OCT Daily Mar 18, 2017//Extended-focus optical coherence microscopy

Curated Paper

Optical coherence microscopy with extended focus for in vivo embryonic imaging

Abstract:

Optical coherence microscopy (OCM) has unique advantages of high-resolution volumetric imaging without relying on exogenous labels or dyes. It combines the coherence-gated depth discrimination of optical coherence tomography (OCT) with the high lateral resolution of confocal microscopy, offering an excellent balance between the resolutions and imaging depth. However, as the lateral resolution becomes higher, the imaging depth of OCM decreases and its three-dimensional imaging capability is greatly degraded. To overcome this limitation, we used amplitude apodization to create quasi-Bessel beam illumination in order to extend the depth of focus. The lateral and axial resolutions of our OCM system were measured to be 1.6 μm and 2.9 μm in tissue. The imaging depth was extended by 3.0X (100 μm) beyond that of the standard Gaussian beam OCM. Using zebrafish embryos as a test system, we demonstrate extendedfocus OCM for structural imaging studies, which revealed the detailed anatomy deep in embryos. © (2017) COPYRIGHT Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers (SPIE). Downloading of the abstract is permitted for personal use only.

Comments

首先,几个概念。

0.Gaussian 光束:

1.Bessel光束:

「无衍射光束」的概念是由美国Rochester大学的 J.Durnin 等人在1987年首次提出的,它是自由空间标量波动方程的一组特殊解,其场分布特点具有第一类零阶Bessel函数的表示形式。它以特殊的性质:在无界自由空间的传输过程中光强分布保持不变、中心光斑小、与传播方向垂直的各个平面上其光场分布保持相同,而且它的光强高度集中,也就是它的能量高度局域化,且不会在传播过程中遭受衍射扩散。

2.Fresnel菲涅尔透镜

相比传统的球面透镜,菲涅耳透镜通过将透镜划分出为一系列理论上无数多个同心圆纹路(即菲涅耳带)达到相同的光学效果,同时节省了材料的用量:

由于光的折射发生在介质的交界面,这里以玻璃与空气为例,若能去除光在玻璃中直线传播的部分而保留发生折射的曲面,便能省下大量材料同时达到相同的聚光效果。如图,菲涅耳透镜便是通过此法使透镜变薄。曲面划分得越细,透镜越能够做薄。

将普通透镜不参与折射的部分去掉,变成仅有参与折射的曲面的透镜。这个动画很有意思。菲涅尔透镜有一些列的环带组成,当平行光入射到菲涅尔透镜时,不同波长的光被聚焦到光轴上不同的点,实现光能量沿光轴的再分布。菲涅尔透镜的焦深是由波长所决定的焦点在光轴上所占的距离和单个波长的焦深之和,而波长所决定的焦点在光轴上所占的距离可以由最大波长的焦点与最小波长的焦点之间的确立来确定。

3.Axicon |AKSIKEN| 锥透镜

锥透镜通常也被称作轴对称棱镜,它是一种带一个圆锥面和一个平面的透镜。锥透镜常用来产生贝塞尔强度轮廓光束或者锥形非发散光束。当把准直光束转变为环形时,平的一面对着准直光源。

Based on above:

大多数OCT基本上是基于频域探测的谱域或者扫频光源OCT,研究全场OCT这样时域探测的很少。两者的区别在于,前者的探测是深度方向,而全场是面阵探测。本文在谱域探测的OCT中使用了全场OCT中惯用的显微物镜(跟我中国实验室一样的显微物镜),这样的使用无疑减小了焦深,焦深是什么详见这篇文章。为了维持深度方向的横向分辨率,主要原理:

  1. Bessel 光束代替 Gaussian 光束,然而由于有限能量和维数,通常是 Quasi-Bessel 光束
  2. 大多数采用轴锥棱镜,相位模板或者空间光调制器产生Quasi-Bessel 光束

但它们对宽带光源不友好(why?)(OCT使用宽带光源可得到高轴向分辨率该文章带宽为760-930 nm),故采用环状mask产生准Bessel光束来延长焦深,如图:

这篇文章的摘要说道:

To overcome this limitation, we used amplitude apodization(振幅变迹) to create quasi-Bessel beam illumination in order to extend the depth of focus.

从我的角度就是简单做了个圆环,模拟Bessel光束!

What can I learn from

1.这使我想起大师兄的博士论文的「基于菲涅尔透镜的SDOCT」:

横向分辨率与系统焦深之间的矛盾关系是目前SDOCT技术的一个热点问题。目前的SDOCT系统为了在横向分辨率和焦深之间达到一个平衡,一般在样品臂都使用低数值孔径的物镜,为了改善这一矛盾关系,通过对现有方法的大量分析与研究,在现有方法的基础上,提出了利用菲涅尔透镜替代普通物镜的方法,来改善这一问题。本章首先介绍了其它小组提出的改善这一矛盾关系的几种方法,接着介绍了基于菲涅尔透镜的SDOCT系统的原理,并用所搭建的系统对人体皮肤进行了在体成像,验证了系统的可行性,最后对色散问题进行了讨论。

基于菲涅尔透镜的SDOCT系统事实上是将传统SDOCT系统中的普通物镜换成菲涅尔透镜,利用菲涅尔透镜的一些性质实现焦深的增加。

2.和一篇新文章,使用 axicon lens 轴锥棱镜的SDOCT:

Extended focus depth for Fourier domain optical coherence microscopy

The Bessel beam was generated by the axicon lens and transferred to the object using a set of telescopes. The annular aperture was inserted in the first telescope to block unwanted residual rays coming from the imperfect axicon tip.

这篇新文章,使用锥透镜,还用圆环挡住不需要的残余光线。

3.和一篇新文章 Simultaneous dual-band ultra-high resolution full-field optical coherence tomography

The effective spectra are deduced from Fourier transform of the interferogram using a Hamming window for apodization

4.Bessel beam in FFOCT

5.可变焦棱镜(non scanning)Fast electrically tunable lens EL-10-30-TC

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