CN102520505A - 基于棱镜的双通光学延迟线 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于棱镜的双通光学延迟线，其由准直镜(1)，棱镜(2)、傅立叶透镜(3)，接收反射镜(4)和反射镜(5)组成；入射光经过准直镜(1)准直后入射到棱镜(2)，由棱镜(2)的色散进行分光，经过色散分光后的光线通过傅立叶透镜(3)聚焦到接收反射镜(4)；被接收反射镜(4)反射的光线经过傅立叶透镜(3)和棱镜(2)后入射到反射镜(5)上，反射镜(5)将光线反射，使其经原路依次通过棱镜(2)、傅立叶透镜(3)、接收反射镜(4)、傅立叶透镜(3)、棱镜(2)、准直镜(1)返回到最初的入射处。本发明具有光耦合效率高，结构简单，成本节约的优点，可提高傅立叶域光学相干层析系统的成像效果。

Description

基于棱镜的双通光学延迟线

技术领域

本发明涉及光学相干层析系统的技术领域，尤其涉及一种基于棱镜的双通光学延迟线。

背景技术

光学相干层析系统(即Optical Coherence Tomography，也即OCT)是一种新型的非接触、高分辨率的光学探测系统，它通过光学干涉的方法对目标进行纵向扫描，最后通过两维或三维重建，得出目标的结构信息、多普勒信息以及偏振信息。因此它可广泛应用于医学成像、各种工业损伤探测应用之中。但是由于生物样品或玻璃样品对宽带光谱会产生色散，使得光学相干层析系统的点扩散函数产生拓展，降低了成像的精度及信噪比。因此对样品进行色散补偿可有效地提高成像的精度及信噪比，对提高光学相干层析系统的实用性有重要意义。

光学延迟线为一种光学结构，其能够实现群延迟和相延迟分离控制，具有色散补偿的功能，可用于光学相干层析系统中参考臂和样品臂的色散匹配。目前的色散延迟线多是基于衍射光栅的色散能力进行设计的：例如现有专利U.S.6,564,089、ZL 200610052463.8、ZL200710069738.3均是基于衍射光栅的色散延迟线，这种方法具有精度高，色散能力强等特点，但是由于光栅存在着成本高，耦合效率低，衍射效率不高，调试困难等因素，它的使用受到了限制。而基于棱镜的光学延迟线具有耦合效率高等特点，专利U.S.7,417,741B2给出了一种基于棱镜的光学延迟线，但是它是一种单通的光学延迟线，不能很好地利用棱镜的色散能力。

发明内容

为了解决现有技术中的上述技术问题，本发明提供了一种基于棱镜的双通光学延迟线，用以克服现有的基于光栅的光学延迟线中的光栅存在着成本高，耦合效率低，衍射效率不高，调试困难等问题，以及克服单通的光学延迟线不能很好地利用棱镜的色散能力的问题，从而达到提供一种双通光学延迟线，其具有成本低、光能利用率高的优势。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：一种基于棱镜的双通光学延迟线，由准直镜、棱镜、傅立叶透镜、接收反射镜和反射镜组成；入射光经过准直镜准直后入射到棱镜，由棱镜的色散进行分光，经过色散分光后的光线通过傅立叶透镜聚焦到接收反射镜；被接收反射镜反射的光线经过傅立叶透镜和棱镜后入射到反射镜上，反射镜将光线反射，使其经原路依次通过棱镜、傅立叶透镜、接收反射镜、傅立叶透镜、棱镜、准直镜返回到最初的入射处，达到了双通的目的。

进一步的，所述接收反射镜与光轴有一夹角α从而对不同的波长产生一个固定的相位调制量。

进一步的，棱镜的出射中心点位于傅立叶透镜的前焦面上，棱镜的出射中心点与傅立叶透镜的距离为傅立叶透镜的焦距f_ODL，接收反射镜置于傅立叶透镜的后焦面上，接收反射镜与傅立叶透镜的距离为f_ODL，傅立叶透镜将出射光聚焦于接收反射镜。

