1、相干成像過程相干成像過程 對于一個透鏡或一個成像系統，如果能清對于一個透鏡或一個成像系統，如果能清楚地了解物平面上任一小面元的光振動通楚地了解物平面上任一小面元的光振動通過成像系統后，在像平面上所造成的光振過成像系統后，在像平面上所造成的光振動分布情況，通過線性疊加，原則上便能動分布情況，通過線性疊加，原則上便能求得任何物面光場分布通過系統后所形成求得任何物面光場分布通過系統后所形成的像面光場分布，進而求得像面強度分布。的像面光場分布，進而求得像面強度分布。成像系統的特性成像系統的特性 因而，描述成像系統特性的關鍵是求出因而，描述成像系統特性的關鍵是求出任意小面元任意小面元的光振動所對應的像場

2、分布的光振動所對應的像場分布。 當該面元的光振動為單位脈沖即當該面元的光振動為單位脈沖即函數時，像場分布函數時，像場分布函數叫做函數叫做點擴展函數點擴展函數或或脈沖響應函數脈沖響應函數。 點擴展函數公式如下：點擴展函數公式如下：dxdyyMyyxMxxdjyxPddyxyxhiiiiii)()(2exp),(1),;,(000200dxdyyyyxxxdjyxPddiiii)()(2exp),(10002 由于物面上照明是相干的，則這無數個脈由于物面上照明是相干的，則這無數個脈沖在像平面上的響應便是沖在像平面上的響應便是相干疊加相干疊加。像的復。像的復振幅分布可以按疊加積分公式表達為物的振幅分

3、布可以按疊加積分公式表達為物的復復振幅分布振幅分布與與脈沖響應函數脈沖響應函數的疊加積分。的疊加積分。 所以，成像系統的特性可以描述為：所以，成像系統的特性可以描述為：,exp - 2d d(,)iiiiiiiih x yPd xd yjxxy yx yP d xd y F成像系統的特性成像系統的特性衍射受限相干光學成像系統衍射受限相干光學成像系統1 1. 物面物面入瞳入瞳: 菲涅耳衍射菲涅耳衍射33.出瞳出瞳像面像面:菲涅耳衍射菲涅耳衍射22. 透鏡系統透鏡系統: 黑箱黑箱. 只考慮邊端只考慮邊端(入瞳與出瞳之間入瞳與出瞳之間) 的變換的變換關系關系衍射受限相干光學成像系統衍射受限相干光學成

4、像系統 理想成像：點物通過系統后形成點像。實際像質受多理想成像：點物通過系統后形成點像。實際像質受多種因素限制。種因素限制。 衍射受限系統：不考慮系統的幾何像差，像質僅僅受衍射受限系統：不考慮系統的幾何像差，像質僅僅受到系統衍射效應的限制，即成像光束大小的限制。到系統衍射效應的限制，即成像光束大小的限制。 相干成像系統：衍射受限相干光學成像系統輸入面上相干成像系統：衍射受限相干光學成像系統輸入面上照明光是相干光，即單一波長，單一偏振方向，光場照明光是相干光，即單一波長，單一偏振方向，光場中在成像過程中任意兩點之間的光程差（相對相位）中在成像過程中任意兩點之間的光程差（相對相位）恒定。恒定。 在

5、相干照明下的衍射受限系統，對復振幅的傳遞是線在相干照明下的衍射受限系統，對復振幅的傳遞是線性空不變的。性空不變的。 空間不變線性系統的變換特性在頻域中來描述更方便。空間不變線性系統的變換特性在頻域中來描述更方便。 頻域中描述系統的成像特性的頻譜函數稱為衍射受限頻域中描述系統的成像特性的頻譜函數稱為衍射受限系統的相干傳遞函數，記作系統的相干傳遞函數，記作CTF。衍射受限相干光學成像系統衍射受限相干光學成像系統相干傳遞函數相干傳遞函數CTFCTF 的計算的計算 相干傳遞函數相干傳遞函數CTFCTF 是點擴展函數的傅里葉變換是點擴展函數的傅里葉變換 由于點擴展函數本身是光瞳函數的傅里葉變換，因此根據

