吳彤 孫帥帥 王緒暉 王吉明 赫崇君 顧曉蓉 劉友文

(南京航空航天大學(xué)理學(xué)院應(yīng)用物理系,南京 210016)

1 引 言

光學(xué)相干層析成像技術(shù)(optical coherence tomography,OCT)是一種高速、高分辨率、非接觸的生物醫(yī)學(xué)光學(xué)成像技術(shù)[1?8],能夠?qū)崿F(xiàn)微米級(jí)分辨率和毫米級(jí)深度成像.該技術(shù)已經(jīng)廣泛用于生物醫(yī)學(xué)研究、臨床診斷和材料特性的無(wú)損檢測(cè)等領(lǐng)域[9?15].在譜域OCT(spectral domain OCT,SDOCT)中,干涉光譜信號(hào)被光柵光譜儀探測(cè)[16].傳統(tǒng)的光柵光譜儀由衍射光柵、聚焦透鏡、線陣相機(jī)組成.根據(jù)光柵方程,光柵衍射角的正弦值與光波長(zhǎng)呈線性關(guān)系,與光波數(shù)呈非線性關(guān)系,則光波數(shù)在線陣相機(jī)上呈非線性分布.傳統(tǒng)光柵光譜儀的非均勻波數(shù)分布特性對(duì)譜域OCT成像產(chǎn)生兩個(gè)影響:第一,直接對(duì)非線性波數(shù)光譜干涉信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換會(huì)導(dǎo)致軸向點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)加寬;第二,線陣相機(jī)上每個(gè)像素所探測(cè)的帶寬不相同會(huì)導(dǎo)致靈敏度隨著成像深度增加而下降得很快[17].

為了解決非均勻波數(shù)分布問(wèn)題,傳統(tǒng)的做法是在傅里葉轉(zhuǎn)換前對(duì)采集到的干涉光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值重采樣,把在波長(zhǎng)空間均勻分布的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成波數(shù)空間均勻分布的數(shù)據(jù)[18].但是重采樣過(guò)程計(jì)算量大,靈敏度下降仍然不能得到改善.另一種做法是基于線性波數(shù)光譜儀在不需要大計(jì)算量插值處理的基礎(chǔ)上改善靈敏度下降性能.Hu和Rollins[19]第一次把線性波數(shù)光譜儀引進(jìn)譜域OCT系統(tǒng)中,在衍射光柵和聚焦透鏡之間插入一個(gè)BK7玻璃材質(zhì)的等腰色散棱鏡,以棱鏡出射角對(duì)波數(shù)的導(dǎo)數(shù)來(lái)衡量波數(shù)線性度.在它們的設(shè)計(jì)中只考慮了棱鏡頂角這一光學(xué)結(jié)構(gòu)參數(shù).Gelikonov等[20]設(shè)計(jì)的線性波數(shù)光譜儀同時(shí)考慮了棱鏡頂角、棱鏡入射面與光柵平面之間的夾角兩個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù),并提出以波數(shù)相對(duì)偏差為準(zhǔn)則評(píng)估波數(shù)線性度.Watanabe和Itagaki[21]優(yōu)化了棱鏡材料和光柵棱鏡之間的夾角,以位置-波數(shù)導(dǎo)數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差作為線性波數(shù)優(yōu)化準(zhǔn)則.Lee等[22]通過(guò)數(shù)值模擬優(yōu)化光學(xué)參數(shù)以實(shí)現(xiàn)超高分辨率成像,這些參數(shù)包括光柵的光柵常數(shù)、色散棱鏡的材料、光柵和色散棱鏡間的旋轉(zhuǎn)角,其最優(yōu)化角度和棱鏡材料通過(guò)最小化角度-波數(shù)導(dǎo)數(shù)獲得.最近,Lan和Li[23]設(shè)計(jì)的線性波數(shù)光譜儀用在譜域OCT系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了超高分辨率成像,利用定量光線追跡技術(shù)計(jì)算了11個(gè)離散波數(shù)的均方根偏差,并以其為準(zhǔn)則評(píng)估線性波數(shù)光譜儀中波數(shù)的線性度.

