Abstract

Ultrahigh-resolution optical coherence tomography (OCT) by use of state of the art broad-bandwidth femtosecond laser technology is demonstrated and applied to in vivo subcellular imaging. Imaging is performed with a Kerr-lens mode-locked Ti:sapphire laser with double-chirped mirrors that emits sub-two-cycle pulses with bandwidths of up to 350 nm, centered at 800 nm. Longitudinal resolutions of 1 µm and transverse resolution of 3 µm, with a 110-dB dynamic range, are achieved in biological tissue. To overcome depth-of-field limitations we perform zone focusing and image fusion to construct a tomogram with high transverse resolution throughout the image depth. To our knowledge this is the highest longitudinal resolution demonstrated to date for in vivo OCT imaging.

© 1999 Optical Society of America

Full Article  |  PDF Article

References

  • View by:
  • |
  • |
  • |

  1. D. Huang, E. Swanson, C. P. Lin, J. S. Schuman, W. G. Stinson, W. Chang, M. R. Hee, T. Flotte, K. Gregory, C. A. Puliafito, and J. G. Fujimoto, Science 254, 1178 (1991).
    [CrossRef] [PubMed]
  2. J. G. Fujimoto, M. E. Brezinski, G. J. Tearney, S. A. Boppart, B. E. Bouma, M. R. Hee, J. F. Southern, and E. A. Swanson, Nature Med. 1, 970 (1995).
    [CrossRef]
  3. E. A. Swanson, D. Huang, M. R. Hee, J. G. Fujimoto, C. P. Lin, and C. A. Puliafito, Opt. Lett. 17, 151 (1992).
    [CrossRef] [PubMed]
  4. H. H. Liu, P. H. Cheng, and J. Wang, Opt. Lett. 18, 678 (1993).
    [CrossRef] [PubMed]
  5. X. Clivaz, F. Marquis-Weible, and R. P. Salathé, Electron. Lett. 28, 1553 (1992).
    [CrossRef]
  6. A. Baumgartner, C. K. Hitzenberger, H. Sattmann, W. Drexler, and A. F. Fercher, J. Biomed. Opt. 3, 45 (1998).
    [CrossRef] [PubMed]
  7. J. M. Schmitt, S. L. Lee, and K. M. Yung, Opt. Commun. 142, 203 (1997).
    [CrossRef]
  8. B. E. Bouma, G. J. Tearney, S. A. Boppart, M. R. Hee, M. E. Brezinski, and J. G. Fujimoto, Opt. Lett. 20, 1486 (1995).
    [CrossRef] [PubMed]
  9. S. A. Boppart, B. E. Bouma, C. Pitris, J. F. Southern, M. E. Brezinski, and J. G. Fujimoto, Nature Med. 4, 861 (1998).
    [CrossRef]
  10. M. D. Sherar, M. B. Noss, and F. S. Foster, Nature 330, 493 (1987).
    [CrossRef] [PubMed]
  11. U. Morgner, F. X. Kärtner, S. Cho, Y. Chen, H. A. Haus, J. G. Fujimoto, E. P. Ippen, V. Scheurer, G. Angelow, and T. Tschudi, Opt. Lett. 24, 411 (1999).
    [CrossRef]
  12. F. Lexer, C. K. Hitzenberger, W. Drexler, S. Molebny, H. Sattmann, M. Sticker, and A. F. Fercher, J. Mod. Opt. 46, 541 (1999).
    [CrossRef]

1999 (2)

F. Lexer, C. K. Hitzenberger, W. Drexler, S. Molebny, H. Sattmann, M. Sticker, and A. F. Fercher, J. Mod. Opt. 46, 541 (1999).
[CrossRef]

U. Morgner, F. X. Kärtner, S. Cho, Y. Chen, H. A. Haus, J. G. Fujimoto, E. P. Ippen, V. Scheurer, G. Angelow, and T. Tschudi, Opt. Lett. 24, 411 (1999).
[CrossRef]

1998 (2)

S. A. Boppart, B. E. Bouma, C. Pitris, J. F. Southern, M. E. Brezinski, and J. G. Fujimoto, Nature Med. 4, 861 (1998).
[CrossRef]

A. Baumgartner, C. K. Hitzenberger, H. Sattmann, W. Drexler, and A. F. Fercher, J. Biomed. Opt. 3, 45 (1998).
[CrossRef] [PubMed]

1997 (1)

J. M. Schmitt, S. L. Lee, and K. M. Yung, Opt. Commun. 142, 203 (1997).
[CrossRef]

1995 (2)

