时域光学干涉层析成像实验系统的研制

韩荣磊，李佼洋,b，韩 涛，王福娟,b，张建超，蔡志岗,b

(中山大学 a.物理学院;b.物理国家级实验教学示范中心(中山大学)，广东 广州 510275)

迈克耳孙干涉是普通物理中的经典实验，通过使用不同的光源或者改变测量对象可以引导学生探究光学干涉的奥秘[1-4]，其中采用低相干光源的测量，经过多年的发展，现已成为新的光学影像技术——光学干涉层析成像[5]技术(Optical coherence tomography,OTC)，它是利用低相干光的干涉获得待测部位断层图像的手段. 在目前的医学成像技术中，OCT可望弥补超声成像、计算机断层扫描(CT)的分辨率低的缺点，相比磁共振成像又具有穿透深度高、成本低的优势[6]. 其利用低相干光干涉可达几个μm量级的高分辨率，这使得该项技术逐渐成为了医学光学成像方面研究的热门.

本文研制的空间型时域OCT装置实现了对平面镜、单层透明胶带等简单样品的单点轴向扫描，分析了存在的问题，确定了完善装置的方向.

1 测量原理

OCT技术经过几十年的发展，逐渐分成了时域OCT(Time domain optical coherence tomography,TD-OCT)和频域OCT(Frequency domain optical coherence tomography,FD-OCT)两大类[7]. 时域OCT主要通过改变光程，测量时间延时获得干涉信息，频域OCT主要的工作方式是通过测量成像的光谱，再进行反傅里叶变换得到干涉信息. 根据实际的需要，可设计成空间型和光纤型.

空间型时域OCT的结构图如图1所示，低相干光源发出的光经过分束镜被分成2部分:一部分射向待测样品，另一部分射向参考镜. 从样品反射或散射回来的光线和从参考镜反射回来的光发生干涉，并由探测器探测到，从干涉信息中获得样品的断层信息. 由于光在待测样品不同深度反射回来的时间不同，所以在测量中通过参考镜的移动就可以测量出样品不同深度的结构.

图1 时域OCT原理图

在扫描方式上，OCT有轴向扫描和横向扫描2种. 轴向扫描能够获得样品单点的深度信息，而横向扫描则需要和轴向扫描相结合，通过横向移动探头或样品，获得多个点的深度信息. 从而获得二维断层甚至三维立体的扫描图像. 本文的装置在设计的初期只实现了单点的轴向扫描.

在时域OCT装置中，参考臂的移动对应了光路的延时. 由干涉的基本原理可知，当样品臂和参考臂的光线的光程之差在光源的相干长度之内才会发生干涉. 2路光的干涉可表示为

(1)

其中，I1和I2代表2路干涉臂的光强，γ(τ)被称为复相干度. 式(1)右侧有3项：第1项和第2项是直流分量，即本底光；第3项是干涉部分，代表了2路光线的干涉程度，它依赖于两臂光线的时间延迟τ. 在光学干涉层析成像中，主要的工作是计算复相干度的大小. 根据复相干度和光源的频谱函数构成1对傅里叶变换[8]，对于理想的高斯光源

(2)

复相干度可以表示为

(3)

其中，Δν表示光源的频谱半高全宽，ν0是光源的中心频率. 由于直流分量对于干涉现象没有价值，故第3项是干涉信息所在：

(4)

而相干长度为交叉项光强下降到一半时所对应两点的光程之差[9]，即

(5)

由式(5)得到

(6)

式(4)中的τ为时间延迟，当两臂等光程时，延时为0，干涉达到极大. 对于多个层面的样品，就会存在多个干涉极大，这就是OCT可以扫描出样品的层析图像的基础原理.

图2即使用Matlab对单层和双层样品单点轴向扫描的模拟成像(光源中心波长529 nm，谱宽25 nm). 横轴为L，即光程，纵轴为光功率I.

(a)单层样品

(b)双层样品图2 样品的单点轴向扫描模拟波形

2 装置搭建

在系统的研制和搭建方面主要有3个核心部分:低相干光源、可改变光程的参考臂以及干涉信号的采集与输出.

光源的属性决定系统的分辨率. 本文选用绿光LED作为低相干光的来源. LED的光谱如图3所示，其谱宽较宽，半高全宽为24.88 nm，中心波长为527.36 nm，根据式(6)可以得到相干长度为9.87 μm，由于光路的往返性，系统的分辨率为相干长度的一半，即4.935 μm，小于该值的界面将不会被分辨出和探测到.

图3 LED光谱

参考臂的光程扫描使用日本IKO公司NT88H25高精度平移导轨,可以达到最小10 nm的步长，通过快速直线移动均匀地改变参考臂的光程.

数据采集端采用NI9205高速采集卡和Newport 1815-C光功率计相结合，可以将干涉信号进行高速A/D转换并传递到计算机中，PC端的LabVIEW程序可以将得到的数据保存并绘制成波形图. 基本结构如同迈克耳孙干涉仪，如图4所示.

图4 实际装置图

由于直接使用低相干光源调节出干涉条纹的难度较高，可使用He-Ne激光先调出干涉条纹，然后缩小两干涉臂的光程差，在其临近等光程点时，再换用低相干光源，能够较容易调节出干涉条纹(图5).