本发明与现有技术相比的优点在于：

本发明提供的一种基于棱镜的双通光学延迟线，克服了光栅型色散延迟线成本高，光能利用率低的缺陷，本发明具有成本低、光能利用率高的优势。

附图说明

图1是本发明基于棱镜的双通延迟线的结构示意图。

图2是本发明中基于棱镜的双通延迟线的傅立叶光学相干层析系统结构示意图。

上述图中，1为准直镜；2为棱镜；3为傅立叶透镜；4为接收反射镜；5为反射镜；6为光轴；7为低相干光源；8为光隔离器；9为宽带光纤耦合器；10、11、16均为偏振控制器；12为光纤准直器；13为扫描振镜；14、19均为透镜；15为样品；17为光纤准直器；18为光栅；20为线扫描相机。

具体实施方式

下面结合附图详细介绍本发明。

如图1所示，本发明提供的一种基于棱镜的双通光学延迟线，由准直镜1、棱镜2、傅立叶透镜3、接收反射镜4和反射镜5组成。入射光从某处S处入射，经过准直镜1准直后入射到棱镜2，由棱镜2的色散进行分光，经过色散分光后的光线通过傅立叶透镜3聚焦到接收反射镜4，由于接收反射镜4与光轴6有一个固定的微小夹角α，被接收反射镜4反射的光线经过傅立叶透镜3和棱镜2后入射到反射镜5上，反射镜5将光线反射，使其原路返回依次通过棱镜2、傅立叶透镜3、接收反射镜4、傅立叶透镜3、棱镜2、准直镜1到达S处。

其中，接收反射镜4与光轴6有一个固定的夹角α，从而对不同的波长产生一个固定的相位调制量。棱镜2的出射中心点位于傅立叶透镜3的前焦面上，棱镜2的出射中心点与傅立叶透镜3的距离为傅立叶透镜3的焦距f_ODL，接收反射镜4置于傅立叶透镜3的后焦面上，接收反射镜4与傅立叶透镜3的距离为f_ODL，傅立叶透镜3将出射光聚焦于接收反射镜4。

如图1所示，入射光经过准直镜1准直成平行光，平行光的光斑直径为d。平行光以一定角度入射到棱镜2中，平行光在棱镜中折射，其下边的边长为l。平行光在棱镜2中传播，由棱镜2的色散能力，分成不同波长的光，以不同的角度出射。不同波长λ与中心波长λ₀的光的夹角Δθ为：

$\mathrm{\Δ\θ}=\frac{\mathrm{lp}}{d}\mathrm{\Δ\λ}$

其中

是棱镜的色散，Δλ＝λ-λ₀。由棱镜2的光学特性，不同波长经棱镜2折射后的出射光还是平行光。这些平行光由傅立叶透镜3聚焦，并由接收反射镜4反射。接收反射镜4与光轴有一定的角度α。反射光经过傅立叶透镜3准直后，入射到棱镜2中，并由棱镜2折射后入射到反射镜5中。经过反射镜5反射后，光线经原路返回到最初的入射处S，实现以双通光学延迟。

波长λ的光经过双通光学延迟线的相位改变量为：

$\mathrm{\φ}\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{4\mathrm{\αx\ω}}{c}-\frac{8\mathrm{\π\α}{f}_{\mathrm{ODL}}}{\mathrm{\ω}}\frac{\mathrm{pl}(\mathrm{\ω}-{\mathrm{\ω}}_0)}{d}$

其中，x为中心波长在接收反射镜4上的入射点与接收反射镜4偏转轴的距离，ω表示波长的角频率，ω₀表示中心波长的角频率，f_ODL表示傅立叶透镜3的焦距。

光线经过双通光学延迟线后的群速度延迟为：

$t_g=\frac{\∂\mathrm{\φ}\left(\mathrm{\ω}\right)}{\∂\mathrm{\ω}}{|}_{\mathrm{\ω}={\mathrm{\ω}}_0}=\frac{4\mathrm{\αx}}{c}-\frac{4\mathrm{\α}{f}_{\mathrm{ODL}}\mathrm{pl}{\mathrm{\λ}}_0}{d}---\left(1\right)$

