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1.迈克尔逊干涉仪

迈克尔逊干涉仪是精密测量领域最常用的仪器光纤傅里叶变换光谱仪，它的发明者是美国物理学家阿尔伯特·亚伯拉罕·迈克尔逊。

图 1.1 阿尔伯特·亚伯拉罕·迈克尔逊

其原理可以简单描述为：一束入射光经过分光镜后分成两束，两束光满足干涉条件（即频率相同+振动方向相同+相位不变）差异），因此会发生干扰。 通过沿轴向调整参考镜的位置，改变参考臂的长度光纤傅里叶变换光谱仪，可以改变两臂间的光程差，从而形成不同的干涉图样。 干涉条纹可以反映两臂之间的光程差。 在分析某一干涉图样时，通常首先求解光程差位置分布的函数。 使用迈克尔逊干涉仪可以更准确地测量介质的长度或者折射率，在精密测量领域也占有一席之地（毕竟是能够两次获得诺贝尔物理学奖的伟大发明，最近的一项是引力波探测）。

图 1.2 迈克尔逊干涉仪

2. 光学相干断层扫描 (OCT)

光学相干断层扫描（OCT）是一种实时、高分辨率、大深度、非接触、无创的光学成像方法。 结合光束扫描技术，可提供实时的一维深度、二维截面和三维形状。 表面图像可以提供生物组织中毫米 (mm) 深度范围内的微米 (μm) 级分辨率图像。 由于OCT可以在毫米级深度范围内实现轴向分辨率达到微米级的实时无损非接触成像，有效填补了超声与共聚焦显微镜之间的断层。

OCT 的概念最早由 MIT 的 JG Fujimoto 团队于 1991 年提出[1]。 他们以迈克尔逊干涉仪为基本光路，以超发光二极管（SLD）发出的低相干广谱光为光源。 利用宽光谱光源的低相干特性，基于迈克尔逊干涉仪，利用来自生物组织的后向散射光采集和检测微弱光信号，得到显微二维/三维结构图像从干涉图中获得生物组织。 成像深度在毫米量级的同时，分辨率也能达到微米量级。

简单来说，光可以照射不同深度的组织，不同的组织对光的反向散射强度不同。 通过移动参考镜，可以在不同深度形成不同深度的干涉条纹和参考光，从而检测组织。 相关的散射系数。

图 2.1 时域 OCT[1]

SLD发出的低相干宽谱光在单模光纤中传输（如果使用多模光纤，模色散会使宽谱光展宽，导致轴向分辨率下降OCT)，并通过一个50:50的光纤耦合器(coupler)，50%的光分别进入测量臂和参考臂，照射到样品和参考镜上。 来自样品的后向散射光和来自参考镜的反射光在耦合器上合并，然后由检测器（detector）收集。 需要注意的是，只有当两臂光程差在宽光谱光源相干长度范围内（即光程差<光源相干长度）时，两臂光束可以干涉，这也让 OCT 能够区分样品的后向散射光的轴向长度分布。 因此，可以在参考臂上使用步进电机，使参考镜（Reference）沿轴向平移，实现轴向扫描，得到样品的轴向深度分布图。 同时，光束在样品臂上进行横向扫描，得到样品的二维截面图像，进而生成三维立体图像。

上述OCT技术是一种基于时域的低相干干涉测量技术，通常称为“时域OCT(TD-OCT)”。 时域OCT技术出现后，由于能够兼顾高成像深度和分辨率，迅速受到研究人员的广泛关注。 但在后续研究中发现，时域OCT进行轴向扫描时，由于步进电机的限制，测量速度会受到限制，机械装置的引入也会大大降低系统的稳定性. 针对这些缺点，傅立叶域OCT（Fourier Domain OCT，FD-OCT）应运而生。 基于测量臂和参考臂之间的干涉光谱和样品不同深度处的后向散射光强度信息恰好是一对傅里叶变换对的原理，傅里叶域OCT避免了测量过程中需要改变参考臂光测量。 而是统一采集代表样品不同深度信息的光束，通过傅里叶（逆）变换计算样品深度的强度信息，实现样品轴向信息的并行采集，从而节省轴向扫描。

图 2.2 傅立叶域 OCT[2]

1995 年，AF Fercher 等人。 奥地利维也纳大学提出了谱域OCT（SD-OCT）的概念[4]。 合束后的光束经光谱仪分光成不同的光谱分量，相应的光谱分量干涉形成光谱干涉图样。 可以使用光电探测器阵列（例如，光电二极管阵列）获取光谱干涉图案。 来自样本的反向散射光的所有轴向强度信息都可以通过光谱干涉图案的傅里叶（逆）变换来解析。 因此，频域OCT系统的出现极大地提高了OCT系统的成像速度，并能提供更高的分辨率和信噪比。

三、华侨城的应用

OCT的应用领域非常广泛，不仅在生物医学领域，用于生物组织（如小动物的活体成像）和临床应用（如眼科、牙齿的临床诊断、功能性血流成像），而且在艺术品保护方面也是如此。 有重要的应用。

图3.1 OCT应用于眼科临床诊断[2]

4.总结

简单来说，无论是时域OCT还是傅里叶OCT，测量臂上的入射光总会照射到样本的不同深度，而样本不同深度的组织会反射入射光，产生背向散射不同强度的光。 并混合在一起。 两个 OCT 使用不同的计算方法。

时域OCT只能考虑时域，光有相干长度。 由于光源是低相干宽光谱光源，相干长度小，所以移动参考镜时，只有当参考镜与样品一定深度的光程差小于时这个相干长度，就会发生干涉，干涉条纹只能在探测器上看到。 干涉条纹的强度对应于反向散射光的强度。

傅里叶域OCT可以直接考虑，由于光的频率和成像深度是线性对应关系，光谱仪分光后可以直接得到不同频率的干涉图像，利用傅里叶(逆）变换。

5. 参考文献

1. D. Huang, et al., Optical Coherence Tomography [J]. 科学，1991。

2.

3.

4. AF Fercher 等，通过背散射光谱干涉法测量眼内距离 [J]。 选择。 社区，1995 年。

5. SR Chinn 等，使用频率可调光源的光学相干断层扫描。 选择。 快报，1997 年。

6. 童昊, 频域光学弱相干层析成像系统研究[D]. 湖北: 华中科技大学, 2012.

7. 刘梦林，频域OCT系统快速成像技术研究[D]。 天津: 南开大学, 2015.

8.

9.

10. 吕旺等，生物医学光学：原理与成像[M]，2012。