CN101912254A - 共路径光相干断层成像系统光纤探头 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的是一种共路径光相干断层成像系统的光纤探头，该探头包括单模光纤(1)和楔形光纤(2)，单模光纤(1)和楔形光纤(2)相连接成为一个整体，或直接在单模光纤的尾端切割成楔形。所述的楔形光纤(2)的尖劈端设有一个调节激光在楔形光纤(2)上反射光和透射光分光比的光纤端面(3)，光纤端面(3)与竖直方向有一夹角为θ。本探头通过楔形光纤对光纤中的激光进行会聚，减小激光的模斑大小，从而提高系统的信噪比；通过对楔形光纤端面角度的调节，可以改变激光在楔形光纤端面的反射和出射的比值，从而提高信号光和参考光的干涉效果。本探头结构紧凑，制作工艺简单，使用方便。

Description

共路径光相干断层成像系统光纤探头

技术领域

本发明涉及的是光相干断层成像(OCT)系统技术，主要是关于共路径光相干断层成像系统的光纤探头。

背景技术

光相干断层成像(Optical Coherence Tomography，简称OCT)是一种高分辨率、非接触式的生物组织成像技术。作为一种影像学检查方法具有非创伤性、非接触性、操作简单，高分辨率横截面成像，图像直观、清晰。这项技术的独特功能使得研究和临床应用非常广泛，尤其是光相干断层成像技术与内窥成像技术相结合形成的内窥光相干断层成像技术，可对生物体内部的组织器官进行成像，极大地拓展了它的应用范围。

光相干断层成像是一种新型的光学成像方式，是通过测量后向散射光和后向反射光可以实现对材料内部的微观结构和生物系统的横断面的成像。它所使用的光源是可见光或者近红外光，成像也是只适用于可见光或近红外光透明的媒质。光相干断层成像技术发展至今，从光路的结构来看，主要有两类：一类是双光路结构，参考臂和探测臂是独立的；另一类是单光路结构，即参考臂和探测臂合在一起。在共路径OCT系统中，参考臂和样品臂共用一个光学路径。光源发出的光经过光纤耦合器进入参考臂(样品臂)，一部分光在参考面处反射，作为参考光；另一部分光透过传感探针照射到样品内部而得到很弱的后向散射光，再次耦合回光纤，作为样品光，与参考光相干叠加，产生干涉信号。干涉信号通过参考臂(样品臂)回到光纤耦合器，进入探测器。由于生物体内腔结构极不规则，进人其内的光纤或光纤传像束不可避免地存在着弯曲现象，致使由其传输光束的偏振态发生变化，以及使用与参考臂不同类型或不同长度光纤时引起的色散失配、温度波动引起的图像漂移、周期性生命律动引起的振动等，都会导致成像质量显著下降。并且，针对不同组织或区域成像时要求使用不同长度的探头，探头的每次更换，都需进行大行程范围的光程匹配、色散补偿和偏振态调节等操作，这些因素有时甚至会超出系统可供调节的范围而得不到满意结果。因此，系统的传感探头采用共路径结构，可以有效的减小光纤振动、弯曲等干扰的影响，非常适合内窥成像，这样才能得到人体内部组织器官的高分辨率成像。国外的很多科研机构都开展了这方面的研究，如美国的哈佛医学院的G.J.Tearney小组采用的旋转光学组件构建的360度圆周扫描的探头系统；Y.T.Pan和J.M.Zara提出的基于旋转光耦合器和微机电系统(MEMS)的OCT微型探头；华盛顿大学的Xingde Li小组提出基于压电陶瓷的扫描探头。上述的方法，都存在有各自的优缺点，如基于旋转光学组件和光学耦合器的扫描探头，其光的耦合效率比较低，而且探头的尺寸比较大；基于MEMS技术的微型探头制作相当的复杂，制造成本和技术要求都比较高；基于压电陶瓷的扫描探头需要很高的驱动电压，需要较高的能耗，这不利于目前提倡的低碳经济并在人体中产生一定的安全隐患。因此，如何在比较简单的制造工艺和较低的制造成本的条件下，设计出结构简单紧凑、能耗低、并具有较高的光能利用率的共路径OCT扫描探头，就成为OCT探头设计的一大目标。

