CN101644674B - 脉栅相干层析装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种脉栅相干层析装置。该层析装置包括低相干脉冲光源、分光合束器、脉栅发生器、光电探测器和数据采集处理系统等。该装置将低相干脉冲光分束，其中一束光由脉栅发生器产生脉栅，另一束光进入被层析物质，其反射光为信号光；脉栅与信号光干涉而形成的信号光脉冲串代表被层析物质反射光的分布即层析信息。该装置有层析范围大、重构简单快速、灵敏度高、成本低等特点，适于连续介质的层析成像，及生物、化学、物理等参量的分布传感。
Description
技术领域
本发明属于图像层析及三维光学分布传感技术领域，具体涉及一种脉栅相干层析装置。
背景技术
生物、化学物理、医学及诊断、大气云层、海洋、国防军事等领域需要层析成像，以获取生物、化学物理、组织细胞及其病变、大气层、海洋或海床、军事目标等的多维分布情况或层析(断层)图像信息；有的领域还需要大范围的层析或分布信息。这些层析图像或分布信息的获取都需要高可靠性、高灵敏、高精度的层析成像装置，以获取全方位信息。光学层析装置有非接触、高灵敏地获取大范围空间图像或场量(如振动、大气层的云和风场，及生物化学物质或其它物理场等)分布信息和定位的能力，且比较安全无害。因此，用光学方法实现图像层析或分布传感的层析装置有很重要的作用和广阔的应用前景。
目前，图像层析装置主要有基于高能射线(x光、γ射线等)的计算层析系统(CT机)、基于核磁共振的核磁共振成像仪(NMR仪)、基于正电子发射和湮灭的正电子发射计算层析系统(PECT系统)、光学相干层析装置(OCT系统)等。其中，应用较多的是CT机和NMR仪，CT机既可用于生物体也可用于非生物体的层析成像，而NMR仪、OCT系统、PECT系统等主要用于生物体的层析成像。CT机和核磁共振仪主要用于医疗或工业诊断；其不足是设备复杂，体积大，重建计算量大而费时，价格高，对人体或环境有一定的危害，适合中小空间范围的层析成像。PECT系统主要用于医学及其诊断，是CT技术和核素成像的结合；其缺点是使用复杂，设备价格过高，对生物体有一定程度的危害，适于中小空间范围的层析成像。
在现有层析装置中，与本发明相近的是光学相干层析装置。该装置是基于迈克尔逊干涉系统的一个光低相干层析装置，参见附图1。其装置构成是：低相干光源1发出的连续宽带光传输到分光器C，被分为两束光O1和O2，分别传输到反射镜M和被层析的生物体2；反射镜M反射的光和生物体2背向散射的光都返回到分光器C并产生干涉，其干涉光强被光电探测器3探测，该干涉光强主要代表了生物体2内与反射镜M光程差为0的散射点的散射强度；沿光线纵向方向扫描移动反射镜M的位置，得到生物体2内不同纵向位置的散射强度即层析信息(也可对干涉信号光的光谱进行付利叶变换而不需纵向扫描，但层析范围极小)；光电探测器3的输出信号连接到数据采集处理系统4，再加上横向二维扫描可得到三维层析信息，被重构为生物体2的层析图像。该装置的优点是空间分辨率高(微米量级)，系统较简单体积小，成本较低，重构算法简单；其不足是需要高精度纵向扫描机构(无纵向扫描的频域法的层析范围极小)，层析速度慢，层析范围小(难以用于大范围如数十公里的层析)，主要用于生物组织(如眼睛)的小范围层析成像。
发明内容
本发明的目的就在于针对现有装置存在的一些不足，提供一种灵敏度高、层析范围极大、重构处理简单快速、无纵向扫描机构的脉栅相干层析(PGCT，Pulse-grating CoherenceTomography)装置。用该装置可实现对生物、化学或物理等量场的大范围、高灵敏层析成像或分布检测。
为实现本发明目的，采用了以下技术方案：
