光学相干成像系统

光学相干层析成像
用途：
OCT可进行活体眼组织显微镜结构的非接触式、非 侵入性断层成像。OCT是超声的光学模拟品，但其轴 向分辨力取决于光源的相干特性，可达10um ,且穿透 深度几乎不受眼透明屈光介质的限制，可观察眼前节， 又能显示眼后节的形态结构，多用于眼内疾病尤其是 视网膜疾病的诊断，随访观察及治疗效果评价等方面。
Hc ( fx , fy ) F h% xi , yi
• 由于点扩展函数本身是光瞳函数的傅里叶变换，因此根据傅 里叶变换的积分定理有
Hc ( fx, fy ) F F P dix%,di y% P(di fx, di fy )
相干传递函数CTF 的计算
衍射受限相干光学成像系统
• 理想成像：点物通过系统后形成点像。实际像质受多 种因素限制。
• 衍射受限系统：不考虑系统的几何像差，像质仅仅受 到系统衍射效应的限制，即成像光束大小的限制。
• 相干成像系统：衍射受限相干光学成像系统输入面上 照明光是相干光，即单一波长，单一偏振方向，光场 中在成像过程中任意两点之间的光程差（相对相位） 恒定。
扫描反射镜并记录其空间位置，使参考光与来自介质 内不同深度的后向散射光发生干涉。根据反射镜位置 和相应的干涉信号强度即町获得样品不同深度(z方向) 的测量数据．再结合采样光束在x-y平面内的扫描，所 得结果经计算机处理，可获得样品的三维结构信息。
光学相干层析成像
发展 趋势：
未来OCT的发展趋势大致可以认为是从单纯结构成像 OCT向功能和结构综合成像的OCT发展。通常生物组 织在产生病变之前其功能参数就已开始发生变化，因 此，功能参数对疾病早期诊断是非常有用的。这些功 能参数通常包含血流速度、含氧压、组织结构变化、 双折射性质等，功能型OCT通过探测这些变化进行功 能成像提供更多信息。近年来得到快速发展的功能型 的OCT技术包括：多普勒OCT、偏振光敏感OCT、光 谱型OCT和双光线OCT。
• 故其相干传递函数和截止频率分别为
H c ( f x , f y ) P(di f x , di f y ) circ

f x 2 f y 2
D / 2di
D
fcut 2di
正方形光瞳相干传递函数计算
• 对于出瞳是边长为 a 的正方形，则光瞳函数为
P(x,
衍射受限相干光学成像系统
• 在相干照明下的衍射受限系统，对复振幅的传递是线 性空不变的。
• 空间不变线性系统的变换特性在频域中来描述更方便。 • 频域中描述系统的成像特性的频谱函数称为衍射受限
系统的相干传递函数，记作CTF。
相干传递函数CTF 的计算
• 相干传递函数CTF 是点扩展函数的傅里叶变换
工作原理：
OCT的核心是光纤迈克尔逊干涉仪。低相干光源超 辐射发光二极管(Superluminescence Diode，SLD)发 出的光耦合进入单模光纤，被2×2光纤耦合器均分为 两路，一路是经透镜准直并从平面反射镜返回的参考 光；另一路是经透镜聚焦到被测样品的采样光束。
光学相干层析成像
由反射镜返回的参考光与被测样品的后向散射光在探 测器上汇合，当两者之间的光程差在光源相干长度之 内时则发生干涉，探测器输出信号反映介质的后向散 射强度。
光学相干层析成像
OCT系统构成：
光学相干层析成像基于干涉仪原理，利用近红外 弱相干光照射到待测组织，依据光的相干性产生干 涉，采用超外差探测技术，测量反射回来的光强，用 于组织浅表层成像。OCT 系统是由低相干光源、光 纤迈克尔逊干涉仪和光电探测系统等构成。
光学相干层析成像
OCT系统构成示意图
光学相干层析成像
当该面元的光振动为单位脉冲即δ函数时，像场分布 函数叫做点扩展函数或脉冲响应函数。
点扩展函数公式如下：
h(x0 , y0 ; xi , yi )
1 2 d 0 d i

P(x, y) exp

j
2 d i
[(xi

Mx0 )x
(yi
My0 ) y]dxdy
所以，成像系统的特性可以描述为：

h% xi , yi P dix%,di y%exp - j2 xix% yi y% dx%dy% FP(di x%, di y%)
衍射受限相干光学成像系统
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1. 物面入瞳: 菲涅耳衍射 3.出瞳像面:菲涅耳衍射 2. 透镜系统: 黑箱. 只考虑边端(入瞳与出瞳之间) 的变换 关系
光学相干成像系统的频谱 分析
相干成像过程
对于一个透镜或一个成像系统，如果能清 楚地了解物平面上任一小面元的光振动通 过成像系统后，在像平面上所造成的光振 动分布情况，通过线性叠加，原则上便能 求得任何物面光场分布通过系统后所形成 的像面光场分布，进而求得像面强度分布。
成像系统的特性
因而，描述成像系统特性的关键是求出任意小面元 的光振动所对应的像场分布。
y)

rect

x a

rect

y a

正方形光瞳相干传递函数计算
• 相干传递函数为
H(
fx
,
f
y
)

P(di
fx
, di
f
y
)

rect
di f x
a
rect
di f y
a


rect

a
fx
/(di
)

rect

H c ( f x , f y ) P(di f x , di f y )
相干传递函数CTF 的计算
• 相干传递函数计算： • 圆形光瞳相干传递函数计算 • 正方形光瞳相干传递函数计算
圆形光瞳相干传递函数计算
• 对于直径为D的圆形光瞳，其孔径函数可表为
P(x, y) circ x2 y2 D / 2

1

2d0di
P(x,
y) exp

j
2 d i
[(xi
~x0 )x
(yi

~y0
)
y]dxdy

成像系统的特性
由于物面上照明是相干的，则这无数个脉 冲在像平面上的响应便是相干叠加。像的复 振幅分布可以按叠加积分公式表达为物的复 振幅分布与脉冲响应函数的叠加积分。
➢ 这说明，相干传递函数等于光瞳函数，仅在空域坐标和频 域坐标之间存在着一定的坐标缩放关系。而且上一节给出
的光瞳上的坐标变换产生了具体的物理意义，即空间频率
fx

~x

x
di
wenku.baidu.com
,
fy

~y

y
d i
• 一般光瞳函数都是中心对称的，故可在一个反射坐标中来 定义相干传递函数，去掉负号的累赘，将相干传递函数改 写为
a
fy
/(di
)

• 显然，不同方位上的截止频率不相同，在 x, y 轴方向上，x
系统的截止频率 f0 a (2di ) 。系统的最大截止频率在与 轴成45°角方向上
光学相干成像系统的应用
应用： • 光学相干层析成像（OCT） • 滤波器
光学相干层析成像
光学相干层析成像
简介：
光学相干层析技术（又称光学相干断层扫描技术， Optical Coherence Tomography, OCT）是近十年 迅速发展起来的一种成像技术，它利用弱相干光干涉 仪的基本原理，检测生物组织不同深度层面对入射弱 相干光的背向反射或几次散射信号，通过扫描，可得 到生物组织二维或三维结构图像。
光学相干层析成像
前景：
光学相干层析成像作为一种新颖的成像技术，能对活 体组织内部微小结构进行实时、在体、高分辨率断层 成像，与传统成像诊断方法相比，显示出极大的优越 性，在医学疾病诊断中具有很大的潜力。