第58卷第3期2009年3月1000-3290P 2009P 58(03) P 1773-06
物 理 学 报
AC TA PHYSIC A SINICA
Vol. 58, No. 3, March, 2009
n 2009Chin. Phys. Soc.
全场光学相干层析成像系统的研制
杨亚良 丁志华 王 凯 吴 凌 吴 兰
(浙江大学现代光学仪器国家重点实验室, 杭州 310027) (2008年7月25日收到; 2008年9月10日收到修改稿)
*
研制了一套采用旋转1P 2波片无色散移相器进行移相操作的全场光学相干层析成像系统. 该移相器能在宽光谱范围内无色散地获得8倍于1P 2波片旋转角的移相量, 能快速、方便地为各种移相算法提供所需的移相量. 移相量实测结果表明:系统获得了8倍旋转角的移相量, 提出的移相器结构正确. 采用Hariharan 移相算法对反射镜样品进行的成像实验表明系统具有较高的移相精度. 最后进行的实物样品成像实验, 检验了系统的有效性.
关键词:全场光学相干层析成像, 无色散移相器, 旋转1P 2波片PACC :4278F, 4225K, 8170G
被广泛运用的移相器, 它通过改变两相干光束间的
11引
[1]
言
光程差来实现移相操作. 然而在宽光谱条件下, 这种基于空间位移而获得的移相量与波长有关, 是一种有色散移相器, 此时继续沿用针对单色光的传统移相算法来提取信号, 将会在结果中引入系统误差
[5, 6]
光学相干层析成像(optical coherence tomography, OC T) 技术
将低相干干涉仪和共焦扫描显微术相
结合, 利用外差探测技术来获取组织内部的结构或功能信息, 其成像深度达mm 量级, 空间分辨率在L m 量级. 因此, OCT 技术一经出现就迅速成为生物医学成像领域的研究热点, 被认为是一种极有前途的高分辨无损实时成像工具
[2, 3]
. 基于Pancharatnam 相位或者Berry 相位
[8, 9]
[7]
的
无色散移相器则能避免上述问题, 其移相量只依赖于偏振态改变的路径, 而与波长无关基于旋转1P 2波片
[8, 10, 11]
. 已报道了两种形式
[5]
和旋转偏振片
[5, 12]
. 为了减少成像过程的无色散移相器, 后者已被应用于OCT 系统, 但
中环境干扰和样品移动导致的图像失真, 快速成像一直是人们追求的目标. 全场光学相干层析成像(ful-l field OC T, FF -OC T) 技术基于并行探测模式进行成像, 它采用面阵探测器记录干涉信号, 无需横向扫描即能获得样品的二维断面图像, 使得成像速度大为提高, 是实现上述目标的有效方法. 再加上其具有视场内所有点的图像被同时采集而保持一致性、易于实现高分辨、系统控制简单、和机械稳定性高等特点, 因而国外许多小组在开展这方面的研究工作.
FF -OC T 技术的信号提取分为载频和移相两种方式, 其中载频所需的驱动电路和后续信号处理较为复杂, 而移相方式因其信息存储量小和信号处理简单等特点而被广泛采用. 压电陶瓷驱动器是一种
[4]
只能提供2倍于偏振片旋转角的移相量, 而旋转1P 2波片无色散移相器在OC T 中的应用还未见报道. 在文献[13]中, 作者提出了一种基于旋转1P 2波片的新型无色散移相器结构, 和实施该移相器功能的FF -OCT 系统结构, 能在宽光谱范围内无色散地获得8倍于1P 2波片旋转角的移相量, 为实现快速、高分辨OC T 成像提供了一种有效方法.
本文利用文献[13]中提出的移相器结构, 研制一套采用无色散移相器进行移相操作的FF -OC T 系统. 通过移相量实测实验来验证移相器结构的正确性, 采用Hariharan 移相算法来验证系统移相量的准确性, 并通过实物样品成像实验来检验系统的层析功能.