首先定义术语“脉栅(Pulse-grating，PG)”。所述脉栅是指不同脉冲的载波之间有相同初相位或有确定相位差的低相干性脉冲串或序列；所述低相干性是指脉冲的载波频率成分是宽频谱的，或是指脉冲的持续时间与脉冲载波的周期是接近的。这样定义的脉栅可用于空间分布信号的相干采样，具有空间选通性即空间信号采样特性，也具有空间标尺特性。
本发明所述的脉栅相干层析装置，包括有低相干脉冲光源、分光合束器、脉栅发生器、第一光电转换器、数据采集处理系统；其特征在于：低相干脉冲光源的光输出到分光合束器的输入端，分光合束器的一束分光输出到被层析物质，分光合束器的另一束分光输出到脉栅发生器的输入端，分光合束器的合束光输出到第一光电转换器，第一光电转换器的输出端连接到数据采集处理系统的一个输入端。
本发明所述的脉栅相干层析装置，其特征在于：所述低相干脉冲光源是飞秒激光光源或超短脉冲光源；所述飞秒激光光源或超短脉冲光源的光脉冲宽小于100ps。
本发明所述的脉栅相干层析装置，其特征在于：所述低相干脉冲光源是有宽光谱的脉冲光源，或是由宽光谱光源和光调制器构成的光源；所述宽光谱光源的光传输到所述光调制器的输入端，光调制器的输出光是所述低相干脉冲光源的输出光；所述宽光谱的谱宽大于200pm。
本发明所述的脉栅相干层析装置，其特征在于：所述分光合束器是部分反射部分透射的反射镜；所述分光合束器的反射面与所述低相干脉冲光源的输出光线及所述脉栅发生器的光轴均成45°角。
本发明所述的脉栅相干层析装置，其特征在于：所述低相干脉冲光源的输出口连接有光隔离器；所述第一光电转换器是点式光电转换器，或是线阵式光电转换器，或是面阵式光电转换器。
本发明所述的脉栅相干层析装置，其特征在于：所述脉栅发生器是由第一反射器、光放大器和第二反射器组成，所述光放大器位于所述第一反射器和第二反射器之间。
本发明所述的脉栅相干层析装置，其特征在于：所述第二反射器的反射率大于0.01；所述第一反射器是部分反射部分透射的反射器，其反射率为0.4～0.6，其优化值为0.5。
本发明所述的脉栅相干层析装置，其特征在于：所述脉栅发生器与所述光放大器同光轴；所述脉栅发生器的输入端是所述第一反射器所在的一端；所述第一反射器和第二反射器的反射面均与所述脉栅发生器的光轴垂直。
本发明所述的脉栅相干层析装置，其特征在于：所述低相干脉冲光源的光脉冲宽小于光在所述第一反射器和第二反射器之间往返一次所需的时间。
本发明所述的脉栅相干层析装置，其特征在于：所述脉栅发生器的外部光端口(即所述第一反射器和第二反射器的外部光口)上装有第二光电转换器；所述第二光电转换器是点式光电转换器；所述第二光电转换器的输出端连接到所述数据采集处理系统的另一输入端。
本发明所述的脉栅相干层析装置，其特征在于：所述第二光电转换器和所述脉栅发生器之间还装有光分束器；所述光分束器位于所述脉栅发生器和分光合束器之间的光路上，或位于所述脉栅发生器中第二反射器的外端；所述光分束器分出的一束光传输到所述第二光电转换器。
本发明所述的脉栅相干层析装置，其特征在于：所述第二反射器的透射率为0.01～0.8；所述光分束器是部分反射部分透射的反射镜，其反射率为0.005～0.5；所述光分束器的反射面与所述脉栅发生器的光轴成45°角。
本发明所述的脉栅相干层析装置，其特征在于：所述低相干脉冲光源、分光合束器、脉栅发生器、第一光电转换器、第二光电转换器和光分束器安装于横向扫描平台上。
本发明所述的脉栅相干层析装置，其特征在于：所述数据采集处理系统是指将来自所述第一光电转换器的信号电脉冲串按脉冲顺序和扫描位置顺序，表征为层析图像或分布信息的系统。
