Методы увеличения чувствительности и улучшения разрешения в задачах оптической когерентной томографии

Шабанов, Дмитрий Владимирович

Методы увеличения чувствительности и улучшения разрешения в задачах оптической когерентной томографии тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

Шабанов, Дмитрий Владимирович АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Нижний Новгород МЕСТО ЗАЩИТЫ

2011 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.03 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Методы увеличения чувствительности и улучшения разрешения в задачах оптической когерентной томографии»

Автореферат диссертации на тему "Методы увеличения чувствительности и улучшения разрешения в задачах оптической когерентной томографии"

А /,'

4842

Шабанов Дмитрий Владимирович

МЕТОДЫ УВЕЛИЧЕНИЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ

И УЛУЧШЕНИЯ РАЗРЕШЕНИЯ В ЗАДАЧАХ ОПТИЧЕСКОЙ КОГЕРЕНТНОЙ ТОМОГРАФИИ

01.04.03 - радиофизика

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

мПг 201]

Нижний Новгород - 2011

4842052

Работа выполнена в Институте прикладной физики РАН (г. Нижний Новгород)

Научный руководитель: доктор физико-математических наук

В.М. Геликонов

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Н.С. Степанов

кандидат физико-математических наук Л.С. Долин

. Ведущая организация: Национальный исследовательский

ядерный университет «МИФИ», г. Москва

Защита состоится ">? С" 11 г. в 15:00 на заседании диссерта-

ционного совета Д002.069.02 4 Институте прикладной физики РАН (603950, г. Нижний Новгород, ул. Ульянова, 46).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института прикладной физики РАН.

Автореферат разослан %" ^ [ (О^д^ЛЖ) 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор физико-математических наук, профессор ^^уСЛГ Ю.В. Чугунов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Спектр радиофизических задач и проблем в области низкокогерентной интерферометрии, в последнее время значительно расширился. Активность исследователей в этой области резко возросла в связи с созданием оптической когерентной томографии (ОКТ) - нового, неинвазивного метода построения изображения внутренней структуры биоткани, оптически мутной, среды, с высоким пространственным разрешением (1-10 мкм) [1-6]. Для ОКТ-диагностики используется низкокогерентное излучение ИК-диапазона (в так называемом "терапевтическом окне прозрачности" 800-1300 нм) с относительной шириной спектра оптического излучения 0,05-0,1. В этом диапазоне ослабление света происходит в основном из-за процессов рассеяния при существенно меньшем влиянии поглощения. Нижняя по длине волны граница окна прозрачности обусловлена сильным поглощением крови, верхняя граница - поглощением воды. Использование излучения этого диапазона позволяет достичь наибольших глубин проникновения в среде, поскольку транспортная длина баллистических фотонов в среде составляет 150-300 мкм. Изображение, однако, можно получать с глубины, не превышающей 1-2 мм, в пределах которой удается выделить баллистические фотоны на фоне изотропного рассеяния. Полезный сигнал в схемах ОКТ формируется в результате интерференции двух оптических лучей - опорного излучения и баллистической компоненты рассеянной объектом зондирующей волны. В корреляционном варианте, с появлением которого стартовал метод ОКТ, интерференционный сигнал не равен нулю, если только разность плеч интерферометра не превышает длины когерентности зондирующего излучения. Это позволяет производить локацию внутренних оптических неоднородностей объекта за счет выделения рассеянного света с определенной групповой задержкой и отсекать фоновую засветку, определяемую многократным рассеянием. В корреляционном, а также в появившихся позднее альтернативных (спектральных) методах ОКТ большие усилия направляются на увеличение чувствительности, улучшение пространственного разрешения, а также на улучшение методов пространственного сканирования. Целью таких исследований в конечном итоге является повышение информативности методов ОКТ.

понент [10, 11]. Возможность детектирования таких компонент в оптике была предсказана в работах [12, 13], которые затем были обнаружены и исследованы в работе [14]. При появлении полупроводниковых источников шумового ИК излучения с высокой спектральной яркостью при относительных ширинах спектров, равных 0,05-0,1, эти флуктуации становятся доминирующими [15-17]. В ряде случаев при этом необходимо учитывать влияние на предельную чувствительность также и флуктуаций фазы, которые проявляются в интерференционной части сигнала [18]. Еще больший вклад флуктуаций шумовой фазы во флуктуационный предел измерений имеет место в новых спектральных методах ОКТ, в которых анализ интерференции производится последовательно в отдельных частях оптического спектра низкокогерентного шумового излучения [19]. Рассмотрение вклада флуктуаций интерференционной части в полный шум после квадратичного детектирования низкокогерентного излучения является отдельной, актуальной задачей радиофизики.

Увеличение динамического диапазона приема рассеянных назад волн в корреляционном методе ОКТ возможно также за счет сужения полосы регистрации радиосигнала на нагрузке фотоприемника [1]. В корреляционном методе такой узкополосный прием осуществляется на частоте доплеровско-го сдвига, который создается между оптическими частотами сигнальной и опорной волн при модуляционном изменении разности длин плеч интерферометра с амплитудой в несколько тысяч длин волн с постоянной скоростью. Поскольку при этом относительная ширина радиочастотного спектра, как и оптического, составляет несколько процентов, то для узкополосного приема без федингов требуется поддержание скорости движения зеркала, а, следовательно, и доплеровского сдвига, с большой точностью (около десятых долей процента). При периодическом (например, триангулярном) законе сигнала управления положением зеркала в опорном плече скорость его движения может отклоняться от постоянного значения под действием механических и электрических резонансов в системе. Очевидно, что для устранения федингов при продольном сканировании необходима разработка методов поддержания скорости с соответствующей высокой точностью в максимально большей части периода модуляции. Эта задача актуальна при создании как экспериментальных, так и практических задач низкокогерентной интерферометрии.

фокусировки. В методе оптической когерентной микроскопии (ОКМ), объединяющем принципы методов КМ и ОКТ, применяют, так называемый "динамический фокус" [21-23]. При его реализации область острой фокусировки необходимо пространственно совместить с областью когерентного приема и обе синхронно перемещать при аксиальном сканировании. При эффективной реализации пространственно совмещения это позволяет получить соотношение сигнала к шуму в методе ОКМ на 60 дБ выше, чем в методе КМ [20, 24], что, соответственно, приводит к увеличению глубины локации. Таким образом, техника ОКМ объединяет селективные возможности метода ОКТ с микронным продольным разрешением и с ультравысоким пространственным разрешением метода КМ, что позволяет реализовать продольное и поперечное пространственное разрешение микронного уровня до глубин в несколько сотен мирон в высоко рассеивающей среде.

Для реализации ОКМ был создан ряд методов "динамического фокуса", которые, однако, обладают рядом недостатков, заключающихся в сложности системы и малой точности пространственно совмещения. Эта задача остается актуальной, особенно при исследовании многослойных биологических сред, у которых среднее значение показателя преломления отличаются между слоями.

Одним из прорывных направлений в развитии метода ОКТ, которое рассмотрено в диссертации, является реализация широкополосного цифрового голографического приема излучения, рассеянного назад оптически неоднородной средой, с целью повышения чувствительности, быстродействия, а также продольного и поперечного пространственного разрешения. Важнейшим преимуществом голографии является отсутствие поперечных сканирующих систем при приеме рассеянного назад сигнала. Кроме того, отсутствует присущее традиционному методу ОКТ ограничение сверху на апертуру приема рассеянного излучения. Создание оптических систем без сканирования и, потенциально, с субволновым поперечным пространственным разрешением актуально в задачах визуализации сложной внутренней структуры микрообъектов с сильным рассеянием, в том числе и биологических.

Цель работы.

Целью работы является разработка методов увеличения чувствительности и улучшения пространственного разрешения в задачах ОКТ за счет совершенствования зондирующей системы, а также теоретическое обоснование и практическая апробация альтернативного метода компьютерной оптической голографии (КОГ), потенциально обладающего более высоким пространственным разрешением и быстродействием, по сравнению с традиционной ОКТ.

Прикладной задачей исследований является разработка основ метода КОГ для получения при зондировании объектов в ИК-диапазоне компью-

терных объемных изображений, в том числе при биологических и медицинских экспериментальных исследованиях.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

1. Впервые теоретически и экспериментально определена величина шумовой компоненты зависящей от фазы части интерференционного сигнала при использовании излучения низкокогерентного шумового источника.

2. Создан электромеханический модулятор разности длин плеч оптического интерферометра с глубиной модуляции несколько тысяч длин волн, реализующий постоянную скорость движения зеркала с точностью около 0,5% на участке, составляющем 90% от полупериода модуляции при условии попадания спектра управляющего сигнала в область механических резонансов системы.

3. Впервые создан компактный оптический конфокальный микроскоп с субклеточным пространственным разрешением.

4. Впервые было продемонстрировано полноценное 3-х мерное изображение глубинной слоистой структуры объекта с разрешением 10-15 мкм на глубину более 1 мм, полученное с помощью мультиволнового цифрового голографического метода записи сигнала с использованием перестраиваемого по длине волны источника ИК-излучения и цифровой реконструкции.

