CN104490362A - 基于光子纳米喷射的高横向分辨光学相干层析系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于光子纳米喷射的高横向分辨光学相干层析系统，包括宽带光源、光纤耦合器、参考臂、样品臂和探测臂，宽带光源发出的光经光纤耦合器分光后分别进入参考臂和样品臂，参考臂反射后的参考光按照原光路返回到光纤耦合器，同时样品臂的光通过光纤探头形成光子纳米喷射照明场，照明区域内经样品反射或后向散射的信号光再次通过光纤探头返回到光纤耦合器，样品臂返回的信号光与参考臂返回的参考光汇合并发生干涉；同时样品臂中扫描装置对样品进行扫描并将其扫描时序发送给探测臂中的计算机，探测臂对不同波长光的并行探测得到样品的深度信息。与现有技术相比，本发明具有超高的横向空间分辨率，利于OCT系统获得更大的应用范围。

Description

基于光子纳米喷射的高横向分辨光学相干层析系统

技术领域

本发明涉及一种光学相干层析技术，尤其是涉及一种基于光子纳米喷射的高横向分辨光学相干层析系统。

背景技术

光学相干层析成像(Optical Coherence Tomography，简称OCT)作为一种新兴的光学成像技术，能够进行非接触、无损伤、高分辨率地成像，主要应用于基础医学研究和眼科、心血管等疾病的临床诊断，以及考古、玉石、集成电路、玻璃面板和光伏组件等领域的无损检测。

空间分辨率作为光学成像技术最重要的技术指标之一，如何突破光学成像系统的衍射极限约束，一直是促进包括OCT技术在内的各种光学成像技术进一步发展的动力。在OCT系统中，横向空间分辨率取决于采样臂上光学系统的聚焦场横向分布，而轴向空间分辨率主要由宽带光源的相干长度决定。因此，一般可以使用不同的方法分别提高OCT系统的轴向和横向空间分辨率。目前，提高OCT系统轴向分辨率的主要方法是宽带光源技术，如超短脉冲激光技术、非线性超连续光谱技术和光谱合成技术。提高OCT系统横向分辨率最直接的方法是采样臂使用高数值孔径的光学系统。但是，该方法要获得高横向分辨率就必然导致光学系统的焦深变短，从而导致远离实际焦点处的横向分辨率迅速下降。鉴于光纤型OCT系统采样臂的光路系统一般是共聚焦光路结构模式，一些信号处理方法可以用来校正或提高OCT系统的横向空间分辨率，如基于点扩散函数的反卷积算法，类似合成孔径成像的综合孔径相干成像技术。然而，这些方法依然要受光学系统衍射极限的限制。通过调节照明光束的振幅、相位和偏振态改变聚焦光场(即点扩散函数工程)，光学成像系统可以突破衍射极限获得超高空间分辨率，如使用中心遮挡型光瞳滤波器，环形、多级纯相位光瞳滤波器，复振幅滤波器，光瞳掩模等。因此，丁志华等(中国专利：CN200610053327)提出在采样臂插入超分辨光瞳滤波器，利用相干门抑制轴向响应函数的旁瓣，实现轴向超高分辨OCT。另外，丁志华等(中国专利：CN200910154912)引入光程参量作为控制量，提出基于光程编码和相干合成的超高分辨OCT技术，即引入光程编码分束器，形成多种对应于不同光程延迟的有效响应函数，基于多种有效响应函数的相干合成，重建光学超分辨图像；通过改变相干合成时的相对系数，数字控制多种有效响应函数的相对贡献，实现不同程度的超分辨。

区别以上基于OCT采样臂光学系统的线性成像过程来实现超高分辨成像的技术，光子结构也可以获取超衍射极限的聚焦光场，以实现超高分辨成像。如在散射近场扫描光学显微镜中，激光照射原子力光纤探针形成纳米级的近场照明场，通过远场获取弹性散射的信号光，实现空间分辨率达10纳米的光学显微成像或光谱仪。同样，通过微米级介质小球的光散射，可以获得横向光场分布处于衍射极限以下，而沿轴向保持横向分布一致的长度在微米量级的光子纳米喷射，类似光子探针。该光子纳米喷射大小取决于介质小球的物理尺寸、折射率大小和分布、小球外部的折射率大小和分布，以及入射光的物理特性。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于光子纳米喷射的高横向分辨光学相干层析系统，通过光学相干层析成像系统样品臂的光纤探头，使得样品臂传输光束经光纤探头的介质微球散射形成光子纳米喷射，获得横向空间尺寸在衍射极限以下的光子探针，同时，该光纤探头接收光子探针扫描照明区域的反射或后向散射信号光，利用信号处理方法重构出横向超高分辨的光学图像。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于光子纳米喷射的高横向分辨光学相干层析系统，其特征在于，包括宽带光源、光纤耦合器、参考臂、样品臂和探测臂，所述的样品臂包括光纤探头和扫描装置，所述的探测臂包括计算机和光谱探测器，所述的宽带光源发出的光经光纤耦合器分光后，分别进入参考臂和样品臂，所述的参考臂反射后的参考光按照原光路返回到光纤耦合器，同时所述的样品臂的光通过光纤探头形成光子纳米喷射照明场，照明区域内经样品反射或后向散射的信号光再次通过光纤探头返回到光纤耦合器。

