Оптимизация приема и обработки сигнала в методе спектральной оптической когерентной томографии

• Автор: Шилягин, Павел Андреевич
• Шифр специальности: 01.04.03
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2009
• Место защиты: Нижний Новгород
• Количество страниц: 93 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. СПЕКТРАЛЬНАЯ ОПТИЧЕСКАЯ КОГЕРЕНТНАЯ ТОМОГРАФИЯ (ПО
ЛИТЕРАТУРЕ)
1.1. Оптическая когерентная томография
1.2. Спектральная ОКТ Ц
1.3. Преимущества спектрального метода ОКТ
1.4. Эквидистантность спектральных компонент
1.5. Артефакты в изображении спектральной ОКТ
1.6. Заключение
ГЛАВА 2. ОПТИМИЗАЦИЯ ШУМОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ОКТ С ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ
РЕГИСТРАЦИЕЙ СПЕКТРА НА БАЗЕ ИНТЕРФЕРОМЕТРА ФИЗО
2.1. Принцип работы оптической схемы
2.2. Анализ шумов спектральной ОКТ
2.3. Оптимизация шумовых характеристик спектральной ОКТ в схеме с
использованием интерферометров Физо и Майкелъсона и параллельной регистрацией спектральных компонент спектра интерференции
2.4. Заключение
ГЛАВА 3. ЛИНЕЙНЫЙ ПО ОПТИЧЕСКОЙ ЧАСТОТЕ СПЕКТРОМЕТР
3.1. Характеристика неэквидистантности спектрометра
3.2. Цифровые методы эквидистантного по частоте отображения оптического
спектра
3.3. Оптический метод эквидистантного по частите отображения оптического
спектра
3.3.1. Использование призмы
3.3.2. Альтернативные методы
3.4. Экспериментальная апробация
3.5. Заключение
ГЛАВА 4, КОМПЕНСАЦИЯ КОГЕРЕНТНЫХ ПОМЕХ
4.1. Постановка проблемы
4.2. Выделение когерентных помех за одно измерение
4.3. Экспериментальная апробация
4.4. Заключение
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА

ВВЕДЕНИЕ
Интерферометрия низкокогерентного излучения в последнее время является одним из быстро развивающихся направлений современной оптики в связи с созданием оптической когерентной томографии (ОКТ) - нового метода построения изображения внутренней структуры оптически мутных сред [1-4]. Излучения таких источников как фемтосекундные лазеры, полупроводниковые суперлюминесцентные диоды и т.п., имеют длительность цуга всего в несколько длин волн, что позволяет реализовать продольное разрешение на уровне единиц микрон. Благодаря высокой поперечной пространственной когерентности излучение квантовых широкополосных источников света, в отличие от тепловых источников, может эффективно использоваться в интерферометрии с применением оптических одномодовых волноводов [5].
Первоначально эти возможности были реализованы при создании нового направления низкокогерентной интерферометрии - рефлектометрии, с помощью которой исследовалось рассеяние низкокогерентного света с исходно высокой поперечной когерентностью и с высокой продольной пространственной (временной) селективностью в элементах волоконной оптики [6-11]. Дальнейшее развитие низкокогерентной-интерферометрии стимулировано появлением актуального приложения - оптической когерентной томографии (ОКТ) [1] [2-4, 12, 13]. Это новый метод, который позволяет получать изображения рассеивающей внутренней структуры оптически неоднородных мутных сред, в том числе и биологических тканей, в ближнем ИК диапазоне спектра с разрешением 10-20 мкм, разрабатывается с целью неинвазивной медицинской диагностики. Отметим, что аспекты медицинской диагностики с применением волоконно-оптической техники, а также волоконные способы доставки оптического излучения к биообъектам получили широкое освещение в литературе [14-16]. Одним из принципов построения изображений, называемом корреляционным (йте-ботат), является селекция слабого сигнала баллистической компоненты рассеянной назад зондирующей волны на фоне мощной засветки, вызванной сильно рассеянным средой излучением [16, 17]. Ввиду очень большой скорости света временная селекция на дистанциях миллиметрового масштаба невозможна радиотехническими методами, поэтому селекция рассеянного сигнала осуществляется с помощью интерференции. Низкокогерентный свет вводится в интерферометр Майкельсона, имеющий сигнальное и опорное плечо. Рассеянный свет принимается сигнальным плечом, и его задержка'определяется при наличии интерференции измерением соответствующей длины опорного плеча. Метод этого измерения основан на том факте, что сигнал интерференции возникает, только если разность фазовых задержек между волнами сигнального и опорного плеч не пре-
вышает длины когерентности источника. Последовательный поточечный прием при изменении длины опорного плеча с постоянной скоростью образует сигнал в так называемом «А-скане», который соответствует функции рассеяния в глубину. Следует отметить, что оптические частоты в плечах интерферометра сдвинуты на частоту доплеровского сдвига, и это позволяет осуществлять узкополосный прием сигнала. Двухразмерное плоское (2Т>) изображение строится в виде серии соседних продольных сканов [1].
Спектральная оптическая когерентная томография, впервые описанная в [18], потенциально позволяет существенно повысить быстродействие системы ОКТ [19] за счет более полного использования рассеянной объектом мощности излучения. Ввиду узости отдельно принимаемой спектральной компоненты с опорной волной интерферирует все излучение, рассеянное объектом в обратном направлении. При осуществлении обратного преобразования Фурье, связывающего спектр интерференции и координатную функцию рассеяния объекта [20], кросс-корреляционные компоненты модуляции спектра интерференции складываются когерентно, в то время как шумовые компоненты - некогерентно [21, 22]. Это потенциально позволяет увеличить динамический диапазон системы за счет увеличения числа отдельно принимаемых спектральных компонент.
Среди методов спектральной ОКТ выделяют два основных направления [18], различающихся способом регистрации спектра интерференции; В первом случае: регистрация оптического спектра осуществляется с помощью спектрометра, раскладывающего излучение на отдельные спектральные компоненты, которые затем регистрируются отдельными фотоэлементами. Современные технологии позволяют объединять такие фотоэлементы в линейные и прямоугольные массивы, что дает возможность создания компактных приборов. В другом случае отдельные спектральные компоненты регистрируются одним и тем же фотоприемником, но в различные моменты времени, что достигается за счет использования непрерывно перестраиваемого по оптической частоте в широкой полосе лазерного источника.
Тем не менее, в спектральной ОКТ, и, в частности; в методике, использующей параллельную регистрацию спектральных компонент, возникает ряд специфических трудностей и дополнительных ограничений.
К их числу относится сложность организации балансного приема излучения в системе с параллельной регистрацией, спектра, поскольку балансный прием подразумевает одновременную регистрацию интерферирующего излучения двумя фото приемниками, интерференционный сигнал на которых при этом выделяется в противофазе. В случае спектрального приема излучения это означает необходимость очень тонкой (с точностью в доли длины волны) настройки спектрометров для двух независимых световых пучков.

