基于光程编码与相干合成的OCT三维超分辨研究

论文摘要

光学相干层析成像技术(Optical Coherence Tomography, OCT)是一种基于低相干迈克尔逊干涉仪和共焦扫描显微术相结合的实现组织内部结构层析成像的新型光学成像方法。分辨率是衡量OCT性能和技术发展水平的一项重要指标,而其轴向和横向分辨率是互为独立的,轴向分辨率由系统光源带宽和探测光束的聚焦条件共同决定,而横向分辨率由系统样品臂的聚焦条件决定。目前提高OCT成像的轴向分辨率的方法主要基于宽带光源技术以及变迹术与相干门相结合的方法,通过设计和选择适当的光瞳滤波器,将OCT系统的轴向响应的强度点扩散函数主瓣缩小到相干门以内,而其旁瓣在相干门以外,并且通过相干门的作用得到有效的抑制。这样有效的提高了OCT系统的轴向分辨能力,也避免了通过提高光源带宽等实现超分辨效果等方法带来的系统结构复杂及费用昂贵等缺陷。但这些方法对轴向分辨率的提高并不显著,而且对于横向分辨率也没有提高。本文提出一种通过光程编码与相干合成的方法,可以同时提高OCT系统的轴向分辨率和横向分辨率。通过在光学相干层析成像系统的样品臂中加入光程编码分束器,形成多种对应不同光程延迟的有效响应函数,基于光学相干层析成像术固有的光程分辨能力,可以得到同一样品对应于不同有效响应函数的多幅图像。通过数字控制不同有效响应函数的相对贡献对其进行相干合成,可以同时实现轴向和横向的超分辨效果。与以前的方法相比,光程编码与相干合成方法简单易行、成本低廉,不仅可以避免系统复杂和价格昂贵等缺陷,而且可以同时较大幅度地提高系统的轴向分辨率和横向分辨率。本文针对OCT的结构特点并从三维点扩散函数理论出发,理论推导了光程编码与相干合成对OCT系统点扩散函数影响的可行性,设计二区光程编码分束器和三区光程编码分束器,并优化相干合成系数,最终达到在理论上不同程度同时提高轴向和横向分辨率的要求,根据理论分析及谱域OCT成像原理,对二区光程编码与相干合成进行仿真,并对有关影响因素进行详细的分析和讨论。最后在谱域OCT系统平台上进行三维超分辨初步实验研究。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.2 光学相干层析成像（OCT）概述
• 1.2.1 OCT简介
• 1.2.2 谱域OCT的基本原理
• 1.2.3 OCT光源对系统特性的影响
• 1.2.4 OCT系统的分辨率
• 1.3 目前提高OCT轴向分辨率的主要方法
• 1.4 本文结构与内容安排
• 第二章 光学超分辨术理论基础
• 2.1 引言
• 2.2 基本理论
• 2.2.1 薄透镜的透过率
• 2.2.2 菲涅尔近似
• 2.2.3 透镜焦平面及附近的上光场分布
• 2.3 OCT超分辨可行性
• 2.3.1 OCT系统超分辨要求
• 2.3.2 光学超分辨评价因子
• 第三章 光程编码与相干合成三维超分辨实现
• 3.1 二区光程编码与相干合成的三维超分辨
• 3.1.1 理论分析
• 3.1.2 轴向响应相干合成
• 3.1.3 横向响应相干合成
• 3.2 三区光程编码与相干合成的三维超分辨
• 3.2.1 轴向响应相干合成
• 3.2.2 横向响应相干合成
• 3.3 结论
• 第四章 光程编码与相干合成超分辨的仿真与实验
• 4.1 仿真与实验
• 4.2 实验设计和结果
• 4.3 实验结果分析
• 第五章 总结与展望
• 参考文献
• 作者简介