样品臂返回的信号光与参考臂返回的参考光汇合并发生干涉，通过探测臂的光谱探测器获得与样品信息有关的干涉光谱；同时样品臂中扫描装置对样品进行扫描并将其扫描时序发送给探测臂中的计算机，探测臂在一个信息采集周期内对不同波长光的并行探测得到样品的深度信息，探测臂中计算机根据扫描时序和样品的深度信息重建出样品的二维图像。

所述的宽带光源发出的光为低相干光。

所述的光纤耦合器为2×2光纤耦合器。

所述的参考臂包括透镜或透镜组、以及平面反射镜，经光纤耦合器分路进入参考臂的光束通过透镜或透镜组照射平面反射镜，由平面反射镜反射的参考光束就按原路返回再次进入光纤耦合器。

所述的探测臂上设有用于干涉信号探测的CCD相机。

所述的光纤探头包括单模光纤和介质小球，该介质小球固定于单模光纤上。

所述的单模光纤与介质小球接触面呈曲面设置。

所述的介质小球通过胶合方式固定于单模光纤的端面上。

所述的探测臂中计算机根据扫描时序和样品的深度信息重建出样品的二维图像具体如下：

首先，利用傅里叶变换处理一个采样周期内获取的干涉光谱信息，获得一次测量对应的空间深度信息；

然后，利用反卷积算法处理空间深度信息，使横向分辨率在测量深度内保持一致；

最后，根据扫描的时序和方式，依次重构出被检测范围内纵切面的二维图像。

与现有技术相比，本发明将光纤探头作为OCT系统的采样臂，得到横向光场分布处于衍射极限以下的照明光场，从而获得超高的横向空间分辨率，系统的轴向空间分辨率依然由照明光源决定。相对其他方法，本发明利用光纤探头进行照明和探测，可以实现结构更加简单的OCT系统，且具有超高的横向空间分辨率，利于OCT系统获得更大的应用范围。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明光纤探头的结构示意图；

图3为显示经过端面处理的单模光纤出射光场示意图；

图4为显示光纤探头的光子纳米喷射示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

图1所示为基于光子纳米喷射的超高横向分辨OCT系统示意图：系统包括宽带光源1、光纤耦合器2、参考臂3、样品臂4和探测臂5。所述参考臂3前端包含透镜或透镜组和平面反射镜组成的光路系统；所述样品臂前端是由介质微球和单模光纤组成的光纤探头6，通过固定光纤探头或样品的扫描装置7移动实现扫描成像。

所述的光纤探头6是由经过端面处理的单模光纤和介质小球组成；光纤端面的曲面形状、介质小球具体物理参数根据横向尺寸在衍射极限以下的光子纳米喷射进行设计；介质小球通过胶合方式固定于经过端面处理的光纤端面。

宽带光源1发出的低相干光，经光纤耦合器2分光后，分别进入参考臂3和样品臂4。参考臂3的光经透镜或透镜组和平面反射镜组成光路系统，由平面反射镜(零光程参考面)反射后按照原光路返回到光纤耦合器2；样品臂4的光通过光纤探头形成光子纳米喷射照明场，照明区域内经样品反射或后向散射的信号光再次通过光纤探头返回到光纤耦合器2；样品臂4返回的信号光与参考臂3返回的参考光汇合并发生干涉，产生的干涉信号被探测臂5中的CCD探测，得到与样品信息有关的干涉光谱。

样品臂4中扫描装置7的移动实现对样品的扫描，探测臂5中CCD在一个信息采集周期内对不同波长光的并行探测得到样品的深度信息，探测臂5中计算机根据扫描方式重建出样品的二维图像。

