光學相干層析技術（OCT）作為一種非侵入性、非破壞性且具有高分辨率的橫斷面層析光學成像技術，自1991年被首次提出后，在多個領域得到了廣泛應用。它能夠實現對毫米量級深度的薄層組織的層析測量，通過光照射樣品不同深度處，利用樣品組織結構折射率變化引起的后向散射光，與參考光干涉形成干涉信號，經探測器接收并通過計算轉化為不同深度位置的信息，從而獲取組織的一維深度、二維橫截面及三維結構信息，在皮膚病學、眼科、呼吸道、腸胃和材料科學等領域發揮著重要作用。

偏振敏感OCT（PSOCT）是OCT技術發展的重要方向，它基于OCT技術，可探測偏振光輻射樣品后不同深度處偏振態的改變情況，并通過計算表征樣品的偏振特性，如相位延遲和退偏等。自1992年被提出以來，PSOCT在醫學領域的應用不斷拓展，已成為非侵入性臨床診斷的重要方法，例如用于口腔鱗狀細胞癌組織成像、皮膚燒傷程度評估、人體肺部腫瘤評估、牙齒齲齒研究、視網膜成像檢測和風濕病診斷等。

然而，傳統PSOCT系統存在一些問題。在傳統系統中，干涉儀輸出端的干涉信號通常需通過水平和垂直偏振通道進行測量，這往往需要使用兩個獨立的光譜儀相機，這不僅增加了系統體積和成本，還要求硬件和軟件間嚴格同步觸發，以確保兩個相機采集信號時無時間延遲，同時需要保證兩個電荷耦合器件（CCD）的響應度高度一致。因此，單光譜儀的PSOCT成為發展趨勢，眾多研究團隊也在不斷探索實現單光譜儀PSOCT的方法，但這些方法存在各種局限性，如對光譜儀改造難度大、偏振分束器導致信號串擾、需要復雜算法消除共軛圖像影響等。

南京理工大學電子工程與光電技術學院胡燕趙團隊提出了一種單相機雙參考臂微米譜域偏振OCT系統，其既可實現分時探測，也可實現實時探測，且避免了上述問題，同時也為實驗室樣本偏振信息的分析提供了新方法。

理論基礎
一、單模光纖與偏振控制器的協同作用
1.解決偏振態不穩定問題
偏振光在光纖中傳播時，其偏振態可能會因單模光纖的偏振特性不穩定而隨機變化，這就好比一個原本有序前行的隊伍，在通過一條崎嶇不平的道路時會變得混亂無序。為了解決這個問題，本系統采用了單模光纖和偏振控制器的組合。

單模光纖如同一條特殊的管道，為光的傳播提供了路徑，而偏振控制器則像是管道中的導航儀，能夠對偏振態進行精確控制。通過調整偏振控制器，如PC1、PC2、PC3和PC4的協同工作，可以模擬出四分之一波片的效果，從而穩定偏振光的偏振態。

2.系統穩定性與成像質量的提升
這種組合不僅減少了偏振狀態的隨機變化，還提高了系統的穩定性。穩定的偏振態對于獲取準確的成像結果至關重要，就像在拍攝一張高清照片時，穩定的相機能夠避免畫面模糊一樣。在系統中，穩定的偏振態有助于提高成像的分辨率和清晰度，使得我們能夠更清晰地觀察生物組織內部的細微結構。

二、瓊斯矩陣與斯托克斯模型的理論闡釋
1.瓊斯矩陣對光傳播的精確描述
瓊斯矩陣在分析光在系統中的傳播過程中起著關鍵作用。從光源出射的光經線偏振器后成為垂直線偏振光，其電矢量有特定的表達式。當光束經過光纖耦合器、參考臂中的各種光學元件以及樣品時，瓊斯矩陣能夠精確地描述光的偏振態如何在這些過程中發生變化。

2.系統穩定性與成像質量的提升
斯托克斯矢量則為我們提供了一種量化光偏振特性的方法。它包含四個實數參數，能夠全面地描述光的偏振態，包括偏振度和偏振均勻度等重要信息。

在實際樣本中，光可能是非偏振光或部分偏振光，斯托克斯矢量能夠準確地捕捉到這些復雜的偏振情況。例如，在生物組織中，由于組織結構的不均勻性，光在傳播過程中會發生多次散射，導致偏振態的改變，斯托克斯矢量可以通過計算偏振度和偏振均勻度等參數，量化這種偏振態的變化程度，從而為我們提供關于生物組織內部結構和特性的重要信息。