Практическая ценность диссертации состоит в следующем:

1. Показано существование и определена величина флуктуационной компоненты интерференционной части сигнала (на нагрузке фотоприемника), которую необходимо учитывать при оценке отношения сигнала к шуму в корреляционных и спектральных методах низкокогерентной интерферометрии с шумовым источником при реализации высокого контраста интерференционной картины.

2. Разработаны методы компенсации искажения закона движения механических систем, обладающих резонансом и нелинейностью, которые могут быть применены при создании ряда устройств ОКТ и ОКМ для линеаризации колебаний элементов интерференционных оптических схем, а также в ряде приложений физической оптики.

3. Реализованы новые принципы визуализации глубинной структуры рассеивающих свет объектов (в том числе и биологических) на основе широкополосной мультиволновой цифровой голографической записи рассеянного сигнала, которые могут быть применены при создании приборов для визуализации 3-мерного изображения объекта без механического сканирования зондирующим лучом, что открывает новые возможности создания современных средств оптического экспресс-анализа.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. При корреляционном приеме рассеянного излучения шумового источника, при увеличении разности хода между опорной волной и локально рассеянной волной за пределы длины когерентности спектральная плотность мощности шума интерференционной составляющей сигнала выходит на стационарный уровень, вдвое меньший, чем при нулевой разности хода.

2. Стабильное доплеровское смещение спектра сигнальной волны относительно опорной может быть реализовано при модуляции разности плеч интерферометра с амплитудой до нескольких тысяч длин волн, несмотря на влияние механических резонансов системы. Стабилизация допле-ровского сдвига при этом может быть достигнута за счет управления скоростью движения зеркала с использованием отрицательной обратной связи и радиотехнической коррекции неравномерности амплитудно-частотной характеристики модулятора.

3. Реализация линейного закона движения сканирующей линзы зонда в методе ОКТ за счет коррекции механических резонансов позволяет объединить принципы конфокальной микроскопии и оптической когерентной томографии при приеме рассеянного назад излучения с пространственным разрешением на уровне единиц микрон в области глубин, равной 1-3 длинам свободного пробега в биологической среде, что недоступно по отдельности каждому из методов.

4. Широкополосный цифровой голографический метод записи рассеянного назад света позволяет получать объемное изображение внутренней структуры биотканей без применения сканирующих систем.

5. В широкополосном цифровом голографическом методе пространственное разрешение может быть доведено до размера длины волны, а также существенно повышено соотношение сигнала к шуму за счет увеличения остроты фокусировки, поскольку отсутствует присущее традиционным методам ОКТ ограничение на апертуру, обусловленное необходимостью перекрытия рэлеевской зоной зондирующего пучка исследуемого участка объекта.

Апробация работы. Изложенные в диссертации результаты обсуждались на семинарах в Институте прикладной физики РАН и докладывались на российских и международных физических конференциях:

Biomédical Optoelectronic Devices and System II (Лиль, Франция, 1994),

BIOS'03 (Сан-Хосе, Калифорния, США),

LPHYS (Триест, Италия, 2004),

MPLP'2004 (Новосибирск, Россия, 2004),

ЕСВО '09 (Мюнхен, Германия, 2009),

II International symposium "Topical problems of biophotonics-2009" Нижний Новгород - Самара - Нижний Новгород (Россия, 2009),

Biomedical Optics and 3-D Imaging Congress (2010, Майами, Флорида, США).

По теме диссертации опубликовано 17 работ, из которых 5 статей в реферируемых научных журналах, 8 публикаций в сборниках трудов и тезисов докладов конференций, 2 главы в монографиях, 1 патент.

Структура н объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения и списка литературы. Список цитируемой литературы состоит из 76 источников. Работа изложена на 103 страницах машинописного текста, из которых основное содержание включает 82 страницы, 37 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной темы, сформулирована цель работы, приведены основные положения, отражена научная новизна, представлена структура и общее содержание работы.

В первой главе представлен обзор ключевых работ и рассмотрены задачи, решению которых посвящена диссертация. Отмечена острота вопросов влияния различных компонент флуктуаций излучения на динамический диапазон получаемых изображений в Оптической Когерентной Томографии. Рассмотрен ряд методов в направлении повышения чувствительности и пространственного разрешения при визуализации внутренней структуры мутных рассеивающих сред. Сформулированы задачи, не решенные в литературе, и обозначены направления, требующие дальнейшей разработки.

Во второй главе исследованы флуктуации сигнала суперлюминесцентного источника излучения на выходе двухплечевого интерферометра после фотодетектирования в зависимости от разности длин плеч интерферометра и определено влияние шумов интерференционной части на полный шумовой сигнал, установлена степень корреляции флуктуаций составных частей при формировании полного шумового интерференционного сигнала.

Рассмотрена модель излучения суперлюминесцентного источника как узкополосного стационарного процесса с гауссовой статистикой. Согласно [11], такой процесс можно записать как гармонический сигнал с хаотической модуляцией амплитуды и фазы:

U(t) = A(i)-cos(<s>0-t + ф(0), (1)

где A(t) и ф(f) - медленно меняющиеся случайные амплитуда и фаза процесса, ш0 - центральная частота спектра процесса. Флуктуации амплитуды имеют статистику Рэлея, флуктуации фазы имеют гауссову статистику, дисперсия флуктуаций фазы носит диффузионный характер, т.е. неограниченно возрастает со временем.

Рассмотрен интерференционный сигнал на выходе квадратичного детектора:

SÛUl (0 = \ ■ Л2 (О+А2 С + Т) + A{t) ■ A(t + Т) • cos(co0 • Т + <p(i ) - <p(f + Г)) (2)

Первые два слагаемые в выражении (2) определяют шумы интенсивности. Но в третьем слагаемом при расстройке интерферометра (Т не равно нулю), проявляются фазовые флуктуации, имеющие свои отличительные особенности.

В главе показано, что из определения спектра мощности стационарного эргодического процесса S(t) через автокорреляционную функцию R^ (т) :

F(&) = 1 Riх) • cos(co • t) ■■ dx , (3)

о 5

где Rs (т) = S(t) • S(t +1), и воспользовавшись свойством гауссовского процесса, для которого моменты высоких порядков определяются через моменты первого и второго порядка:

U(tl)-U(t2)-U(t3)-U(t4) =

= Rit, -t2y R(t3 -t4) + R(t, -/3) • R(t2 -14) + Rit, -U) • Rit2 -13) ' возможно вычислить спектр мощности компонент интерференционного сигнала стационарного гауссовского процесса с известной автокорреляционной функцией, преобразованного квадратичным детектором, при любом времени задержки Т.

Автокорреляционная функция полного интерференционного сигнала R.s{t) представляется в виде суммы трех групп слагаемых: автокорреляционная функция суммы интенсивностей

(Rs/(т) = iU2(t) + U2it + Г))-iU2it + x) + U2it + T+т)) ), автокорреляционная функция фазовой части интерференционного сигнала (Rsn{x) = A-U{t)-U{t + T)-U(t + x)-U{t + T + ï)) и взаимная корреляция между вышеобозначенными частями интерференционного сигнала ( Rsm (т) = 8 • [Л(0) ■ R(T) + Л(т) • R(T+т) + R(x) ■ R(T - т)] ). Был рассмотрен пример стационарного гауссовского узкополосного случайного процесса с гауссовой же формой спектра, нормированная автокорреляционная функция которого имеет вид: х2

Л(т) = ехр {- -=—} • cos(co0 • т). (5)

v кор

На рис. 1 и 2 представлены спектры мощности различных компонент интерференционного сигнала (2) при различных временах задержки (кривая 1 - время задержки 0, кривая 2 - время задержки 0.8 хкор, кривая 3 - время

задержки 2 т ).

п п

Рис. 2. Спектры мощности (со) фазовой части процесса на выходе детектора в зависимости от отношения частоты к (Ягр при различных временах задержки.

Было теоретически показано, а затем экспериментально подтверждено, что хотя при выходе за пределы корреляции информация, которую несет фазовая компонента 2 •£/(/)•£/(/ + Т) и которая определяется ее средним,

равным 2 • Я(Т), исчезает, шумы этой компоненты не исчезают, а выходят

на стационарное значение, по мощности в два раза меньшее значения при нулевой расстройке (рис. 2). В приложении к временной ОКТ [1] это означает, что в области расстроек плеч интерферометра, превышающих протяженность автокорреляционной функции, где, соответственно, отсутствует полезный сигнал, шумы, определяемые фазовой компонентой, дают аддитивный вклад в суммарный уровень шума. Это уменьшает динамический диапазон при приеме сигнала.

В третьей главе были представлены два конкретных устройства с реализацией методов точного управления выбранного закона движения. Особенностью решенных задач являлось либо поддержание точного закона изменения координаты, либо точного значения скорости движения в условиях проявления механических резонансов в системе. При разработке этих задач были выяснены некоторые принципы построения устройств данного класса с высокими техническими характеристиками.

