光學(xué)相干成像系統(tǒng)

1、相干成像過程相干成像過程 對(duì)于一個(gè)透鏡或一個(gè)成像系統(tǒng)，如果能清對(duì)于一個(gè)透鏡或一個(gè)成像系統(tǒng)，如果能清楚地了解物平面上任一小面元的光振動(dòng)通楚地了解物平面上任一小面元的光振動(dòng)通過成像系統(tǒng)后，在像平面上所造成的光振過成像系統(tǒng)后，在像平面上所造成的光振動(dòng)分布情況，通過線性疊加，原則上便能動(dòng)分布情況，通過線性疊加，原則上便能求得任何物面光場(chǎng)分布通過系統(tǒng)后所形成求得任何物面光場(chǎng)分布通過系統(tǒng)后所形成的像面光場(chǎng)分布，進(jìn)而求得像面強(qiáng)度分布。的像面光場(chǎng)分布，進(jìn)而求得像面強(qiáng)度分布。成像系統(tǒng)的特性成像系統(tǒng)的特性 因而，描述成像系統(tǒng)特性的關(guān)鍵是求出因而，描述成像系統(tǒng)特性的關(guān)鍵是求出任意小面元任意小面元的光振動(dòng)所對(duì)應(yīng)的像場(chǎng)

2、分布的光振動(dòng)所對(duì)應(yīng)的像場(chǎng)分布。 當(dāng)該面元的光振動(dòng)為單位脈沖即當(dāng)該面元的光振動(dòng)為單位脈沖即函數(shù)時(shí)，像場(chǎng)分布函數(shù)時(shí)，像場(chǎng)分布函數(shù)叫做函數(shù)叫做點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)或或脈沖響應(yīng)函數(shù)脈沖響應(yīng)函數(shù)。 點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)公式如下：點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)公式如下：dxdyyMyyxMxxdjyxPddyxyxhiiiiii)()(2exp),(1),;,(000200dxdyyyyxxxdjyxPddiiii)()(2exp),(10002 由于物面上照明是相干的，則這無數(shù)個(gè)脈由于物面上照明是相干的，則這無數(shù)個(gè)脈沖在像平面上的響應(yīng)便是沖在像平面上的響應(yīng)便是相干疊加相干疊加。像的復(fù)。像的復(fù)振幅分布可以按疊加積分公式表達(dá)為物的振幅分

3、布可以按疊加積分公式表達(dá)為物的復(fù)復(fù)振幅分布振幅分布與與脈沖響應(yīng)函數(shù)脈沖響應(yīng)函數(shù)的疊加積分。的疊加積分。 所以，成像系統(tǒng)的特性可以描述為：所以，成像系統(tǒng)的特性可以描述為：,exp - 2d d(,)iiiiiiiih x yPd xd yjxxy yx yP d xd y F成像系統(tǒng)的特性成像系統(tǒng)的特性衍射受限相干光學(xué)成像系統(tǒng)衍射受限相干光學(xué)成像系統(tǒng)1 1. 物面物面入瞳入瞳: 菲涅耳衍射菲涅耳衍射33.出瞳出瞳像面像面:菲涅耳衍射菲涅耳衍射22. 透鏡系統(tǒng)透鏡系統(tǒng): 黑箱黑箱. 只考慮邊端只考慮邊端(入瞳與出瞳之間入瞳與出瞳之間) 的變換的變換關(guān)系關(guān)系衍射受限相干光學(xué)成像系統(tǒng)衍射受限相干光學(xué)成

4、像系統(tǒng) 理想成像：點(diǎn)物通過系統(tǒng)后形成點(diǎn)像。實(shí)際像質(zhì)受多理想成像：點(diǎn)物通過系統(tǒng)后形成點(diǎn)像。實(shí)際像質(zhì)受多種因素限制。種因素限制。 衍射受限系統(tǒng)：不考慮系統(tǒng)的幾何像差，像質(zhì)僅僅受衍射受限系統(tǒng)：不考慮系統(tǒng)的幾何像差，像質(zhì)僅僅受到系統(tǒng)衍射效應(yīng)的限制，即成像光束大小的限制。到系統(tǒng)衍射效應(yīng)的限制，即成像光束大小的限制。 相干成像系統(tǒng)：衍射受限相干光學(xué)成像系統(tǒng)輸入面上相干成像系統(tǒng)：衍射受限相干光學(xué)成像系統(tǒng)輸入面上照明光是相干光，即單一波長(zhǎng)，單一偏振方向，光場(chǎng)照明光是相干光，即單一波長(zhǎng)，單一偏振方向，光場(chǎng)中在成像過程中任意兩點(diǎn)之間的光程差（相對(duì)相位）中在成像過程中任意兩點(diǎn)之間的光程差（相對(duì)相位）恒定。恒定。 在