*国家高技术研究发展计划(863) (批准号:2006AA02Z4E0) 、国家自然科学基金(批准号:60878057, 60378041, 60478040) 和浙江省自然科学基金(批准号:Z603003) 资助的课题. E -mail:z h -ding@zj u. edu. cn
1774
物 理 学 报58卷
宽带偏振分光棱镜PBS 分解成s 偏振光和p 偏振
21系统与方法
旋转1P 2波片无色散移相器由两块快轴45b 放置的1P 4波片(QWP 1, QW P 2) 和一块快轴可绕光轴旋转的1P 2波片(HWP) 组成, 波片针对中心波长550nm 设计. 当1P 2波片旋转H 时, 往返共两次通过移相器的两垂直分量间将引入8H 的移相量. 详细地理论计算及性能分析见文献[13]. 采用上述移相器结构的FF -OC T 系统如图1所示, 为Linnik 干涉结构
[14]
光, 分别被显微物镜MO 1和MO 2(均为NA=0125, 焦距20mm) 聚焦于样品和参考镜上, MO 2和参考镜安装在平移台上. 被样品反射或后向散射的样品光, 以及被参考镜反射后的参考光各自沿原路返回, 再次经过无色散移相器后到达偏振片P , 由偏振片P 实施检偏. 被宽带分光棱镜B S 反射后的光束, 被成像透镜L 2(双胶合消色差, 焦距150mm) 聚焦在面阵CC D 探测器(像素数:795@596, 像素尺寸:615L m @6125L m) 上. 通过调节偏振片P 透光轴的方向, 可实现两相干光束的光强匹配. 把上述各参量带入纵K 0
向分辨率公式$z =, 得到系统的理论纵
向分辨率为513L m; 带入横向分辨率公
式D =0161K 0P NA, 得到系统的横向分辨率为1135L m.
2
. 100W 卤钨灯光源与系统隔离放置, 出射光由
光纤传光束传递至系统, 以消除光源散热风扇运转时引起的振动和空气扰动. 经滤波片F 后, 入射系统光束的中心波长K 0为550nm, 带宽$K为25nm. 光束经透镜L 1(双胶合消色差, 焦距40mm) 准直后, 被偏振片P 起偏. 偏振光经过无色散移相器后, 被
图1 采用无色散移相器的FF -OCT 系统
平移台带着参考镜轴向移动, 当样品臂和参考臂之间的光程差小于光源相干长度时, 参考光束和样品光束发生干涉, 此时CCD 探测器接收到的光强信号为
I =I 0+A cos
(1)
其中, I 0为直流项,
I =I 0+A cos(
实验中用到的三种移相算法为:
1) Hariharan 算法:要求的移相量为-180b , -90b , 0, 90b , 180b , 分别由1P 2波片旋转-2215b , -11125b , 0, 11125b , 2215b 而得到, 对应上述移相量时
(2)
CC D 采集的五幅干涉图为I 1, I 2, I 3, I 4, I 5, 则样品的OC T 图像由下式给出
2[6]
:
2
1P 2
3[4(I 2-I 4) +(2I 3-I 1-I 5) ]
A =
2(I 1+I 2+2I 3+I 4+I 5)
. (3)
2) 四步算法:要求的移相量为0, 90b , 180b , 270b , 分别由1P 2波片旋转0, 11125b , 2215b , 33175b 而得到, 对应上述移相量时CCD 采集的四幅干涉图为I 1, I 2, I 3, I 4, 则样品的OC T 图像由下式给出
2[(I 4-I 2) +(I 1-I 3) ]
A =
I 1+I 2+I 3+I 4
2
2
[6, 8]
:
(4)
1P 2
.