本文提出一個(gè)新的優(yōu)化準(zhǔn)則來(lái)優(yōu)化線性波數(shù)光譜儀的結(jié)構(gòu)參數(shù),包括棱鏡頂角、棱鏡材料和光柵與棱鏡之間的旋轉(zhuǎn)角.把考慮的結(jié)構(gòu)參數(shù)整合到波數(shù)和像素位置的理論關(guān)系式中以數(shù)值模擬光譜干涉信號(hào)及其點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù),以點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)半峰全寬值的倒數(shù)作為評(píng)價(jià)因子來(lái)優(yōu)化這些結(jié)構(gòu)參數(shù).按照優(yōu)化的結(jié)構(gòu)參數(shù)搭建了線性波數(shù)光譜儀,實(shí)驗(yàn)測(cè)量了軸向分辨率和系統(tǒng)靈敏度,并與理論值比較以評(píng)估搭建的線性波數(shù)光譜儀的性能.最后用基于搭建的線性波數(shù)光譜儀的譜域OCT系統(tǒng)對(duì)人的手指指甲進(jìn)行了在體層析成像.

2 方 法

線性波數(shù)光譜儀的結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1,由準(zhǔn)直鏡、衍射光柵、色散棱鏡、聚焦透鏡和線陣相機(jī)組成.定義線性波數(shù)光譜儀的結(jié)構(gòu)參數(shù)為:色散棱鏡頂角α、棱鏡入射面與光柵面之間的旋轉(zhuǎn)角β、棱鏡材料折射率n.為了使寬帶光源帶寬范圍內(nèi)的波數(shù)均勻分布在線陣相機(jī)像素上,需要推導(dǎo)像素位置坐標(biāo)和波數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系.如圖1所示,令像素陣列的一端為坐標(biāo)原點(diǎn),中心像素位置坐標(biāo)為x0,任一像素位置坐標(biāo)為x.設(shè)計(jì)中首先應(yīng)使寬帶光源發(fā)出的中心波數(shù)激光聚焦在中心像素位置上.當(dāng)滿(mǎn)足閃耀條件時(shí),中心波數(shù)激光的光柵衍射角θd0可以表示為

其中,λkc為中心波數(shù)對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng),d為光柵常數(shù),θin為衍射光柵的入射角.如圖1所示,定義棱鏡出射角為棱鏡右端面的出射光與法線的夾角.則中心波數(shù)的棱鏡出射角θ0可以表示為

通過(guò)光線追跡,對(duì)應(yīng)線陣相機(jī)上某個(gè)特定像素位置坐標(biāo)x的棱鏡出射角θout可以表示為

圖1 線性波數(shù)光譜儀的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1.Schematics of the linear-k spectrometer.

其中f是聚焦透鏡的焦距.給定一組線性波數(shù)光譜儀的結(jié)構(gòu)參數(shù)(α,β,n),某波數(shù)對(duì)應(yīng)的光柵衍射角θd可以由相應(yīng)的棱鏡出射角θout推出:

把(1),(3),(4)式代入光柵方程,可以得到像素位置坐標(biāo)x和波數(shù)k之間的函數(shù)關(guān)系:

根據(jù)(5)式,可以數(shù)值模擬對(duì)應(yīng)某組線性波數(shù)光譜儀結(jié)構(gòu)參數(shù)的波數(shù)分布函數(shù)k(x),進(jìn)而模擬對(duì)應(yīng)樣品某深度的干涉光譜信號(hào)2(k),表達(dá)式如下:

其中z代表樣品深度位置坐標(biāo),k代表對(duì)應(yīng)某組結(jié)構(gòu)參數(shù)的波數(shù)分布函數(shù),S(k)代表光源的光譜密度函數(shù),理想情況下OCT光源的光譜分布可取為高斯分布,即有S(k)=S0exp(?(k?kc)2/?k2),kc為光源的中心波數(shù),?k為光源的波數(shù)帶寬.由干涉光譜信號(hào)的傅里葉變換可以得到對(duì)應(yīng)于該樣品深度的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù).點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)即OCT成像系統(tǒng)的軸向分辨率.定義點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)的半峰全寬(FWHM)值的倒數(shù)1/FWHM作為優(yōu)化設(shè)計(jì)線性波數(shù)光譜儀結(jié)構(gòu)參數(shù)的評(píng)價(jià)因子c.通過(guò)精細(xì)改變結(jié)構(gòu)參數(shù)得到最高的c值即對(duì)應(yīng)于優(yōu)化的線性波數(shù)光譜儀設(shè)計(jì).