5、相干照明下的衍射受限系統(tǒng)，對(duì)復(fù)振幅的傳遞是線在相干照明下的衍射受限系統(tǒng)，對(duì)復(fù)振幅的傳遞是線性空不變的。性空不變的。 空間不變線性系統(tǒng)的變換特性在頻域中來描述更方便?？臻g不變線性系統(tǒng)的變換特性在頻域中來描述更方便。 頻域中描述系統(tǒng)的成像特性的頻譜函數(shù)稱為衍射受限頻域中描述系統(tǒng)的成像特性的頻譜函數(shù)稱為衍射受限系統(tǒng)的相干傳遞函數(shù)，記作系統(tǒng)的相干傳遞函數(shù)，記作CTF。衍射受限相干光學(xué)成像系統(tǒng)衍射受限相干光學(xué)成像系統(tǒng)相干傳遞函數(shù)相干傳遞函數(shù)CTFCTF 的計(jì)算的計(jì)算 相干傳遞函數(shù)相干傳遞函數(shù)CTFCTF 是點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)的傅里葉變換是點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)的傅里葉變換 由于點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)本身是光瞳函數(shù)的傅里葉變換，因此根據(jù)

6、傅由于點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)本身是光瞳函數(shù)的傅里葉變換，因此根據(jù)傅里葉變換的積分定理有里葉變換的積分定理有(,),cxyiiHffh xyF( ,),(,)cxyiiixiyH ffPdx d yPd fd fF F相干傳遞函數(shù)相干傳遞函數(shù)CTFCTF 的計(jì)算的計(jì)算 這說明，相干傳遞函數(shù)等于光瞳函數(shù)，僅在空域坐標(biāo)和頻這說明，相干傳遞函數(shù)等于光瞳函數(shù)，僅在空域坐標(biāo)和頻域坐標(biāo)之間存在著一定的坐標(biāo)縮放關(guān)系。域坐標(biāo)之間存在著一定的坐標(biāo)縮放關(guān)系。而且上一節(jié)給出而且上一節(jié)給出的光瞳上的坐標(biāo)變換產(chǎn)生了具體的物理意義，即空間頻率的光瞳上的坐標(biāo)變換產(chǎn)生了具體的物理意義，即空間頻率 一般光瞳函數(shù)都是中心對(duì)稱的，一般光瞳函數(shù)都

7、是中心對(duì)稱的，故可故可在一個(gè)反射坐標(biāo)中來在一個(gè)反射坐標(biāo)中來定義相干傳遞函數(shù)，去掉負(fù)號(hào)的累贅，定義相干傳遞函數(shù)，去掉負(fù)號(hào)的累贅，將將相干傳遞函數(shù)改相干傳遞函數(shù)改寫為寫為 iyixdyyfdxxf,),(),(yixiyxcfdfdPffH 相干傳遞函數(shù)計(jì)算：相干傳遞函數(shù)計(jì)算： 圓形光瞳相干傳遞函數(shù)計(jì)算圓形光瞳相干傳遞函數(shù)計(jì)算 正方形光瞳相干傳遞函數(shù)計(jì)算正方形光瞳相干傳遞函數(shù)計(jì)算相干傳遞函數(shù)相干傳遞函數(shù)CTF 的計(jì)算的計(jì)算圓形光瞳相干傳遞函數(shù)圓形光瞳相干傳遞函數(shù)計(jì)算計(jì)算 對(duì)于直徑為對(duì)于直徑為D D的圓形光瞳，其孔徑函數(shù)可表為的圓形光瞳，其孔徑函數(shù)可表為 故故其相干傳遞函數(shù)其相干傳遞函數(shù)和和截止頻率

