光学相干层析系统的建立与研究

介绍了光学相干层析 ( OCT)成像技术的原理及应用 ,阐述了自行研究建立的OCT系统 ,给出了利用该系统得到的实际生物样品光学相干层析图像 ,对系统性能和结果作了分析 ,提出一定的改进方案     

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.     

虚拟仪器技术在光学相干层析系统中的应用

现有的光学相干层析成像实验系统体积庞大、成本较高、软件开发周期长且不易升级和维护。为了使该技术从实验室走向实际应用，将虚拟仪器技术应用到系统开发中。采用NIPCI-6110多功能采集卡完成信号发生器、同步触发和数据采集功能，系统集成度高、结构紧凑、成本降低。软件由LabVIEW7．1结合DLL技术进行开发，相对于传统的代码式软件开发，缩短了软件的开发周期，提高了系统的稳定性和可靠性，便于升级和维护。虚拟仪器技术的应用为光学相干层析成像系统从实验室走向临床应用作好了技术准备。     

基于时域结构的光学相干层析系统的调试

基于时域结构的光学相干层析系统由于光线多次通过,按照光路可逆原理调整会很困难.在理论分析和多次实验基础上,现总结出一套快速调试方法,大大缩短光路调试时间.详细分步骤描述了纵向傅里叶快速扫描光学延迟线和横向扫描部分的调试方法,给出快速寻找干涉系统光程匹配点的调试方法.利用构建好的光学相干层析系统进行层析成像实验调试,纵向...     

基于光学相干层析的结构振动监测研究

针对光学非接触式的振动测量问题,对基于频域光学相干层析技术搭建的振动测量系统进行了研究,通过记录位移随时间的变化实现了对振动信号的测量。研究了振动测量过程中,光谱仪采集的干涉条纹的模糊现象与被测目标瞬时速度的关联;建立了系统可测量的最大振动频率和CCD相机的曝光时间之间的关系,即曝光时间越短,则系统可测量的振动频率越大;对函数信号发生器驱动激振器产生的振动信号进行了测量试验。研究结果表明:光学相干层析技术是一种有效的光学非接触式振动测量方法,在基于振动的结构健康监测领域具有广阔的应用前景。     

用于光学相干层析系统的三反射镜光束整形扫描机构的光学设计

为了实现高斯圆斑向平顶线斑的转化,提出了一种用于高斯光束整形的三反射镜光学系统。利用环形面对两个相互垂直方向的光线会聚、发散作用不同,标准球面具有旋转对称性质,以及二次曲面系数、非球面系数可以实现高斯分布转化为平顶分布的原理,采用ZPL语言与自动优化结合的方法完成了系统设计。设计得到了一个方向平顶的矩形光斑以及平顶线斑,整形效果良好,并结合在光学相干层析(OCT)系统中对样品照明或扫描的实际要求,通过小角度(±2°)旋转系统第一个反射镜对所得线斑进行扫描,在扫描角度内可以实现线性扫描(扫描范围约为10mm×11mm)。结果表明,该三反射镜系统满足轻量化、结构紧凑、不受工作波长影响的要求,是一种可行、有效的方案。     

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。     

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。     

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。     

A Unified Discipline of Subsurface Sensing and Imaging Systems

Subsurface sensing and imaging seeks to locate and identify objects or conditions underneath an obscuring media by monitoring a probe or wave outside the surface. Many of the mathematical and physical models used in this process are common to underground and underwater environmental exploration, medical imaging, and three-dimensional microscopies, allowing a common framework of physic-based signal processing (PBSP) to be applied. The basis for a unified discipline of subsurface sensing and imaging can be identified from a few general subsurface information extraction strategies. These strategies and their related families of PBSP algorithms can be used to guide a systems-oriented approach to subsurface solutions.     

Problems and Solutions in 3-D Analysis of Phase Biological Objects by Optical Diffraction Tomography

Optical Diffraction Tomography is a technique for retrieving a 3-dimensional refractive index distribution from phase objects without destroying the structure of the samples. In the article we discuss the selection and implementation of full and limited angle version of tomographic reconstruction processes together with the analysis of different methods for gathering projections. We present two efficient implementations of full and limited angle tomographic systems including total processing paths and providing the examplary results of 3-D refractive index determination measurements of biological samples.     

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。     

In vivo three-dimensional imaging of plants with optical coherence microscopy

Achieving the ability to non‐destructively, non‐invasively examine subsurface features of living multicellular organisms at a microscopic level is currently a challenge for biologists. Optical coherence microscopy (OCM) is a new photonics‐based technology that can be used to address this challenge. OCM takes advantage of refractive properties of biological molecules to generate three‐dimensional images that can be viewed with a computer. We describe new data processing techniques and a different visualization algorithm that substantially improve OCM images. We have applied OCM imaging, in conjunction with these improvements, to a variety of structures of plants, including leaves, flowers, ovules and germinating seeds, and describe the visualization of cellular and subcellular structures within intact plants. We present evidence, based on detailed examination of our OCM images, comparisons to classical plant anatomy studies, and current knowledge of light scattering by cells and their components, that we can distinguish nuclei, organelles and vacuoles. Detailed examination of vascular tissue, which contains cells with elaborate wall structure, shows that cell walls produce no significant OCM signal. These improvements to the visualization process, together with the powerful non‐invasive, non‐destructive aspects of the technology, will broaden the application of OCM to questions in studies of plants as well as animals.     

基于米氏理论的蒙特卡洛光学相干层析成像系统模拟研究

光学相干层析成像(optical coherence tom ography,OCT)是近年来快速发展的一种生物组织高分辨力实时成像技术。由于生物组织的复杂性,故一直没有完美的OCT理论模型。现利用结合米氏理论(M ie theory)的蒙特卡洛算法研究光在生物组织(高散射介质)内的行为,并以此为基础建立了一种OCT理论模型。然后利用该模型模拟重建了多层介质的图像,分析了空间滤波和偏振光对图像质量的影响,获得了较理想的结果。     

具有反射率及亮度补偿功能的光纤振动计

介绍了一种结构简单、价格低、带有反射率和亮度补偿的光纤振动计。该光纤式振动计由发光二极管、光纤探头和两个光子探测器组成。光纤探头的光纤束分为三部分：一根发射光纤、第一邻近接收光纤组（组A）、第二邻近接收光纤组（组B）。光纤组A和光纤组B的输出信号平均值的比值取决于光纤探头和被测表面之间的平均距离，而与被测表面的反射率及亮度无关。根据这一比值可以实现探头与被测表面间距离的估计。然后根据光纤组A和B的标定曲线，对振动计的灵敏度进行了补偿。因为在比值运算中使用的是平均值，所以振动频率的提高不会限制这一技术的使用。实验结果表明，这一方法适宜于动态测量，可以实现被测表面反射率、入射亮度及探头与被测表面间平均距离的补偿。     

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。