作为实施例，图2-4所示为光纤探头的结构和对应的出射光场空间分布。如图2所示，圆柱部分对应单模光纤，球形部分对应介质小球，介质微球可以胶合固定在经过端面处理的单模光纤端。通过时域有限差分法，给出微球固定在单模光纤端面前后的出射光场空间分布。其中，图3显示经过端面处理的单模光纤出射光场，图4显示光纤探头的光子纳米喷射。该光子纳米喷射的空间分布取决于介质微球的直径，折射率和折射分布方式，单模光纤端面的曲面形状，以及宽带光源的波长范围。可见，根据宽带光源的波长范围，通过介质微球和光纤端面的优化设计，可以获得横向尺寸得到明显压缩的光子纳米喷射。当光子纳米喷射照明样品时，OCT系统将仅获取横向分布低于衍射极限以下的深度信息，即保证OCT系统的横向分辨率取决于光子纳米喷射的横向分布，轴向分辨率依然是由宽带光源的相干长度决定。因此，通过基于光子纳米喷射的光纤探头，OCT系统可以获得横向超高分辨的图像。

所述光纤探头所用单模光纤与光纤耦合器2携带的尾纤是相同类型，保证宽带光源在光纤内始终以单模方式传输。所述光纤探头可以用光纤熔接机直接连接光纤耦合器，使OCT系统的结构非常简单，尤其是采样臂的物理尺寸可以大大缩小。

Claims (9)

1.一种基于光子纳米喷射的高横向分辨光学相干层析系统，其特征在于，包括宽带光源、光纤耦合器、参考臂、样品臂和探测臂，所述的样品臂包括光纤探头和扫描装置，所述的探测臂包括计算机和光谱探测器，所述的宽带光源发出的光经光纤耦合器分光后，分别进入参考臂和样品臂，所述的参考臂反射后的参考光按照原光路返回到光纤耦合器，同时所述的样品臂的光通过光纤探头形成光子纳米喷射照明场，照明区域内经样品反射或后向散射的信号光再次通过光纤探头返回到光纤耦合器。

样品臂返回的信号光与参考臂返回的参考光汇合并发生干涉，通过探测臂的光谱探测器获得与样品信息有关的干涉光谱；同时样品臂中扫描装置对样品进行扫描并将其扫描时序发送给探测臂中的计算机，探测臂在一个信息采集周期内对不同波长光的并行探测得到样品的深度信息，探测臂中计算机根据扫描时序和样品的深度信息重建出样品的二维图像。

2.根据权利要求1所述的一种基于光子纳米喷射的高横向分辨光学相干层析系统，其特征在于，所述的宽带光源发出的光为低相干光。

3.根据权利要求1所述的一种基于光子纳米喷射的高横向分辨光学相干层析系统，其特征在于，所述的光纤耦合器为2×2光纤耦合器。

4.根据权利要求1所述的一种基于光子纳米喷射的高横向分辨光学相干层析系统，其特征在于，所述的参考臂包括透镜或透镜组、以及平面反射镜，经光纤耦合器分路进入参考臂的光束通过透镜或透镜组照射平面反射镜，由平面反射镜反射的参考光束就按原路返回再次进入光纤耦合器。

5.根据权利要求1所述的一种基于光子纳米喷射的高横向分辨光学相干层析系统，其特征在于，所述的探测臂上设有用于干涉信号探测的CCD相机。

6.根据权利要求1所述的一种基于光子纳米喷射的高横向分辨光学相干层析系统，其特征在于，所述的光纤探头包括单模光纤和介质小球，该介质小球固定于单模光纤上。

7.根据权利要求6所述的一种基于光子纳米喷射的高横向分辨光学相干层析系统，其特征在于，所述的单模光纤与介质小球接触面呈曲面设置。

8.根据权利要求6所述的一种基于光子纳米喷射的高横向分辨光学相干层析系统，其特征在于，所述的介质小球通过胶合方式固定于单模光纤的端面上。

9.根据权利要求1所述的一种基于光子纳米喷射的高横向分辨光学相干层析系统，其特征在于，所述的探测臂中计算机根据扫描时序和样品的深度信息重建出样品的二维图像具体如下：

首先，利用傅里叶变换处理一个采样周期内获取的干涉光谱信息，获得一次测量对应的空间深度信息；

然后，利用反卷积算法处理空间深度信息，使横向分辨率在测量深度内保持一致；

最后，根据扫描的时序和方式，依次重构出被检测范围内纵切面的二维图像。