本发明所述的脉栅相干层析装置，其特征在于：所述数据采集处理系统是指用所述第二光电转换器的电脉冲串作为采样时间控制信号，对所述第一光电转换器和/或第二光电转换器的电脉冲串进行采样，用采样的电脉冲串值或其相减和/或相除运算后的值，按采样顺序和扫描位置顺序表征为层析图像或分布信息的系统。即是说：所述数据采集处理系统是指用所述第二光电转换器的电脉冲串作为采样时间控制信号，对所述第一光电转换器的信号电脉冲串进行采样，按采样顺序和扫描位置顺序表征为层析图像或分布信息的系统；或者，所述数据采集处理系统是指用第二光电转换器的电脉冲串作为采样时间控制信号，对所述第一光电转换器和第二光电转换器的电脉冲串均进行采样，用采样的电脉冲串值进行相减和/或相除运算后，按采样顺序和扫描位置顺序表征为层析图像或分布信息的系统。
与现有装置比较，本发明提供的层析装置的特点有：(a)本装置灵敏度高，抗干扰能力强，重构或采样速度快；纵向定位是由脉栅发生器的循环光程作为标尺度量的，稳定性好，可调整；(b)本装置的最大特点是层析范围大(可达数十公里)，层析重构简单快速，系统结构简单，无纵向扫描机构；(c)本装置可用于海洋、大气、生物组织或其它化学物理等分布物质的层析成像和分布检测，适用面很广。
附图说明
图1是现有光学相干层析装置的原理图；
图2是本专利实施例一和实施例二涉及的脉栅相干层析装置结构图；
图3是本专利实施例三涉及的脉栅相干层析装置结构图；
图4是本专利实施例四涉及的脉栅相干层析装置结构图。
上述图中，虚线箭头代表光线及其传输方向，实线箭头代表电信号连接及其流向。
具体实施方式
下面结合附图，用本发明所述脉栅相干层析装置获取大气中云层的三维分布信息来作为实施例，进一步说明本发明。其它物质的层析装置的实施与之相似，且不应依所述的实施例来限制本发明的保护范围。
实施例一：参见图2，本脉栅相干层析装置包括有：低相干脉冲光源5、光隔离器10、分光合束器C1、脉栅发生器7、第一光电转换器8、数据采集处理系统9、横向扫描平台12；其中的脉栅发生器7包括有第一反射器C2、光放大器OA和第二反射器R，参见图2的虚线框内所示。其构成方法是：(i)低相干脉冲光源5的输出光口上安装有光隔离器10；低相干脉冲光源5是中心波长为1060nm、光谱带宽40nm、脉宽5ns、单脉冲能量50J、脉冲重复频率1kHz、可准直扩束的脉冲光源；该脉冲光源是基于内调制的脉冲光源，或是基于宽光谱光源和光调制器组合而成的光源；当是用宽光谱光源和光调制器组合而成的光源时，连续宽光谱光源的输出光传输到光调制器的光输入端，光调制器的输出光就是低相干脉冲光源5输出的脉冲光。(ii)分光合束器C1是半透半反的介质膜反射镜，其反射率和透射率均为0.5，分光合束器C1的反射面与低相干脉冲光源5的输出光线成45°角；低相干脉冲光源5的输出光经光隔离器10后传输到分光合束器C1的输入端，被分光合束器C1分为两束光，其中一束分光传输到被层析物质6(如大气中的云层、漂浮微粒、汽溶胶等)，另一束分光传输到脉栅发生器7的输入端。(iii)在脉栅发生器7中，光放大器OA安装于第一反射器C2和第二反射器R之间；光放大器OA的光轴是脉栅发生器7的光轴，并与低相干脉冲光源5同光轴，与第一反射器C2和第二反射器R的反射面垂直；第一反射器C2所在的一端作为脉栅发生器7的输入端；第一反射器(C2)是半透半反的介质膜反射镜，其反射率和透射率均为0.5；光放大器OA能放大0.7～0.9m或1～1.12m光谱区的光，其光放大倍数为2，其光放大介质的折射率为1.7，放大区间长0.5m；第二反射器R是介质膜反射镜，其反射率为0.5；第二反射器R与第一反射器C2之间的距离为0.55m。这样，脉栅发生器7产生的是均匀脉栅(即脉栅中各个脉冲的幅值相同，相邻脉冲的间距一致)。(iv)被层析物质6的反射光返回到分光合束器C1，从脉栅发生器7输入端得到的脉栅也返回到分光合束器C1；从被层析物质6和脉栅发生器7返回的光在分光合束器C1处合束并产生干涉；合束后的光输出到第一光电转换器8，由第一光电转换器8转换为电信号，该电信号即是信号电脉冲串；第一光电转换器8是超快光电转换器，其结构形式可以是点式光电转换器或线是阵式光电转换器或面阵式光电转换器；当第一光电转换器8是点式光电转换器时，其输出电信号是被层析物质6反射光方向的一维层析信息，用与被层析物质6反射光方向垂直的一维或二维移动扫描分别得到二维或三维层析信息；当第一光电转换器8是线阵式光电转换器时，其输出电信号是被层析物质6反射光及线阵所在平面的二维层析信息，用与被层析物质6反射光及线阵排列方向垂直的一维移动扫描可得到三维层析信息；当第一光电转换器8是面阵式光电转换器时，其输出电信号直接是被层析物质6反射光的垂直方向做一维或二维移动或转动的支撑架。这样就构成了一个脉栅相干层析装置。
