频谱编码成像技术(Spectrally Encoded Imaging,SEI)是一种新型快速生物组织成像技术,该技术基于光栅分光实现波长对空间位置的编码,具有结构简单、成像速度快、便于内窥化的优点。本文针对频谱编码成像系统的设计、成像性能分析及小型化应用展开了研究,实现了对生物组织高分辨三维成像,主要研究内容如下:首先,基于光栅方程推导了系统的横向分辨率、可分辨点数和视场计算公式,对比了干涉式和共焦式频谱编码成像系统进行深度成像的特性。为了确定频谱编码成像中准直光斑、物镜焦距等参数对成像质量的影响,首先建立了准直光斑尺寸及物镜焦距与分辨率及视场之间的关系,然后搭建了一台基于连续光源的干涉式频谱编码成像系统。采用不同大小准直光斑,不同焦距的聚焦物镜来测试分辨率和视场等参数,通过干涉方法获得了载玻片及洋葱样品深度图像。结果表明物镜焦距越大,横向视场越大,分辨率越差;可分辨点数随着物镜焦距的变化并未发生大的改变;光斑越大横向分辨率越好,与理论分析相符。干涉式频谱编码成像系统横向分辨率与纵向分辨率相互制约。为了应用反射式光栅进行高分辨频谱编码成像,搭建了一套基于大数值孔径物镜的共焦式频谱编码成像系统。采用反射式光栅可以克服由透射式光栅的玻璃基底引入的色散及光功率衰减。测得沿编码线方向横向分辨率为1.72μm,视场中心处纵向分辨率为24.8μm,视场为430μm。对离体猪肝组织不同横向部位进行了成像,对离体鸡心组织及猪肾组织以深度间隔为10μm 进行成像,证明了基于反射式光栅的频谱编码成像系统实现生物组织高分辨深度成像的可行性。为了提高基于扫频光源的频谱编码成像系统的信噪比,提出了利用平衡探测器进行平衡探测以获得较高的信号放大倍率和消除部分与光强无关的噪声的方法。相比于探测器实时监控端的低频响应输出,采用平衡探测的方法使得信噪比得到了提高。洋葱样品图像平均信噪比由16.2 dB提高到22.9 dB,猪胃小凹样品图像平均信噪比由11.4dB提高到16.6dB。为了克服常见频谱编码探头采用侧前向照明导致编码线视场减小的问题,设计了一套小型的准垂直侧向照明频谱编码成像系统。整个探头尺寸为50mm(长)×30mm(宽)×40mm(高),入射光方向与衍射光方向成84°,测得编码线视场为1.46mm,与理论值接近,横向分辨率和纵向分辨率分别为3.63 μm和130 μm,通过对离体猪小肠组织和在体手指皮肤成像来验证生物组织成像性能。