實驗系統
一、實驗系統的架構與組成部件
1.各部件的功能與協同工作
實驗系統由多個關鍵部件構成，它們各司其職又協同合作，共同完成成像任務。光源是系統的能量提供者，采用低時間相干光源，其出射光譜波長范圍為410-2400nm，為成像提供了豐富的光信息。二向色鏡就像一個光的分揀員，將不同波長的光進行分離，反射特定波長的光進入后續光路。

偏振片則負責將光轉變為垂直線偏振光，為后續的偏振相關操作奠定基礎。非偏振分束器、掃描振鏡、物鏡、透鏡和反射鏡等部件在協同工作中，實現光的準直、聚焦、反射和掃描等功能，確保光能夠準確地照射到樣品上并收集后向散射光。光譜儀部分的準直透鏡、透射式光柵、衍射光柵、聚焦透鏡和CCD相機則負責將光信號轉化為電信號并進行采集和處理。

2.系統的光路設計與優化
系統的光路設計經過精心優化，以實現高效、準確的成像。這種設計不僅使系統體積更小，還減小了激光寬帶光源的色散對系統分辨率的影響。光在光路中經過多次反射、折射和聚焦，每一個環節都經過精確計算和調整，確保光能夠按照預定的路徑傳播并與樣品發生相互作用。

例如，透鏡的焦距、光柵的刻線密度等參數都經過優化選擇，以實現最佳的光信號分離和聚焦效果。同時，光路中的各種光學元件的位置和角度也都經過嚴格調整，以確保光的偏振態和強度在傳播過程中得到精確控制，從而提高成像的質量和分辨率。

二、偏振控制的實現機制
1.偏振控制對成像的重要意義
精確的偏振控制對于獲取高質量的成像結果具有決定性意義。不同的偏振態能夠反映生物組織內部不同的結構和特性信息，通過精確控制偏振態，我們可以選擇性地探測和突出組織中的特定結構或成分。

例如，在某些生物組織中，特定的細胞結構或蛋白質成分可能對特定偏振態的光有更強的散射或反射，通過調整偏振態，我們可以增強這些結構或成分在成像中的對比度，從而更清晰地觀察和分析它們。同時，精確的偏振控制還可以減少噪聲和干擾，提高成像的信噪比，使我們能夠獲取更準確、更可靠的生物組織信息。

實驗結果
一、單通道分時探測實驗的發現
1.牛腱肉組織成像分析
早期利用偏振熒光顯微鏡測量生物分子轉動特征，如1990年Florine-Casteel成像單層囊泡測量脂質順序；羰花青染料常用于標記膜類結構，1979年Axelord研究其在紅細胞膜中的取向；1990年Dix等測量細胞細胞質粘度；2013年Wang等測量COS-7細胞細胞膜結構；2023年Zhang等研究淀粉樣蛋白-脂質相互作用，對研究神經退行性疾病發病機制意義重大。

在單通道分時探測實驗中，以牛腱肉組織為樣本，我們獲得了一系列有價值的成像結果。圖（a）和（b）分別展示了牛腱肉組織水平通道和垂直通道的強度圖，從這些強度圖中，我們可以看到樣品內部纖維呈均勻分布狀態。然而，這種單通道強度圖所提供的微觀結構信息相對較少，就像我們透過一層模糊的玻璃觀察物體，只能看到大致輪廓。

而圖（c）是通過斯托克斯參數合成的強度圖，與單通道強度圖相比，整體信號有所增強。這就好比我們打開了一盞更亮的燈，讓我們能夠看到更多細節。進一步觀察圖（d），這是根據計算模型得到的樣品相位延遲的深度分辨圖像，其中交叉偏振信息反映了樣本的雙折射特性。我們可以清晰地看到牛腱肉內部的層狀纖維結構呈現出不同的分層圖案，這表明光在組織內深度方向上的相位延遲呈周期性變化。這種周期性變化就像一種獨特的 “指紋”，為我們識別和分析生物組織的結構和特性提供了重要線索。

圖（e）為牛腱肉組織的退偏圖，退偏特性是光在生物組織中多次散射引起的，其取值范圍為0-1。當DOPU為0時，表示光完全退偏，當DOPU為1時，表示光仍然是完全偏振態。退偏圖像反映了光在生物組織中多次散射后的強度，由于生物組織結構不均勻特性的隨機性，退偏特性能夠描述生物組織結構變化的某種空間相關特征。例如，在組織中結構較為復雜或不均勻的區域，光的退偏程度可能會更高，通過退偏圖我們可以直觀地觀察到這些區域的分布和變化情況。