实施例二：本实施例中脉栅相干层析装置的结构与实施例一中所述层析装置结构的不同是：(i)低相干脉冲光源5是飞秒激光光源或超短脉冲光源；该飞秒激光光源或超短脉冲光源的光脉冲宽为270fs，中心波长800nm，光谱宽10nm，单脉冲能量小于3nJ，重复频率1kHz。(ii)脉栅发生器7中的光放大器OA是能放大750～850nm波长光的光放大器。其它与实施例一的构成相同。第一光电转换器8输出到数据采集处理系统9的电信号是对应于被层析物质6分布反射光的小包络分布。
实施例三：参见图3(已用脉栅发生器7的组成结构“第一反射器C2、光放大器OA和第二反射器R”代替脉栅发生器7，而画于图3中)，本实施例中层析装置的结构与实施例一中所述层析装置结构的不同是：(i)在脉栅发生器7的外部光端口(即第二反射器R的外部光端口，或第一反射器C2外部光端口的偏离光轴位置)上还有第二光电转换器11；第二光电转换器11是点式光电转换器，其有源材料是InGaAs，其响应速度为18ps，其波长响应范围为400～1600nm；第二光电转换器11安装在横向扫描平台12上。(ii)第二光电转换器11的电信号输出端连接到数据采集处理系统9的第二个输入端；这里的数据采集处理系统9是指用其第二个输入端的电信号(即第二光电转换器11的电脉冲串)作为采样时间控制信号，对其第一个输入端的电信号(即第一光电转换器8的信号电脉冲串)进行采样，按采样顺序和扫描位置顺序表征为层析图像或分布信息的系统；或者，这里的数据采集处理系统9是指用其第二个输入端的电信号作为采样时间控制信号，对其第一个输入端和第二个输入端的电信号同时进行采样，用其第一个输入端的电信号采样值减去第二个输入端的电信号采样值或相减后再除以第二个输入端的电信号采样值，再按对应的采样和扫描位置顺序表征为层析图像或分布信息的系统。其它与实施例一的构成相同。
实施例四：参见图4(已用脉栅发生器7的组成结构“第一反射器C2、光放大器OA 和第二反射器R”代替脉栅发生器7，而画于图4中)，本实施例中层析装置的结构与实施例三中所述层析装置结构的不同是：在第二光电转换器11和脉栅发生器7之间还有光分束器C3；光分束器C3是部分透射部分反射的介质膜反射镜，其反射率和透射率分别为0.01和0.99；光分束器C3位于脉栅发生器7和分光合束器C1之间的光路上，或位于脉栅发生器7中第二反射器R的外部光端口上；光分束器C3的反射面与脉栅发生器7的光轴成45°角，光分束器C3也安装在横向扫描平台12上；光分束器C3分出的一束光传输到第二光电转换器11，由第二光电转换器11转换为电信号；第二光电转换器11的电信号输出端连接到数据采集处理系统9的第二个输入端。其它与实施例三的构成相同。
Claims (15)
1.脉栅相干层析装置，包括有低相干脉冲光源(5)、分光合束器(C1)、脉栅发生器(7)、第一光电转换器(8)、数据采集处理系统(9)；其特征在于：低相干脉冲光源(5)的光输出到分光合束器(C1)的输入端，分光合束器(C1)的一束分光输出到被层析物质(6)，分光合束器(C1)的另一束分光输出到脉栅发生器(7)的输入端，分光合束器(C1)的合束光输出到第一光电转换器(8)，第一光电转换器(8)的输出端连接到数据采集处理系统(9)的一个输入端；所述脉栅是指不同脉冲的载波之间有相同初相位或有确定相位差的低相干性脉冲串或序列。
