基于Matlab/ActiveX控件的光学相干层析成像系统开发

为了推进光学相干层析系统的研究,采用Matlab/ActiveX控件开发了时域光学相干层析成像系统,实现了被测样品深度方向按预定的时序和参数(比如速度和位移等)进行扫描;利用计算机驱动NI数据采集卡同步采集样品干涉信号;采用平稳小波变换去噪模块等信号处理方法对所采集的数据进行了分析处理,并对系统采集到的干涉图形求取了半峰全宽和系统的分辨率;将采集到的数据矩阵进行重构成像显示,实现了对材料内部结构的精确检测。研究结果表明,该光学相干层析系统软件集成化高、界面友好、维护及升级方便,便于光学相干层析系统的研究和开发,能够实现对多层薄膜的无损检测和评价。     

眼底OCT成像系统的研制

光学相干层析（OCT）成像技术是一种高分辨率生物成像手段,能非侵入、无接触地对活体内部的结构与生理功能进行检测。在生物医学领域,OCT主要还是应用在眼科学,主要是因为近红外光很容易穿透人体眼睛介质。本文利用中心波长为854nm的宽带弱相干光源SLD实现了光学相干层析成像系统在眼科中的应用。系统采用傅里叶域光学快扫描延迟线实现了快速扫描成像,成像深度为3mm。我们自行设计了一种用于眼底信号探测的眼科探头,包括：眼底OCT成像光路;眼底照明光路;眼底照相光路,获得了眼底黄斑和眼底视神经乳头的眼底照片以及OCT图像。     

光学相干层析技术在光学表面间距测量中的应用

搭建了适于镜头中光学表面间距测量的实验装置,用于非接触高精度测量镜面间距.该装置以光纤型时域光学相干层析系统为基础,通过光学表面的层析成像精确测量其相对位置.对样品扫描装置进行了改进,利用高精度导轨移动光纤准直器来移动成像范围,实现对不同深度光学表面的层析成像.利用实验测量系统完成了对空气间隙样品及已装调好镜头的光学表面间距的测量,其中空气间隙样品的测量值为6.026mm,用游标卡尺得到的对比测量值为6.02mm;对镜头关键参数空气间隙的测量值为10.750mm,其设计值为(10.7±0.03)mm.实验系统误差为3.871μm,测量灵敏度为10.5μm.结果显示该方法具有非接触、高精度、高灵敏度的特点.     

应用于玉石结构分析的光学相干层析技术

本文首次尝试将光学相干层析方法的微观结构层析分辨能力应用于检测玉石结构进而分析其质地,阐述了光学相干层析图像中反映的玉石结构特征以及物理解释。实验中利用中心波长1310nm的宽带光源和傅立叶域光学延迟线实现了扫描速度1帧/秒、纵向分辨率15um、成像深度3mm的光学相干层析成像系统,根据翡翠样品在层析成像中的光学散射特性随深度变化梯度和在二维被测切面内的强弱分布,提出了评估翡翠透明度和净度特性的光学方法,同时OCT图像特征亦可直观显示古玉钙化沁色部分的光学特性差异。实验结果验证了OCT检测方法用于区分翡翠透光特性的可行性,显示了OCT成像在辨别古玉钙化沁色特征中的应用潜力。     

拼接镜新型粗共相检测方法

为了实现拼接镜平移误差的大量程、快速检测,提出了一种利用白光(400～700nm)远场光斑相干性来检测拼接镜piston误差的方法。该方法以两半圆孔间的非相干衍射图案为模板,利用互相关算法求解实际衍射图案与模板图案间的互相关系数,通过设定0.85阈值,实现拼接镜piston误差的粗共相检测。搭建了一套室内拼接镜的主动共相检测实验光路系统,其中拼接镜是由4块对边长为100mm,曲率半径为2 000mm的正六边形球面反射镜组成,利用白光(400～700nm)远场光斑相干性测量拼接主镜各子镜间平移误差的方法进行了理论与仿真分析。利用波前探测器和主动光学技术实现了拼接镜精共焦误差的检测与调节,通过远场光斑相干性和主动光学技术实现了粗共相的检测和调节。实验表明:该方法耗时短、能量利用率高,可实现无限量程、±250nm精度的检测和调节,适合拼接镜的粗共相检测和调节。     

SU-8胶光弹性性能显微测试

考虑获知SU-8胶的光弹性性能有利于拓展其在微纳米领域中的应用范围,本文设计了材料应力光学系数显微测量光路,完成了SU-8胶应力光学系数的测量实验。首先,基于光弹性原理设计了测量光路,推导了求解应力光学系数的计算公式;然后,根据所设计的光路搭建了应力光学系数显微测量实验装置,在SU-8胶试样光弹性条纹的单个半级数范围内进行了单向拉伸实验;最后,利用Matlab提取实验照片组中光强值信息,得到了不同拉力下透过SU-8胶试样的单色光光强值,计算求解出了SU-8胶的应力光学系数。实验结果以及测量公式计算显示,SU-8胶的应力光学系数为(3.007±0.149)×10–11 m2/N,大于光学玻璃等材料的应力光学系数,也远大于二氧化硅等MEMS领域常用材料的应力光学系数。实验结果可为以SU-8胶为材料,通过光弹性原理进行微力测量的微探针、微夹钳等的设计与制作打下基础。     