可以通過(guò)計(jì)算相對(duì)偏差函數(shù)ε(x)評(píng)估優(yōu)化線性波數(shù)光譜儀的波數(shù)線性度.偏差函數(shù)描述特定的波數(shù)分布函數(shù)k(x)和理想的線性波數(shù)分布函數(shù)k1(x)的偏差[20].理想的線性波數(shù)分布函數(shù)定義如下:

其中kc代表中心波數(shù),?x代表可探測(cè)波數(shù)范圍?k所對(duì)應(yīng)的像素陣列空間范圍.

相對(duì)偏差函數(shù)定義如下:

因此波數(shù)分布函數(shù)k(x)的非線性度可以用度量δε來(lái)數(shù)值估計(jì),其表達(dá)式如下:

其中i和j代表像素序數(shù)(0 6i,j

3 模擬與實(shí)驗(yàn)

優(yōu)化線性波數(shù)光譜儀需要考慮的結(jié)構(gòu)參數(shù)有棱鏡頂角α、旋轉(zhuǎn)角β和棱鏡材料折射率n.在線性波數(shù)光譜儀的數(shù)值模擬優(yōu)化中,首先根據(jù)商品化的光學(xué)元器件的典型參數(shù)指標(biāo)設(shè)定模擬參數(shù).其中透射式衍射光柵的光柵常數(shù)設(shè)定為1200線對(duì)每毫米,聚焦透鏡焦距設(shè)定為100 mm,線陣掃描相機(jī)的單個(gè)像素尺寸設(shè)定為10μm,可探測(cè)的光譜帶寬波數(shù)范圍設(shè)定為7.189—7.854μm?1.色散棱鏡的材料設(shè)定為F2,BK7和SF11,由于這三種光學(xué)玻璃材料在此可探測(cè)光譜范圍內(nèi)的折射率改變很小,模擬中材料折射率n設(shè)定為中心波數(shù)所對(duì)應(yīng)的折射率.商品化的標(biāo)準(zhǔn)色散棱鏡通常為等邊棱鏡,因此棱鏡頂角的取值范圍設(shè)定在60?附近.旋轉(zhuǎn)角的取值范圍設(shè)定為21?—31?度.根據(jù)(5)和(6)式分別模擬波數(shù)分布函數(shù)以及對(duì)應(yīng)的干涉光譜信號(hào).深度z設(shè)置為典型值1.6 mm.經(jīng)過(guò)對(duì)數(shù)值模擬的干涉光譜信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換可以計(jì)算對(duì)應(yīng)的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)半峰全寬值及其評(píng)價(jià)因子c值.不同的α,β和n值可以取得不同的c值.一組使c值最大的α,β和n值即為優(yōu)化的線性波數(shù)光譜儀結(jié)構(gòu)參數(shù).為了在理論上評(píng)價(jià)優(yōu)化線性波數(shù)分布函數(shù)的非線性度,根據(jù)(7)和(8)式可得優(yōu)化波數(shù)分布函數(shù)和理想線性波數(shù)分布函數(shù)之間的相對(duì)偏差函數(shù)ε(x),根據(jù)(9)式可得優(yōu)化波數(shù)分布函數(shù)的非線性度δε.

圖2是實(shí)驗(yàn)室搭建的譜域OCT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖.光源為超發(fā)光二極管(SLD)寬帶光源(SLD-371,Superlum公司),中心波長(zhǎng)為840 nm,帶寬為74 nm,最大輸出功率約為11 mW.從光源發(fā)出的寬帶激光經(jīng)分光比為50/50的光纖耦合器分為兩束后分別進(jìn)入樣品臂和參考臂.樣品臂由偏振控制器、光纖準(zhǔn)直鏡、二維掃描振鏡(GVS002,Thorlabs Inc.)、聚焦物鏡和被測(cè)樣品組成.參考臂由偏振控制器、光纖準(zhǔn)直鏡、聚焦透鏡和平面反射鏡(PF10-03-M03,Thorlabs Inc.)組成,其中偏振控制器用于調(diào)節(jié)參考臂的光波與樣品臂的光波偏振方向一致.從參考鏡和樣品返回的光匯合后形成的干涉光譜條紋信號(hào)由優(yōu)化的線性波數(shù)光譜儀探測(cè).線性波數(shù)光譜儀由光纖準(zhǔn)直鏡、透射式衍射光柵、等邊色散棱鏡、聚焦透鏡和一個(gè)線陣掃描互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)相機(jī)(sp2048-70 km,Basler Inc.)組成.為了校準(zhǔn)和調(diào)節(jié)線性波數(shù)光譜儀中的光路,制作了光柵槽和棱鏡槽用來(lái)固定光柵和棱鏡,光柵槽與棱鏡槽之間的夾角設(shè)定為優(yōu)化的旋轉(zhuǎn)角β.由線陣掃描CMOS相機(jī)探測(cè)到的干涉光譜條紋信號(hào)經(jīng)圖像采集卡(IMAQ PCIe-1430,National Instruments)采集進(jìn)入計(jì)算機(jī)內(nèi)存,經(jīng)數(shù)據(jù)處理后得到OCT圖像.