J. G. Fujimoto, M. E. Brezinski, G. J. Tearney, S. A. Boppart, B. E. Bouma, M. R. Hee, J. F. Southern, and E. A. Swanson, Nature Med. 1, 970 (1995).
[CrossRef]

B. E. Bouma, G. J. Tearney, S. A. Boppart, M. R. Hee, M. E. Brezinski, and J. G. Fujimoto, Opt. Lett. 20, 1486 (1995).
[CrossRef] [PubMed]

1993 (1)

1992 (2)

1991 (1)

D. Huang, E. Swanson, C. P. Lin, J. S. Schuman, W. G. Stinson, W. Chang, M. R. Hee, T. Flotte, K. Gregory, C. A. Puliafito, and J. G. Fujimoto, Science 254, 1178 (1991).
[CrossRef] [PubMed]

1987 (1)

M. D. Sherar, M. B. Noss, and F. S. Foster, Nature 330, 493 (1987).
[CrossRef] [PubMed]

Angelow, G.

Baumgartner, A.

A. Baumgartner, C. K. Hitzenberger, H. Sattmann, W. Drexler, and A. F. Fercher, J. Biomed. Opt. 3, 45 (1998).
[CrossRef] [PubMed]

Boppart, S. A.

S. A. Boppart, B. E. Bouma, C. Pitris, J. F. Southern, M. E. Brezinski, and J. G. Fujimoto, Nature Med. 4, 861 (1998).
[CrossRef]

B. E. Bouma, G. J. Tearney, S. A. Boppart, M. R. Hee, M. E. Brezinski, and J. G. Fujimoto, Opt. Lett. 20, 1486 (1995).
[CrossRef] [PubMed]

J. G. Fujimoto, M. E. Brezinski, G. J. Tearney, S. A. Boppart, B. E. Bouma, M. R. Hee, J. F. Southern, and E. A. Swanson, Nature Med. 1, 970 (1995).
[CrossRef]

Bouma, B. E.

S. A. Boppart, B. E. Bouma, C. Pitris, J. F. Southern, M. E. Brezinski, and J. G. Fujimoto, Nature Med. 4, 861 (1998).
[CrossRef]

J. G. Fujimoto, M. E. Brezinski, G. J. Tearney, S. A. Boppart, B. E. Bouma, M. R. Hee, J. F. Southern, and E. A. Swanson, Nature Med. 1, 970 (1995).
[CrossRef]

B. E. Bouma, G. J. Tearney, S. A. Boppart, M. R. Hee, M. E. Brezinski, and J. G. Fujimoto, Opt. Lett. 20, 1486 (1995).
[CrossRef] [PubMed]

Brezinski, M. E.

S. A. Boppart, B. E. Bouma, C. Pitris, J. F. Southern, M. E. Brezinski, and J. G. Fujimoto, Nature Med. 4, 861 (1998).
[CrossRef]

B. E. Bouma, G. J. Tearney, S. A. Boppart, M. R. Hee, M. E. Brezinski, and J. G. Fujimoto, Opt. Lett. 20, 1486 (1995).
[CrossRef] [PubMed]

J. G. Fujimoto, M. E. Brezinski, G. J. Tearney, S. A. Boppart, B. E. Bouma, M. R. Hee, J. F. Southern, and E. A. Swanson, Nature Med. 1, 970 (1995).
[CrossRef]

Chang, W.

D. Huang, E. Swanson, C. P. Lin, J. S. Schuman, W. G. Stinson, W. Chang, M. R. Hee, T. Flotte, K. Gregory, C. A. Puliafito, and J. G. Fujimoto, Science 254, 1178 (1991).
[CrossRef] [PubMed]

Chen, Y.

Cheng, P. H.

Cho, S.

Clivaz, X.

X. Clivaz, F. Marquis-Weible, and R. P. Salathé, Electron. Lett. 28, 1553 (1992).
[CrossRef]

Drexler, W.

F. Lexer, C. K. Hitzenberger, W. Drexler, S. Molebny, H. Sattmann, M. Sticker, and A. F. Fercher, J. Mod. Opt. 46, 541 (1999).
[CrossRef]

A. Baumgartner, C. K. Hitzenberger, H. Sattmann, W. Drexler, and A. F. Fercher, J. Biomed. Opt. 3, 45 (1998).
[CrossRef] [PubMed]

Fercher, A. F.

F. Lexer, C. K. Hitzenberger, W. Drexler, S. Molebny, H. Sattmann, M. Sticker, and A. F. Fercher, J. Mod. Opt. 46, 541 (1999).
[CrossRef]

A. Baumgartner, C. K. Hitzenberger, H. Sattmann, W. Drexler, and A. F. Fercher, J. Biomed. Opt. 3, 45 (1998).
[CrossRef] [PubMed]

Flotte, T.

