光学相干层析成像技术(Optical coherence tomography,OCT)是一种极具潜力的生物医学光学成像技术,具有非侵入、无损伤、高分辨、高灵敏度等优点。谱域OCT(Spectral domain OCT,SD-OCT)是第二代OCT技术,它能实现mm量级的成像深度,μm量级的空间分辨率,以及nm甚至pm量级的高灵敏度探测,已广泛应用于生物医学的各个领域。眼科是OCT技术最早的应用领域。OCT的出现极大提升了眼科的基础研究和临床诊断水平。利用OCT技术不但能实现眼组织二维和三维的层析成像,还能精准捕捉组织的形变与微尺度运动,对眼科的形态学研究和病理分析具有重要价值。本论文的研究工作围绕SD-OCT的成像技术及其眼科应用展开。主要从成像深度拓展、相位高灵敏度探测、轴向超分辨成像等方面发展了 SD-OCT技术。在此基础上,实现了人眼全眼前节和鼠眼全眼的OCT成像,并进行了眼部组织形态参数的精准测量和眼内生理脉动的实时监测。同时,针对干眼、近视眼、白内障眼、隐形眼镜植入眼(ImplantableCollamerLens,ICL)等非正常人眼展开了 OCT成像应用研究。具体的研究内容以及创新成果如下:1.设计搭建了基于光纤型迈克尔逊干涉仪的850nm波段的SD-OCT系统。系统轴向分辨率为4.3μm,最大成像深度为7.56mm,最大信噪比为65dB。系统的快速光谱仪基于线阵CMOS探测,能实现最快70kHz的A-scan采集速度。利用该系统可实现生物组织高分辨率实时在体成像。2.提出基于分段光谱光程编码的OCT深度拓展技术。该技术利用二向色镜的分光功能构造两组干涉对,可灵活实现样品内部两段结构信息的并行探测。该方法无需在系统中引入额外的机械运动部件,且无需后期图像融合,是一种经济、稳定、快速的OCT系统成像深度拓展技术。此外,发展振镜载频消镜像技术,使系统实现全量程探测(～15.12mm),并利用该技术获得了人眼全眼前节(包括晶状体)以及鼠眼全眼的活体OCT图像。3.开展SD-OCT在眼科领域的应用研究:完成屈光介质中OCT图像重构误差的矫正,实现眼生理结构参数的准确测量;开展人眼调节机制研究,准确刻画晶体前表面中央区和旁周的曲率结构变化过程,验证了 Helmholtz的调节理论;开展ICL眼的自主调节研究,揭示了自主调节过程中ICL镜片与晶状体间距的变化规律,展示了异于被动调节引起的拱高变化;对鼠眼进行全眼三维成像和全眼水化过程的研究,研究发现眼内水化功能与干眼、白内障、青光眼等眼科疾病关联密切;利用OCT技术无损、高分辨地对鼠眼近视诱导过程进行跟踪和在体评估。4.发展相位敏感型SD-OCT技术。通过优化扫描协议、补偿环境扰动,在0～380Hz大动态范围下实现最小速度0.9μm/s的探测。利用该技术实现了小鼠在体眼前房脉动过程的记录和测速,并监测发现前房的脉动与眼内压的波动十分吻合,均受心跳和呼吸运动的调制。5.开展OCT系统轴向超分辨技术的研究。将超分辨术与OCT固有的相干门有机结合,发展了基于光瞳滤波器的OCT轴向超分辨技术。该方法通过在OCT样品臂中设置三区纯相位型光瞳滤波器,调制系统点扩散函数的变迹,并借助相干门对点扩散函数的旁瓣信息进行抑制,使系统轴向分辨率在实际成像中得到了近21%的提高。