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)干涉光譜信號(hào)的實(shí)時(shí)處理,搭建的譜域OCT成像系統(tǒng)使用支持通用并行計(jì)算性能的圖形處理器GPU對(duì)采集到的譜域OCT干涉光譜信號(hào)進(jìn)行處理.實(shí)時(shí)信號(hào)處理和圖像顯示流程如圖3所示.首先,實(shí)時(shí)采集到的一幀干涉光譜信號(hào)數(shù)據(jù)從主機(jī)內(nèi)存轉(zhuǎn)移到GPU板載內(nèi)存;干涉光譜信號(hào)數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)類(lèi)型轉(zhuǎn)換之后減除預(yù)先存儲(chǔ)在GPU中的參考光強(qiáng)度;繼而對(duì)一幀干涉光譜信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行并行傅里葉變換(FFT)和對(duì)數(shù)變換,得到一幀OCT圖像數(shù)據(jù);再經(jīng)過(guò)一次類(lèi)型轉(zhuǎn)換后OCT圖像數(shù)據(jù)從GPU板載內(nèi)存轉(zhuǎn)移至計(jì)算機(jī)主機(jī)內(nèi)存中,并在顯示器顯示OCT圖像.包括干涉光譜信號(hào)采集、GPU并行處理以及OCT圖像顯示的圖形用戶(hù)界面使用基于Visual C++2008程序?qū)崿F(xiàn).

圖2 基于最優(yōu)化線性波數(shù)光譜儀的譜域OCT系統(tǒng)示意圖Fig.2.Schematic of the SD-OCT system with the optimized linear-k spectrometer.

圖3 譜域OCT實(shí)時(shí)干涉光譜信號(hào)處理和顯示流程圖Fig.3.Flowchart of the real-time signal processing and displaying for the SDOCT system.

4 結(jié) 果

4.1 模擬結(jié)果

圖4為基于Matlab程序優(yōu)化線性波數(shù)光譜儀的模擬結(jié)果.其中圖4(a)為固定旋轉(zhuǎn)角的情況下,改變棱鏡頂角時(shí)數(shù)值模擬的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)曲線,從圖中可知點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)的FWHM隨著棱鏡頂角的變化而變化.圖4(b)—(d)分別為對(duì)應(yīng)三種典型光學(xué)材料的評(píng)價(jià)因子模擬結(jié)果.其中圖4(b)為采用F2玻璃色散棱鏡的評(píng)價(jià)因子c值的模擬結(jié)果,當(dāng)棱鏡頂角為61.4?、光柵與棱鏡間的旋轉(zhuǎn)角為29.7?時(shí),評(píng)價(jià)因子c值達(dá)到最大值0.1190μm?1,其最優(yōu)化棱鏡頂角范圍是59.6?—61.8?.圖4(c)為采用BK7玻璃色散棱鏡的評(píng)價(jià)因子模擬結(jié)果,當(dāng)棱鏡頂角為66.4?、光柵與棱鏡間的旋轉(zhuǎn)角為27.1?時(shí),評(píng)價(jià)因子c值達(dá)到最大值0.1189μm?1,其最優(yōu)化棱鏡頂角范圍是65.7?—66.8?.圖4(d)為采用SF11玻璃色散棱鏡的評(píng)價(jià)因子模擬結(jié)果,其材料特性和前兩者差異較大,當(dāng)棱鏡頂角為51.4?、光柵與棱鏡間的旋轉(zhuǎn)角為14.9?時(shí),評(píng)價(jià)因子c值達(dá)到最大值0.1181μm?1,其最優(yōu)化棱鏡頂角范圍是49.5?—51.0?.綜合三種典型材料的數(shù)值模擬結(jié)果,在60?附近F2棱鏡的評(píng)價(jià)因子明顯大于BK7棱鏡相對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)因子,且F2棱鏡的最優(yōu)化角度范圍比較大;而B(niǎo)K7和SF11棱鏡情況下的評(píng)價(jià)因子對(duì)角度變化比較敏感.考慮到商品化的色散棱鏡通常都為等邊棱鏡,根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果,實(shí)驗(yàn)中選擇F2等邊色散棱鏡用于搭建線性波數(shù)光譜儀.由圖4(b)可知當(dāng)F2色散棱鏡頂角角度為60?時(shí),光柵與棱鏡間的最優(yōu)化旋轉(zhuǎn)角為21.8?.

