光学 力学世界 (20).pdf
光学相干光学相干CT 断层扫描成像新技术断层扫描成像新技术 （Optical Coherence Tomography，简称简称OCT） 计算机断层成象计算机断层成象（CT-Computed Tomography） 第二代：第二代： NMR CT核磁共振成象核磁共振成象 第一代：第一代： X射线射线 CT 射线射线 CT工业工业CT 空间分辨率达微米的量级空间分辨率达微米的量级 第三代：第三代：光学相干光学相干CTOCT 3.7 迈克尔逊干涉仪 样样 品品 1. 原理原理 （1）样品样品反射反射光脉冲的延迟时间光脉冲的延迟时间 的光脉冲延迟时间也不同：的光脉冲延迟时间也不同： sm/103 22 8 dn c dn t 样品中不同位置处反射样品中不同位置处反射 s/m10 8 dt m/ s01 41 d数量级估计：数量级估计： 要实现微米量级的空间分辨率（即要实现微米量级的空间分辨率（即 d m），）， 就要求能测量就要求能测量 t 10 -14秒的时间延迟。秒的时间延迟。 激光器的脉冲宽度要很小激光器的脉冲宽度要很小10 15秒 秒 飞秒飞秒 3.7 迈克尔逊干涉仪 t t 时间延迟短至时间延迟短至10 14 10 15s，电子设备难以直接测量， ，电子设备难以直接测量， 可利用迈克尔逊干涉仪原理测量。可利用迈克尔逊干涉仪原理测量。 光源光源 探测器探测器 参考镜参考镜 眼眼 睛睛 当参考光脉冲和信号光脉冲序当参考光脉冲和信号光脉冲序 列中的某一个脉冲列中的某一个脉冲同时同时到达探到达探 测器表面时测器表面时, , 就会产生光学干就会产生光学干 涉现象。这种情形涉现象。这种情形, , 只有当参只有当参 考光与信号光的这个脉冲经过考光与信号光的这个脉冲经过 相等光程相等光程时才会产生。时才会产生。 因为因为10 15 秒的光脉冲大约只有一个波长。 秒的光脉冲大约只有一个波长。 3.7 迈克尔逊干涉仪 测量不同结构层面返回的光延迟测量不同结构层面返回的光延迟，只须移动参考镜只须移动参考镜，使使 参考光分别与不同的信号光产生干涉参考光分别与不同的信号光产生干涉。 分别记录下相应的参考镜的空间分别记录下相应的参考镜的空间 位置，这些位置便反映了眼球内位置，这些位置便反映了眼球内 不同结构的相对空间位置。不同结构的相对空间位置。 光源光源 探测器探测器 参考镜参考镜 眼眼 睛睛 参考臂扫描可得到样品深度方向参考臂扫描可得到样品深度方向 的一维测量数据。光束在平行于样的一维测量数据。光束在平行于样 品表面的方向进行扫描测量，可得品表面的方向进行扫描测量，可得 到横向的数据。到横向的数据。 将得到的信号经计算机处理，便 可得到样品的立体断层图像。 3.7 迈克尔逊干涉仪 (2) 样品样品反射反射光脉冲强度的处理光脉冲强度的处理 不同材料或结构的样品反射光的强度不同。不同材料或结构的样品反射光的强度不同。根据反射光信号根据反射光信号 的强弱，赋予其相应的色彩，这样便得到样品的的强弱，赋予其相应的色彩，这样便得到样品的假彩色图。假彩色图。 (3) OCT成像的特点：成像的特点： * * 图象的断层分辨率由光的脉宽决定。图象的断层分辨率由光的脉宽决定。 * * 图象的横向分辨率由光束的直径决定图象的横向分辨率由光束的直径决定 * * 对光程较长的多次散射光有极强的抑制作用。即使透明度对光程较长的多次散射光有极强的抑制作用。即使透明度 很差的样品很差的样品, ,仍可得到清晰的图像。仍可得到清晰的图像。 3.7 迈克尔逊干涉仪 2. 实验装置实验装置 光纤化的迈克尔逊干涉仪光纤化的迈克尔逊干涉仪 光源光源 电子学系统电子学系统计算机计算机 探探 测测 器器 光纤耦合器光纤耦合器 样样 品品 光纤聚焦器光纤聚焦器 反反 射射 镜镜 3.7 迈克尔逊干涉仪 3. 应用应用生物生物医学医学材料科学材料科学 大葱表皮的大葱表皮的 OCT 图像图像 实际样品大小为实际样品大小为10mm4mm，图中，图中横向横向分辨率约为分辨率约为20 m， 纵向纵向分辨率约为分辨率约为25 m。 3.7 迈克尔逊干涉仪 兔子眼球前部的兔子眼球前部的OCT图像图像 角膜前表面角膜前表面 角膜后表面角膜后表面 晶状体上皮晶状体上皮 睫状体睫状体 3.7 迈克尔逊干涉仪 薄膜干涉时对光源要求不高，但强调薄膜干涉时对光源要求不高，但强调“薄薄”，为什，为什 么？多薄？么？多薄？ 3.8 时间相干性 = (E2-E1)/h E1 E2 自发辐射跃迁自发辐射跃迁 波列波列 波列长波列长 L = t c 发光时间发光时间t t 10-8 10-10s 普通光源普通光源 由光程差造成反射光a与 折射光b的时间差 =L/c a b 3.8 时间相干性 光程差L越大，折射光b越落后 于反射光a。若L过大，则b光 落后a光将超过列波长度L。这时 a、b光将无法进行相干叠加光将无法进行相干叠加。 把列波L称为相干长度相干长度，记为Lc 传播Lc距离所花的时间c称为相干时间相干时间， c= Lc/c Lc L=0 完全相干 0<LLc 完全不相干 3.8 时间相干性 光源发出的列波越长，即相干时间越长，两波相互叠光源发出的列波越长，即相干时间越长，两波相互叠 加的部分就越多，干涉条纹越清晰，加的部分就越多，干涉条纹越清晰，时间相干性越好时间相干性越好 0 o I I0 I0/2 谱线宽度 时间相干性与光源的单色性相关。 相关长度Lc与谱线宽度 有关系： 2 c LtE 光谱的单色性越好，相干长度越长，时间相干性越好。光谱的单色性越好，相干长度越长，时间相干性越好。 3.8 时间相干性