8、截止頻率分別分別為為 2/),(22DyxcircyxPiyxyixiyxcdDffcircfdfdPffH2/),(),(222cutiDfd正方形光瞳相干傳遞函數(shù)正方形光瞳相干傳遞函數(shù)計(jì)算計(jì)算 對(duì)于對(duì)于出瞳是邊長(zhǎng)為出瞳是邊長(zhǎng)為 的正方形，則光瞳函數(shù)為的正方形，則光瞳函數(shù)為 a( , )xyP x yrectrectaa正方形光瞳相干傳遞函數(shù)正方形光瞳相干傳遞函數(shù)計(jì)算計(jì)算 相干傳遞函數(shù)為相干傳遞函數(shù)為 顯然，不同方位上的截止頻率不相同，在顯然，不同方位上的截止頻率不相同，在 軸方向上，軸方向上，系統(tǒng)的截止頻率系統(tǒng)的截止頻率 。系統(tǒng)的最大截止頻率在與。系統(tǒng)的最大截止頻率在與 軸成軸成4545角

9、方向上角方向上 afdrectafdrectfdfdPffHyixiyixiyx),(),(/()/()yxiiffrectrectadadyx,0(2)ifadx光學(xué)相干成像系統(tǒng)的應(yīng)用光學(xué)相干成像系統(tǒng)的應(yīng)用應(yīng)用： 光學(xué)相干層析成像（OCT） 濾波器光學(xué)相干層析成像光學(xué)相干層析成像光學(xué)相干層析成像光學(xué)相干層析成像簡(jiǎn)介：簡(jiǎn)介： 光學(xué)相干層析技術(shù)（又稱光學(xué)相干斷層掃描技術(shù)，光學(xué)相干層析技術(shù)（又稱光學(xué)相干斷層掃描技術(shù)，Optical Coherence Tomography, OCT）是近十年）是近十年迅速發(fā)展起來的一種成像技術(shù)，它利用迅速發(fā)展起來的一種成像技術(shù)，它利用弱相干光干涉弱相干光干涉儀儀的

10、基本原理，檢測(cè)生物組織不同深度層面對(duì)入射弱的基本原理，檢測(cè)生物組織不同深度層面對(duì)入射弱相干光的背向反射或幾次散射信號(hào)，通過掃描，可得相干光的背向反射或幾次散射信號(hào)，通過掃描，可得到生物組織二維或三維結(jié)構(gòu)圖像。到生物組織二維或三維結(jié)構(gòu)圖像。光學(xué)相干層析成像光學(xué)相干層析成像用途：用途： OCT可進(jìn)行活體眼組織顯微鏡結(jié)構(gòu)的非接觸式、非可進(jìn)行活體眼組織顯微鏡結(jié)構(gòu)的非接觸式、非侵入性斷層成像。侵入性斷層成像。OCT是超聲的光學(xué)模擬品，但其軸是超聲的光學(xué)模擬品，但其軸向分辨力取決于光源的相干特性，可達(dá)向分辨力取決于光源的相干特性，可達(dá)10um ,且穿透且穿透深度幾乎不受眼透明屈光介質(zhì)的限制，可觀察眼前節(jié)，

11、深度幾乎不受眼透明屈光介質(zhì)的限制，可觀察眼前節(jié)，又能顯示眼后節(jié)的形態(tài)結(jié)構(gòu)，多用于眼內(nèi)疾病尤其是又能顯示眼后節(jié)的形態(tài)結(jié)構(gòu)，多用于眼內(nèi)疾病尤其是視網(wǎng)膜疾病的診斷，隨訪觀察及治療效果評(píng)價(jià)等方面。視網(wǎng)膜疾病的診斷，隨訪觀察及治療效果評(píng)價(jià)等方面。光學(xué)相干層析成像光學(xué)相干層析成像OCT系統(tǒng)構(gòu)成：系統(tǒng)構(gòu)成： 光學(xué)相干層析成像基于干涉儀原理，利用近紅外光學(xué)相干層析成像基于干涉儀原理，利用近紅外弱相干光照射到待測(cè)組織，依據(jù)光的相干性產(chǎn)生干弱相干光照射到待測(cè)組織，依據(jù)光的相干性產(chǎn)生干涉，采用超外差探測(cè)技術(shù)，測(cè)量反射回來的光強(qiáng)，用涉，采用超外差探測(cè)技術(shù)，測(cè)量反射回來的光強(qiáng)，用于組織淺表層成像。于組織淺表層成像。OC