3) 三步算法:要求的移相量为0, 120b , 240b , 分别由1P 2波片旋转0, 15b , 30b 而得到, 对应上述移相量时CCD 采集的三幅干涉图为I 1, I 2, I 3, 则样品的
[5]
OC T 图像由下式给出:
[(2I 2-I 1-I 3) +3(I 1-I 3) ]A =3
2
2
1P 2
面出现干涉条纹, 然后旋转1P 2波片, 在对应着
. (5)
-2215b , -11125b , 0, 11125b , 2215b 旋转角时由C CD 采集图像, 得到如图3(c) 和(e) 所示的五幅干涉图I 1, I 2, I 3, I 4, I 5, 并绘制它们第300行的光强轮廓线, 得到如图3(d) 和(f) 所示的曲线. 由图3(f) 可见, 五幅干涉图的光强轮廓线在水平方向上均匀分布, 说明移相步长均匀. 理论分析可知, 移相准确时I 1和I 5的光强轮廓线在横轴方向应重合, 为此单独绘出I 1和I 5的光强轮廓线如图3(i) 所示, 可看出二者的符合程度非常高, 说明移相器提供的移相量准确. 由五幅干涉图运用(3) 式, 计算后可得到如图3(g) 所示的反射镜OCT 图像, 该图第300行的光强轮廓线如图3(h) 所示. 在OCT 图像中, 样品细节清晰可见, 得到了与原图较为符合的结果. 但重建图像中仍保留有如图中斜线所示的干涉条纹痕迹. 在Choi 等人
[15]
31实验与结果
为了检验移相器结构的正确性, 进行了移相量实测实验. 采用反射镜作为样品, 电动旋转台带着1P 2波片连续旋转90b , 系统将获得720b 的移相量. 软件控制CCD 等间隔采集图像, 采样间隔为013b , 共获得300幅干涉图像. 取这些图像中同一像素点的光强值作为纵坐标, 并进行归一化处理, 得到光强值随1P 2波片旋转角H 的变化如图2中的细实线所示. 对该曲线进行9点平滑处理, 得到如图中粗实线所示的移相量曲线. H 从0至90b 变化, 代入(2) 式可得到理论移相量曲线. 式中的初始相位差
.
采用载频技术(由PZT 提供) 、应用四步积分
算法提取信号的FF -OC T 实验中, 也存在着这一现象. 对此还有待进一步研究, 通过系统参量优化可望解决这一问题.
采用1角硬币作为样品, 选择图4中白色方框所示的区域进行成像. 对成像深度的符号规定如下:成像深度以参考镜在空气中移动的距离表示, 把参考镜对应着样品表面时的位置定为零位置Z =0, 把深入到样品内部时的位置定为负值, 如图中点画线所指断面的成像深度为Z =-a L m. 设样品折射率为n , 则在样品中该断面离样品表面的距离为-a P n L m. 由于光线不能渗入硬币内部, 而只选择与参考臂光程相等的那些表面轮廓进行成像, 此时样品的折射率仍为1, 所以该断面离样品表面的距离为-a L m. 把样品光束聚焦于待测区域的右侧, 得到如图5(a) 所示的样品显微像. 调节参考镜的位置直至CC D 像面出现干涉条纹, 此时Z =0. 分别运用四步和三步移相算法得到的OC T 成像结果如图5(b) 和(c) 所示. 由图可见:样品右侧区域结构清晰, 左侧只有几个突出的点被成像, 其他结构则被滤除, 表明系统确实具有层析能力; 两种算法的结果较为接近, 说明了系统的正确性. 把样品光束聚焦于待
图2 移相量实测曲线与理论曲线的对比
测区域的左侧, 得到如图6(a) 所示的样品显微像. 移动参考镜至Z =-70L m 时, CCD 像面出现干涉条纹, 分别运用四步和三步移相算法得到的结果如图6(b) 和(c) , 系统具有的层析能力使得右侧区域结构不可见.