光线经过双通光学延迟线后的群速度色散(GVD)为：

$\mathrm{GVD}\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{{\∂}^2\mathrm{\φ}\left(\mathrm{\ω}\right)}{{\∂}^2\mathrm{\ω}}=\frac{16\mathrm{\π}{f}_{\mathrm{ODL}}\mathrm{\αpl}}{d{\mathrm{\ω}}^3}---\left(2\right)$

由公式(1)可知，光线经过双通光学延迟线后的群速度延迟是一个固定值，与波长无关，只与中心波长相关，而由公式(2)可知，群速度色散与波长相关。样品中的色散是一个与波长相关的量，因此，通过调整α，就可以产生不同的群速度色散，进而补偿样品中的色散。

结合图2，以双通光学延迟线用于傅立叶傅光学相干层析系统做具体实例对本发明作进一步说明。

在傅立叶光学相干层析系统中，由低相干光源7发出低相干光，经光隔离器8进行到a:(1-a)宽带光纤耦合器9，由光纤耦合器9分出两束光，一束光经偏振控制器10从S处进入到光学延迟线，由双通光学延迟线进行反射，原路从S处进入光纤耦合器9中。另一路光经偏振控制器11进行光纤准直器12中准直，由扫描振镜13移动平行光经透镜14聚焦后对样品15进行扫描，样品15中的反射光由原路进入光纤耦合器9。经过光学延迟线的光通过调整α，可以产生不同的群速度色散，从而可以补偿样品的群速度色散。两路光在光纤耦合器9中形成干涉，经偏振控制器16和光纤准直器17后进入光栅18对不同波长的干涉信号进行分离，并由透镜19进行聚焦，由线扫描相机20对干涉数据进行采集后送入数据采集处理系统处理，重建出样品15的纵向层析图像。

由于光线经过双通光学延迟线后的群速度延迟为一固定值，只与中心波长相关，而群速度色散与各个波长的角频率相关。因此，通过调节双通光学延迟线的α，可以匹配样品的色散量，从而实现了对样品15的色散补偿，并提高光学相干层析系统的成像效果。

本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。

以上是对本发明的较佳实施例进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (3)

1.一种基于棱镜的双通光学延迟线，其特征在于，其由准直镜(1)、棱镜(2)、傅立叶透镜(3)、接收反射镜(4)和反射镜(5)组成；入射光经过准直镜(1)准直后入射到棱镜(2)，由棱镜(2)的色散进行分光，经过色散分光后的光线通过傅立叶透镜(3)聚焦到接收反射镜(4)；被接收反射镜(4)反射的光线经过傅立叶透镜(3)和棱镜(2)后入射到反射镜(5)上，反射镜(5)将光线反射，使其经原路依次通过棱镜(2)、傅立叶透镜(3)、接收反射镜(4)、傅立叶透镜(3)、棱镜(2)、准直镜(1)返回到最初的入射处。

2.根据权利要求1所述的一种基于棱镜的双通光学延迟线，其特征在于：所述的接收反射镜(4)与光轴(6)有一夹角α。

3.根据权利要求1所述的一种基于棱镜的双通光学延迟线，其特征在于：棱镜(2)的出射中心点位于傅立叶透镜(3)的前焦面上，棱镜(2)的出射中心点与傅立叶透镜(3)的距离为傅立叶透镜(3)的焦距f_ODL，接收反射镜(4)置于傅立叶透镜(3)的后焦面上，接收反射镜(4)与傅立叶透镜(3)的距离为f_ODL，傅立叶透镜(3)将出射光聚焦于接收反射镜(4)。

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