CN104983403A - 偏芯保偏光纤传感器及其oct成像装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种偏芯保偏光纤传感器及其OCT成像装置，其中偏芯保偏光纤传感器包括探测臂、第一增透镜、光路调节镜和光学延时线，所述探测臂利用偏芯保偏光纤作为探测臂光纤；该偏芯保偏光纤传感器还包括平衡接收器、第二增透镜、参考反射镜和偏振控制器。本发明利用偏芯保偏光纤制作出适合生物组织探测的传感器，并将此传感器用于OCT成像系统中，增强了光信号的强度，提高了图像质量。

Description

偏芯保偏光纤传感器及其OCT成像装置

技术领域

本发明涉及传感器领域，尤其涉及一种偏芯保偏光纤传感器及基于偏芯保偏光纤干涉增强的OCT成像装置。

 

背景技术

光学技术正在改变着药物疗法和常规手术的实施手段，并为医疗诊断提供新的方法，还为生物学研究提供了新的手段，如：激光技术整形和整容手术、癌症的光动力疗法、人体内部造影、测量、分析和处理等，这些技术的应用都离不开生物组织光学成像及其技术的支持，生物组织光学成像是生物光子学领域一个很重要的分支，能够进行离体组织或活体在体的成像，成像尺度覆盖了从亚微米病毒和细菌到大尺度的生物物种，因此也成为疾病治疗最为可靠的手段之一。在众多生物组织光学成像技术中，光学相干层析成像（OCT）技术是近十年迅速发展起来的一种成像技术，具有高分辨率、非接触、无损伤的特点，采用宽带光源的干涉测量法，结合低相干技术、共焦显微术及光学外差探测技术，通过测量回波时间延迟和后向散射光强度，可以对生物系统内部微观结构进行高分辨率横断面层析成像，正在成为继 X 射线计算机断层扫描成像、超声波成像和核磁共振成像技术之后，又一个重要的断层成像技术。OCT技术是一种无损伤非介入探测，具有较高的分辨率，可以达到 1~15微米，要比传统的超声波探测高 1-2个数量级，可以对生物组织进行实时在体二维或三维成像，OCT 系统的体积和制造成本都远小于核磁共振成像。因此从成像分辨率、简单实用、成本造价等角度综合考虑，OCT 技术被认为是很有发展前途的一种新型生物医学成像技术，在科学研究和医学临床应用中有广泛的发展前景。

受限于现有干涉技术的成像机理，所获得的相干层析图像的分辨率很难提高，因此，现有有关OCT成像技术研究主要集中在提高成像速度和探测深度的技术方面，如何突破该技术的现有瓶颈，提高图像分辨率是需要进行深入研究和技术攻关的重要方面。

为了消除振动等环境噪声干扰，以及活体样品的呼吸、周期性生命律动导致的图像失真，快速清晰成像一直是人们追求的目标，多种扫描技术和手段用于实验研究。但是常规技术手段采用的传感探头都是一般的单模光纤，探测到的光干涉信号非常微弱，现有光学探头难以从生物深层组织中提取出清晰的图像。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中探测到的光干涉信号非常微弱，现有光学探头难以从生物深层组织中提取出清晰的图像的缺陷，提供一种可适合生物组织探测的传感探头，并将此传感探头用于OCT成像系统中，可增强光信号的强度，提高图像质量。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明提供了一种偏芯保偏光纤传感器，包括探测臂、第一增透镜、光路调节镜和光学延时线，所述探测臂利用偏芯保偏光纤作为探测臂光纤；通过探测臂光纤将光照射到样品组织上，再提取反射光束；反射光束经过第一增透镜汇聚后，通过光路调节镜调节，使光束沿光学延时线方向传输；探测臂的扫描方式包括横向二维扫描和轴向深度Z扫描。

该偏芯保偏光纤传感器还包括平衡接收器、第二增透镜、参考反射镜和偏振控制器；宽带光源经过平衡接收器平衡稳定接收以后，通过第二增透镜汇聚照射在参考反射镜上，经过参考反射镜调节将宽带光源反射，通过第二增透镜汇聚后再次传送至平衡接收器；平衡接收器将再次接收的宽带光源输入到偏振控制器，偏振控制器通过调节平衡接收器送入的宽带光源的偏振态以及经过光学延时线调节的样品组织光源的偏振态，使两光束的偏振态相同后进行干涉，得到最清晰的样本组织光信号。

本发明所述的偏芯保偏光纤传感器中，所述光学延时线为可调光学延时线，用于对光束进行相位调制和深度扫描。

本发明还提供了一种基于偏芯保偏光纤干涉增强的OCT成像装置，包括：

偏芯保偏光纤传感模块，其为权利要求1或2中所述的偏芯保偏光纤传感器，用于调节样本组织反射光的偏振态以及宽带光源的偏振态，使得两束光的偏振态相同后进行干涉，得到样本组织光信号；

光电转化模块，用于将调节好的样本组织光信号转化为微弱电信号；

信号放大和调理模块，用于对转化后的微弱电信号进行放大和调理；

AD图像采集模块，用于通过信号放大和调理模块输出的信号，分别对同一区域的图像信息进行两次采集；

去噪算法和图像拼接算法模块，用于将采集后的图像信息进行去噪算法和图像拼接算法处理；

还原处理图像信息模块，用于对去噪和拼接后的信号进行最终还原，得到所需清晰的样本图像信息。

本发明产生的有益效果是：本发明根据实际需求，设计出损耗小，光纤偏振度保持高的偏芯保偏光纤。该光纤具有更好的保偏性质，可探测生物深层组织的内部结构图像的时间分布和探测深度的空间分布。基于此光纤制作出适合生物组织探测的传感器，并将此传感器用于OCT成像系统中，增强了光信号的强度，提高了图像质量。并且装置采用偏芯保偏光纤作为探测臂和可调光学延时线作为参考臂构建干涉增强的相干层析成像系统，既可以提高系统图像分辨率，也可提高系统成像速度和探测深度。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例偏芯保偏光纤传感器的结构示意图；