在最優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)情況下,理論評(píng)估線性波數(shù)光譜儀波數(shù)線性度的結(jié)果如圖5所示.當(dāng)深度坐標(biāo)z取0.2 mm,線陣相機(jī)上探測(cè)的光譜信號(hào)分別為波長(zhǎng)線性分布和波數(shù)線性分布情況下,波數(shù)與像素位置關(guān)系曲線以及根據(jù)(5)式模擬的干涉光譜信號(hào)如圖5(a)所示,紅色曲線表示波長(zhǎng)呈線性分布時(shí)的波數(shù)-像素關(guān)系曲線及對(duì)應(yīng)的干涉光譜信號(hào),藍(lán)色曲線表示波數(shù)呈線性分布時(shí)的波數(shù)-像素關(guān)系曲線及對(duì)應(yīng)的干涉光譜信號(hào).圖5(b)所示為模擬的基于兩種光譜儀即線性波長(zhǎng)光譜儀和線性波數(shù)光譜儀的譜域OCT系統(tǒng)在不同成像深度處的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)對(duì)比圖.如圖所示,在較淺成像深度處,非線性波數(shù)分布對(duì)軸向分辨率的影響不大,但隨著成像深度的增加,非線性波數(shù)情況下的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)顯著加寬.根據(jù)(8)式可以計(jì)算優(yōu)化的波數(shù)分布函數(shù)和理想的波數(shù)分布函數(shù)之間的相對(duì)偏差函數(shù)ε(x).根據(jù)計(jì)算結(jié)果δε=0.045%低于臨界值1/N=0.1%,表明優(yōu)化的線性波數(shù)光譜儀的波數(shù)線性度表現(xiàn)良好.

圖4 (a)不同角度組合下的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)模擬圖;F2棱鏡(b),BK7棱鏡(c)以及SF11棱鏡(d)情況下評(píng)價(jià)因子數(shù)值模擬三維輪廓圖Fig.4.(a)The simulated PSF under different combinations of angles;3D numerical simulation results of the cost factor for F2(b),BK7(c)and SF11(d)prism.

圖5 (a)深度坐標(biāo)為0.2 mm處的干涉光譜信號(hào)的模擬結(jié)果和波數(shù)線性度模擬結(jié)果,紅色曲線對(duì)應(yīng)于線性波長(zhǎng)分布,藍(lán)色曲線對(duì)應(yīng)于線性波數(shù)分布;(b)線性波長(zhǎng)干涉信號(hào)與線性波數(shù)干涉信號(hào)經(jīng)FFT后的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)圖像,彩色曲線對(duì)應(yīng)線性波長(zhǎng)情況,黑色曲線對(duì)應(yīng)線性波數(shù)情況Fig.5.(a)Comparison of the simulated spectral interference signal at the depth coordinate of 0.2 mm(red,linearin-wavenumber case;blue,linear-in-wavelength case);(b)point spread functions directly Fourier transformed from the linear-in-wavelength signal(color curves)and linear-in-wavenumber signal(black curves).

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了通過(guò)實(shí)驗(yàn)評(píng)估搭建的線性波數(shù)光譜儀的性能,在譜域OCT系統(tǒng)中以平面反射鏡作為樣品采集并處理了幾組干涉光譜信號(hào).在進(jìn)行直流項(xiàng)處理和FFT后,可以測(cè)得系統(tǒng)靈敏度、靈敏度下降曲線以及軸向分辨率.這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示在圖6中.從圖6(a)可以看出,基于譜域OCT線性波數(shù)光譜儀的靈敏度在零光程附近處約為91 dB.在深度范圍1.2 mm內(nèi),靈敏度下降低于6 dB.