D. Huang, E. Swanson, C. P. Lin, J. S. Schuman, W. G. Stinson, W. Chang, M. R. Hee, T. Flotte, K. Gregory, C. A. Puliafito, and J. G. Fujimoto, Science 254, 1178 (1991).
[CrossRef] [PubMed]

Foster, F. S.

M. D. Sherar, M. B. Noss, and F. S. Foster, Nature 330, 493 (1987).
[CrossRef] [PubMed]

Fujimoto, J. G.

U. Morgner, F. X. Kärtner, S. Cho, Y. Chen, H. A. Haus, J. G. Fujimoto, E. P. Ippen, V. Scheurer, G. Angelow, and T. Tschudi, Opt. Lett. 24, 411 (1999).
[CrossRef]

S. A. Boppart, B. E. Bouma, C. Pitris, J. F. Southern, M. E. Brezinski, and J. G. Fujimoto, Nature Med. 4, 861 (1998).
[CrossRef]

J. G. Fujimoto, M. E. Brezinski, G. J. Tearney, S. A. Boppart, B. E. Bouma, M. R. Hee, J. F. Southern, and E. A. Swanson, Nature Med. 1, 970 (1995).
[CrossRef]

B. E. Bouma, G. J. Tearney, S. A. Boppart, M. R. Hee, M. E. Brezinski, and J. G. Fujimoto, Opt. Lett. 20, 1486 (1995).
[CrossRef] [PubMed]

E. A. Swanson, D. Huang, M. R. Hee, J. G. Fujimoto, C. P. Lin, and C. A. Puliafito, Opt. Lett. 17, 151 (1992).
[CrossRef] [PubMed]

D. Huang, E. Swanson, C. P. Lin, J. S. Schuman, W. G. Stinson, W. Chang, M. R. Hee, T. Flotte, K. Gregory, C. A. Puliafito, and J. G. Fujimoto, Science 254, 1178 (1991).
[CrossRef] [PubMed]

Gregory, K.

D. Huang, E. Swanson, C. P. Lin, J. S. Schuman, W. G. Stinson, W. Chang, M. R. Hee, T. Flotte, K. Gregory, C. A. Puliafito, and J. G. Fujimoto, Science 254, 1178 (1991).
[CrossRef] [PubMed]

Haus, H. A.

Hee, M. R.

J. G. Fujimoto, M. E. Brezinski, G. J. Tearney, S. A. Boppart, B. E. Bouma, M. R. Hee, J. F. Southern, and E. A. Swanson, Nature Med. 1, 970 (1995).
[CrossRef]

B. E. Bouma, G. J. Tearney, S. A. Boppart, M. R. Hee, M. E. Brezinski, and J. G. Fujimoto, Opt. Lett. 20, 1486 (1995).
[CrossRef] [PubMed]

E. A. Swanson, D. Huang, M. R. Hee, J. G. Fujimoto, C. P. Lin, and C. A. Puliafito, Opt. Lett. 17, 151 (1992).
[CrossRef] [PubMed]

D. Huang, E. Swanson, C. P. Lin, J. S. Schuman, W. G. Stinson, W. Chang, M. R. Hee, T. Flotte, K. Gregory, C. A. Puliafito, and J. G. Fujimoto, Science 254, 1178 (1991).
[CrossRef] [PubMed]

Hitzenberger, C. K.

F. Lexer, C. K. Hitzenberger, W. Drexler, S. Molebny, H. Sattmann, M. Sticker, and A. F. Fercher, J. Mod. Opt. 46, 541 (1999).
[CrossRef]

A. Baumgartner, C. K. Hitzenberger, H. Sattmann, W. Drexler, and A. F. Fercher, J. Biomed. Opt. 3, 45 (1998).
[CrossRef] [PubMed]

Huang, D.

E. A. Swanson, D. Huang, M. R. Hee, J. G. Fujimoto, C. P. Lin, and C. A. Puliafito, Opt. Lett. 17, 151 (1992).
[CrossRef] [PubMed]

D. Huang, E. Swanson, C. P. Lin, J. S. Schuman, W. G. Stinson, W. Chang, M. R. Hee, T. Flotte, K. Gregory, C. A. Puliafito, and J. G. Fujimoto, Science 254, 1178 (1991).
[CrossRef] [PubMed]

Ippen, E. P.

Kärtner, F. X.

Lee, S. L.

J. M. Schmitt, S. L. Lee, and K. M. Yung, Opt. Commun. 142, 203 (1997).
[CrossRef]

Lexer, F.