В параграфе 3.1 рассмотрена реализация согласованного динамического конфокального приема в методе оптической когерентной микроскопии с целью повышения чувствительности и пространственного разрешения. В оптической когерентной томографии область перетяжки оптического излучения формируется равной глубине съема информации с обследуемого объ-

Рис. 1. Спектры мощности 5/(со) суммы интенсивностей в зависимости от отношения частоты к <йгр при различных временах задержки.

екта (рис. 3). Это обеспечивает примерно одинаковую (без учета потерь) плотность излучения на всей рабочей глубине вплоть до

л I ¿Г

2-ш0 =

(6)

2-гд =

я-4-о)о 2-Х

глубины, где полезный сигнал перестает быть различим на фоне шумов (для 22Д= 2 мм 2<в0 = 30 мкм).

Продольное разрешение определяется шириной автокорреляционной функции:

2- 1п2

АХ

(7)

За счет увеличения апертуры излучения на выходе линзы можно уменьшить продольный и, соответственно, поперечный размер перетяжки и, соответственно, повысить пространственную разрешающую способность и яркость сигнала. Однако в этом случае будет потеряна протяженность рабочей глубины: область высококачественного сигнала будет ограничена глубиной перетяжки. Сущность метода ОКМ заключается в объединении методов ОКТ и КМ, для чего в диссертации был реализован режим динамического фокуса - обеспечение сопровождения ворот когерентности местом острой фокусировки при продольном сканировании. Помимо кардинального повышения пространственного разрешения при переходе к методу ОКМ на существенно повышается динамический диапазон приема рассеянного назад сигнала.

Таким образом, возникла задача: разработка принципов устранения влияния резонансных свойств системы сканирования выходной линзы

объектива и создание компактного оптического когерентного микроскопа (ОКМ) для использования в экспериментальных и клинических условиях.

Было реализовано сканирование вглубь выходной линзой синхронно с воротами когерентности (рис. 4, а). Закон движения линзы по времени должен совпадать с законом изменения разности длин плеч интерферометра -триангулярным законом (рис. 4, б).

Рис. 3. Схематическое изображение области перетяжки зондирующего луча.

а б

Рис. 4. Сканирование вглубь выходной линзой (а) синхронно с воротами когерентности (б)

Однако система имеет амплитудно-частотную характеристику, характерную для резонансных механических систем: 1 Г

А(Л= , 2 ,-----(8)

/о +1-У-/ т

с частотой основного резонанса со0= 40 Гц. В работе были рассмотрены вопросы компенсации радиотехническим способом основного резонанса механической системы и была произведена оценка качества реализации требуемого закона движения для реализованного устройства продольного сканирования фокальной зоны на основе миниатюрной оптико-механической системы.

В результате достигнуто достаточно малое отклонение формы воспроизведенного линзой движения от заданного закона: при размахе колебаний сканирующей линзы 0.6 мм отличие реального закона движения линзы от сигнала на входе системы оказалось в пределах 2% на участке длительностью 80% от полупериода сигнала. Реализованная величина отклонения в несколько раз меньше продольной глубины перетяжки, равной 30 мкм (рис. 5).

При практической реализации метода ОКМ было достигнуто разрешение 4x4x4 мкм. Сравнение с традиционным методом ОКТ показало, что если метод ОКТ может визуализировать только слои ткани эпителия и стромы, то ОКМ метод позволяет различить отдельные клетки, составляющие эпителий на глубине до 500 мкм. На рис. 6. представлены изображения одного участка поверхностного слоя органа, покрытого чешуйчатым эпителием, полученных методами ОКТ и ОКМ.

-0.04

0.01 0.02 0.03 Время, сек.

а 5

Рис. 5. Отличие реального закона движения линзы от сигнала на входе системы: а - формы сигнала на входе системы (тонкая черная линия) и реального закона движения линзы (жирная серая линия); 6 - их относительная разность.

Рис. 6. Сравнительные ОКТ (слева) и ОКМ (справа) изображения одного и того же участка поверхностных слоев органа, покрытого чешуйчатым эпителием.

Таким образом, экспериментально было показано, что применение коррекции закона движения сканирующей линзы зонда в методе ОКМ позволяет объединять принципы конфокальной микроскопии и оптической когерентной томографии при приеме рассеянного назад излучения с высокой эффективностью. Достигнутое пространственное разрешение на уровне четырех микрон в области глубин, равной 1-3 длинам свободного пробега в биологической среде недоступно по отдельности каждому из методов.

В параграфе 3.2 приводятся результаты разработки электромеханического модулятора разности длин плеч интерферометра с обратной связью по скорости движения. В отличие от предыдущего, данное устройство разрабатывалось для выполнения более сложной задачи - стабилизации скорости модуляции разности длин плеч интерферометра с высокой точностью при модуляционном изменении разности длин плеч интерферометра с амплитудой в несколько тысяч длин волн (рис. 7).

Источник света

Фото приемник

Рис. 7. Модуляция интерферометра по закону меандра.

Электромеханический модулятор разности длин плеч интерферометра является ключевым элементом при создании коррелометра на дискретных элементах с минимальной вносимой дисперсией. Такой коррелометр необходим при создании волоконно-оптических интерференционных схем с широкой полосой спектра источника и, в частности, для настройки оптической схемы ОКМ при ширине спектра источника ИК излучения 100-150 нм и более. Высокая стабильность скорости сканирования, кроме того, необходима при корреляционно-временном анализе низкокогерентного излучения, прошедшего оптический тракт с дефектами анизотропии, а также для реализации максимального динамического диапазона.

Был предложен преобразователь колебаний электрического тока в механические колебания на основе акустического динамика с введением отрицательной обратной связи (ООС) по скорости перемещения (рис. 8). Отрицательная обратная связь представляет собой дополнительную магнитную систему с катушкой, жестко и соосно прикрепленной к основной (силовой) катушке. ЭДС, возбуждаемая в этой катушке, пропорциональна скорости ее перемещения и является, собственно, сигналом обратной связи.

Рис. 8. Преобразователь колебаний электрического тока в механические колебания с дополнительной системой обратной связи по скорости перемещения

В главе рассмотрены вопросы реализации устойчивой системы обратной связи с механическим резонансом в спектре управляющего сигнала. При относительно неширокой полосе обратной связи (4 кГц) на низких час-

тотах удалось реализовать коэффициент петлевого усиления в несколько тысяч.

Таким образом, был создан электромеханический модулятор разности длин плеч интерферометра (рис. 9) со следующими характеристиками: размах колебания 3 - 4 мм (или до 10 мм на базе динамиков большего размера); длительность участка с постоянной скоростью - 90% от полупериода, на этом участке скорость, а, следовательно, и величина доплеровского сдвига поддерживается с точностью до 0.5%.

интерферометра

Созданный прибор был использован в высокочувствительных корреляционных измерениях. Высокая стабильность значения доплеровского сдвига оптических частот волн в плечах интерферометра позволила реализовать прием сигнала с относительной шириной полосы около 5%. В результате было получено увеличение динамического диапазона около 20 дБ относительно приема при синусоидальной модуляции доплеровского сдвига. Типичный пример кросскорреляционной функции приведен на рис. 10.

В четвертой главе в вводной части были рассмотрены недостатки традиционных методов визуализации внутренней структуры, таких как временная и спектральная ОКТ, КМ, ОКМ, связанные с ограничениями на апертуру зондирующего излучения, механическими ограничениями и необходимостью поперечного сканирования. В главе 4 рассмотрен альтернативный голографический метод. Традиционно голография использовалась для объемного отображения поверхности объекта, в том числе и в микромасштабах. Но в последнее время растет активность в ее применении для визуализации не только поверхностной, но и внутренней объемной микроструктуры объектов [25]. Важным направлением в этой области является цифровая голография, которая позволяет преодолевать присущие методу артефакты. Главным недостатком цифровой голографии при отображении микрообъектов является недостаточно высокое продольное разрешение.

Рис. 9. Электромеханический модулятор разности длин плеч

Рис. 10. Типичный пример корреляционного измерения

Кардинальное улучшение продольного разрешения можно достигнуть с применением источников перестройкой длины волны в широкой полосе. В широкополосной цифровой голографии результат интерференции между опорной и объектной волнами регистрируется ПЗС-матрицей с дальнейшей цифровой реконструкцией объемного изображения объекта [26].

В параграфе 4.1 рассмотрены теоретические основы метода. Для восстановления глубинной структуры объекта по рассеянному им полю был использован метод углового спектра [27]. В параграфе рассмотрены вопросы регистрации голограммы в комплексном виде с целью очищения восстанавливаемого 3-D изображения от паразитных сопряженных откликов и когерентных помех. Было показано, что восстановленное по одной длине волны изображение имеет разрешение вглубь, определяемое протяженностью эффективной рэлеевской перетяжки (5), где /- расстояние от ПЗС-матрицы до объекта, d - поперечный размер матрицы. Однако при перестроении источника в спектральном диапазоне АХ и последующему усреднению полученных результатов реконструкции (в комплексном виде) по всему дискретному набору длин волн разрешение вглубь улучшается до значения, определяемого (6).

