光學相干層析成像（OCT）利用寬帶部分相干光的微米級相干長度獲取生物組織或材料的高分辨率層析圖像。譜域和掃頻光源OCT在頻域成像探測，受益于高速線陣相機和掃頻激光技術發展，成像速度和探測靈敏度大幅提升。2023年，其共同發明人因在眼底疾病診斷的臨床應用成功獲得拉斯克臨床醫學研究獎。

OCT臨床應用從眼科拓展到多科室，如經皮介入的血管內OCT用于冠狀動脈和顱內診療，在評估血管內壁斑塊形態等方面發揮重要作用；在皮膚病變診斷、燒傷深度評估等方面有重要價值；還用于監控心臟和食管射頻消融、結直腸癌病灶切除等治療過程。然而，現有OCT技術難以解析細胞及以下尺度結構和對比度有限，需提升分辨率。

為解決這一問題，研究人員提出多種焦深拓展策略，將詳細討論這些技術的原理、實現方法、優勢和局限性，并比較不同探測形式下各類方法的效果。

OCT焦深擴展方法
基于貝塞爾光束
1.原理特性
貝塞爾函數是亥姆霍茲方程精確解，貝塞爾光束具有無衍射性，保證細長光束寬度在傳輸中穩定；自愈性使其在傳播中被部分遮擋后能恢復原始形貌。這使其能深入生物組織，抵抗散射，提供高焦深增益和信噪比。

2.實現方式
● 錐透鏡在OCT領域常用，如將頂角為160°的錐透鏡整合到干涉儀樣品臂，實現至少6mm焦深，分辨率約10μm；用準直高斯光束照射頂角170°微光學錐透鏡產生貝塞爾光束，獲8μm橫向分辨率和4mm焦深；搭建基于錐透鏡的OCT焦深擴展成像系統用于體內結構和功能性皮膚成像。

● 針對錐透鏡體積大難以用于內窺OCT的問題，提出微型全光纖錐透鏡探頭，通過在單模光纖和無芯光纖間拼接梯度折射率光纖并對無芯光纖機械拋光制成，其中GRIN光纖充當擴束器拓展焦深。

● 隨著雙光子3D打印技術發展，在光纖端面上打印三段結構產生貝塞爾光束，第一段將高斯光轉換為環形光束輸入并補償端面不平整導致的偏移，第二段為分形逆錐形結構實現環形光束并保持包層平均有效折射率，產生高階貝塞爾光束時需在第二段出射面施加螺旋相位賦予軌道角動量，第三段起聚焦微透鏡作用將環形光束轉換為貝塞爾光束。

3.優勢局限
貝塞爾光束能實現焦深擴展，但相干傳遞函數存在嚴重空間頻率分量損失，導致OCT圖像靈敏度下降和旁瓣偽影；旁瓣較強會干擾主峰信號，降低信噪比。類貝塞爾光束由小頂角錐透鏡產生的環形光束聚焦到掃描振鏡再經消色差透鏡聚焦產生，其自愈性可減少激光消融期間成像偽影。

基于相位掩模的波前調控

1.原理特性
通過優化設計相位掩模結構調控光場，在預設光傳播區域產生期望光場分布，具有高度靈活性，其形式多樣，包括分區式、空間復用、級聯等，需根據掩模特征尺寸選擇波傳輸模型完成設計。

2.實現方式
● Lorenser等提出兩種基于GRIN光纖的內窺式探頭實現焦深擴展，一是用兩段不同纖芯直徑 GRIN 光纖構建軸向雙焦點，二是利用球透鏡對GRIN光纖不同波前部分聚焦形成軸向雙焦點，合理選取GRIN光纖長度或球透鏡半徑改變聚焦位置實現長焦深會聚光場。

● Yu等為解決貝塞爾光束焦深擴展時旁瓣問題，提出利用環形掩模濾波器構建暗場OCT，在照明和檢測光路中施加環形光瞳濾波器，通過設計孔徑分布使照明臂點擴散函數第一旁瓣波峰與檢測臂第一波谷重合，抑制旁瓣并擴展焦深。