以Hariharan 移相算法为例, 来说明OC T 成像的过程, 和检验系统移相量的准确性. 反射镜样品的显微结构如图3(a) 所示, 该图第300行的光强轮廓线如图3(b) 所示. 调节参考镜的纵向位置直至CCD 像
图3 采用Hariharan 移相算法的OCT 成像过程及各图第300行的光强轮廓线图 (a) 样品显微图及(b) 其光强轮廓线图, (c) 移相量为-P 时的干涉图I 1及(d) 其光强轮廓线图, (e) 相量为-P P 2, 0, P P 2, P 时的干涉图I 2, I 3, I 4, I 5及(f) I 1) I 5的光强轮廓线图, (g) 样品的OCT 图像及(h) 光强轮廓线图, (i) I 1和I 5的光强轮廓线对比图
图4
样品成像区域及成像深度定义示意图
图6 聚焦于样品左侧(Z =-70L m) 时的OCT 图像 (a) 样品显微图, 采用(b)四步和(c) 三步移相算法获得的OCT 图像(图像尺寸0167mm @015mm)
41结 论
研制了一套采用新型无色散移相器进行移相操作的FF -OC T 系统, 避免了宽光谱条件下采用有色
图5 聚焦于样品右侧(Z =0) 时的OCT 图像 (a) 样品显微图, (b) 四步和(c) 三步移相算法获得的OCT 图像(图像尺寸0167mm @015
mm)
散移相器和传统移相算法带来的系统误差. 进行了720b 移相量实测实验, 获得的实验曲线与理论曲线较为符合, 表明系统获得了8H 的移相量, 文献[13]提出的移相器结构正确. 运用Hariharan 移相算法对
反射镜样品进行的成像实验结果表明, 系统具有较高的移相精度. 最后对实物样品运用两种移相算法进行了成像实验, 检验了系统的层析功能和所得结
果的正确性. 与现有系统相比, 本系统具有成像速度快、算法适应性强和器件使用量少等优点.
[1]Huang D, Swanson E A, Lin C P, Schuman J S , Sti nson W G, Chang W, Hee M R, Flotte T, Gregory K, Puli afi to C A, Fuji moto J G 1991Science 2541178
[7][8][9][10][11][12][13][14][15]
Rajendra B 1988Phys . Lett . A 1331
Hariharan P, Roy M 1994J . Mod . O pt . 412197Naoshi B, Kaichirou S 1997O pt . Re v . 4593Hariharan P, Roy M 1996Proc . SPIE 2860100
Naoshi B, Naoshi M, Ts uyoshi I 2003Proc . SPIE 48381451Helen S S, Kothi yal M P, Si rohi R S 1998O pt . Commun . 154249Yang Y L, Ding Z H 2007Acta O ptica Sinica 271460(i n Chinese) [杨亚良、丁志华2007光学学报271460]
Duboi s A, Vabre L, Boccara A C, Beaurepaire E 2002Appl . O pt . 41805
Choi W J , Na J, R yu S Y, Lee B H 2007J . Opt . Soc . Korea 1118
[2]Liang Y M, Zhou D C, M eng F Y, Wang M W 2007Acta Phys . Sin . 563246(in Chi nese) [梁艳梅、周大川、孟凡勇、王明伟2007物理学报563246]
[3][4][5][6]
Jia Y Q, Liang Y M, Zhu X N 2007Acta Phys . Sin . 563861(i n Chinese) [贾亚青、梁艳梅、朱晓农2007物理学报563861]Beaurepaire E, Boccara A C, Lebec M, Blanchot L, Sain-t J al mes H 1998O pt . Lett . 23244
Yuuki W, Yas uhi ro H, Manabu S, Naohi ro T 2005Appl . O pt . 441387
David G F, Ben O 2001Proc . SPIE 425197
Development of fu ll -field optical coherence tomography system *
Yang Ya -Liang Ding Zh-i Hua Wang Kai Wu Ling Wu Lan
(StateK e y Laboratory o f Mode rn O ptica l Instrumen tation , Zhe jian g U ni ve rsit y , Han g zhou 310027, China )
(Recei ved 25Ju ly 2008; revised man uscrip t received 10Sep tember 2008)
Abstract
A ful-l field optical coherence tomography syste m using an achro matic phase shifter based on a rotating hal-f wave plate to imple ment phase shifting is developed. The phase shifter can achromatically introduce phase shift of eight times the rotating angle of the hal-f wave plate, and can rapidly provide various pha se shifts for various algorithms. Real phase shift is measured and the result demonstrates that the syste m gives a phase shift of eight times the rotating angle of the hal-f wave plate, showing the achromatic phase shifter model is correct. Ima ging experiment re sults of a mirror using Hariharan algorithm show tha t the syste m has high phase shift precision. A coin as the sa mple is i maged to demonstra te the performance of the syste m. Keywords :ful -l field optic al c oherence tomography, achromatic phase shifte r, rota ting hal -f wa ve plate PACC :4278F, 4225K, 8170G
*Project s upported by the National Hi gh Technology Research and Devel opment Program of China (Grant No. 2006A A02Z4E0) , the National Natural Science Foundation of Chi na (GrantNos. 60878057, 60378041, 60478040) and the Natural Science Foundation of Zheji ang Province, China (Grant No. Z603003) .