卫星光通信光学天线轴间距的精确调试

卫星光通信系统的光学天线由物镜和目镜构成,两者在光轴方向的间距对系统的发射和接收性能有重要影响.轴间距通常由干涉仪确定,但干涉仪与光学天线的工作波长不同时会引起镜头组焦距变化,导致物镜和目镜的轴间距存在偏差.为了能利用单波长干涉仪精确调试物镜和目镜的轴间距,本文根据光学天线在干涉测量装置中的程函方程,研究了因波长差异引起的物镜和目镜的轴间距变化量与干涉条纹变化量的相应关系,并据此提出一种能精确调试光学天线物目镜轴间距的方法.提出了几种检验该方法有效性的验证方案,包括实验验证和计算机仿真验证两大类.基于计算机仿真的验证结果表明,卡塞格伦反射式光学天线和透射式光学天线轴间距模拟调试误差分别＜15%和＜3%,仿真误差满足使用要求.     

谱域光学相干层析成像量化技术及其在生物组织定量分析中的应用

研究了谱域光学相干层析(SDOCT)成像系统的量化技术,通过量化OCT图像来获得生物组织内部的信息特征对组织光学散射特性进行定量分析.给出并讨论了单次散射模型,具有轴向点散射函数(PSF)的单次散射模型和多次散射模型,利用平均A-scan算法和非线性最小二乘法曲线拟合,研究不同浓度IntralipidTM溶液的散射特性.实验显示,IntralipidTM溶液的散射系数与浓度在1％～10％间基本呈线性关系,验证了具有PSF的单次散射模型比较适用于本文的谱域光学相干层析成像系统.利用该模型对小鼠的新鲜肝脏进行量化研究,得到小鼠新鲜肝脏在波长λ.为1550 nm时的散射系数为8.9 mm-1.本文的研究为该项技术今后在临床医学上对各种疾病的诊断和治疗奠定了基础.     

群相可控光学延迟线色散特性分析

分析了光学相干层析(OCT)成像系统的色散特性。分析表明,系统色散与振镜离焦量成正比关系,且在一倍焦距以内为负色散,在一倍焦距以外为正色散。设计了纵向分辨率为8 μm的OCT系统,测得振镜位于傅里叶透镜焦点外0.5 mm处时,系统产生的色散值约为77 fs²,实验结果与理论相符合。     

二维频域光学相干层析系统研究

针对时域光学相干层析成像系统的成像速度较慢的问题,采用VC++与Matlab混合编程技术开发了二维频域光学相干层析成像系统,实现了对被测样品进行内部快速成像;搭建二维频域光学相干层析成像系统代替一维频域光学相干层析成像系统;利用计算机驱动面阵CCD相机对干涉信号进行采集得到干涉信号;采用计算机驱动NI卡对压电陶瓷(PZT)移相器进行相移控制以达到频域光学相干层析成像系统对移相的需求,利用计算机驱动线性电动移动平台实现检测样品进行横向扫描以达到对样品进行三维成像。研究结果表明,该系统集成度高,开发的软件功能齐全、界面友好、便于维护和升级;该二维系统相比一维光学相干层析成像系统而言减少了一维的扫描采集次数,大大提高了成像速度。     

基于嵌入式光学相干层析成像控制系统设计

为了实现低成本、小型化的光学相干层析成像（OCT）控制系统的设计,在分析了该系统的原理和控制信号的逻辑关系的基础上,创新地将快速扫描延迟线的振镜驱动信号,位相调制器的高频激励信号,电控位移台控制信号以及信号放大滤波电路等集成于一个嵌入式OCT控制系统中。测试结果表明,该OCT控制系统产生的各种控制信号能够满足OCT系统实际工作的要求。     

2.2 microm axial resolution optical coherence tomography based on a 400 nm-bandwidth superluminescent diode

We demonstrate 2.2 microm axial resolution optical coherence tomography (OCT) in 1.1-1.7 microm wavelength regime by using a nonidentical multiple-quantum-well (MQW) superluminescent diode (SLD) with record-bandwidth emission. The compact, low-cost, and reliable light source with extreme broadband emission demonstrates significant potentials for spectroscopic and commercial OCT applications requiring ultrahigh spatial resolution.     