● Kim等將可編碼二元空間相位濾波器結合到GRIN光纖遠端，對入射光相位調制實現焦深擴展，各環高度值由波傳輸理論數值優化確定。

● Zhao等提出空間復用相位板設計方法，與聚焦透鏡結合構建軸向緊密排布多焦點，先將相位板離散像素化，根據期望軸向焦點數確定子單元網格數，對相同聚焦位置網格施加相同偏移相位構建，放置在聚焦透鏡后焦面產生多焦點光場分布，還可用于構建離散多焦面提升體成像速度并維持細胞量級分辨率。

● Pahlevaninezhad等提出基于雙超表面的入射光和搜集光路配置，在單個超表面半徑弧上施加光線扭曲相位使光線聚焦形成連續焦線，搜集光線的超表面也采用類似操作與入射光一一映射，實現焦深擴展。

3.優勢局限
該方法靈活性高，但相位掩模單元間相位突變或耦合會引入額外衍射噪聲，干擾主信號，降低信噪比。

1.原理特性
介質對光的折射率隨波長變化產生色散，會聚波前中不同波長光經聚焦透鏡時聚焦位置軸向偏移。OCT使用寬光譜光源，利用此特性可等效實現焦深擴展。

2.實現方式
● Zhang等以周期面積內透明與不透明面積之比為優化參數設計分形波帶片，其產生軸向多焦點且焦距與波長相關，提升焦深增益。

● Liu等利用棒鏡作為環形變跡器結合聚焦透鏡產生貝塞爾光束掃描樣品，因色散效應進一步擴展焦深，用于人類冠狀動脈粥樣硬化亞細胞結構成像。

● Bian等發現菲涅耳透鏡有高色散能力，可將不同波長光聚焦在不同深度位置，實現長于傳統聚焦透鏡的焦深，但軸向分辨率受影響。

● Romodina等應用硒化鋅透鏡完成焦深擴展的高分辨率體積OCT成像，但因生物相容性和近紅外區域透射率問題未商用。

● Li等提出光譜復用OCT系統，結合樣品臂和參考臂共路設計，利用超連續譜源兩段頻譜聚焦到樣品不同深度實現兩倍焦深擴展，有望與其他技術結合提高聚焦性能，但增加光學曝光劑量和系統復雜性。

● Pahlevaninezhad等針對內窺OCT中保護套管效應，利用射線追跡設計超透鏡，考慮其高色散提升OCT成像系統焦深增益。

3.優勢局限
利用色散效應可在保持高橫向分辨率下擴展焦深，但色散與軸向分辨率固有矛盾，常需對OCT圖像進行數值色散補償或使用快速掃描延遲線設備。          

基于合成孔徑

1.原理特性
深度編碼合成孔徑方法通過在樣品臂光路插入環形相位板，產生三條不同光學路徑，對應三幅不同深度編碼圖像，經深度解碼和相位補償相干疊加實現焦深擴展，且能保持橫向分辨率與物鏡焦平面處一致。

2.實現方式
● Mo等提出該方法，如在樣品臂光路中環形相位板插入聚焦透鏡后焦平面，造成三條路徑，對應三幅圖像，處理后重建合成孔徑圖像。后續采用相干長度較長光源驗證其在厚生物組織成像潛力。

● Bo等將環形相位板更換為圓形相位間隔器獲得高橫向分辨率數字重聚焦圖像，后又提出多孔徑合成方法，利用壓電換能器使微柱面透鏡橫向移動獲取不同角度掃描線，合成一條掃描線增大有效光學孔徑，提升焦深擴展能力。

3.優勢局限
該方法可擴展焦深，但存在光纖孔數值孔徑與環形相位板劃分波前孔徑失配問題導致信號耦合損失；額外光學元件引入會降低光強度和信號強度，圖像合成過程中噪聲疊加降低信噪比。