Особый интерес представляет анализ поведения отдельных шумовых компонент относительно уровня модуляции спектра полезным сигналом. Используя (2.14) и (2.16), нетрудно показать, что отношение полезного сигнала и избыточного шума пропорционально корню из времени экспозиции (обратно пропорционально эффективной полосе приема). В то же время отношение уровня модуляции спектра полезным сигналом (2.14) к уровню модуляции дробовым шумом (2.15) зависит только от числа принимаемых фотонов (поскольку щ пропорционально числу принятых фотонов). Таким образом, при увеличении времени экспозиции с одновременным пропорциональным уменьшением зондирующей мощности излучения (при постоянном числе регистрируемых за время экспозиции фотонов) можно достичь режима, в котором уровень избыточного шума биения спектральных компонент оказывается ниже уровня дробовых шумов. Таким образом, существует режим работы параллельной спектральной ОКТ, в котором отношение величины полезного сигнала к величине суммарного шума системы определяется уровнем дробовых шумов. Дальнейшее расширение динамического диапазона за-счет увеличения числа принимаемых фотонов (соответствующего уменьшения относительного уровня дробового шума) при использовании ПЗС-линейки имеет техническое ограничение, обусловленное конечностью емкости фотоэлемента и, как следствие, ограниченностью зоны линейной конверсии световой интенсивности в напряжение. Согласно (2.15) и (2.16), можно получить выражение для времени экспозиции тор/, при котором уровень избыточных шумов оказывается ниже дробовых во всем диапазоне допустимых значений заряда емкости фотоэлемента:
х°'1=£&=тедГим (2,19)
где <2ш< и ишГ- соответственно насыщающий заряд и напряжение насыщения на отдельном фотоэлементе ПЗС-линейки. Очевидно, что с уменьшением времени экспозиции при сохранении величины заряда на емкости фотоэлемента за счет увеличения падающей световой мощности суммарный шум системы будет расти, ухудшая характеристики системы. Увеличение же времени экспозиции не имеет смысла, поскольку увеличения динамического диапазона при этом не происходит, а скорость регистрации отдельной строки ОКТ-изображения падает.
В отличие от схемы, базирующейся на интерферометре Майкельсона, в системе спектральной ОКТ на базе интерферометра Физо нет возможности свободно менять величину опорной волны, что могло бы позволить увеличить динамический диапазон системы за