В параграфе 4.2 приведено описание эксперимента. В схеме с интерферометром Майкельсона (рис. 11) при записи голограмм использовался перестраиваемый источник излучения - BS840-02 (SUPERLUM Company) с выходной оптической мощностью - около 1 мВт, диапазоном перестроения - 825 - 875 нм, шириной линии - 0.1 нм. При использовании дискретного 200 (500)-шагового перестроения длины волны были получены объемные изображения различных объектов, в том числе тестового слоеного объекта пленка - покровное стекло - мишень (рис. 12) и фрагмента эпителиальной ткани человека в парафине (рис. 13).

Рис. 11. Экспериментальная установка

Рис. 12. Объемное изображение (двухмерный срез) глубинной структуры тестового слоеного объекта пленка -покровное стекло - мишень. Куб - 240 элементов на сторону, 10 мкм шаг в поперечном направлении, 15 мкм - в глубину.

Рис. 13. Объемное изображение (двухмерный срез) глубинной структуры человеческого эпителия в парафине. Куб - 240 элементов на сторону, 5 мкм шаг в поперечном направлении, 7 мкм - в глубину.

Данный метод визуализации внутренней структуры объекта обладает, очевидно, рядом преимуществ по сравнению с известными методами оптической когерентной томографии (ОКТ) и спектральной ОКТ:

• широкополосный цифровой голографический метод записи рассеянного сигнала не требует применения поперечных сканирующих систем при 3-мерной визуализации биотканей, как в традиционных методах оптической когерентной томографии;

• снимается ограничение на поперечное пространственное разрешение, | которое может быть доведено до субволновых значений при использовании объектива с большой числовой апертурой;

• при голографической записи может быть увеличена доля интенсивности, перехваченной при рассеянии от объекта, и повышено отношение сигнала к шуму за счет использования значительно большей апертуры приема рассеянного излучения;

• широкополосный цифровой голографический метод потенциально обладает наибольшей скоростью получения изображений внутренней структуры мутных сред в ЗО-формате.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Определен вклад шумов интерференционной части в полный шумовой сигнал двухплечевого интерферометра с суперлюминесцентным источником излучения после фотодетектирования. Установлена степень корреляции флуктуаций составных частей при формировании полного шумового интерференционного сигнала.

2. Разработаны методы компенсации искажения закона движения в механических системах с низкочастотным резонансом и на их основе созданы установки для высокочувствительных оптических измерений в области низкокогерентной интерферометрии, как-то: оптический когерентный микроскоп, имеющий разрешение в рассеивающей среде не хуже 4x4x4 микрона благодаря совмещению синхронного сканирования фокуса и ворот когерентности; модулятор оптического пути, обеспечивающий изменение разности длин плеч интерферометра с постоянной скоростью с точностью

0.5. при размахе колебаний до десятка тысяч длин волн и частоте сканирования 20 Гц, что позволило реализовать узкополосный прием сигнала, а также создать бездисперсионный коррелометр для диапазона ИК излучения 100- 150 hm.

3. Предложен и реализован широкополосный цифровой голографиче-ский метод 3-мерной визуализации биотканей, который позволяет отказаться от применения поперечных сканирующих систем. Впервые было продемонстрировано полноценное 3-мерное изображение глубинной слоистой структуры объекта с разрешением 10-15 мкм на глубину более 1 мм, полученное с помощью голографического метода с использованием перестраиваемого по длине волны источника ИК-излучения и цифровой реконструкции.

Цитируемая литература

1. D. Huang, Е.А. Swanson, С.Р. Lin, J.S. Schuman, W.G. Stinson, W. Chang, M.R. Нее, T. Flotte, K. Gregory, C.A. Puliafito, J.G. Fujimoto, Optical Coherence Tomography // Science, 1991, V. 254, p. 1178-1181.

2. J.M. Schmitt, A. Knüttel, A. Gandjbakhche, R. F. Bonner, Optical characterization of dense tissues using low-coherence interferometry. // Proc. Spie, 1993, V. 1889, p. 197-211.

3. A. E. Swanson, D. Huang, M. R. Нее, J. G. Fujimoto, S.P. Lin, C. A. Puliafito, High speed optical coherence domain reflectometry. // Opt. Lett., 1992, V. 17, p. 151-153.

4. В. M. Геликонов, Г. В. Геликонов, H. Д. Гладкова, Р. В. Куранов, Н. К. Никулин, Г. А. Петрова, В. В. Починко, К. И. Правденко, А. М. Сергеев, Ф. И. Фельдштейн, Я. И. Ханин, Д. В. Шабанов, Когерентная опти-

ческая томография микронеоднородностей биотканей // Письма в ЖЭТФ, 1995, Т. 61, № 2, с. 149-153.

5. A. F. Fercher, Optical coherence tomography // J. Biomedical Opt., 1996, V.

I,№ 2, p. 157-173.

6. J. G. Fujimoto, Optical Coherence Tomography, in Encyclopedia of Optical Engineering, 2003, Marcel Dekker, Inc.: New York. P. 1594-1612.

7. В.Г. Левич, Введение в статистическую физику. 1954, Москва: Государственное издательство технико-теоретической литературы. 528 с.

8. L. Mandel, Fluctuations of light beams, in Progress in Optics, Wolf E., 1963, V. 11, North-Hall. Publ.Corp.: Amsterdam. P. 183-250

9. C.A. Ахманов, Ю.Е. Дьяков, A.C. Чиркин, Введение в статистическую радиофизику и оптику. 1981, Москва: Москва: Наука. 640 с.

10. И.Л. Берштейн, Детектирование сплошного спектра // ЖТФ, 1941, Т.

II, №4, с. 302-304.

11. В. И. Бунимович, Флюктуационный процесс как колебание со случайными амплитудой и фазой // ЖТФ, 1949, Т. XIX, № 11.

12. Г.С. Горелик, О демодуляционном анализе света // Успехи физических наук, 1947, Т. 34, № 3, с. 321-333.

13. Г. Горелик. О возможности малоинерционного фотометрирования и демодуляционного анализа света // Докл. АН СССР, 1947, Т. 58, № 1, с. 45-47.

14. А.Т. Forrester, R.A. Gudmundsen, P.O. Johnson, Photoelectric Mixing of Incoherent Light// Phys. Rev., 1955, V. 99, № 6, p. 1691-1700.

15. A. Yurek, H. Taylor, L. Goldberg, J. Weller, A. Dandridge, Quantum noise in Superluminescent diodes // IEEE J. Quantum Electron., 1986, V. 22, № 522-527.

16. И.А. Андронова, И.JI. Берштейн, Некоторые особенности работы волоконного кольцевого интерферометра // Известия вузов. Радиофизика, 1989, Т. 32, №4, с. 426-435.

17. W. V. Sorin, D. М. Baney, A Simple Intensity Noise-Reduction Technique for Optical Low-Coherence Reflectometry // IEEE Photonics Technology Letters, 1992, V. 4, № 12, p. 1404-1406.

18. K. Takada, Noise in Optical Low-Coherence Reflectometry // IEEE Journal of Quantum Electronics, 1998, V. 34, № 7, p. 1098-1108.

19. W. Drexler, J.G. Fujimoto, Optical Coherence Tomography Technology and Applications. Biological and Medical Physics, Biomedical Engineering. 2008: Springer. 1357 p.

20. J. A. Izatt, M. D. Kulkarni, Wang Hsing-Wen, K. Kobayashi, M. V. Sivak, Optical coherence tomography and microscopy in gastrointestinal tissues // IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 1996, V. 2, № 4, p. 1017-1028.

21. F. Lexer, С. K. Hitzenberger, W. Drexler, S. Molebny, H. Sattmann, M. Sticker, A. F. Fercher, Dynamic coherent focus OCT with depth-independent

transversal resolution II Journal of Modern Optics, 1999, V. 46, № 3, p. 541-53.

22. B. Povazay, K. Bizheva, A. Unterhuber, B. Hermann, H. Sattmann, A. F. Fercher, W. Drexler, A. Apolonski, W. J. Wadsworth, J. C. Knight, P. S. J. Russell, M. Vetterlein, E. Scherzer, Submicrometer axial resolution optical coherence tomography // Optics Letters, 2002, V. 27, № 20, p. 1800-1802.

23. A. Baumgartner, С. K. Hitzenberger, H. Sattmann, W. Dresler, A. F. Fercher, Signal and resolution enhancements in dual beam optical coherence tomography of the human eye // Journal of Biomedical Optics, 1998, V. 3, № 1, p. 45-54.

24. J. A. Izatt, M. R. Нее, G. M. Owen, E. A. Swanson, J. G. Fujimoto, Optical coherence microscopy in scattering media // Optics Letters, 1994, V. 19, № 8, p. 590-592.

25. K. Kim Myung, Principles and techniques of digital holographic microscopy //SPIE Reviews, 2010.

26. U. Schnars, W Juptner, Direct recording of holograms by a CCD-target and numerical reconstruction // Appl. Opt., 1994, V. 33, p. 179-181.

27. L. Yu, M.K. Kim, Wavelength-scanning digital interference holography for tomographic three-dimensional imaging by use of the angular spectrum method // Optics Letters, 2005, V. 30, № 16, p. 2092-2094.

