Введение к работе
Актуальность темы.
Интерферометрия низкокогерентного излучения в последнее время является одним из быстро развивающихся направлений современной оптики в связи с созданием нового метода построения изображения внутренней структуры оптически мутных сред - оптической когерентной томографии (ОКТ) [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].
Эти возможности были реализованы при создании нового направления низкокогерентной интерферометрии - оптической когерентной томографии (ОКТ) [1] [2-4, 6, 7]. 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 неинвазив-ной 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 [8,9].
Спектральная оптическая когерентная томография, впервые описанная в [10], потенциально позволяет существенно повысить быстродействие системы ОКТ [11] 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 [12], кросс-корреляционные компоненты модуляции спектра складываются когерентно, в то время как шумовые компоненты - некогерентно [13, 14]. Это потенциально позволяет увеличить динамический диапазон системы за счет увеличения числа отдельно принимаемых спектральных компонент.
Однако, в спектральной ОКТ, и, в частности, в методике, использующей параллельную регистрацию спектральных компонент, возникает ряд специфических трудностей и дополнительных ограничений.
К их числу относится требование приема избыточно большого числа спектральных компонент в случае интерференции двух пучков с разностью
хода, значительно превышающей глубину наблюдения объекта. В частности, это имеет место при использовании интерферометра Физо в волоконных эндоскопических зондах [15]. Необходимое увеличение числа регистрируемых спектральных отсчетов при этом пропорционально увеличению длины базы интерферометра. Это ограничение можно обойти при использовании тандемной двухинтерферометрической схемы [15-17], что, однако, делает невозможным балансный прием интерферирующего излучения. В свою очередь, из-за ограниченности диапазона чувствительности фотоприемного элемента, это приводит к необходимости оптимизации временных характеристик спектральной ОКТ с точки зрения улучшения отношения сигнал/шум.
В числе других причин, существенно ограничивающих быстродействие спектральной ОКТ, а также обусловливающих потерю информации вблизи предельных глубин в изображении, обусловленных числом отдельно принимаемых спектральных компонент при фиксированной полной оптической полосе приема [18], относят сложность организации эквидистантного приема спектральных компонент. Как правило, при восстановлении изображения в спектральной ОКТ используются методы передискретизации принятого сигнала [19] или методы неэквидистантного преобразования Фурье [20]. Это, однако, не обеспечивает необходимой точности восстановления сигнала на предельных глубинах и существенно увеличивает вычислительные затраты на обработку изображений.
Еще одной трудностью, сугубо специфичной для спектральной ОКТ, является наличие в регистрируемом спектре модуляции, не зависящей от длины базы интерферометра, и связанной с паразитными переотражениями в оптическом тракте и взаимной интерференцией между отдельными рассеянными компонентами. При спектральной обработке эта модуляция преобразуется в паразитные элементы изображения - артефакты, искажающие изображение вплоть до полной потери контраста [21-23]. Предлагаемые методы борьбы с когерентными помехами, оказываются уязвимыми по отношению к внутренним движениям в объекте, поскольку построены на учете определенных фазовых соотношений между интерферирующими волнами, которые могут нарушаться при рассеянии на подвижных неоднородно-стях.
Цель работы.
Целью работы является совершенствование принципов и методов получения и обработки изображений в спектральном методе оптической когерентной томографии.
Конечной прикладной задачей исследований является преодоление основных ограничений, присущих методу спектральной ОКТ, что открывает возможность создания компактных приборов для получения ОКТ изображений в клинических условиях.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
Впервые произведена оптимизация временных характеристик системы спектральной оптической когерентной томографии, использующей тан-демную схему из двух последовательных интерферометров: измерительного - Физо и компенсирующего - Майкельсона.
Впервые реализована в спектральной оптической когерентной томографии система эквидистантного приема спектральных компонент; Усовершенствован метод повышения эквидистантности спектральных отсчетов по частоте в оптическом спектрометре.
Впервые рассмотрены варианты корректирующих элементов в спектрометре на дифракционной решетке, на основе призмы, толстой линзы, дифракционной решетки, позволяющих реализовать эквидистантную по оптической частоте регистрацию спектра широкополосного оптического излучения.
Впервые предложен и осуществлен метод вьщеления и компенсации когерентных помех в спектральной оптической когерентной томографии, основанный на интегрировании интенсивности интерференции в течение экспозиции на фотоприемнике при дополнительной модуляции фазы интерференции. Показана высокая устойчивость этого метода к влиянию внутренних движений в объекте.
Практическая ценность диссертации состоит в следующем:
Разработан спектрометр с реализованной возможностью эквидистантной по оптической частоте регистрации спектральных компонент, который может быть использован как для задач спектральной оптической когерентной томографии, так и для других задач, в которых подобная эквидистантность имеет существенное значение.
Разработан метод компенсации когерентных помех в изображении спектральной оптической когерентной томографии, устойчивый к влиянию внутренних движений в объекте.
Разработаны методы совершенствования спектральной оптической когерентной томографии, которые могут быть применены при создании прибора, производящего прием и визуализацию изображений живого организма в режиме реального времени.
На защиту выносятся следующие основные положения:
В оптической когерентной томографии с параллельной регистрацией спектральных компонент интерферирующего широкополосного излучения, при использовании фотоприемных устройств с накоплением заряда увеличение быстродействия за счет сокращения времени экспозиции возможно только до предела, при котором возрастающий вклад избыточных шумов биений спектральных компонент сравнивается с уровнем дробового шума.
Спектральные компоненты широкополосного излучения, анализируемые в спектрометре на дифракционной решетке, могут быть зарегистрированы эквидистантно по оптической частоте массивом эквидистантно
расположенных фотоприемников при использовании дополнительных компенсирующих оптических элементов.
В ряду возможных оптических элементов, компенсирующих частотную неэквидистантность спектрометра на дифракционной решетке (призма, толстая линза, дифракционная решетка), лучшим по уровню компенсации и минимального влияния на дисперсию является оптическая призма.
Компенсация когерентных помех в отдельной строке изображения в методе спектральной ОКТ может быть осуществлена за счет их предварительного вьщеления при определенной модуляции взаимной задержки сигнальной и опорной волн в течение времени дополнительной экспозиции. Возникающие при этом дополнительные искажения, обусловленные движениями в объекте, могут быть минимизированы путем кратного увеличения частоты модуляции.
Апробация работы. Изложенные в диссертации результаты обсуждались на семинарах в Институте прикладной физики РАН и докладывались на российских и международных физических конференциях:
X научная конференция по радиофизике (2006, Нижний Новгород, ННГУ),
XI научная конференция по радиофизике (2007, Нижний Новгород, ННГУ),
XII научная конференция по радиофизике (2008, Нижний Новгород, ННГУ),
XIII научная конференция по радиофизике (2009, Нижний Новгород,
ННГУ),
XI Всероссийская школа-семинар «Физика и применение микроволн» (2007,
Звенигород Московская область),
SFM'07 (2007, Саратов), SFM'08 (2008, Саратов), SFM'09 (2009, Саратов),
Photonics West'08 (2008, San Jose, California, USA),
LPHYS'08 (2008, Trondheim, Norway),
TPB09 (2009, Нижний Новгород - Самара - Нижний Новгород).
КООС'09 (2009, Казань).
По теме диссертации опубликовано 18 работ, из которых 3 статьи в реферируемых научных журналах, 1 препринт и 14 публикаций в сборниках трудов и тезисов докладов конференций.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Объем диссертации составляет 93 страницы, 33 рисунка и список литературы, состоящий из 108 источников.