图2是本发明基于偏芯保偏光纤干涉增强的OCT成像装置结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例的偏芯保偏光纤传感器，如图1所示，包括探测臂11、第一增透镜12、光路调节镜13和光学延时线14（作为参考臂），所述探测臂11利用偏芯保偏光纤作为探测臂光纤；通过探测臂光纤将光照射到样品组织上，再提取反射光束；反射光束经过第一增透镜汇聚12后，通过光路调节镜13调节，使光束沿光学延时线14方向传输，光路调节镜13同时控制着探测臂11对样本组织的横向二维扫描，本发明的一个实施例中，该光学延时线14为可调光学延时线，可通过调节光学延时线14对光束进行相位调制。

该偏芯保偏光纤传感器还包括平衡接收器21、第二增透镜22、参考反射镜23和偏振控制器24；参考反射镜23所反射宽带光源的光程差控制着探测臂Z扫描的轴向深度；宽带光源经过平衡接收器21平衡稳定接收以后，通过第二增透镜22汇聚照射在参考反射镜23上，经过参考反射镜23调节将宽带光源反射，通过第二增透镜22汇聚后再次传送至平衡接收器21；平衡接收器21将再次接收的宽带光源输入到偏振控制器24，偏振控制器24通过调节平衡接收器21送入的宽带光源的偏振态以及经过光学延时线14调节的样品组织光源的偏振态，使两光束的偏振态相同后进行干涉，得到最清晰的样本组织光信号。通过调节到最优偏振态使干涉强度达到最大，从而得到最清晰的样本组织光信号，从而提高样本组织图样的清晰度。

其中，作为探测臂光纤的偏心保偏光纤的制备方法如下：

A.              根据实际需求，设定偏芯保偏光纤的偏心度、纤芯折射率、纤芯与空气之间的包层厚度及纤芯直径之间的数量关系；

B.              利用BEAMPROP软件进行模拟仿真，模拟分析纤芯、偏心度、纤芯折射率、纤芯与空气之间的包层厚度、纤芯的直径对偏心单芯光纤传输特性的影响；

C.              将以上预设的参数与matlab的计算结果对比，总结规律，得出最优结构参数，绘制传输过程中的衰减曲线，优化光纤设计参数，设计出损耗小，光线偏振度保持高的偏芯保偏光纤，基于此光纤制作出适合生物组织探测的传感探头。

本发明将偏芯保偏光纤引入到OCT 这种光学成像技术中，利用偏芯保偏光纤的干涉增强机理来获取更清晰的探测图像，从而达到直接从光学相干层析成像图像增强方面获取更清晰图像信息的目的。

如图2所示，本发明实施例的基于偏芯保偏光纤干涉增强的OCT成像装置包括：

偏芯保偏光纤传感模块，其为上述实施例的偏芯保偏光纤传感器，用于调节样本组织反射光的偏振态以及宽带光源的偏振态，使得两束光的偏振态相同后进行干涉，得到样本组织光信号；

光电转化模块，用于将调节好的样本组织光信号转化为微弱电信号；

信号放大和调理模块，用于对转化后的微弱电信号进行放大和调理；

AD图像采集模块，用于通过信号放大和调理模块输出的信号，分别对同一区域的图像信息进行两次采集；

去噪算法和图像拼接算法模块，用于将采集后的图像信息进行去噪算法和图像拼接算法处理；

还原处理图像信息模块，用于对去噪和拼接后的信号进行最终还原，得到所需清晰的样本图像信息。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种偏芯保偏光纤传感器，其特征在于，包括探测臂、第一增透镜、光路调节镜和光学延时线，所述探测臂利用偏芯保偏光纤作为探测臂光纤；通过探测臂光纤将光照射到样品组织上，再提取反射光束；反射光束经过第一增透镜汇聚后，通过光路调节镜调节，使光束沿光学延时线方向传输；

该偏芯保偏光纤传感器还包括平衡接收器、第二增透镜、参考反射镜和偏振控制器；宽带光源经过平衡接收器平衡稳定接收以后，通过第二增透镜汇聚照射在参考反射镜上，经过参考反射镜将宽带光源反射，通过第二增透镜汇聚后再次传送至平衡接收器；平衡接收器将再次接收的宽带光源输入到偏振控制器，偏振控制器通过调节平衡接收器送入的宽带光源的偏振态以及经过光学延时线调节的样品组织光源的偏振态，使两光束的偏振态相同后进行干涉，得到最清晰的样本组织光信号。

2.根据权利要求1所述的偏芯保偏光纤传感器，其特征在于，所述光学延时线为可调光学延时线，用于对光束进行相位调制和深度扫描。

3.一种基于偏芯保偏光纤干涉增强的OCT成像装置，其特征在于，包括：

偏芯保偏光纤传感模块，其为权利要求1或2中所述的偏芯保偏光纤传感器，用于调节样本组织反射光的偏振态以及宽带光源的偏振态，使得两束光的偏振态相同后进行干涉，得到样本组织光信号；

光电转化模块，用于将调节好的样本组织光信号转化为微弱电信号；

信号放大和调理模块，用于对转化后的微弱电信号进行放大和调理；

AD图像采集模块，用于通过信号放大和调理模块输出的信号，分别对同一区域的图像信息进行两次采集；

去噪算法和图像拼接算法模块，用于将采集后的图像信息进行去噪算法和图像拼接算法处理；

还原处理图像信息模块，用于对去噪和拼接后的信号进行最终还原，得到所需清晰的样本图像信息。