12、T 系統(tǒng)是由低相干光源、光系統(tǒng)是由低相干光源、光纖邁克爾遜干涉儀和光電探測(cè)系統(tǒng)等構(gòu)成。纖邁克爾遜干涉儀和光電探測(cè)系統(tǒng)等構(gòu)成。光學(xué)相干層析成像光學(xué)相干層析成像OCT系統(tǒng)構(gòu)成示意圖系統(tǒng)構(gòu)成示意圖光學(xué)相干層析成像光學(xué)相干層析成像工作原理：工作原理： OCT的核心是光纖邁克爾遜干涉儀。低相干光源超的核心是光纖邁克爾遜干涉儀。低相干光源超輻射發(fā)光二極管輻射發(fā)光二極管(Superluminescence Diode，SLD)發(fā)發(fā)出的光耦合進(jìn)入單模光纖，被出的光耦合進(jìn)入單模光纖，被22光纖耦合器均分為光纖耦合器均分為兩路，一路是經(jīng)透鏡準(zhǔn)直并從平面反射鏡返回的參考兩路，一路是經(jīng)透鏡準(zhǔn)直并從平面反射鏡返回的參考

13、光；另一路是經(jīng)透鏡聚焦到被測(cè)樣品的采樣光束。光；另一路是經(jīng)透鏡聚焦到被測(cè)樣品的采樣光束。光學(xué)相干層析成像光學(xué)相干層析成像 由反射鏡返回的參考光與被測(cè)樣品的后向散射光在探由反射鏡返回的參考光與被測(cè)樣品的后向散射光在探測(cè)器上匯合，當(dāng)兩者之間的光程差在光源相干長(zhǎng)度之測(cè)器上匯合，當(dāng)兩者之間的光程差在光源相干長(zhǎng)度之內(nèi)時(shí)則發(fā)生干涉，探測(cè)器輸出信號(hào)反映介質(zhì)的后向散內(nèi)時(shí)則發(fā)生干涉，探測(cè)器輸出信號(hào)反映介質(zhì)的后向散射強(qiáng)度。射強(qiáng)度。 掃描反射鏡并記錄其空間位置，使參考光與來自介質(zhì)掃描反射鏡并記錄其空間位置，使參考光與來自介質(zhì)內(nèi)不同深度的后向散射光發(fā)生干涉。根據(jù)反射鏡位置內(nèi)不同深度的后向散射光發(fā)生干涉。根據(jù)反射鏡位置

14、和相應(yīng)的干涉信號(hào)強(qiáng)度即町獲得樣品不同深度和相應(yīng)的干涉信號(hào)強(qiáng)度即町獲得樣品不同深度(z方向方向)的測(cè)量數(shù)據(jù)再結(jié)合采樣光束在的測(cè)量數(shù)據(jù)再結(jié)合采樣光束在x-y平面內(nèi)的掃描，所平面內(nèi)的掃描，所得結(jié)果經(jīng)計(jì)算機(jī)處理，可獲得樣品的三維結(jié)構(gòu)信息。得結(jié)果經(jīng)計(jì)算機(jī)處理，可獲得樣品的三維結(jié)構(gòu)信息。 發(fā)展發(fā)展趨勢(shì)：趨勢(shì)： 未來未來OCT的發(fā)展趨勢(shì)大致可以認(rèn)為是從單純結(jié)構(gòu)成像的發(fā)展趨勢(shì)大致可以認(rèn)為是從單純結(jié)構(gòu)成像OCT向功能和結(jié)構(gòu)綜合成像的向功能和結(jié)構(gòu)綜合成像的OCT發(fā)展。通常生物組發(fā)展。通常生物組織在產(chǎn)生病變之前其功能參數(shù)就已開始發(fā)生變化，因織在產(chǎn)生病變之前其功能參數(shù)就已開始發(fā)生變化，因此，功能參數(shù)對(duì)疾病早期診斷是非常有用的。這些功此，功能參數(shù)對(duì)疾病早期診斷是非常有用的。這些功能參數(shù)通常包含血流速度、含氧壓、組織結(jié)構(gòu)變化、能參數(shù)通常包含血流速度、含氧壓、組織結(jié)構(gòu)變化、雙折射性質(zhì)等，功能型雙折射性質(zhì)等，功能型OCT通過探測(cè)這些變化進(jìn)行功通過探測(cè)這些變化進(jìn)行功能成像提供更多信息。近年來得到快速發(fā)展的功能型能成像提供更多信息。近年來得到快速發(fā)展的功能型的的OCT技術(shù)包括：多普勒技術(shù)包括：多普勒OCT、偏振光敏感、偏振光敏感OCT、光、光譜