Основные материалы диссертации опубликованы в работах:

Статьи в реферируемых журналах:

1а. Геликонов В. М., Геликонов Г. В., Гладкова Н. Д., Куранов Р. В., Никулин Н. К., Петрова Г. А., Починко В. В., Правденко К. И., Сергеев А. М., Фельдштейн Ф. И., Ханин Я. И., Шабанов Д. В., Когерентная оптическая томография микронеоднородностей биотканей // Письма в ЖЭТФ, 1995, Т. 61, № 2, с. 149-153.

За. Шабанов Д.В., Преобразование флуктуаций излучения оптического низкокогерентного источника в двухплечевом интерферометре // Известия вузов. Радиофизика, 2000, Т. 43, № 4, с. 350-356.

4а. Геликонов В.М., Геликонов Г.В., Шабанов Д.В., Оптический волоконный мультиплексор на длины волн 1,3 и 0,64 мкм // Оптический журнал, 2000, Т. 67, № 2, с. 81-84.

5а. Геликонов В.М., Геликонов Г.В., Ксенофонтов С.Ю., Куранов Р.В., Морозов А.Н., Мяков А.В., Туркин А.А., Турчин И.В., Шабанов Д.В., Новые подходы к широкополосной волоконно-оптической интерферо-

метрии для оптической когерентной томографии // Известия вузов. Радиофизика, 2003, Т. 46, № 7, с. 610-627.

6а. Shabanov D.V., Gelikonov G.V., Gelikonov V.M., Broadband digital holographic technique of optical coherence tomography for 3-dimensional biotis-sue visualization // Laser Physics Letters, 2009, V. 6, № 10, p. 753-758.

Доклады:

7a. Sergeev Alexander M., Gelikonov V. M., Gelikonov G. V., Feldchtein Felix. I., Pravdenko К. I., Shabanov D. V., Gladkova Natalia D., Pochinko V. V., Zhegalov V. A., Dmitriev G. I., Vazina I. R., Petrova G. A., Nikulin N. K., In vivo optical coherence tomography of human skin microstructure // Proc SPIE, 1994, V. 2328, p. 144-150.

9a. Кутис И.С., Кутис С.Д., Кутис Л.С., Шабанов Д.В. Исследование динамики водопоглощения семян, обработанных градиентным магнитным полем методом оптической когерентной томографии и микроскопии // в трудах конференции "Высокоинтенсивные физические факторы в биологии, медицине, сельском хозяйстве и экологии". 2004. Российский Федеральный ядерный центр. Саров. с. 416-423.

10а.Gelikonov G.V., Gelikonov V.M., Ksenofontov S.U., Morosov A.N., Shabanov D.V. 4 mem resolution imaging of biological tissues using PM fiber optical coherence microscope. // in 13th International Laser Physics Workshop (LPHYS'04). July 12-16 2004. Trieste, Italy. Laser Physics (International Journal), the Abdus Salam ICTP. p. 186.

11 a. Gelikonov G.V., Gelikonov V.M., Ksenofontov S.U., Morozov A.N., Shabanov D.V. PM fiber based optical coherence microscopy. // in Technical Digest of IV Int. Symposium "Modern Problems of Laser Physics". August 22-27 2004. Novosibirsk, p. 113.

13a. Dmitry Shabanov, Grigory Gelikonov, Valentin Gelikonov. Broadband Digital Holography for 3D OCT imaging of Scattered Objects. // in II International symposium "Topical problems of biophotonics". июль, 19-24 2009. Нижний Новгород - Самара - Нижний Новгород (Россия).

14а. Dmitry Shabanov, Grigory Gelikonov, Valentin Gelikonov, Alexander Moiseev. Broadband 3D Digital Holography for depth structure visualization. // in Biomedical Optics and 3-D Imaging Congress. April 11-14 2010. Miami, Florida, USA.

Главы в монографиях:

15a.Gelikonov G. V., Gelikonov V. M., Ksenofontov S. U., Morozov A. N., My-akov A. V., Potapov Y. P., Saposhnikova V. V., Sergeeva E. A., Shabanov D. V., Shakhova N. M., Zagainova E. V., Compact optical coherence microscope, in Handbook of Coherent Domain Optical Methods: Biomedical Diagnostics, Environmental and Material Science, Ed. by Tuchin V.V., 2004, V. 2, Kluwer Academic Publishers: Dordrecht.P. 345-362.

16a. V.V. Sapozhnikova, I.S. Kutis, S.D. Kutis, R.V. Kuranov, G.V. Gelikonov, D.V. Shabanov, V.A. Kamensky, In vivo monitoring of seeds and plant tissue water absorption using optical coherence tomography and optical coherence microscopy, in Plant Cell Diagnostics (Images, Biophysical and Biochemical Processes in Allelopathy), Jersey Enfield, 2007, Plymoth: Science Publisher. P. 71-86.

Патенты:

17а.Д.В. Шабанов, B.M. Геликонов, Г. В ; Геликонов. ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЙ МОДУЛЯТОР РАЗНОСТИ ДЛИН ПЛЕЧ ИНТЕРФЕРОМЕТРА, патент № 2261464, зарегистрирован 27 сентября 2005 г.

ШАБАНОВ Дмитрий Владимирович

МЕТОДЫ УВЕЛИЧЕНИЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ

И УЛУЧШЕНИЯ РАЗРЕШЕНИЯ В ЗАДАЧАХ ОПТИЧЕСКОЙ КОГЕРЕНТНОЙ ТОМОГРАФИИ

. Автореферат

Ответственный за выпуск Д. В. Шабанов

Подписано к печати 21.03.2011 г. Формат 60*90 '/[б. Бумага офсетная. Усл. печ. л. 1,5. Тираж 110 экз. Заказ № 28(2011).

Отпечатано в типографии Института прикладной физики РАН, 603950 г. Нижний Новгород, ул. Ульянова, 46

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Шабанов, Дмитрий Владимирович

ГЛАВА 1 ОПТИМИЗАЦИИ ПРИЕМА РАССЕЯННОГО

ИЗЛУЧЕНИЯ В ОПТИЧЕСКОЙ КОГЕРЕНТНОЙ ТОМОГРАФИИ (ОБЗОР РАБОТ).

ГЛАВА 2 ИССЛЕДОВАНИЕ РОЛИ ФЛУКТУАЦИЙ ИЗЛУЧЕНИЯ ОПТИЧЕСКОГО НИЗКОКОГЕРЕНТНОГО ШУМОВОГО ИСТОЧНИКА В ДВУХПЛЕЧЕВОМ ИНТЕРФЕРОМЕТРЕ ПРИ ФОРМИРОВАНИИ ОКТ-СИГНАЛА.

2.1 Флуктуации интерференционного сигнала в теоретической модели узкополосного стационарного процесса с гауссовой статистикой.

2.2 Экспериментальное измерение флуктуаций интенсивности и фазы суперлюминесцентного источника в коррелометре на базе интерферометра Маха-Цандера.

ГЛАВА 3 РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ВЫСОКОТОЧНОГО

УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ В МЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ С НИЗКОЧАСТОТНЫМ РЕЗОНАНСОМ В ЗАДАЧАХ НИЗКОКОГЕРЕНТНОЙ

ИНТЕРФЕРОМЕТРИИ.

3.1 Реализация согласованного динамического конфокального приема в методе оптической когерентной микроскопии с целью повышения чувствительности и пространственного разрешения.

3.2. Электромеханический модулятор разности длин плеч интерферометра с обратной связью по скорости движения.

ГЛАВА 4 КОМПЬЮТЕРНАЯ ОПТИЧЕСКАЯ ГОЛОГРАФИЯ (КОГ)

4.1 Возможность преодоления ограничения пространственного разрешения в методе ОКТ за счет голографического принципа записи сигнала. Недостатки традиционных методов ОКТ.

4.2 Принципы метода КОГ.

4.3 Реализация метода компьютерной оптической голографии в экспериментальной установке.

4.4 Обсуждение результатов эксперимента по компьютерной оптической голографии. Преимущества метода КОГ.

РЕЗУЛЬТАТЫ ПО ГЛАВЕ 4:.