基于計算重建

1.原理特性
利用干涉合成孔徑顯微鏡技術計算重建與焦平面分辨率相同的三維體積圖像，通過考慮光束在樣本中傳播等物理過程建模，可采取與X-ray計算斷層類似數值處理方案進行數據插值實現空間不變分辨率。

2.實現方式
● Ralston等建模計算重建數學模型，將信號二維傅里葉變換與樣本散射勢三維傅里葉變換聯系，通過數據插值實現焦深擴展。后續Sheppard等以相干傳遞函數理論為基礎分析相關技術相似性和差異，奠定干涉合成孔徑技術理論基礎。Coquoz等將干涉合成孔徑技術與錐透鏡產生貝塞爾光束照明相結合獲得焦深擴展高分辨率圖像。

3.優勢局限
該方法能實現焦深擴展，但需去除互相關干涉中的延遲擾動獲得絕對相位穩定，且重聚焦模型中球面波前與實際受樣本干擾形成的波前差異大，限制分辨率提升。

基于多模干涉

1.原理特性
基于多模干涉原理的光纖濾波器探頭可擴展內窺OCT有限焦深，多模干涉探頭包含過渡光纖和大纖芯光纖，過渡光纖提高光傳輸效率并控制大纖芯光纖激發模式，調整大纖芯光纖長度改變激發模式相位差，從而在出射端獲得可控光場分布。

2.實現方式
● Qiu等通過優化漸變型多模光纖GIF1和大纖芯光纖LCF長度，使光在LCF中發生線性偏振模式干涉，在LCF-NCF端面形成多模干涉場，經NCF傳播放大后通過GIF2光纖聚焦實現焦深擴展。后又在LCF-NCF端面額外插入GIF2光纖，使P1和P2互為成像共軛面，放大多模干涉場后聚焦實現焦深擴展。

● Yin等在單模光纖熔接多模光纖，產生的0階模式近似高斯光束提供高斯聚焦區域，高階模式經GRIN光纖聚焦后形成偽貝塞爾聚焦區域，兩者構成焦深擴展區域，后續通過亞毫米直徑柔性導管獲得人體冠狀動脈細胞和亞細胞結構圖像。

3.優勢局限
該方法在內窺OCT中有潛力，但多模光纖中模式間耦合和損耗會導致光能量損失，降低圖像信噪比。

基于動態聚焦

1.原理特性
焦深擴展需求主要在譜域OCT系統，時域OCT通常以動態聚焦并同步光程差方式實現。OCT軸向分辨率由光源相干門和探測光束聚焦條件共同決定，動態聚焦可調整焦點位置，保持相干性可提高軸向分辨率。

2.實現方式
● Lexer等在時域OCT樣品臂光路引入振蕩鏡使光束焦點振蕩，經縱向放大率透鏡組放大焦點偏移后聚焦到樣品實現動態聚焦，需合理選擇縱向放大率使參考臂與樣品臂光程差與光源相干長度匹配。

● Qi等提出基于微機電鏡的深度聚焦控制系統，微機電鏡含鍍金氮化硅膜和特殊電鏡驅動電極，通過調整電壓控制球面像差實現焦點掃描，樣品臂監控信號觸發焦點跟蹤實現與參考臂掃描同步。

● Divetia等制造可液體填充的聚合物透鏡，連接水管控制液壓使透鏡變形改變焦距實現動態聚焦。

3.優勢局限
動態聚焦可實現焦深實時擴展，但存在焦點掃描與參考臂掃描同步困難問題，且制備特定聚合物透鏡有一定難度。

OCT焦深擴展效果與應用
自由空間 OCT
自由空間OCT數值孔徑大，焦深和工作距離提升顯著，可擴展至1mm以上，工作距離與樣品臂聚焦物鏡焦距相關。例如，采用空間復用相位板與聚焦物鏡組合的方法能實現167倍瑞利長度焦深擴展，但聚焦效率相對較低；利用特制的高色散硒化鋅透鏡可極大增加工作距離，然而透鏡的生物相容性和近紅外區域透射率問題阻礙其商業化。