2.根据权利要求1所述的层析装置，其特征在于：所述低相干脉冲光源(5)是超短脉冲光源；所述超短脉冲光源的光脉冲宽小于100ps。
3.根据权利要求1所述的层析装置，其特征在于：所述低相干脉冲光源(5)是有宽光谱的脉冲光源，或是由宽光谱光源和光调制器构成的光源；所述宽光谱光源的光传输到所述光调制器的输入端，光调制器的输出光是所述低相干脉冲光源的输出光；所述宽光谱的谱宽大于200pm。
4.根据权利要求1所述的层析装置，其特征在于：所述分光合束器(C1)是部分反射部分透射的反射镜；所述分光合束器(C1)的反射面与所述低相干脉冲光源(5)的输出光线及所述脉栅发生器(7)的光轴均成45°角。
5.根据权利要求1所述的层析装置，其特征在于：所述低相干脉冲光源(5)的输出口连接有光隔离器(10)；所述第一光电转换器(8)是点式光电转换器，或是线阵式光电转换器，或是面阵式光电转换器。
6.根据权利要求1所述的层析装置，其特征在于：所述脉栅发生器(7)是由第一反射器(C2)、光放大器(OA)和第二反射器(R)组成，所述光放大器(OA)位于所述第一反射器(C2)和第二反射器(R)之间。
7.根据权利要求6所述的层析装置，其特征在于：所述第二反射器(R)的反射率大于0.01；所述第一反射器(C2)是部分反射部分透射的反射器，其反射率为0.4～0.6。
8.根据权利要求6所述的层析装置，其特征在于：所述脉栅发生器(7)与所述光放大器(OA)同光轴；所述脉栅发生器(7)的输入端是所述第一反射器(C2)所在的一端；所述第一反射器(C2)和第二反射器(R)的反射面均与所述脉栅发生器(7)的光轴垂直。
9.根据权利要求6所述的层析装置，其特征在于：所述低相干脉冲光源(5)的光脉冲宽小于光在所述第一反射器(C2)和第二反射器(R)之间往返一次所需的时间。
10.根据权利要求8所述的层析装置，其特征在于：所述脉栅发生器(7)的外部光端口上装有第二光电转换器(11)；所述第二光电转换器(11)是点式光电转换器；所述第二光电转换器(11)的输出端连接到所述数据采集处理系统(9)的另一输入端。
11.根据权利要求10所述的层析装置，其特征在于：所述第二光电转换器(11)和所述脉栅发生器(7)之间还装有光分束器(C3)；所述光分束器(C3)位于所述脉栅发生器(7)和分光合束器(C1)之间的光路上，或位于所述脉栅发生器(7)中第二反射器(R)的外端；所述光分束器(C3)分出的一束光传输到所述第二光电转换器(11)。
12.根据权利要求11所述的层析装置，其特征在于：所述第二反射器(R)的透射率为0.01～0.8；所述光分束器(C3)是部分反射部分透射的反射镜，其反射率为0.005～0.5；所述光分束器(C3)的反射面与所述脉栅发生器(7)的光轴成45°角。
13.根据权利要求11所述的层析装置，其特征在于：所述低相干脉冲光源(5)、分光合束器(C1)、脉栅发生器(7)、第一光电转换器(8)、第二光电转换器(11)和光分束器(C3)安装于横向扫描平台(12)上。
14.根据权利要求1或10所述的层析装置，其特征在于：所述数据采集处理系统(9)是指将来自所述第一光电转换器(8)的信号电脉冲串按脉冲顺序和扫描位置顺序，表征为层析图像或分布信息的系统。
15.根据权利要求10所述的层析装置，其特征在于：所述数据采集处理系统(9)是指用所述第二光电转换器(11)的电脉冲串作为采样时间控制信号，对所述第一光电转换器(8)和/或第二光电转换器(11)的电脉冲串进行采样，用采样的电脉冲串值或其相减和/或相除运算后的值，按采样顺序和扫描位置顺序表征为层析图像或分布信息的系统。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20110105 Termination date: 20120713 |