发明内容

技术问题：本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种用于共路径光学相干层析技术成像的光纤探头。该共路径光纤探头基于楔形光纤和有角度的光纤端面，楔形光纤用于缩小信号光的光斑大小，有角度的光纤端面提供了参考信号并对参考信号的大小进行调节，以达到最好的干涉效果，得到最好信噪比的干涉信号。

技术方案：本发明用于共路径光相干断层成像的光纤探头，该探头包括单模光纤和楔形光纤，单模光纤和楔形光纤相连接成为一个整体，或直接在单模光纤的尾端切割成楔形。所述的楔形光纤的尖劈端设有一个调节激光在楔形光纤上反射光和透射光分光比的光纤端面，光纤端面与竖直方向有一夹角为θ。所述的角为θ的具体的大小是由反射光R和透射光T的分光比确定，根据菲涅耳定律计算得出：

$R=\frac{{\tan }^2(\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}_1)}{{\tan }^2(\mathrm{\θ}+{\mathrm{\θ}}_1)}{\cos }^2\mathrm{\α}+\frac{{\sin }^2(\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}_1)}{{\sin }^2(\mathrm{\θ}+{\mathrm{\θ}}_1)}{\sin }^2\mathrm{\α}$

$T=\frac{\sin 2\mathrm{\θ}\sin 2{\mathrm{\θ}}_1}{{\sin }^2(\mathrm{\θ}+{\mathrm{\θ}}_1){\cos }^2(\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}_1)}{\cos }^2\mathrm{\α}+\frac{\sin 2\mathrm{\θ}\sin 2{\mathrm{\θ}}_1}{{\sin }^2(\mathrm{\θ}+{\mathrm{\θ}}_1)}{\sin }^2\mathrm{\α}$

nsinθ＝n₁sinθ₁

其中：θ为端面与竖直方向的夹角，θ₁为透射光与端面法线的夹角，α为震动面与入射面的夹角。n为光纤纤芯的折射率，n₁为空气的折射率。

楔形光纤可以将单模光纤输出的激光进行会聚，照射在被测样品上，楔形光纤的端面被切割成一定的角度，用于调节激光输出的分光比。

有益效果：与背景技术相比，本发明具有如下的技术效果：

1、本光纤探头使用的是单模光纤和楔形光纤，具有体积小、结构紧凑、制造工艺简单的优点。

2、本光纤探头只是使用单模光纤和楔形光纤，并对光纤进行加工，不添加任何的驱动装置，减少了能量的消耗，低碳环保，也提高了安全性。

3、通过使用楔形光纤对成像光纤中的激光进行准直会聚，可以提高轴外点成像的光能利用率，进而提高系统总体的信噪比。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是共路径光相干断层成像系统的结构示意图。

图2A是本发明的光纤探头。图2B是图2A的俯视图。图2C是图2A的侧视图。

图3A是是单模光纤和楔形光纤组合的光路示意图。图3B是端面有角度的单模光纤的光路示意图。

图4A是单模光纤的模斑图，图4B是楔形光纤的模斑图。

图5是共路径光相干断层成像探头实验的干涉曲线。

图中有：单模光纤1，楔形光纤2，光纤端面3，待测试样品4。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，本发明的目的和效果将变得更加明显。

图1所示是共路径光相干断层成像系统的原理图。如图所示，光源发出的光经过单模光纤传输到2×2耦合器，通过2×2耦合器后，光分为两路，其中一路的单模光纤被打结，从而抑制了此路的反射光，另一路用单模光纤连接到光纤探头，这一路中既作为参考臂也作为探测臂。经过2×2耦合器的光进入参考臂(样品臂)，一部分光在参考面处反射，作为参考光；另一部分光透过传感探针照射到样品内部而得到很弱的后向散射光，再次耦合回光纤，作为样品光，与参考光相干叠加，产生干涉信号。干涉信号通过参考臂(样品臂)回到光纤耦合器，进入探测器。

