景。
三、研究方法1. 文献资料法：对光学相干层析成像技术及其在皮肤检测和治疗中的应用相关文献进行综述和分析；2. 临床实验法：通过对一定数量的皮肤铅笔式损伤及晒伤患者进行光学相干层析成像技术检测，并给予相应的抗氧化剂治疗，评估其疗效及作用机制；3. 技术分析法：分析光学相干层析成像技术在皮肤检测和治疗中的技术难点与瓶颈，提出完善建议。
四、研究计划1. 第一年：开展文献综述，了解光学相干层析成像技术在皮肤检测及抗氧化剂治疗中的前沿研究进展；2. 第二年：对一定数量的皮肤铅笔式损伤及晒伤患者进行光学相干层析成像技术检测，并给予相应的抗氧化剂治疗；3. 第三年：分析光学相干层析成像技术在皮肤检测和治疗中的技术难点与瓶颈，提出完善建议，并撰写论文。
五、预期成果1. 对光学相干层析成像技术在皮肤检测及抗氧化剂治疗中的应用进行深入探讨，揭示其作用机制和作用效果；2. 提出针对光学相干层析成像技术在皮肤检测及抗氧化剂治疗中存在的技术难点的解决方案；3. 提高光学相干层析成像技术在皮肤检测及抗氧化剂治疗中的应用水平和临床价值。
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基于单光谱仪偏振敏感光学相干层析成像系统及应用
光学相干层析成像(optical coherence tomography,OCT)是一种非侵入式高分辨成像方式,已经在诸多领域特别是生物医学方面得到广泛应用,并且衍生发展出了多种功能成像OCT。
其中偏振敏感OCT(polarization-sensitive
OCT,PS-OCT)不仅能够对组织进行结构成像,同时还能够测量组织的双折射,已在许多疾病诊断上实现应用,是OCT技术的一个重要发展分支。
传统的PS-OCT技术采用双光谱仪探测,成本高昂,对CCD的响应度一致性要求较高,由此发展出了单光谱仪PS-OCT技术,然而现有的单光谱仪PS-OCT技术仍具有一定局限性,需要对光谱仪进行复杂改造或者增加额外相位调制机构和繁冗的算法得以实现。
本课题基于现有PS-OCT技术,提出了一种基于分时探测方法的单光谱仪PS-OCT成像技术,主要的研究内容如下:1、由于本课题所研制的PS-OCT系统是在频域
OCT(Spectral domain OCT,SD-OCT)系统基础上改造发展而来,因此,必须先构建一套性能可靠的SD-OCT系统。
本文研制了1310 nm波段的基于迈克尔逊干涉仪结构的光纤式SD-OCT系统,结合新的光谱仪相位定标技术,该方法无需对波长进行直接定标,进一步简化了系统构建难度,通过编写成像软件,进行数据拆分并行处理,提高了图像重建速度,最终实现的最高轴向扫描(A-scan)速度为76 KHz,实际轴向分辨率约为12 um,最大成像深度达5.8 mm,实现了对散射样品以及生物组织的高分辨率在体实时成像,本文采用20帧/秒(frames per second,fps)的采样速度,每帧图包含1000
个A-scan,并且经过三维重建获得了样品的3D图像。
2、在SD-OCT系统基础上,提出并研制了基于光快门的自由空间型单光谱仪PS-OCT系统,首次提出结合光快门的双参考臂结构,在参考臂端利用1/4波片构建出一对正交的偏振光,然后利用光快门的开合来控制通光通道,在某一时刻,参考臂只有一个偏振方向的光信息返回与样品光发生干涉,实现了偏振信息的分时探测,即只需要一个光谱仪实现偏振成像。
最终实现了 15 fps的偏振成像速度。
利用波片样品进行系统性能测试,测量得到的1/4波片相位延迟为(87±2)°,验证了系统性能的可靠性。
并且对生物组织样品进行了偏振成像,定量测量了其双折射率。
3、针对自由空间型PS-OCT系统体积较大、光路调整不方便、无法实现便携化的问题,本文首次提出在保偏光纤系统中采用双参考臂结构结合光开关的方法,将自由空间型单
光谱仪PS-OCT的正交偏振通道分时探测方法应用到光纤系统中,成功研制了基
于光开关的保偏光纤型单光谱仪PS-OCT系统。
首先,通过双参考臂结构中光路互相独立的特点,解决了传统保偏光纤型PS-OCT系统中正交两个通道光程不一致
而需要额外补偿的问题。
其次,利用偏振测试仪分别进行各偏振通道的偏振光偏振态检测调整,最大限度地减少偏振光在光纤快慢轴之间传输引起的串扰的影响。
偏振成像速度取决于所用光开关以及CCD的速度,典型的光开关速度为2 KHz-1 MHz,不同光开关类型采取不同数据采集方式,开关速度超过CCD设置的曝光时间时采用相邻A-scan分别采集正交两个通道偏振信息的方式,开关速度较
慢时采用B-scan相互切换的方法采集偏振信息,本文采用的光开关最大开关速
度为2 KHz,故采用B-scan相互切换的采集方式。
最后,我们用1/4波片验证了
系统成像性能,对生物样品进行偏振成像并得到了相位延迟图像,定量测量了其
双折射率,结果与自由空间型PS-OCT系统的测量结果一致。
此外,还进行了斯托克斯矢量成像实验、生物组织和非生物组织组合样品的米勒矩阵图像成像实验,获得了其米勒矩阵图像。
综上所述,本文提出的单光谱仪PS-OCT系统结构简单,极大降低了PS-OCT系统的搭建成本。
此外,基于保偏光纤的单光谱仪PS-OCT对成像系统的便携化以及稳定性提
升有重要推动作用,提供了有效的技术方案,更加有利于PS-OCT的临床推广。