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研究人员首次实现了米级光学相干断层扫描

2016-12-22 09:37
Minor昔年
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工业界与学术界之间的一次结合第一次实现了对立方米体积的光学相干断层扫描(OCT)成像。由于OCT在提供关于材料成分,亚表面结构,镀层,表面粗糙度以及其他性能等难以获取的信息上的能力,这个进步可以打开OCT在工业,制造业和医药上的许多新用途。这一成就也代表了在单一集成电路芯片上开发高速低成本OCT系统的重要进展。

“我们的研究成果创造了在立方米容积成像上的世界纪录,比以前的三维OCT演示模型在深度和体积上至少大了一个数量级,”麻省理工学院(马萨诸塞州)的James G. Fujimoto说。“这些结果为OCT在这个新领域上的应用提供了一个原理性证明。”

OCT,由Fujimoto的研究组及其合作者在上世纪90年代最先发明的OCT技术,现在已经成为了眼科领域的标准检验手段,并且也被越来越多的应用在心脏病和肠胃病上。虽然OCT提供了具有微米尺度分辨率的有用的三维图像,但是它的成像深度局限于几个毫米到几个厘米之间。

一种新的可以对大型物体如这个真人大小的人体模型和棋盘成像的三维OCT技术。

在美国光学学会的高影响力研究期刊《光学》上,这些研究人员们报告了在1.5米的区域上具有15微米的分辨率的高速三维OCT成像。他们通过对一个人体模型,一辆自行车以及一个人类大脑和颅骨的模型进行成像来证明了他们的新OCT成像方法。他们还对大小范围从米到微米的物体进行了测量。

长范围内的多种尺度

除了高速和高分辨率的优点以外,OCT使得在多个深度下的成像,剖面和距离测量能够同时进行而没有杂散光。

“长程OCT是一类新的工作范围,其需要非常高性能的光源,集成的光接收机和信号处理,”Fujimoto说。OCT中所讲的范围(Range)是指测量可以同时进行的深度范围。将OCT范围的中心位置放置在离成像仪器非常近或非常远的位置是可能的。

这项新技术对于工业和制造业环境来说特别有用,在其中,它可以被用来监测过程,执行技术测量以及材料的无损评价。宏观尺度OCT也可以增强医疗成像,例如,在腹腔镜检查中提供三维测量或者提供上呼吸道的测绘结构。

电信技术的进步带来了OCT技术的提高

使米级范围的OCT成为可能的光源是一种由Thorlabs公司以及Praevium研究公司开发的可调谐垂直腔面发射激光器(VCSEL)。其采用了MEMS器件来随着时间迅速地改变或者说扫描激光的波长来进行所谓的扫源光学相干断层成像。

“我们麻省理工学院的研究组以及我们来自Thorlabs公司以及Praevium研究公司的合作者的研究表明VCSEL光源的相干长度比其他适合用于OCT的扫描激光技术要长几个数量级,这表明长程OCT成像的可能性,”麻省理工学院和Thorlabs公司的Ben Potsaid说,他是该论文的合著者之一。

虽然麻省理工学院的研究人员已经用VCSEL光源进行很多年的实验,但是光探测和数据采集仍然是一个挑战。这些障碍被为电信应用而设计的先进光学元件克服了。

在这项新的工作中,研究人员使用了一种由Acacia通信公司开发的新的硅光子相干光接收器,它用一个微小的、低成本的单芯片光子集成电路(PIC)取代了几个大体积的OCT元件。更重要的是,PIC接收器支持扫描源OCT所需的非常高的电学频率和非常宽的光波长范围,同时还可以进行所谓的正交检测,这使得在给定的数据采集速度下OCT的成像范围增加了一倍。

“上世纪90年代初OCT技术的发展就受益于应用在光纤通信中的器件和方法,”Fujimoto说。“25年后的今天,光通信行业的进步仍然在持续地促进着OCT技术的进步。”

在论文中,研究人员展示了米级范围的OCT可以从不同形状和材料的表面获得强烈的信号。他们的试验还表明了该技术的性能还没有达到VCSEL激光光源或PIC接收器的原理极限。

片上OCT

研究人员正在努力开发和利用更为廉价和高速的元件,以加快数据采集和处理步骤。这最终可能会使得使用定制化集成电路芯片的实时OCT成像成为可能。

“随着PIC技术的不断进步,人们可以期望在未来的五年内OCT系统集成到一个单一的芯片上,大幅地降低尺寸和成本,”Acacia通信公司的Chris Doerr说,他也是该论文的合著者之一。“这将会使全世界更多的人受益于OCT技术,以及开辟出新的应用。”

声明: 本文由入驻维科号的作者撰写,观点仅代表作者本人,不代表OFweek立场。如有侵权或其他问题,请联系举报。

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