如图2A所示，本发明用于共路径光相干断层成像系统的光纤探头包括单模光纤1和楔形光纤2，单模光纤1和楔形光纤2连接在一起，楔形光纤2的尾端被切割成一定的角度θ。图2B所示的是图2A的一个俯视图。图2C是图2A的侧视图，图2C所示的光纤端面3与竖直方向的夹角为θ。θ角的作用是为了调节激光在光纤端面3上反射和透射的分光比，从而提高干涉效果，提高系统的信噪比。

图3A显示的是单模光纤1和楔形光纤2组合的光路示意图。如图所示，光源发出的光进入单模光纤1中，经单模光纤1传输到楔形光纤2中，由于楔形光纤2对激光的会聚作用，将单模光纤1中传输光的模斑减小，将光的能量更加集中，经过角度为θ的光纤端面3，一部分光由光纤端面3反射回楔形光纤2，另一部分的光由光纤端面3出射，照射在待测试样品4上，再经由待测试样品4反射和散射效应，反射和散射光再耦合进楔形光纤2中，与由光纤端面3反射回楔形光纤2的光发生干涉效应，干涉信号经楔形光纤2传到单模光纤1，再由单模光纤1传到探测器中，从而形成一个共路径光相干断层成像系统。图3B显示的是简化的共路径光相干断层成像探头，它是将单模光纤1尾端切割成一定的角度θ，θ角的大小在3.35°到43.23°之间。θ角度的作用也是为了调节激光在光纤端面3上的反射和透射的分光比，从而提高干涉效果。

图3A和图3B的区别是图3A中加有楔形光纤2，楔形光纤2是为了减少模斑大小，与图3B相比，图3A所示探头有更好的探测效果，有更好的信噪比。

图4A所示的是单模光纤的模斑图，图4B所示的是楔形光纤的模斑图，由两图的对比得知楔形光纤的模斑明显小于单模光纤的模斑大小，这有助于提高系统的灵敏度和分辨率。

图5所示的是带角度探头的实验测试到的干涉曲线图。由干涉曲线得知，光纤端面3到待测试样品4之间的距离在10um之内的干涉效果很明显。

Claims (3)

1.一种共路径光相干断层成像系统的光纤探头，其特征在于该探头包括单模光纤(1)和楔形光纤(2)，单模光纤(1)和楔形光纤(2)相连接成为一个整体，或直接在单模光纤的尾端切割成楔形。

2.根据权利要求1所述的共路径光相干断层成像系统的光纤探头，其特征在于所述的楔形光纤(2)的尖劈端设有一个调节激光在楔形光纤(2)上反射光和透射光分光比的光纤端面(3)，光纤端面(3)与竖直方向有一夹角为θ。

3.根据权利要求1所述的共路径光相干断层成像系统的光纤探头，其特征在于所述的角为θ的具体的大小是由反射光R和透射光T的分光比确定，根据菲涅耳定律计算得出：

$R=\frac{{\tan }^2(\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}_1)}{{\tan }^2(\mathrm{\θ}+{\mathrm{\θ}}_1)}{\cos }^2\mathrm{\α}+\frac{{\sin }^2(\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}_1)}{{\sin }^2(\mathrm{\θ}+{\mathrm{\θ}}_1)}{\sin }^2\mathrm{\α}$

$T=\frac{\sin 2\mathrm{\θ}\sin 2{\mathrm{\θ}}_1}{{\sin }^2(\mathrm{\θ}+{\mathrm{\θ}}_1){\cos }^2(\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}_1)}{\cos }^2\mathrm{\α}+\frac{\sin 2\mathrm{\θ}\sin 2{\mathrm{\θ}}_1}{{\sin }^2(\mathrm{\θ}+{\mathrm{\θ}}_1)}{\sin }^2\mathrm{\α}$

nsinθ＝n₁sinθ₁

其中：θ为端面与竖直方向的夹角，θ₁为透射光与端面法线的夹角，α为震动面与入射面的夹角，n为光纤纤芯的折射率，n₁为空气的折射率。

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