圖6 (a)基于譜域OCT系統(tǒng)的線性波數(shù)光譜儀靈敏度;(b)三種靈敏度下降曲線對(duì)比;(c)軸向分辨率的對(duì)比;(d)手指皮膚與指甲接縫處橫斷面OCT圖像Fig.6.(a)The sensitivity of linear-k spectrometer based SDOCT system;(b)sensitivity roll-of fcomparison;(c)the comparison of axial resolution;(d)cross-sectional OCT images of human finger skin obtained by the constructed linear-k spectrometer based SDOCT system.

為了把靈敏度下降的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論模型、模擬結(jié)果相比較,引用文獻(xiàn)[17]提出的譜域干涉光譜信號(hào)解析模型.此解析模型可以表達(dá)如下:

其中A是干涉光譜信號(hào)強(qiáng)度,p是像素尺寸,R是線色散率,即光譜聚焦平面上1μm長(zhǎng)度所占的光譜帶寬,a是光譜聚焦光斑大小,z是成像深度.靈敏度下降對(duì)比曲線如圖6(b)所示,其中紅線代表實(shí)驗(yàn)測(cè)得的系統(tǒng)靈敏度下降曲線,藍(lán)線代表在相機(jī)上光斑尺寸為6.8μm時(shí)用解析模型計(jì)算的理論靈敏度下降曲線,黑線代表數(shù)值模擬情況下最優(yōu)化線性波數(shù)光譜儀靈敏度下降曲線,由代入最優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)的波數(shù)函數(shù)求得.如圖所示,實(shí)驗(yàn)測(cè)得的靈敏度下降性能和解析模型、數(shù)值模擬的結(jié)果基本一致.軸向分辨率的實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其與理論值的對(duì)比如圖6(c)所示.在圖中,理論值是由OCT軸向分辨率公式δz=0.44λ2/?λ決定的數(shù)值;優(yōu)化值代表模擬點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)的半峰全寬值;理想值代表在波數(shù)函數(shù)和像素位置成線性關(guān)系情況下模擬的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)的半峰全寬值;實(shí)驗(yàn)值代表用實(shí)驗(yàn)室搭建的基于線性波數(shù)光譜儀的譜域OCT系統(tǒng)測(cè)得的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)的半峰全寬值.在實(shí)驗(yàn)中,光源的半峰全寬為38 nm,理論軸向分辨率為8.14μm.當(dāng)平面鏡位于1.6 mm深度處,優(yōu)化的軸向分辨率為8.45μm,等波數(shù)分布理想軸向分辨率為8.36μm,實(shí)驗(yàn)測(cè)得軸向分辨率9.15μm.由圖中曲線可以看出,當(dāng)深度較小時(shí),實(shí)際軸向分辨率值接近于理論值;當(dāng)深度較大時(shí),兩者存在一定差距,推測(cè)主要是由于線性波數(shù)光譜儀搭建誤差引起.最后,對(duì)搭建的基于線性波數(shù)光譜儀的譜域OCT系統(tǒng)進(jìn)行活體生物組織成像性能測(cè)試.圖6(d)展示的是對(duì)人手指指甲皮膚接縫處組織進(jìn)行成像的OCT圖像結(jié)果,其橫向和軸向視場(chǎng)范圍分別為5.6 mm和2.4 mm.從圖中可見(jiàn),手指指甲組織、皮膚組織、指甲和皮膚接縫處組織結(jié)構(gòu)清晰可見(jiàn).高分辨率手指皮膚組織的活體成像結(jié)果證明了搭建的基于線性波數(shù)光譜儀的譜域OCT系統(tǒng)的成像性能.