6、傅由于點擴展函數本身是光瞳函數的傅里葉變換，因此根據傅里葉變換的積分定理有里葉變換的積分定理有(,),cxyiiHffh xyF( ,),(,)cxyiiixiyH ffPdx d yPd fd fF F相干傳遞函數相干傳遞函數CTFCTF 的計算的計算 這說明，相干傳遞函數等于光瞳函數，僅在空域坐標和頻這說明，相干傳遞函數等于光瞳函數，僅在空域坐標和頻域坐標之間存在著一定的坐標縮放關系。域坐標之間存在著一定的坐標縮放關系。而且上一節給出而且上一節給出的光瞳上的坐標變換產生了具體的物理意義，即空間頻率的光瞳上的坐標變換產生了具體的物理意義，即空間頻率 一般光瞳函數都是中心對稱的，一般光瞳函數都

7、是中心對稱的，故可故可在一個反射坐標中來在一個反射坐標中來定義相干傳遞函數，去掉負號的累贅，定義相干傳遞函數，去掉負號的累贅，將將相干傳遞函數改相干傳遞函數改寫為寫為 iyixdyyfdxxf,),(),(yixiyxcfdfdPffH 相干傳遞函數計算：相干傳遞函數計算： 圓形光瞳相干傳遞函數計算圓形光瞳相干傳遞函數計算 正方形光瞳相干傳遞函數計算正方形光瞳相干傳遞函數計算相干傳遞函數相干傳遞函數CTF 的計算的計算圓形光瞳相干傳遞函數圓形光瞳相干傳遞函數計算計算 對于直徑為對于直徑為D D的圓形光瞳，其孔徑函數可表為的圓形光瞳，其孔徑函數可表為 故故其相干傳遞函數其相干傳遞函數和和截止頻率

8、截止頻率分別分別為為 2/),(22DyxcircyxPiyxyixiyxcdDffcircfdfdPffH2/),(),(222cutiDfd正方形光瞳相干傳遞函數正方形光瞳相干傳遞函數計算計算 對于對于出瞳是邊長為出瞳是邊長為 的正方形，則光瞳函數為的正方形，則光瞳函數為 a( , )xyP x yrectrectaa正方形光瞳相干傳遞函數正方形光瞳相干傳遞函數計算計算 相干傳遞函數為相干傳遞函數為 顯然，不同方位上的截止頻率不相同，在顯然，不同方位上的截止頻率不相同，在 軸方向上，軸方向上，系統的截止頻率系統的截止頻率 。系統的最大截止頻率在與。系統的最大截止頻率在與 軸成軸成4545角

9、方向上角方向上 afdrectafdrectfdfdPffHyixiyixiyx),(),(/()/()yxiiffrectrectadadyx,0(2)ifadx光學相干成像系統的應用光學相干成像系統的應用應用： 光學相干層析成像（OCT） 濾波器光學相干層析成像光學相干層析成像光學相干層析成像光學相干層析成像簡介：簡介： 光學相干層析技術（又稱光學相干斷層掃描技術，光學相干層析技術（又稱光學相干斷層掃描技術，Optical Coherence Tomography, OCT）是近十年）是近十年迅速發展起來的一種成像技術，它利用迅速發展起來的一種成像技術，它利用弱相干光干涉弱相干光干涉儀儀的

10、基本原理，檢測生物組織不同深度層面對入射弱的基本原理，檢測生物組織不同深度層面對入射弱相干光的背向反射或幾次散射信號，通過掃描，可得相干光的背向反射或幾次散射信號，通過掃描，可得到生物組織二維或三維結構圖像。到生物組織二維或三維結構圖像。光學相干層析成像光學相干層析成像用途：用途： OCT可進行活體眼組織顯微鏡結構的非接觸式、非可進行活體眼組織顯微鏡結構的非接觸式、非侵入性斷層成像。侵入性斷層成像。OCT是超聲的光學模擬品，但其軸是超聲的光學模擬品，但其軸向分辨力取決于光源的相干特性，可達向分辨力取決于光源的相干特性，可達10um ,且穿透且穿透深度幾乎不受眼透明屈光介質的限制，可觀察眼前節，