Введение диссертация по физике, на тему "Методы увеличения чувствительности и улучшения разрешения в задачах оптической когерентной томографии"

Актуальность темы исследований

Спектр радиофизических задач и проблем в области низкокогерентной интерферометрии, в последнее время значительно расширился. Активность исследователей в этой области резко возросла в связи с созданием оптической когерентной томографии (ОКТ) - нового, неинвазивного метода построения изображения внутренней структуры биоткани, оптически мутной среды, с высоким пространственным разрешением (1 - 10 мкм) [1-6]. Для ОКТ-диагностики используется низкокогерентное излучение ИК-диапазона (в так называемом "терапевтическом окне прозрачности" 800-1300 нм) с относительной шириной спектра оптического излучения 0,05-0,1. В этом диапазоне ослабление света происходит в основном из-за процессов рассеяния при существенно меньшем влиянии поглощения. Нижняя по длине волны граница окна прозрачности обусловлена сильным поглощением крови, верхняя граница - поглощением воды. Использование излучения этого диапазона позволяет достичь наибольших глубин проникновения в среде, поскольку транспортная длина баллистических фотонов в среде составляет 150-300 мкм. Изображение, однако, можно получать с глубины, не превышающей 1-2 мм, в пределах которой удается выделить баллистические фотоны на фоне изотропного рассеяния. Полезный сигнал в схемах ОКТ формируется в результате интерференции двух оптических лучей - опорного излучения и баллистической компоненты рассеянной объектом зондирующей волны. В корреляционном варианте, с появлением которого стартовал метод ОКТ, интерференционный сигнал не равен нулю, если только разность плеч интерферометра не превышает длины когерентности зондирующего излучения. Это, позволяет производить локацию внутренних оптических неоднородностей объекта за счет выделения рассеянного света с определенной групповой задержкой и отсекать фоновую засветку, определяемую многократным рассеянием. В корреляционном, а также в появившихся позднее альтернативных (спектральных) методах ОКТ большие усилия направляются на увеличение чувствительности, улучшение пространственного разрешения, а также на улучшение методов пространственного сканирования. Целью таких исследований в конечном итоге является повышение информативности методов ОКТ.

Неинвазивность метода ОКТ при исследовании биологических объектов обусловливает, в частности, ограничение мощности зондирующего излучения, поэтому расширение динамического диапазона приема возможно за счет снижения флуктуационного предела приема сигнала. В оптических схемах с шумовым источником излучения при рассмотрении предельной чувствительности при фотодетектировании в дополнение к дробовым флуктуациям в составе волновой компоненты [79] играют роль избыточные флуктуации интенсивности, обусловленные биениями спектральных компонент [10, 11]. Возможность детектирования таких компонент в оптике была предсказана в работах [12, 13], которые затем были обнаружены и исследованы в работе [14]. При появлении полупроводниковых источников шумового ИК излучения с высокой спектральной яркостью при относительных ширинах спектров, равных 0,05-0,1, эти флуктуации становятся доминирующими [15-17]. В ряде случаев при этом необходимо учитывать влияние на предельную чувствительность также и флуктуаций фазы, которые проявляются в интерференционной части сигнала [18]. Еще больший вклад флуктуаций шумовой фазы во флуктуационный предел измерений имеет место в новых спектральных методах ОКТ, в которых анализ интерференции производится последовательно в отдельных частях оптического спектра низкокогерентного шумового излучения [19]. Рассмотрение вклада флуктуаций интерференционной части в полный шум после квадратичного детектирования низкокогерентного излучения является отдельной, актуальной задачей радиофизики.

Увеличение динамического диапазона приема рассеянных назад волн в корреляционном методе ОКТ возможно, также, за счет сужения полосы регистрации радиосигнала на нагрузке фотоприемника [1]. В корреляционном методе такой узкополосный прием осуществляется на частоте доплеровского сдвига, который создается между оптическими частотами сигнальной и опорной волн при изменении разности длин плеч интерферометра с постоянной скоростью. Поскольку при этом относительная ширина радиочастотного спектра, как и оптического, составляет несколько процентов, то для узкополосного приема без федингов требуется поддержание скорости движения зеркала, а, следовательно, и доплеровского сдвига, с большой точностью (около десятых долей процента). При периодическом (например, триангулярном) законе сигнала управления положением зеркала в опорном плече скорость его движения может отклоняться от постоянного значения под действием механических и электрических резонансов в системе. Очевидно, что для устранения федингов при продольном сканировании необходима разработка методов поддержания скорости с соответствующей высокой точностью в максимально большей части периода модуляции. Эта задача актуальна при создании как экспериментальных, так и практических задач низкокогерентной интерферометрии.

Задача точного управления законом движения механических тел, например, линзы выходного объектива, возникает также при использовании в ОКТ конфокального принципа, являющегося основой метода конфокальной микроскопии (KMX для повышения чувствительности и пространственного разрешения [20]. В методе КМ облучение образца и прием рассеянного света осуществляется с использованием широкоапертурного объектива, что позволяет реализовать микронное пространственное разрешение. Обратно рассеянное излучение принимается при этом в основном из области острой фокусировки. В методе оптической когерентной микроскопии (ОКМ), объединяющем принципы методов КМ и ОКТ, применяют, так называемый "динамический фокус" [21-23]. При его реализации область острой фокусировки необходимо пространственно совместить с областью когерентного приема и обе синхронно перемещать при аксиальном сканировании. При эффективной реализации пространственно совмещения это позволяет получить соотношение сигнала к шуму в методе ОКМ на 60 дБ выше, чем в методе КМ [20, 24], что, соответственно, приводит к увеличению глубины локации. Таким образом, техника ОКМ объединяет селективные возможности метода ОКТ с микронным продольным разрешением и с ультравысоким пространственным разрешением метода КМ, что позволяет реализовать продольное и поперечное пространственное разрешение микронного уровня до глубин в несколько сотен мирон в высоко рассеивающей среде.

Цель работы.

Прикладной задачей исследований является разработка основ метода КОГ для получения при зондировании объектов в ИК-диапазоне компьютерных объемных изображений, в том числе при биологических и медицинских экспериментальных исследованиях.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. При корреляционном приеме рассеянного излучения шумового источника, при увеличении разности хода между опорной волной и локально рассеянной волной за пределы длины когерентности спектральная плотность " "мощности шума интерференционной составляющей сигнала выходит на стационарный уровень, вдвое меньший, чем при нулевой разности хода.

2. Стабильное доплеровское смещение спектра сигнальной волны относительно опорной может быть реализовано при модуляции разности плеч интерферометра с амплитудой до нескольких тысяч длин волн, несмотря на влияние механических резонансов системы. Стабилизация доплеровского сдвига при этом может быть достигнута за счет управления скоростью движения зеркала с использованием отрицательной обратной связи и радиотехнической коррекции неравномерности амплитудно-частотной характеристики модулятора.

3. Реализация линейного закона движения сканирующей линзы зонда в методе ОКТ за счет коррекции механических резонансов позволяет объединить принципы конфокальной микроскопии и оптической когерентной томографии при приеме рассеянного назад излучения с пространственным разрешением на уровне единиц микрон в области глубин, равной 1-3 длинам свободного пробега в биологической среде, что недоступно по-отдельности каждому из методов.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

4. Впервые было продемонстрировано полноценное 3-х мерное изображение глубинной слоистой структуры объекта с разрешением 10 — 15 мкм на глубину более 1 мм, полученное с помощью мультиволнового цифрового голографического метода записи сигнала с использованием перестраиваемого по длине волны источника ИК-излучения и цифровой реконструкции.

Практическая ценность диссертации состоит в следующем:

3. Реализованы новые принципы визуализации глубинной структуры рассеивающих свет объектов (в том числе и биологических) на основе широкополосной мультиволновой цифровой голографической записи рассеянного сигнала, которые могут .быть применены при создании приборов для визуализации 3-мерного изображения объекта без механического сканирования зондирующим лучом, что открывает новые возможности создания современных средств оптического экспресс-анализа.

Структура диссертации:

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Первая глава является обзорной. В ней рассмотрены методы и принципы традиционной ОКТ, описывает результаты, достигнутые на практике, а также возможности совершенствования методов низкокогерентной интерферометрии.

Заключение диссертации по теме "Радиофизика"

Основные результаты автора опубликованы в работах:

Статьи в реферируемых журналах: 1а. Геликонов В. М., Геликонов Г. В., Гладкова Н. Д., Куранов Р. В., Никулин Н. К., Петрова Г. А., Починко В. В., Правденко К. И., Сергеев А. М., Фельдштейн Ф. И., Ханин Я. И., Шабанов Д. В., Когерентная оптическая томография микронеоднородностей биотканей // Письма в ЖЭТФ, 1995, Т. 61, № 2, с. 149-153.

2а. Гладкова Н. Д., фельдштейн Ф. И., Геликонов В. М., Геликонов Г. В., Сергеев А. М., Ханин Я. И., Починко В. В., Никулин Н. К., Петрова Г. А., Леонов В. И., Правденко К. И., Шабанов Д. В., Оптическая когерентная томография: первые шаги в клинической практике и перспективы применения // Клиническая ревматология, 1996, Т. 1, с. 38-42. За. Шабанов Д.В., Преобразование флуктуаций излучения оптического низкокогерентного источника в двухплечевом интерферометре // Известия вузов. Радиофизика, 2000, Т. 43, № 4, с. 350-356.

5а. Геликонов В.М., Геликонов Г.В., Ксенофонтов С.Ю., Куранов Р В., Морозов А.Н., Мяков A.B., Туркин A.A., Турчин И.В., Шабанов Д.В., Новые подходы к широкополосной волоконно-оптической интерферометрии для оптической когерентной томографии // Известия вузов. Радиофизика, 2003, Т. 46, № 7, с. 610-627.

6а. Shabanov D.V., Gelikonov G.V., Gelikonov V.M., Broadband digital holographic technique of optical coherence tomography for 3-dimensional biotissue visualization // Laser Physics Letters, 2009, V. 6, № 10, p. 753-758.