5 結(jié) 論

提出了一個(gè)優(yōu)化準(zhǔn)則來(lái)優(yōu)化線性波數(shù)光譜儀的結(jié)構(gòu)參數(shù).需要考慮的結(jié)構(gòu)參數(shù)有棱鏡材料、棱鏡頂角和光柵與棱鏡間的旋轉(zhuǎn)角.根據(jù)優(yōu)化結(jié)果,選取F2玻璃等邊色散棱鏡、以光柵-棱鏡間旋轉(zhuǎn)角角度為21.8?搭建了最優(yōu)化線性波數(shù)光譜儀,并引入譜域OCT成像系統(tǒng).實(shí)驗(yàn)測(cè)得成像系統(tǒng)的成像深度達(dá)到了2.42 mm,軸向分辨率達(dá)到8.52μm,靈敏度達(dá)到91 dB,6 dB成像深度達(dá)到1.2 mm.該線性波數(shù)光譜儀大大改善了光譜線性度,并在不需要重新采樣的情況下即能獲得高分辨率OCT圖像.利用GPU的并行運(yùn)算能力實(shí)時(shí)顯示了橫斷面OCT圖像.

[1]Huang D,Swanson E A,Lin C P,Schuman J S,Stinson W G,Chang W,Hee M R,Flotte T,Gregory K,Puliafito C A,Fujimoto J G 1991Science254 1178

[2]Fercher F A,Hitzenberger C K,Kamp G,Elzaiat S Y 1995Opt.Commun.117 43

[3]Hausler G,Lindner M W 1998J.Biomed.Opt.3 21

[4]Cho H S,Jang S J,Kim K,Dan A V,Shishkov M,Bouma B E,Oh W Y 2013Biomed.Opt.Express5 223

[5]Wang R K,Zhang A Q,Choi W J,Zhang Q Q,Chen C L,Miller A,Gregori G,Rosenfeld P J 2016Opt.Lett.41 2330

[6]Liang Y M,Zhou D C,Meng F Y,Wang M W 2007Acta Phys.Sin.56 3246(in Chinese)[梁艷梅,周大川,孟凡勇,王明偉2007物理學(xué)報(bào)56 3246]

[7]Jia Y Q,Liang Y M,Zhu X N 2007Acta Phys.Sin.56 3861(in Chinese)[賈亞青,梁艷梅,朱曉農(nóng)2007物理學(xué)報(bào)56 3861]

[8]Huang L M,Ding Z H,Hong W,Wang C 2011Acta Phys.Sin.60 023401(in Chinese)[黃良敏,丁志華,洪威,王川2011物理學(xué)報(bào)60 023401]

[9]Leitgeb R,Hitzenberger C K,Fercher A F 2003Opt.Expresss11 889

[10]Choma M A,Sarunic M V,Yang C,Izatt J A 2003Opt.Express11 2183

[11]Brauer B,Murdoch S G,Vanholsbeeck F 2016Opt.Lett.41 5732

[12]Zhang M,Hwang T S,Campbell J P,Bailey S T,Wilson J D,Huang D,Jia Y 2016Biomed.Opt.Express7 816

[13]Photiou C,Bousi E,Zouvani I,Pitris C 2017Biomed.Opt.Express8 2528

[14]Chen J B,Zeng Y G,Yuan Z L,Tang Z L 2018Acta Opt.Sin.38 0111001(in Chinese)[陳俊波,曾亞光,袁治靈,唐志列2018光學(xué)學(xué)報(bào)38 0111001]

[15]Gao W R,Chen Y D,Liu C,Zhang T Q,Zhu Y 2016Acta Opt.Sin.45 0611001(in Chinese)[高萬(wàn)榮,陳一丹,劉暢,張秋庭,朱越2016光學(xué)學(xué)報(bào)45 0611001]

[16]Bao W,Ding Z H,Wang C,Mei S T 2013Acta Phys.Sin.62 114202(in Chinese)[鮑文,丁志華,王川,梅勝濤2013物理學(xué)報(bào)62 114202]

[17]Hu Z L,Pan Y S,Rollins A M 2007Appl.Opt.46 8499

[18]Dorrer C,Belabas N,Likforman J P,Jo ff re M 2000J.Opt.Soc.Am.B17 1795

[19]Hu Z L,Rollins A M 2007Phys.Opt.Lett.32 3525

[20]Gelikonov V M,Gelikonov G V,Shilyagin P A 2009Opt.Spectrosc.106 459

[21]Watanabe Y,Itagaki T 2009J.Biomed.Opt.14 48

[22]Lee S W,Kam H,Joo H P,Tae G L,Eun S L,Jae Y L 2015J.Opt.Soc.Korea19 55

[23]Lan G P,Li G Q 2017Sci.Rep.7 75