(a)激光 (b)LED图5 激光和LED干涉图

3 实验测试

3.1 平面镜测试

在上述器件搭建的装置上首先使用平面镜作为样品进行测试. 由于没有深度，只存在1个反射面，因而平面镜的实验结果反映出系统的分辨率. 在实际扫描过程中设置步进电机移动速度的大小对应快速扫描和慢速扫描2种方式. 快速扫描时，参考臂反射镜的移动速度很快，发生干涉的时间极短，采集卡只能收集到干涉极大时的单个峰值. 如图6(a)所示，扫描速度为1 mm/s，干涉时间少于0.01 s，波形只展现了光强极大的位置，而不存在其他信息. 取其半高全宽为11.0 μm，相对偏差为11.4%. 快速扫描的误差影响因素主要为移动速度过快，干涉峰出现的时间极短，测到的数据点较少，影响对半高全宽的提取.

(a)快速扫描

(b)低速扫描图6 对平面镜的单点轴向扫描波形

调节步进电机为低速时，可以采集到两臂光路发生干涉时的细节信息，包括光强变化的包络和内周期. 图6(b)为电机的导轨速度为500 nm/s时的扫描波形. 从图中可以很明显地发现干涉极大所形成的峰值，通过取包络，该峰的半高全宽为7.22 μm，相对偏差为26.8%. 利用光源计算的理论相干长度为9.87 nm，由于使用的LED光源的谱线不是理想的高斯线型，其半高全宽要比理想线型大，从而实际的相干长度较小，但分辨率会更高. 多次重复实验的结果也表明干涉波形的半高全宽和相干长度的理论计算值始终保持一定比例，因而差值是主要由光源属性引起的，而非单纯测量产生.

3.2 对透明胶带的扫描测试

当使用装置对实际样品进行扫描时，干涉的细节信息已经不是必需的，因而只需要进行快速扫描，得到若干个峰值位置即可.

将1片透明胶带(使用螺旋测微器测厚度为0.049 mm)粘贴到之前作为样品的平面镜上，使其加入到光路中. 设置扫描速度为40 μm/s，可以得到快速扫描的波形，如图7所示.

(a)第1次扫描

(b)第2次扫描图7 对单层透明胶带的单点轴向扫描波形

理论上波形中会出现3个峰值，对应胶带前后2个界面和平面镜. 从实际的效果看，只有镜面和胶带前界面的反射光较强，而后界面则几乎无法看出，由于胶带的厚度为其前界面与镜面之间的距离，故只考虑这2个反射峰，通过图像中获得的2峰之间的光程差ΔL、胶带本身的折射率n，就可以求得胶带的厚度d，即

(7)

多次实验的数据如表1所示.

表1 多次测量结果与厚度计算值

根据表1的数据，可以得出胶带的平均厚度为45.766 μm，与实际厚度的偏差为6.6%，由于螺旋测微器的最小可动精确分度为10 μm，最小位数为估读的数值，也引入了测量误差. 在可接受的误差范围内，实验结果和实际值基本符合.

4 性能分析

使用搭建的装置分别对平面镜和透明胶带进行了测试实验. 从实验结果来看，快扫由于光程变化较快以及采样率太小导致峰值位置数据点过少，从而影响了波形分析中对于半高全宽的求值，导致误差的增大. 在慢扫中，尽管从波形来看和理论模拟的图像非常一致，但是得到的半高全宽数值和光源相干长度的计算值仍然存在26.8%的差距，尽管光源的非高斯属性为主要影响因素，但这也和实验中环境光的影响及仪器本身产生的噪声干扰有关系，如步进电机平移导轨的振动引起的光强波动，在遮光措施下仍然有干扰光进入系统中对光探头产生的影响等. 而且在数据处理方面，对于包络的取样以及半高全宽的取点也是影响因素. 多次测量的结果基本稳定，因而可以证明与理论相一致，但是装置的结构和后期数据处理仍然存在缺陷.

对于胶带的测试，尽管结果和理论值较为符合，但依然反映出系统的不足，如干涉峰相对于噪声来说强度太小，在数据采集时容易受噪声的干扰. 若样品为双层或者多层，则干涉峰就很难从本底噪声中显现出来而无法探测到.

5 结束语

针对现阶段较为热门的光学干涉层析成像进行了理论分析，并设计出简易的空间型时域OCT装置，使用该装置对平面镜和透明胶带进行了扫描测试. 实验结果证明了装置具备了基本的扫描性能，如对平面镜的成像波形反映出系统成像的分辨率，尽管波形大致与理论相符，但对数据处理分析之后发现仍然存在着一定的误差. 在胶带测试实验中，多次测量结果都能探测到胶带的2个反射面，计算得到的厚度值也和实际较为符合，但从图像上来看，噪声的影响还是很明显. 设计的一系列测量实验反映出了装置结构的很多问题和不足，如遮光性需要改进，平移导轨自身产生的振动干扰需要减小甚至消除，样品臂位置的光路聚焦需要优化，载物台结构需要改进，数据处理应该标准化等. 同时，测试样品选取方面也将多样化，同时可以尝试多维度扫描，获取二维和三维图像.

该OCT装置适于实验室演示设备，结构简单，原理清晰，能较为直观地展示时域OCT的成像过程. 同时，空间型时域OCT作为最为原始的OCT设备，还将为光纤型OCT以及频域OCT装置的研制提供宝贵的经验.