E -mail:z h -ding@zj u. edu. cn
第58卷第3期2009年3月1000-3290P 2009P 58(03) P 1773-06
物 理 学 报
AC TA PHYSIC A SINICA
Vol. 58, No. 3, March, 2009
n 2009Chin. Phys. Soc.
全场光学相干层析成像系统的研制
杨亚良 丁志华 王 凯 吴 凌 吴 兰
(浙江大学现代光学仪器国家重点实验室, 杭州 310027) (2008年7月25日收到; 2008年9月10日收到修改稿)
*
研制了一套采用旋转1P 2波片无色散移相器进行移相操作的全场光学相干层析成像系统. 该移相器能在宽光谱范围内无色散地获得8倍于1P 2波片旋转角的移相量, 能快速、方便地为各种移相算法提供所需的移相量. 移相量实测结果表明:系统获得了8倍旋转角的移相量, 提出的移相器结构正确. 采用Hariharan 移相算法对反射镜样品进行的成像实验表明系统具有较高的移相精度. 最后进行的实物样品成像实验, 检验了系统的有效性.
关键词:全场光学相干层析成像, 无色散移相器, 旋转1P 2波片PACC :4278F, 4225K, 8170G
被广泛运用的移相器, 它通过改变两相干光束间的
11引
[1]
言
光程差来实现移相操作. 然而在宽光谱条件下, 这种基于空间位移而获得的移相量与波长有关, 是一种有色散移相器, 此时继续沿用针对单色光的传统移相算法来提取信号, 将会在结果中引入系统误差
[5, 6]
光学相干层析成像(optical coherence tomography, OC T) 技术
将低相干干涉仪和共焦扫描显微术相
结合, 利用外差探测技术来获取组织内部的结构或功能信息, 其成像深度达mm 量级, 空间分辨率在L m 量级. 因此, OCT 技术一经出现就迅速成为生物医学成像领域的研究热点, 被认为是一种极有前途的高分辨无损实时成像工具
[2, 3]
. 基于Pancharatnam 相位或者Berry 相位
[8, 9]
[7]
的
无色散移相器则能避免上述问题, 其移相量只依赖于偏振态改变的路径, 而与波长无关基于旋转1P 2波片
[8, 10, 11]
. 已报道了两种形式
[5]
和旋转偏振片
[5, 12]
. 为了减少成像过程的无色散移相器, 后者已被应用于OCT 系统, 但
中环境干扰和样品移动导致的图像失真, 快速成像一直是人们追求的目标. 全场光学相干层析成像(ful-l field OC T, FF -OC T) 技术基于并行探测模式进行成像, 它采用面阵探测器记录干涉信号, 无需横向扫描即能获得样品的二维断面图像, 使得成像速度大为提高, 是实现上述目标的有效方法. 再加上其具有视场内所有点的图像被同时采集而保持一致性、易于实现高分辨、系统控制简单、和机械稳定性高等特点, 因而国外许多小组在开展这方面的研究工作.
