Differential phase contrast in swept source optical coherence tomography

Abstract

Die optische Kohärenz Tomografie (OCT) ist ein bildgebendes Verfahren, das Querschnittsbilder von biologischen Geweben mit einer Auflösung im Mikrometerbereich generiert. Da die Methode auf Interferometrie beruht, ist die Phase des rückgestreuten Lichts zugänglich und erlaubt theoretisch die Messung von Längenunterschieden im Pikometerbereich.In der Praxis beeinflussen Schwankungen im Interferometer und die Bewegung der Probe die Phasenmessung und limitieren damit den Anwendungsbereich. Um diese Hürde zu überwinden, kann die Phasenkontrast-Methode verwendet werden. Die Grundidee ist, dass zwei Lichtstrahlen verschiedener Fokusdurchmesser kollinear auf die Probe treffen. Der Strahl mit kleinem Fokusdurchmesser wird zur Beprobung verwendet, der Strahl mit breitem Durchmesser dient als Phasenreferenz und ermöglicht damit die Phasenänderungen, die von der Probenbewegung und den Schwankungen im Interferometer herrühren, abzuziehen.Diese Arbeit widmet sich der praktischen Realisierung eines differentiellen Phasenkontrast-Systems, bei dem die Bildgebung mit sehr hoher Geschwindigkeit erfolgt, einschließlich der Entwicklung zugehöriger Software im Bereich der Signalerfassung und Datenauswertung.Die Methode basiert auf einem polarisationssensitiven OCT System, das in dieser Arbeit modifiziert wurde, um differentielle Phasenkontrast-Bilder aufnehmen zu können. Für das Funktionieren der Methode ist eine perfekte Justierung des Systems essentiell. Im Rahmen dieser Arbeit wird deshalb ein genaues Prozedere vorgestellt, um eine hohe Genauigkeit der Justierung zu erzielen. Des Weiteren wird die mit diesem System erreichbare Phasenstabilität wird bestimmt.Schließlich werden die charakteristischen Parameter des Messsystems, in Bezug auf Auflösung, Sensitivität und Abbildungstiefe, bestimmt. Verschiedene technische Proben wurden gemessen, um die Leistungsfähigkeit des Geräts zu quantifizieren.

Optical coherence tomography (OCT) is an imaging technique that is capable of providing cross sectional images of biological tissues with micrometer resolution. As the method is based on interferometry, the phase component of the backscattered light is accessible and theoretically opens the possibility of measuring length differences in the pico-meter range. Practically, interferometric jitter and sample motion greatly influence the corresponding phase measurements limiting corresponding applications. To overcome this limitation, a differential phase-contrast technique can be used. The basic idea is that two light beams of different focus diameters incident collinearly onto the sample. The beam with small focus diameter is used as probing beam, while the beam with broad focus diameter serves as phase reference and enables to subtract for phase changes introduced by motion or interferometric jitter.This work focuses on the practical realization of a differential phase-contrast system operating at high imaging speeds, including development of corresponding signal acquisition and data evaluation software. The system is based on a polarization sensitive swept-source OCT setup that has been modified in this work for differential phase contrast imaging.An alignment procedure is presented and the phase stability that can be achieved with the system is determined.Finally, the characteristic parameters of the system in terms of resolution, sensitivity and imaging depth are assessed. Several technical samples have been measured and the measurement performance of the instrument is quantified.