F. Lexer, C. K. Hitzenberger, W. Drexler, S. Molebny, H. Sattmann, M. Sticker, and A. F. Fercher, J. Mod. Opt. 46, 541 (1999).
[CrossRef]

Lin, C. P.

E. A. Swanson, D. Huang, M. R. Hee, J. G. Fujimoto, C. P. Lin, and C. A. Puliafito, Opt. Lett. 17, 151 (1992).
[CrossRef] [PubMed]

D. Huang, E. Swanson, C. P. Lin, J. S. Schuman, W. G. Stinson, W. Chang, M. R. Hee, T. Flotte, K. Gregory, C. A. Puliafito, and J. G. Fujimoto, Science 254, 1178 (1991).
[CrossRef] [PubMed]

Liu, H. H.

Marquis-Weible, F.

X. Clivaz, F. Marquis-Weible, and R. P. Salathé, Electron. Lett. 28, 1553 (1992).
[CrossRef]

Molebny, S.

F. Lexer, C. K. Hitzenberger, W. Drexler, S. Molebny, H. Sattmann, M. Sticker, and A. F. Fercher, J. Mod. Opt. 46, 541 (1999).
[CrossRef]

Morgner, U.

Noss, M. B.

M. D. Sherar, M. B. Noss, and F. S. Foster, Nature 330, 493 (1987).
[CrossRef] [PubMed]

Pitris, C.

S. A. Boppart, B. E. Bouma, C. Pitris, J. F. Southern, M. E. Brezinski, and J. G. Fujimoto, Nature Med. 4, 861 (1998).
[CrossRef]

Puliafito, C. A.

E. A. Swanson, D. Huang, M. R. Hee, J. G. Fujimoto, C. P. Lin, and C. A. Puliafito, Opt. Lett. 17, 151 (1992).
[CrossRef] [PubMed]

D. Huang, E. Swanson, C. P. Lin, J. S. Schuman, W. G. Stinson, W. Chang, M. R. Hee, T. Flotte, K. Gregory, C. A. Puliafito, and J. G. Fujimoto, Science 254, 1178 (1991).
[CrossRef] [PubMed]

Salathé, R. P.

X. Clivaz, F. Marquis-Weible, and R. P. Salathé, Electron. Lett. 28, 1553 (1992).
[CrossRef]

Sattmann, H.

F. Lexer, C. K. Hitzenberger, W. Drexler, S. Molebny, H. Sattmann, M. Sticker, and A. F. Fercher, J. Mod. Opt. 46, 541 (1999).
[CrossRef]

A. Baumgartner, C. K. Hitzenberger, H. Sattmann, W. Drexler, and A. F. Fercher, J. Biomed. Opt. 3, 45 (1998).
[CrossRef] [PubMed]

Scheurer, V.

Schmitt, J. M.

J. M. Schmitt, S. L. Lee, and K. M. Yung, Opt. Commun. 142, 203 (1997).
[CrossRef]

Schuman, J. S.

D. Huang, E. Swanson, C. P. Lin, J. S. Schuman, W. G. Stinson, W. Chang, M. R. Hee, T. Flotte, K. Gregory, C. A. Puliafito, and J. G. Fujimoto, Science 254, 1178 (1991).
[CrossRef] [PubMed]

Sherar, M. D.

M. D. Sherar, M. B. Noss, and F. S. Foster, Nature 330, 493 (1987).
[CrossRef] [PubMed]

Southern, J. F.

S. A. Boppart, B. E. Bouma, C. Pitris, J. F. Southern, M. E. Brezinski, and J. G. Fujimoto, Nature Med. 4, 861 (1998).
[CrossRef]

J. G. Fujimoto, M. E. Brezinski, G. J. Tearney, S. A. Boppart, B. E. Bouma, M. R. Hee, J. F. Southern, and E. A. Swanson, Nature Med. 1, 970 (1995).
[CrossRef]

Sticker, M.

F. Lexer, C. K. Hitzenberger, W. Drexler, S. Molebny, H. Sattmann, M. Sticker, and A. F. Fercher, J. Mod. Opt. 46, 541 (1999).
[CrossRef]

Stinson, W. G.

D. Huang, E. Swanson, C. P. Lin, J. S. Schuman, W. G. Stinson, W. Chang, M. R. Hee, T. Flotte, K. Gregory, C. A. Puliafito, and J. G. Fujimoto, Science 254, 1178 (1991).
[CrossRef] [PubMed]

Swanson, E.

D. Huang, E. Swanson, C. P. Lin, J. S. Schuman, W. G. Stinson, W. Chang, M. R. Hee, T. Flotte, K. Gregory, C. A. Puliafito, and J. G. Fujimoto, Science 254, 1178 (1991).
[CrossRef] [PubMed]

Swanson, E. A.

