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入门级概述光学相干层析(OCT)原理

光学相干层析成像(Optical Coherence tomoghraphy,OCT),利用光的低相干原理获取组织的深度信息。巴拉巴拉的简述,作用和发展一类的可以找论文上看。

关键词:光学,相干,层析,后向散射,差分法,


要点一、为什么要用光学 ?

答、(1)光学成像可以不直接接触组织,(2)采用的成像光的功率都不会太高,损伤小,(3)光的波长短,衍射效应小(直线传输效果好,相对超声,电波等来说),所以分辨率会更高(如显微镜成像),(4)光是一种电磁波,显微镜等几何成像只是利用了强度信息,如果能利用光的频率信息和相位信息,还能获取组织的其他信息,比如深度上,对光的偏振影响等,OCT就是利用了光的相位信息来获取组织深度上的信息。


要点二、为什么要采用相干?

答、(1)光是电磁波的一种,和常见的水波一样,具有振幅,相位和频率;(2)光的波长约是390nm-780nm,换成频率即10^14~10^15量级,震荡速度非常快;(3)如果需要探测光的频率,按照采样定理,一个周期中至少需要采样两个点才能确定该周期的大小,如果直接探测光频率的话,也就是说探测器的探测速度至少需要在10^15点/秒以上才行,显然很难达到。所以光探测器探测的是一大段信号积分后的结果,即一大段时间的信号揉在一起的结果,相位和频率就已经没有了;(3)波的干涉可以形成稳定的强度分布,也就是两束移动的波相加后,出现一个不动的条纹,该条纹与之前的波有关系。则通过探测该不动条纹来推算移动的波的信息,即相干的过程。


要点三、差分探测

答、前一点讲的相干和信号探测中的差分探测实际是一样的。举例:一束待测信号假设为 100+0.1 GHz,速度太快,探测器响应速度跟不上,所以只能探测强度信息,另造一个已知信号 100 GHz,那么将两束信号作差值,得到信号是  +0.1 GHz,这个信号有点慢,探测器可以探测到强度和频率信息,那么原始信号也就推算出来了。

公式表示:信号1,E0 = I * sin(w0 * t + m0); 信号2, E1 = I * sin(w1 * t + m1);

两束信号叠加后,E = 2*I *sin[ (w0 + w1) * t / 2 ] * cos[ (w0-w1) * t / 2 ];   -------( 三角函数中的和差化积公式,暂忽略相位项 )

分析:叠加信号中有两项:(1)   sin[ (w0 + w1) * t / 2 ] ,频率比原来信号还更高,探测时相互混叠,只留下强度信息,没有频率信息。

(2)   cos[ (w0 - w1) * t / 2 ], 频率是原来两信号的差值,两信号频率很接近的话,就很容易检测出该差值后的频率,如果再知道了其中一个频率,另外一个频率就很容易推算了。


要点四、干涉的条件?

答:干涉的含义即为,两束波的叠加后形成稳定的条纹。形成稳定的干涉条纹需要条件:(1) 波长相等,(2) 初始相位差固定,(3) 偏振不相互垂直。

解答一下其中关键点,

1)波长相等,能形成稳定干涉;波长相近能形成缓慢变化的干涉(参照前一点差分探测,波长和频率是对应的),波长相差越大,变化越剧烈,所以在探测器的响应范围内,允许波长有一点差异。

2)光波的波列不是无限长的,而是一段一段的,即一段光波是有一定长度的,并且每段光的初始相位是随机的,如果初始相位不固定,条纹也是稳定不下来的。因此,不同光源的光是不能产生干涉条纹的,同一光源的不同时间段的光之间也不能产生干涉条纹的,因为相位差是随机的。所以只有同一光源的同一时间点的光分成两部分后再重新相加才能产生干涉(重要)。

3)偏振不垂直就好理解了,垂直了就不存在波的叠加了。