Доклады:

7a. Sergeev Alexander M., Gelikonov V. M., Gelikonov G. V., Feldchtein Felix. I., Pravdenko К. I., Shabanov D. V., Gladkova Natalia D., Pochinko V. V., Zhegalov V. A., Dmitriev G. L, Vazina I. R., Petrova G. A., Nikulin N. K., In vivo optical coherence tomography of human skin microstructure // Proc SPIE, 1994, V. 2328, p. 144-150.

8a. G.V. Gelikonov, V.M. Gelikonov, R.R. Iksanov, S.Ju.Ksenofontov, A.N. Morosov, D.V. Shabanov. Optical coherence microscope with ultra-broadband PM fiber. // in BiOS. January 2003. Photonics West. p. 87. 9a. Кутис И.С., Кутис С.Д., Кутис Л.С., Шабанов Д.В. Исследование динамики водопоглощения семян, обработанных градиентным магнитным полем методом оптической когерентной томографии и микроскопии // в трудах конференции "Высокоинтенсивные физические факторы в " биологии, медицине, сельском хозяйстве и экологии". 2004. Российский Федеральный ядерный центр. Саров. с. 416-423.

10а. Gelikonov G.V., Gelikonov V.M., Ksenofontov S.U., Morosov A.N., Shabanov D.V. 4 mem resolution imaging of biological tissues using PM fiber optical coherence microscope. // in 13th International Laser Physics Workshop (LPHYS'04). July 12-16 2004. Trieste, Italy. Laser Physics (International Journal), the Abdus Salam ICTP. p. 186.

1 la. Gelikonov G.V., Gelikonov V.M., Ksenofontov S.U., Morozov A.N., Shabanov D.V. PM fiber based optical coherence microscopy. // in Technical Digest of IV Int. Symposium "Modern Problems of Laser Physics". August 2227 2004. Novosibirsk, p. 113.

12a. Dmitry Shabanov, Grigory Gelikonov, Valentin Gelikonov. Broadband 3D Digital Holography of Scattered Objects. // in European Conferences on Biomedical Optics (ECBO). 14-18 June 2009. Munich, Germany. 13a. Dmitry Shabanov, Grigory Gelikonov, Valentin Gelikonov. Broadband Digital Holography for 3D OCT imaging of Scattered Objects. // in П International symposium "Topical problems of biophotonics". июль, 19-24 2009. Нижний Новгород - Самара - Нижний Новгород (Россия).

14a. Dmitry Shabanov, Grigory Gelikonov, Valentin Gelikonov, Alexander Moiseev. Broadband 3D Digital Holography for depth structure visualization. // in Biomedical Optics and 3-D Imaging Congress. April 11-14 2010. Miami, Florida, USA.

Главы в монографиях:

15a. Gelikonov G. V., Gelikonov V. M., Ksenofontov S. U., Morozov A. N., Myakov A. V., Potapov Y. P., Saposhnikova V. V., Sergeeva E. A., Shabanov D. V., Shakhova N. M., Zagainova E. V., Compact optical coherence microscope, in Handbook of Coherent Domain Optical Methods: Biomedical Diagnostics, Environmental and Material Science, Ed. by Tuchin V.V., 2004, V. 2, Kluwer Academic Publishers: Dordrecht.P. 345-362.

Патенты:

17a. Д.В. Шабанов, В.М.Геликонов, Г.В.Геликонов

ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЙ МОДУЛЯТОР РАЗНОСТИ ДЛИН ПЛЕЧ ИНТЕРФЕРОМЕТРА, патент № 2261464, зарегистрирован 27 сентября 2005 г.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Шабанов, Дмитрий Владимирович, Нижний Новгород

1. A. E. Swanson, D. Huang, M. R. Нее, J. G. Fujimoto, S.P. Lin, C. A. Puliafito, High speed optical coherence domain reflectometry. // Opt. Lett, 1992, V. 17, p. 151-153.

2. A. F. Fercher, Optical coherence tomography // J. Biomedical Opt., 1996, V. 1, № 2, p. 157-173.

3. J. G. Fujimoto, Optical Coherence Tomography, in Encyclopedia of Optical Engineering, 2003, Marcel Dekker, Inc.: New York. P. 15941612.

4. B.Г. Левич, Введение в статистическую физику. 1954, Москва: Государственное издательство технико-теоретической литературы. 528 с.

5. Mandel, Fluctuations of light beams, in Progress in Optics, Wolf E., 1963, V. 11, North-Hall. Publ.Corp.: Amsterdam. P. 183-250

6. C.A. Ахманов, Ю.Е. Дьяков, A.C. Чиркин, Введение в статистическую радиофизику и оптику. 1981, Москва: Москва: Наука. 640 с. .

7. И.Л. Берштейн, Детектирование сплошного спектра // ЖТФ, 1941, Т. 11, №4, с. 302-304.

8. В. И. Бунимович, Флюктуационный процесс как колебание со случайными амплитудой и фазой // ЖТФ, 1949, Т. XIX, № 11.

9. Г.С. Горелик, О демодуляционном анализе света // Успехи физических наук, 1947, Т. 34, № 3, с. 321-333.

10. Г. Горелик, О возможности малоинерционного фотометрирования и демодуляционного анализа света // Докл. АН СССР, 1947, Т. 58, № 1, с. 45-47.

11. А.Т. Forrester, R.A. Gudmundsen, P.O. Johnson, Photoelectric Mixing of Incoherent Light // Phys. Rev., 1955, V. 99, № 6, p. 1691-1700.

12. A. Yurek, H. Taylor, L. Goldberg, J. Weller, A. Dandridge, Quantum noise in Superluminescent diodes // IEEE J. Quantum Electron., 1986, V. 22, №522-527.

13. И.А. Андронова, И.JI. Берштейн, Некоторые особенности работы волоконного кольцевого интерферометра // Известия вузов. Радиофизика, 1989, Т. 32, № 4, с. 426-435.

14. W. V. Sorin, D. М. Baney, A Simple Intensity Noise-Reduction Technique for Optical Low-Coherence Reflectometry // IEEE Photonics Technology Letters, 1992, V. 4, № 12, p. 1404-1406.

15. K. Takada, Noise in Optical Low-Coherence Reflectometry // IEEE Journal of Quantum Electronics, 1998, V. 34, № 7, p. 1098-1108.

16. W. Drexler, J.G. Fujimoto, Optical Coherence Tomography Technology and Applications. Biological and Medical Physics, Biomedical Engineering. 2008: Springer. 1357 p.

17. J. A. Izatt, M. D. Kulkami, Wang Hsing-Wen, K. Kobayashi, M. V. Sivak, Optical coherence tomography and microscopy in gastrointestinal tissues // IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 1996, V. 2, №4, p. 1017-1028.

18. F. Lexer, С. K. Hitzenberger, W. Drexler, S. Molebny, H. Sattmann, M. Sticker, A. F. Fercher, Dynamic coherent focus OCT with depthindependent transversal resolution // Journal of Modern Optics, 1999, V. 46, №3, p. 541-53.

19. A. Baumgartner, С. K. Hitzenberger, H. Sattmann, W. Dresler, A. F. Fercher, Signal and resolution enhancements in dual beam optical coherence tomography of the human eye // Journal of Biomedical Optics, 1998, V. 3, № 1, p. 45-54.

20. J. A. Izatt, M. R. Нее, G. M. Owen, E. A. Swanson, J. G. Fujimoto, Optical coherence microscopy in scattering media // Optics Letters, 1994, V. 19, № 8, p. 590-592.

21. С.И. Боровицкий, Г.С. Горелик, Гетеродинарование света, in Успехи физических наук. 1956. р. 543-552.

22. Э. И. Алексеев, Е. Н. Базаров, В. Г. Израелян, Влияние статистики излучения на чувствительность кольцевого интерферометра // Квантовая электроника, 1987, Т. 14, № 1.

23. G.L. Abbas, V.W.S. Chan, Т.К. Yee, Local-oscillator escess-noise suppression for homodyne and heterodyne detection // Optics Letters, 1983, V. 8, №8, p. 419-421.

24. W.K. Burns, R.P. Moeller, A. Dandridge, Excess noise in Fiber Gyroscope Sources // IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, 1990, V. 2, №8, p. 606-608.

25. F.I. Feldchtein, J. Bush, G.V. Gelikonov, V.M. Gelikonov, S. Piyevsky. Cost effective, all-fiber autocorrelator based 1300 nm OCT system. // in Photonics West. 2005. San Jose, California, USA. SPIE. p. 349-355.

26. V. M. Gelikonov, G. V. Gelikonov, New approach to cross-polarized optical coherence tomography based on orthogonal arbitrarily polarized modes // Laser Physics Letters, 2006, V. 3, № 9, p. 445-451.

27. U. Sharma, N. M. Fried, J. U. Kang, All-fiber common-path optical coherence tomography: Sensitivity optimization and system analysis // IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 2005, V. 11, № 4, p. 799-805.

28. K. Takada, A. Himeiio, K. Yukimatsu, Phase-Noise and Shot-Noise Limited Operations of Low Coherence Optical-Time Domain Reflectometry // Applied Physics Letters, 1991, V. 59, № 20, p. 24832485.