光学相干层析成像(OCT)系统调制技术的研究

介绍了光学相干层析成像 (OCT)技术的基本原理 ,重点研究了OCT系统的相位调制技术 ,利用自行设计和构建的OCT实验系统进行了有关的实验研究。     

光学相干层析技术中横向扫描系统综述

光学相干层析技术(OCT)是一种迅速发展的非侵入式,高分辨力,实时,在体医学层析成像技术。为了使OCT系统更加紧凑,便于应用,作为OCT系统关键之一的横向扫描系统,越来越趋向于小型化,使其不仅能够探测人体体表信息,也能进入人体,实现内窥功能。主要由以下几种形式出现:(1)光纤谐振扫描;(2)微机电系统(MEMS);(3)微马达旋转扫描。文中通过比较各种方式的优劣,为OCT研究人员选择合适的方式应用于不同领域提供便捷,也为OCT横向扫描系统的发展奠定了坚实的基础。     

Dimensional metrology of lab‐on‐a‐chip internal structures: a comparison of optical coherence tomography with confocal fluorescence microscopy

The characterization of internal structures in a polymeric microfluidic device, especially of a final product, will require a different set of optical metrology tools than those traditionally used for microelectronic devices. We demonstrate that optical coherence tomography (OCT) imaging is a promising technique to characterize the internal structures of poly(methyl methacrylate) devices where the subsurface structures often cannot be imaged by conventional wide field optical microscopy. The structural details of channels in the devices were imaged with OCT and analyzed with an in‐house written ImageJ macro in an effort to identify the structural details of the channel. The dimensional values obtained with OCT were compared with laser‐scanning confocal microscopy images of channels filled with a fluorophore solution. Attempts were also made using confocal reflectance and interferometry microscopy to measure the channel dimensions, but artefacts present in the images precluded quantitative analysis. OCT provided the most accurate estimates for the channel height based on an analysis of optical micrographs obtained after destructively slicing the channel with a microtome. OCT may be a promising technique for the future of three‐dimensional metrology of critical internal structures in lab‐on‐a‐chip devices because scans can be performed rapidly and noninvasively prior to their use.     

基于二维光学相干层析的多层薄膜结构无损定量评价

为了实现对多层薄膜结构厚度进行快速准确的测量和无损定量评价,研制了二维光学相干层析(Optical Coherence Tomography,OCT)系统,避免了传统一维OCT系统逐点扫描导致成像效率低下的问题。阐述了去除OCT共轭镜像理论,采用了五步相移干涉法,具体由压电驱动器驱动参考镜实现,做到了对OCT共轭镜像的去除,避免出现OCT图像的混叠。所研制的OCT系统具有极高的系统分辨率和较好的信噪比,可以实现对手机钢化玻璃薄膜内部四层结构厚度(钢化玻璃、静电胶层1、防爆贴膜和静电胶层2)进行准确测量。实验结果表明:自研制的系统可快速高精度地对多层薄膜结构厚度进行测量,可以推荐使用在多层薄膜的无损定量评价中。     

Optical coherence tomography as a tool for characterization of complex biological surfaces

The advent of scanning electron microscopy has facilitated our understanding of the biology in relation to surface microstructure of many invertebrates. In recent years, interest in biomimetics and bio‐inspired materials has further propelled the search for novel microstructures from natural surfaces. As this search widens in diversity to nurture deeper understanding of form and function, the need often arises to examine rare specimens. Unfortunately, most methods for characterization of the microtopography of natural surfaces are sacrificial, and as such, place limiting constraints on research progress in situations where only a few rare specimens are known, such as the rich resources lodged in natural history museum collections. In this paper, we introduce the use of optical coherence tomography (OCT) as a noninvasive tool for bioimaging surface microtopography of crab shells. The technique enables the capture of microstructures down to micron level using low coherence near‐infrared light source. OCT has allowed surface microtopography imaging on crab shells to be carried out rapidly and in a nondestructive manner, compared to the scanning electron microscope technique. The microtopography of four preserved crab specimens from Acanthodromia margarita, Ranina ranina, Conchoecetes intermedius and Dromia dormia imaged using OCT were similar to images obtained from scanning electron microscope, showing that OCT imaging retains the overall morphological form during the scanning process. By comparing the physical lengths of the spinal structures from images obtained from OCT and scanning electron microscope, the results showed that dimensional integrity of the images captured from OCT was also maintained.     

光学相干层析成像仪长期稳定性影响因素分析

针对光学相干断层扫描仪在临床使用中出现稳定性差、容易造成信号衰减、维护周期短的现状,从市场上主流四代频域光学相干断层成像(OCT)设备取样,收集临床信号衰减故障信息。结合OCT原理,通过统计学原理分析了OCT内部各部件对稳定性的影响,并通过层次分析法分析各影响因素对OCT稳定性的权重。根据分析结果得出影响OCT长期稳定性的主要因素是光谱仪局部受热引起机械变形,进而导致信号衰减。根据层次分析结果对提高OCT长期稳定性的方法进行简要的探讨。