FF -OC T 技术的信号提取分为载频和移相两种方式, 其中载频所需的驱动电路和后续信号处理较为复杂, 而移相方式因其信息存储量小和信号处理简单等特点而被广泛采用. 压电陶瓷驱动器是一种
[4]
只能提供2倍于偏振片旋转角的移相量, 而旋转1P 2波片无色散移相器在OC T 中的应用还未见报道. 在文献[13]中, 作者提出了一种基于旋转1P 2波片的新型无色散移相器结构, 和实施该移相器功能的FF -OCT 系统结构, 能在宽光谱范围内无色散地获得8倍于1P 2波片旋转角的移相量, 为实现快速、高分辨OC T 成像提供了一种有效方法.
本文利用文献[13]中提出的移相器结构, 研制一套采用无色散移相器进行移相操作的FF -OC T 系统. 通过移相量实测实验来验证移相器结构的正确性, 采用Hariharan 移相算法来验证系统移相量的准确性, 并通过实物样品成像实验来检验系统的层析功能.
*国家高技术研究发展计划(863) (批准号:2006AA02Z4E0) 、国家自然科学基金(批准号:60878057, 60378041, 60478040) 和浙江省自然科学基金(批准号:Z603003) 资助的课题. E -mail:z h -ding@zj u. edu. cn
1774
物 理 学 报58卷
宽带偏振分光棱镜PBS 分解成s 偏振光和p 偏振
21系统与方法
旋转1P 2波片无色散移相器由两块快轴45b 放置的1P 4波片(QWP 1, QW P 2) 和一块快轴可绕光轴旋转的1P 2波片(HWP) 组成, 波片针对中心波长550nm 设计. 当1P 2波片旋转H 时, 往返共两次通过移相器的两垂直分量间将引入8H 的移相量. 详细地理论计算及性能分析见文献[13]. 采用上述移相器结构的FF -OC T 系统如图1所示, 为Linnik 干涉结构
[14]
光, 分别被显微物镜MO 1和MO 2(均为NA=0125, 焦距20mm) 聚焦于样品和参考镜上, MO 2和参考镜安装在平移台上. 被样品反射或后向散射的样品光, 以及被参考镜反射后的参考光各自沿原路返回, 再次经过无色散移相器后到达偏振片P , 由偏振片P 实施检偏. 被宽带分光棱镜B S 反射后的光束, 被成像透镜L 2(双胶合消色差, 焦距150mm) 聚焦在面阵CC D 探测器(像素数:795@596, 像素尺寸:615L m @6125L m) 上. 通过调节偏振片P 透光轴的方向, 可实现两相干光束的光强匹配. 把上述各参量带入纵K 0
向分辨率公式$z =, 得到系统的理论纵
向分辨率为513L m; 带入横向分辨率公
式D =0161K 0P NA, 得到系统的横向分辨率为1135L m.
2
. 100W 卤钨灯光源与系统隔离放置, 出射光由
光纤传光束传递至系统, 以消除光源散热风扇运转时引起的振动和空气扰动. 经滤波片F 后, 入射系统光束的中心波长K 0为550nm, 带宽$K为25nm. 光束经透镜L 1(双胶合消色差, 焦距40mm) 准直后, 被偏振片P 起偏. 偏振光经过无色散移相器后, 被
图1 采用无色散移相器的FF -OCT 系统
平移台带着参考镜轴向移动, 当样品臂和参考臂之间的光程差小于光源相干长度时, 参考光束和样品光束发生干涉, 此时CCD 探测器接收到的光强信号为
I =I 0+A cos
(1)
其中, I 0为直流项,
I =I 0+A cos(
实验中用到的三种移相算法为:
1) Hariharan 算法:要求的移相量为-180b , -90b , 0, 90b , 180b , 分别由1P 2波片旋转-2215b , -11125b , 0, 11125b , 2215b 而得到, 对应上述移相量时
(2)
CC D 采集的五幅干涉图为I 1, I 2, I 3, I 4, I 5, 则样品的OC T 图像由下式给出
2[6]
:
2
1P 2
3[4(I 2-I 4) +(2I 3-I 1-I 5) ]
A =
2(I 1+I 2+2I 3+I 4+I 5)
. (3)
2) 四步算法:要求的移相量为0, 90b , 180b , 270b , 分别由1P 2波片旋转0, 11125b , 2215b , 33175b 而得到, 对应上述移相量时CCD 采集的四幅干涉图为I 1, I 2, I 3, I 4, 则样品的OC T 图像由下式给出
2[(I 4-I 2) +(I 1-I 3) ]
A =
I 1+I 2+I 3+I 4
2
2
[6, 8]
:
(4)
1P 2
.