29. W. Drexler, U. Morgner, F.X. Kartner, C. Pitris, S.A. Boppart, X.D. LI, E.P. Ippen, J.G. Fujimoto, In Vivo Ultrahigh Resolution Optical Coherence Tomography // Optics Letters, 1999, V. 24, p. 1221-1223.

30. A. M. Kowalevicz, Т. Ко, I. Hartl, J. G. Fujimoto, M. Pollnau, R. P. Salathe, Ultrahigh resolution optical coherence tomography using a superluminescent light source // Optics Express, 2002, V. 10, № 7, p. 349353. .

31. J.M. Schmitt, S.L. Lee, К. M. Yung, An optical coherence microscope with enhanced resolving power in thick tissue // Optics Communications, 1997, V. 142, p. 203-207.

32. A. Knuttel, M. Boehlau-Godau, Spatially confined and temporally resolved refractive index and scattering evaluation in human skin performed with optical coherence tomography // Journal of Biomedical Optics, 2000, V. 5, № 1, p. 83-92.

33. G.V. Gelikonov, V.M. Gelikonov, R.R. Iksanov, S Ju. Ksenofontov, A.N. Morosov, S.V. Shabanov. Optical coherence microscope with ultra-broadband PM fiber. // in BiOS. January 2003. Photonics West. p. 87.

34. B.M. Геликонов, Г.В. Геликонов, С.Ю. Ксенофонтов, P.B. Куранов, А.Н. Морозов, А.В. Мяков, А. А. Туркин, И.В. Тур чин, Д. В.

35. Шабанов, Новые подходы к широкополосной волоконно-оптической интерферометрии для оптической когерентной томографии // Известия вузов. Радиофизика, 2003, Т. 46, № 7, с. 610-627.

36. G.V. Gelikonov, V.M. Gelikonov, S.U. Ksenofontov, A.N. Morozov, D.V. Shabanov. PM fiber based optical coherence microscopy. // in Technical Digest of TV Int. Symposium "Modern Problems of Laser Physics". August 22-27 2004. Novosibirsk, p. 113.

37. В. M. Геликонов, Г. В. Геликонов, Н. Д. Гладкова, В. И. Леонов, Ф. И. Фельдштейн, А. М. Сергеев, Оптоволоконный интерферометр и оптоволоконный пьезоэлектрический преобразователь. 1997, Патент РФ №2100787.

38. И.В. Княжеченко, A.M. Мамедов, А.А. Соколовский, Модулятор разности хода двух оптических пучков. 1990, Авторское свидетельство SU 1569789 А1.

39. N. Delachenal, R. Gianotti, R. Walti, H. Limberger, R. P. Salathe, Constant high-speed optical low-coherence reflectometry over 0.12 m scan range // Electron Lett., 1997, V. 33, p. 2059-2061.

40. A. G. Podoleanu, L. I. Plesea, Bistable behaviour in wavelength of a tunable optical waveguide directional coupler filter with electronic feedback // International Journal of Optoelectronics, 1992, V. 7, № 4, p. 533-46. .

41. B.M. Геликонов, P. В. Куранов, A.H. Морозов, Корреляционно-временной анализ распространения низкокогерентного излучения в оптическом тракте с дефектами анизотропии // Квант.электроника, 2002, Т. 32, с. 59-66.

42. D Gabor, A new microscopic principle // Nature, 1948, V. 161, p. 777778.

43. Э. Лейт, Ю. Упатниекс, Фотографирование с помощью лазера // Успехи физических наук, 1965, Т. 11, с. 521-538.

44. Ю.Н. Денисюк, Об отображении оптических свойств объекта в волновом поле рассеянного им излучения // Оптика и спектроскопия, 1962, Т. 15, с. 523-532

45. U. Schnars, W Juptner, Direct recording of holograms by a CCD-target and numerical reconstruction // Appl. Opt., 1994, V. 33, p. 179-181.

46. K. Kim Myung, Principles and techniques of digital holographic microscopy// SPIE Reviews, 2010.

47. Ichirou Yamaguchi, Jun-ichi Kato, Sohgo Ohta, Jun Mizuno, Image formation in phase-shifting digital holography and applications to microscopy // APPLIED OPTICS, 2001, V. 40, № 34, p. 6177-6186.

48. T. Zhang, I. Yamaguchi, Three-dimentional microscopy with phase-shifting digital holography // Optics Letters, 1998, V. 23, № 15, p. 12211223.

49. Ichirou Yamaguchi, Tatsuki Matsumura, Jun-ichi Kato, Phase-shifting color digital holography // OPTICS LETTERS, 2002, V. 27, № 13, p. 1108-1110.

50. A. Barty, K. A. Nugent, D. Paganin, A. Roberts, Quantitative opticalIphase microscopy // Optics Letters, 1998, V. 23, № 11, p. 817-819

51. Etienne Cuche, Frédéric Bevilacqua, Christian Depeursinge, Digital holography for quantitative phase-contrast imaging // Optics Letters, 1999, V. 24, № 5, p. 291-293

52. Lei Xu, Xiaoyiian Peng, Jianmin Miao, Anand K. Asundi, Studies of Digital Microscopic Holography with Applications to Microstructiire Testing // Applied Optics, 2001, V. 40, № 28, p. 5046-5051

53. G. Pedrini, H. J. Tiziani, Quantitative evaluation of two-dimensional dynamic deformations using digital holography // Optics & Laser Technology, 1997, V. 29, № 5, p. 249-256

54. Pascal Picart, Julien Leval, Denis Mounier, Samuel Gougeon, Some opportunities for vibration analysis with time averaging in digital Fresnel holography // Applied Optics, 2005, V. 44, № 3, p. 337-343

55. M.K. Kim, Wavelength-scanning digital interference holography for optical section imaging // Optics Letters, 1999, V. 24, № 23, p. 16931695.

56. L. Yu, M.K. Kim, Wavelength-scanning digital interference holography for tomographic three-dimensional imaging by use of the angular spectrum method // Optics Letters, 2005, V. 30, № 16, p. 2092-2094.

57. B.M. Геликонов, Г.В, Геликонов, Ф.И. Фельдштейн, Двухволновая оптическая когерентная томография // Известия вузов. Радиофизика, 2004, Т. 47, № 10 11, с. 943-956.

58. Г.В. Войшвилло, Усилительные устройства. 1975, Москва: «Радио и связь». 384 с.

59. Д.В. Шабанов, В.М. Геликонов, Г.В. Геликонов, Электромеханический модулятор разности длин плеч интерферометра. 2005, Патент РФ № 2261464.

60. A. F. Fercher, С. К. Hitzenberger, G. Kamp, S. Y. Elzaiat, Measurement of Intraocular Distances by Backscattering Spectral Interferometry // Optics Communications, 1995, V. 117, № 1-2, p. 43-48.

61. T. Wilson, Confocal Microscopy, ed. Wilson T. 1990, London: San Diego: Academic Press. 426 p.

62. E. Gotzinger, М. Pircher, R. A. Leitgeb, С. К. Hitzenberger, High speed full range complex spectral domain optical coherence tomography // Optics Express, 2005, V. 13, № 2, p. 583-594.

63. J. Ai, L. V. Wang, Synchronous self-elimination of autocorrelation interference in Fourier-domain optical coherence tomography // Opt Lett, 2005, Y. 30, № 21, p. 2939-41.

64. B.M. Геликонов, И.В. Касаткина, П.А. Шилягин, Подавление артефактов в изображении в спектральном методе оптической когерентной томографии // Изв. вузов "Радиофизика", 2009, V. 52, № И, р. 897-909.

65. С. J. Koester, Handbook of Biological Confocal Microscopy, ed. Powley J.B. 1990, New York: Plenum. 232 p.

66. F. Montfort, T. Colomb, F. Charriere, J. Kühn, P. Marquet, E. Cuche, S. Herminjard, C. Depeursinge, Submicrometer optical tomography by multiple-wavelength digital holographic microscopy // APPLIED OPTICS, 2006, V. 45, № 32, p. 8209-8217,

67. G. Georgiou, A.C. Boucouvalas, Low-loss single-mode optical couplers // IEE Proceedings Microwaves, Antennas and Propagation, 1985, V. 132, Pt. J, № 5, p. 297-302.

68. R. Zengerle, O. Leminger, Tunable wavelength-selective asymmetrical single-mode fibre directional couplers with an intermediate layer // Optical and Quantum Electronics, 1986, V. 18, № 5, p. 365-373.

69. AMPLIFIER PUMP COUPLERS, Product Data 904 WDM: Canadian Instrumentation and Research Limited.

70. А. Снайдер^ Дж. Лав, Теория оптических волноводов. 1987, Москва: М.: Радио и связь. 656 с.

71. K.P. Jedrzejewski, F. Martinez, J.D. Minelly, C.D. Hussey, F.P. Payne, Tapered-beam expander for single-mode optical fiber gap devices // ELECTRONICS LETTERS, 1986, V. 22, № 2, p. 105-106.