[论文解读] Shot-noise limited, supercontinuum based optical coherence tomography

Shreesha Rao D. S., Mikkel Jensen+9 more|arXiv (Cornell University)|Oct 11, 2020

Optical Coherence Tomography Applications参考文献 30被引用 11

一句话总结

本论文首次实现了基于低噪声飞秒泵浦全正群速度色散（ANDi）光纤光源的、达到散粒噪声极限的超连续谱（SC）-光谱域光学相干断层扫描（SD-OCT）。通过将脉冲间相对强度噪声（RIN）降低至1.1%以下，该系统实现了5.9 µm的轴向分辨率，并在灵敏度、对比度和穿透深度方面显著优于商用超连续谱光源。

ABSTRACT

We present the first demonstration of shot-noise limited supercontinuum-based spectral domain optical coherence tomography (SD-OCT) with axial resolution of 5.9 $μ$m at a center wavelength of 1370 nm. Current supercontinuum-based SD-OCT systems cannot be operated in the shot-noise limited detection regime because of severe pulse-to-pulse relative intensity noise of the supercontinuum source. To overcome this disadvantage we have developed a low-noise supercontinuum source based on an all-normal dispersion (ANDi) fiber, pumped by a femtosecond laser. The noise performance of our 90 MHz ANDi supercontinuum source is compared to that of two commercial sources operating at 80 and 320 MHz repetition rate. We show that the low noise of the ANDi supercontinuum source improves the OCT images significantly in terms of both higher contrast, better sensitivity, and improved penetration. From SD-OCT imaging of skin, retina, and multi-layer stacks we conclude that supercontinuum-based SD-OCT can enter the domain of shot-noise limited detection.

研究动机与目标

• 克服传统超连续谱（SC）光源中高强度噪声的根本限制，使SD-OCT系统能够达到散粒噪声极限。
• 开发并表征一种基于飞秒激光泵浦的全正群速度色散（ANDi）光纤的低噪声超连续谱光源。
• 证明通过最小化脉冲间相对强度噪声（RIN），SC-SD-OCT系统可实现散粒噪声极限检测。
• 在RIN、灵敏度和图像质量方面，对比ANDi光源与商用80 MHz和320 MHz SC光源的性能表现。
• 通过高分辨率生物样品成像（包括皮肤、视网膜和多层幻象模型）验证系统的性能。

提出的方法

• 采用重复频率为90 MHz的飞秒脉冲激光泵浦全正群速度色散（ANDi）光纤，生成低噪声超连续谱。
• 利用45,135、249,078和997,288个脉冲，分别测量ANDi光源及两种商用SC光源（80 MHz和320 MHz）的脉冲间相对强度噪声（RIN）。
• 计算RIN为RIN = σ/μ，其中σ为脉冲能量峰值的标准差，μ为均值。
• 通过扫描光程差（OPD）并分析A-scan峰值的半高全宽（FWHM），进行轴向分辨率测量。
• 将系统灵敏度定义为信噪比（SNR）= 1时的最小可检测反射率，同时考虑探测器饱和、光谱仪积分时间及噪声贡献。
• 在后处理中应用阴影校正和汉明窗加权，以提升图像质量和动态范围。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于全正群速度色散（ANDi）光纤的超连续谱光源能否实现足够低的脉冲间相对强度噪声（RIN），以实现SD-OCT中的散粒噪声极限检测？
• RQ2 在1.25–1.5 µm波长范围内，ANDi光源的RIN与商用80 MHz和320 MHz SC光源相比如何？
• RQ3 与传统SC光源相比，ANDi光源的低RIN在多大程度上提升了OCT图像的对比度、灵敏度和穿透深度？
• RQ4 ANDi光源是否能在中心波长为1370 nm时实现低于6 µm的轴向分辨率，同时保持低噪声特性？
• RQ5 是否能通过引入RIN修正的扩展FDOCT模型，准确预测SD-OCT系统的理论灵敏度？

主要发现

• ANDi光源在1.25–1.5 µm波段范围内实现了低于1.1%的脉冲间相对强度噪声（RIN），较商用光源降低了一个多数量级。
• 在1.5 µm波长处，320 MHz商用SC光源的RIN为66%，而80 MHz光源的RIN为29.2%，证实ANDi光源具有显著优势。
• SD-OCT系统的轴向分辨率为5.9 µm，即使在1.8 mm光程差（OPD）下也未观察到显著展宽。
• 使用ANDi光源时，系统灵敏度滚降为8.8 dB/mm，优于320 MHz光源的9.5 dB/mm和80 MHz光源的8.0 dB/mm。
• 经阴影校正的皮肤、视网膜和多层幻象模型的OCT图像显示，与商用光源相比，ANDi光源显著提升了图像对比度和穿透深度。
• 基于实测参数（P₀ = 10.4 mW，ρ = 0.5，η = 0.7，τ = 9.2 µs）的理论灵敏度曲线表明，采用ANDi光源时系统接近散粒噪声极限。