J. G. Fujimoto, M. E. Brezinski, G. J. Tearney, S. A. Boppart, B. E. Bouma, M. R. Hee, J. F. Southern, and E. A. Swanson, Nature Med. 1, 970 (1995).
[CrossRef]

E. A. Swanson, D. Huang, M. R. Hee, J. G. Fujimoto, C. P. Lin, and C. A. Puliafito, Opt. Lett. 17, 151 (1992).
[CrossRef] [PubMed]

Tearney, G. J.

J. G. Fujimoto, M. E. Brezinski, G. J. Tearney, S. A. Boppart, B. E. Bouma, M. R. Hee, J. F. Southern, and E. A. Swanson, Nature Med. 1, 970 (1995).
[CrossRef]

B. E. Bouma, G. J. Tearney, S. A. Boppart, M. R. Hee, M. E. Brezinski, and J. G. Fujimoto, Opt. Lett. 20, 1486 (1995).
[CrossRef] [PubMed]

Tschudi, T.

Wang, J.

Yung, K. M.

J. M. Schmitt, S. L. Lee, and K. M. Yung, Opt. Commun. 142, 203 (1997).
[CrossRef]

Electron. Lett. (1)

X. Clivaz, F. Marquis-Weible, and R. P. Salathé, Electron. Lett. 28, 1553 (1992).
[CrossRef]

J. Biomed. Opt. (1)

A. Baumgartner, C. K. Hitzenberger, H. Sattmann, W. Drexler, and A. F. Fercher, J. Biomed. Opt. 3, 45 (1998).
[CrossRef] [PubMed]

J. Mod. Opt. (1)

F. Lexer, C. K. Hitzenberger, W. Drexler, S. Molebny, H. Sattmann, M. Sticker, and A. F. Fercher, J. Mod. Opt. 46, 541 (1999).
[CrossRef]

Nature (1)

M. D. Sherar, M. B. Noss, and F. S. Foster, Nature 330, 493 (1987).
[CrossRef] [PubMed]

Nature Med. (2)

S. A. Boppart, B. E. Bouma, C. Pitris, J. F. Southern, M. E. Brezinski, and J. G. Fujimoto, Nature Med. 4, 861 (1998).
[CrossRef]

J. G. Fujimoto, M. E. Brezinski, G. J. Tearney, S. A. Boppart, B. E. Bouma, M. R. Hee, J. F. Southern, and E. A. Swanson, Nature Med. 1, 970 (1995).
[CrossRef]

Opt. Commun. (1)

J. M. Schmitt, S. L. Lee, and K. M. Yung, Opt. Commun. 142, 203 (1997).
[CrossRef]

Opt. Lett. (4)

Science (1)

D. Huang, E. Swanson, C. P. Lin, J. S. Schuman, W. G. Stinson, W. Chang, M. R. Hee, T. Flotte, K. Gregory, C. A. Puliafito, and J. G. Fujimoto, Science 254, 1178 (1991).
[CrossRef] [PubMed]

Cited By

OSA participates in CrossRef's Cited-By Linking service. Citing articles from OSA journals and other participating publishers are listed here.

Alert me when this article is cited.


Figures (4)

Fig. 1
Fig. 1

Ultrahigh-resolution fiber OCT system with a KLM mode-locked Ti:sapphire laser. The interferometer is dispersion balanced and optically and electronically optimized to support broad optical bandwidths. See text for definitions.

Fig. 2
Fig. 2

Optical output spectrum (top), interference signals and envelopes (middle and bottom) of the KLM Ti:sapphire laser versus a SLD. An optical bandwidth of 260 nm permits a free-space resolution of 1.5 µm for the laser, compared with 32-nm and 11.5µm resolution with a SLD.

Fig. 3
Fig. 3

In vivo subcellular level resolution (1 µm×3 µm, longitudinal×transverse) tomogram of an African frog tadpole (Xenopus laevis). Multiple mesanchymal cells of various sizes and nuclear-to-cytoplasmic ratios, olfactory tract (OT) and intracellular morphology, as well as mitosis of two cell pairs (arrows), are clearly shown. Bar: 100 µm.

Fig. 4
Fig. 4

In vivo ultrahigh-resolution (1 µm×3 µm, longitudinal×transverse) tomograms of the same site of an African frog tadpole (Xenopus laevis), recorded with different depths of focus. We fused these images, in addition to five others, to construct the image shown in Fig. 3 to maintain high transverse resolution throughout the depth that was imaged. Bar: 100 µm.

Metrics