3) 三步算法:要求的移相量为0, 120b , 240b , 分别由1P 2波片旋转0, 15b , 30b 而得到, 对应上述移相量时CCD 采集的三幅干涉图为I 1, I 2, I 3, 则样品的
[5]
OC T 图像由下式给出:
[(2I 2-I 1-I 3) +3(I 1-I 3) ]A =3
2
2
1P 2
面出现干涉条纹, 然后旋转1P 2波片, 在对应着
. (5)
-2215b , -11125b , 0, 11125b , 2215b 旋转角时由C CD 采集图像, 得到如图3(c) 和(e) 所示的五幅干涉图I 1, I 2, I 3, I 4, I 5, 并绘制它们第300行的光强轮廓线, 得到如图3(d) 和(f) 所示的曲线. 由图3(f) 可见, 五幅干涉图的光强轮廓线在水平方向上均匀分布, 说明移相步长均匀. 理论分析可知, 移相准确时I 1和I 5的光强轮廓线在横轴方向应重合, 为此单独绘出I 1和I 5的光强轮廓线如图3(i) 所示, 可看出二者的符合程度非常高, 说明移相器提供的移相量准确. 由五幅干涉图运用(3) 式, 计算后可得到如图3(g) 所示的反射镜OCT 图像, 该图第300行的光强轮廓线如图3(h) 所示. 在OCT 图像中, 样品细节清晰可见, 得到了与原图较为符合的结果. 但重建图像中仍保留有如图中斜线所示的干涉条纹痕迹. 在Choi 等人
[15]
31实验与结果
为了检验移相器结构的正确性, 进行了移相量实测实验. 采用反射镜作为样品, 电动旋转台带着1P 2波片连续旋转90b , 系统将获得720b 的移相量. 软件控制CCD 等间隔采集图像, 采样间隔为013b , 共获得300幅干涉图像. 取这些图像中同一像素点的光强值作为纵坐标, 并进行归一化处理, 得到光强值随1P 2波片旋转角H 的变化如图2中的细实线所示. 对该曲线进行9点平滑处理, 得到如图中粗实线所示的移相量曲线. H 从0至90b 变化, 代入(2) 式可得到理论移相量曲线. 式中的初始相位差
.
采用载频技术(由PZT 提供) 、应用四步积分
算法提取信号的FF -OC T 实验中, 也存在着这一现象. 对此还有待进一步研究, 通过系统参量优化可望解决这一问题.
采用1角硬币作为样品, 选择图4中白色方框所示的区域进行成像. 对成像深度的符号规定如下:成像深度以参考镜在空气中移动的距离表示, 把参考镜对应着样品表面时的位置定为零位置Z =0, 把深入到样品内部时的位置定为负值, 如图中点画线所指断面的成像深度为Z =-a L m. 设样品折射率为n , 则在样品中该断面离样品表面的距离为-a P n L m. 由于光线不能渗入硬币内部, 而只选择与参考臂光程相等的那些表面轮廓进行成像, 此时样品的折射率仍为1, 所以该断面离样品表面的距离为-a L m. 把样品光束聚焦于待测区域的右侧, 得到如图5(a) 所示的样品显微像. 调节参考镜的位置直至CC D 像面出现干涉条纹, 此时Z =0. 分别运用四步和三步移相算法得到的OC T 成像结果如图5(b) 和(c) 所示. 由图可见:样品右侧区域结构清晰, 左侧只有几个突出的点被成像, 其他结构则被滤除, 表明系统确实具有层析能力; 两种算法的结果较为接近, 说明了系统的正确性. 把样品光束聚焦于待
图2 移相量实测曲线与理论曲线的对比
测区域的左侧, 得到如图6(a) 所示的样品显微像. 移动参考镜至Z =-70L m 时, CCD 像面出现干涉条纹, 分别运用四步和三步移相算法得到的结果如图6(b) 和(c) , 系统具有的层析能力使得右侧区域结构不可见.