二、雙通道實時探測實驗的成果
1.實驗前的校準與信號處理
在進行雙通道實時探測實驗之前，對兩個正交通道的信號進行尺寸校正與對準處理是至關重要的一步。如圖（a）所示，校準前兩個通道（channel 1和channel 2）的縱斷面信號曲線峰值位置錯開，這意味著兩個通道的信號存在偏差，可能會影響后續的成像結果。通過一系列精確的校準操作，包括調整光學元件的位置、參數等，我們使兩個通道的信號達到了匹配校準狀態。

校準后再次繪制同一幀位置處的水平和垂直通道的縱斷面信號曲線（如圖（b）所示），可以看到虛線框內的峰值位置對齊且峰值強度大小大致相同，表明兩個正交通道信號匹配校準完畢。盡管兩個通道的縱斷面信號曲線的峰值位置相同，但由于光纖和其他投射元件的不完全匹配，峰值和曲線輪廓仍存在一些差異，這導致水平和垂直通道探測到的信號強度也會有差異。不過，斯托克斯合成方法的應用巧妙地對兩個通道的信號進行了補充，使得我們能夠獲得對比度較高的強度圖，就像將兩幅略有差異的拼圖組合在一起，形成了一幅更完整、更清晰的畫面。

2.雞胸肉組織成像結果解讀
選取離體雞胸肉組織進行雙通道實時探測實驗，我們得到了如圖所示的成像結果。圖（a）為利用PS-SDOCT系統重建出的雞胸肉組織的強度圖，從圖中可以清晰地看到組織的結構和強度分布情況。圖（b）為雞胸肉組織相位延遲的深度分辨圖像，對傅里葉逆變換（FFT）處理后的信號進行深度分離后，雖然每個通道可用的像素數量減少了一半，組織中的成像深度也減小為分時探測的一半，但條紋的走向仍與組織表面平行，這充分驗證了系統實時探測的成像性能。

在實驗過程中，兩個參考臂的光路長度差異導致垂直和水平偏振光之間產生光程差，我們利用這一光程差分離傅里葉空間輸出平面上兩個正交偏振光束分量的OCT圖像，使得兩個通道的OCT圖像分別位于CCD相機的上下兩側。在提取樣本的偏振信息時，通過在兩個通道處截取相同的信號，使兩個通道的光譜像素一一對應，確保了數據的準確性和可比性。這些實驗結果表明，雙通道實時探測實驗不僅能夠快速獲取生物組織的圖像信息，還能夠準確地反映組織的偏振特性，為生物組織的研究和診斷提供了有力的工具。

總結與展望
生物組織的偏振特性能夠揭示其獨特特性，如雙折射特性和退偏特性等。搭建的微米分辨率譜域PSOCT系統，可非侵入地重建生物組織樣本深度分辨的各向同性強度圖像以及各向異性偏振參數圖像。該系統在傳統SDOCT系統基礎上引入參考臂，實現了偏振模塊功能擴展，既能通過分時探測分別檢測水平和垂直偏振通道干涉信號，又能通過實時探測將兩個正交通道干涉信號成像在相機不同區域。

偏振成像技術在臨床診斷應用中面臨降低系統成本和提高成像速度的挑戰。傳統PSOCT系統存在諸多問題，而提出的單光譜儀單相機雙參考臂微米分辨率譜域PSOCT系統可解決這些問題，實現分時和實時探測。離體樣本實驗驗證了實驗系統和理論模型的正確性，為臨床診斷提供了新的偏振成像方法。未來工作重點將是基于該系統實現活體實時成像并推動其在臨床診斷中的應用。同時，目前系統在定量評價成像性能方面存在不足，如通過調整偏振控制器實現最大偏振抑制比的方法無法定量評估系統性能，后續需研究信噪比和調整誤差對偏振參數測量的影響，還可考慮用保偏光纖替代單模光纖提高系統穩定性，并對單模光纖移動等因素導致的系統偏振特性變化進行測量分析，為技術臨床應用奠定基礎。

聲明：本文僅用作學術目的。文章來源于：胡燕趙, 高萬榮. 偏振敏感及強度雙通道光學相干層析成像方法研究[J]. 中國激光, 2024, 51(15): 1507105.