11、深度幾乎不受眼透明屈光介質的限制，可觀察眼前節，又能顯示眼后節的形態結構，多用于眼內疾病尤其是又能顯示眼后節的形態結構，多用于眼內疾病尤其是視網膜疾病的診斷，隨訪觀察及治療效果評價等方面。視網膜疾病的診斷，隨訪觀察及治療效果評價等方面。光學相干層析成像光學相干層析成像OCT系統構成：系統構成： 光學相干層析成像基于干涉儀原理，利用近紅外光學相干層析成像基于干涉儀原理，利用近紅外弱相干光照射到待測組織，依據光的相干性產生干弱相干光照射到待測組織，依據光的相干性產生干涉，采用超外差探測技術，測量反射回來的光強，用涉，采用超外差探測技術，測量反射回來的光強，用于組織淺表層成像。于組織淺表層成像。OC

12、T 系統是由低相干光源、光系統是由低相干光源、光纖邁克爾遜干涉儀和光電探測系統等構成。纖邁克爾遜干涉儀和光電探測系統等構成。光學相干層析成像光學相干層析成像OCT系統構成示意圖系統構成示意圖光學相干層析成像光學相干層析成像工作原理：工作原理： OCT的核心是光纖邁克爾遜干涉儀。低相干光源超的核心是光纖邁克爾遜干涉儀。低相干光源超輻射發光二極管輻射發光二極管(Superluminescence Diode，SLD)發發出的光耦合進入單模光纖，被出的光耦合進入單模光纖，被22光纖耦合器均分為光纖耦合器均分為兩路，一路是經透鏡準直并從平面反射鏡返回的參考兩路，一路是經透鏡準直并從平面反射鏡返回的參考

13、光；另一路是經透鏡聚焦到被測樣品的采樣光束。光；另一路是經透鏡聚焦到被測樣品的采樣光束。光學相干層析成像光學相干層析成像 由反射鏡返回的參考光與被測樣品的后向散射光在探由反射鏡返回的參考光與被測樣品的后向散射光在探測器上匯合，當兩者之間的光程差在光源相干長度之測器上匯合，當兩者之間的光程差在光源相干長度之內時則發生干涉，探測器輸出信號反映介質的后向散內時則發生干涉，探測器輸出信號反映介質的后向散射強度。射強度。 掃描反射鏡并記錄其空間位置，使參考光與來自介質掃描反射鏡并記錄其空間位置，使參考光與來自介質內不同深度的后向散射光發生干涉。根據反射鏡位置內不同深度的后向散射光發生干涉。根據反射鏡位置

14、和相應的干涉信號強度即町獲得樣品不同深度和相應的干涉信號強度即町獲得樣品不同深度(z方向方向)的測量數據再結合采樣光束在的測量數據再結合采樣光束在x-y平面內的掃描，所平面內的掃描，所得結果經計算機處理，可獲得樣品的三維結構信息。得結果經計算機處理，可獲得樣品的三維結構信息。 發展發展趨勢：趨勢： 未來未來OCT的發展趨勢大致可以認為是從單純結構成像的發展趨勢大致可以認為是從單純結構成像OCT向功能和結構綜合成像的向功能和結構綜合成像的OCT發展。通常生物組發展。通常生物組織在產生病變之前其功能參數就已開始發生變化，因織在產生病變之前其功能參數就已開始發生變化，因此，功能參數對疾病早期診斷是非常有用的。這些功此，功能參數對疾病早期診斷是非常有用的。這些功能參數通常包含血流速度、含氧壓、組織結構變化、能參數通常包含血流速度、含氧壓、組織結構變化、雙折射性質等，功能型雙折射性質等，功能型OCT通過探測這些變化進行功通過探測這些變化進行功能成像提供更多信息。近年來得到快速發展的功能型能成像提供更多信息。近年來得到快速發展的功能型的的OCT技術包括：多普勒技術包括：多普勒OCT、偏振光敏感、偏振光敏感OCT、光、光譜