以Hariharan 移相算法为例, 来说明OC T 成像的过程, 和检验系统移相量的准确性. 反射镜样品的显微结构如图3(a) 所示, 该图第300行的光强轮廓线如图3(b) 所示. 调节参考镜的纵向位置直至CCD 像
图3 采用Hariharan 移相算法的OCT 成像过程及各图第300行的光强轮廓线图 (a) 样品显微图及(b) 其光强轮廓线图, (c) 移相量为-P 时的干涉图I 1及(d) 其光强轮廓线图, (e) 相量为-P P 2, 0, P P 2, P 时的干涉图I 2, I 3, I 4, I 5及(f) I 1) I 5的光强轮廓线图, (g) 样品的OCT 图像及(h) 光强轮廓线图, (i) I 1和I 5的光强轮廓线对比图
图4
样品成像区域及成像深度定义示意图
图6 聚焦于样品左侧(Z =-70L m) 时的OCT 图像 (a) 样品显微图, 采用(b)四步和(c) 三步移相算法获得的OCT 图像(图像尺寸0167mm @015mm)
41结 论
研制了一套采用新型无色散移相器进行移相操作的FF -OC T 系统, 避免了宽光谱条件下采用有色
图5 聚焦于样品右侧(Z =0) 时的OCT 图像 (a) 样品显微图, (b) 四步和(c) 三步移相算法获得的OCT 图像(图像尺寸0167mm @015
mm)
散移相器和传统移相算法带来的系统误差. 进行了720b 移相量实测实验, 获得的实验曲线与理论曲线较为符合, 表明系统获得了8H 的移相量, 文献[13]提出的移相器结构正确. 运用Hariharan 移相算法对
反射镜样品进行的成像实验结果表明, 系统具有较高的移相精度. 最后对实物样品运用两种移相算法进行了成像实验, 检验了系统的层析功能和所得结
果的正确性. 与现有系统相比, 本系统具有成像速度快、算法适应性强和器件使用量少等优点.
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Development of fu ll -field optical coherence tomography system *
Yang Ya -Liang Ding Zh-i Hua Wang Kai Wu Ling Wu Lan
(StateK e y Laboratory o f Mode rn O ptica l Instrumen tation , Zhe jian g U ni ve rsit y , Han g zhou 310027, China )
(Recei ved 25Ju ly 2008; revised man uscrip t received 10Sep tember 2008)
Abstract
A ful-l field optical coherence tomography syste m using an achro matic phase shifter based on a rotating hal-f wave plate to imple ment phase shifting is developed. The phase shifter can achromatically introduce phase shift of eight times the rotating angle of the hal-f wave plate, and can rapidly provide various pha se shifts for various algorithms. Real phase shift is measured and the result demonstrates that the syste m gives a phase shift of eight times the rotating angle of the hal-f wave plate, showing the achromatic phase shifter model is correct. Ima ging experiment re sults of a mirror using Hariharan algorithm show tha t the syste m has high phase shift precision. A coin as the sa mple is i maged to demonstra te the performance of the syste m. Keywords :ful -l field optic al c oherence tomography, achromatic phase shifte r, rota ting hal -f wa ve plate PACC :4278F, 4225K, 8170G
*Project s upported by the National Hi gh Technology Research and Devel opment Program of China (Grant No. 2006A A02Z4E0) , the National Natural Science Foundation of Chi na (GrantNos. 60878057, 60378041, 60478040) and the Natural Science Foundation of Zheji ang Province, China (Grant No. Z603003) .
E -mail:z h -ding@zj u. edu. cn