1.皮膚成像
在皮膚成像中，可清晰獲得不平坦皮膚表面外部特征，對于惡性皮膚腫瘤邊界辨別有重要意義，長焦深有助于分辨深層真皮-表皮交界。例如，在相關皮膚成像示例中，能夠清晰展示皮膚結構細節。

2.細胞成像
利用全玻璃超透鏡與聚焦透鏡組合產生軸向多焦點，可解析大深度范圍細胞分辨率圖像，提升體成像速度，如在人鼻部皮膚細胞成像中得到應用。

3.氣管結構成像
對豬肺氣管結構成像，長焦深OCT可在較大深度范圍內可視化支氣管組織微結構，凸顯炎癥浸潤，傳統高斯掃描難以實現，如對比成像示例所示。

4.內皮細胞成像
高分辨率焦深擴展OCT可對內皮細胞原位可視化，如對培養內皮細胞成像能清晰顯示細胞輪廓。

5.激光截骨術應用
長焦深OCT用于激光截骨術，可為手術提供實時視覺反饋，類貝塞爾光束的自愈性還可減少激光消融期間成像偽影。

內窺式 OCT
內窺式OCT入射光孔徑小，現有焦深擴展方案橫向分辨率多在5μm以下，焦深在200-300μm區間，工作距離短（500μm以下）。多模干涉探頭方案主要應用于內窺OCT，如利用多模光纖不同模式聚焦產生焦深擴展區域，但犧牲軸向光場均勻性。部分文獻在某一參數指標提升時需額外探頭或系統改進輔助，如共路探頭設計改善工作距離但增加光學曝光劑量和系統復雜性，液壓控制動態聚焦需制備特定聚合物透鏡，階梯式排布光纖陣列加工要求高且增加探頭尺寸。

1.氣道成像
納米光學內窺探頭對豬氣道成像，相比球透鏡產生的高斯光，能更清晰顯示氣道壁層結構和微小腺體結構，還可對活體羊支氣管成像，清晰展示肺組織多種結構特征。

2.冠狀動脈成像
可對人體冠狀動脈橫截面成像，清晰辨認平滑肌細胞等結構，其大小和形狀與組織學圖像一致，傳統血管內OCT圖像難以清晰辨認，還可對兔主動脈粥樣硬化進行3D重建，展示斑塊區域等詳細信息。

總結與展望
當前焦深擴展技術雖有進展，但各有局限。貝塞爾光束存在相干傳遞函數和旁瓣問題影響圖像質量；相位掩模設計制造復雜，對系統對準和校準要求高；合成孔徑和計算成像技術受限于相位穩定和波前差異，分辨率提升受限；多模干涉技術工作距離擴展和模式控制精確性有待提高；動態聚焦技術在焦點同步和透鏡制備方面存在問題。

優化圖像重建算法，建立OCT信號物理過程與統計光學聯系，從失焦圖像重建高分辨圖像實現等效焦深擴展，獲取功能成像圖像并彌補現有計算重建方法不足。

創新光學設計，隨著超表面領域興起，矢量光場調控從理論走向應用，控制偏振態（如徑向偏振）在高數值孔徑緊聚焦中至關重要，提升軸向偏振分量占比可獲超分辨率焦深擴展針形光束，結合現有技術提升系統成像深度和分辨率。

解決色差校正問題，不同波長光聚焦到相同位置需不同相位，單一元件相位色散難以實現大帶寬色散校正，超表面的共振相位超原子和幾何相位超原子有望解決此難點，實現在焦深擴展前提下同時校正色差。總之OCT焦深擴展技術發展需多學科綜合創新，以提升其在醫學診斷和生物醫學研究中的應用價值。

聲明：本文僅用作學術目的。文章來源于：谷成富, 張浩然, 蘭琦, 張偉逸, 劉暢, 楊建龍. 光學相干層析成像焦深拓展方法研究進展[J]. 激光與光電子學進展, 2024, 61(20): 2011018.