CN107515446B - 基于光纤型光瞳滤波器扩展焦深的方法以及探针 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光纤型光瞳滤波器扩展焦深的方法以及探针，该方法为照明光通过单模光纤传导到光纤型光瞳滤波器前端面，依次通过光纤型光瞳滤波器的第一梯度折射率光纤和阶跃型多模光纤，光纤型光瞳滤波器出射的光束在聚焦物镜的光瞳处形成可控的复振幅分布，从而扩展常规聚焦物镜的焦深。本发明的图像重建简单，计算量小，可以用于常规的相位灵敏度不高的OCT系统；不仅适用于时域OCT系统，还适用于傅里叶域OCT系统；本发明无需并行获取各焦点位置的信息，因此所使用的OCT系统结构更简单；另外本发明的光束旁瓣更小，光传输效率更高；本发明由于不存在中心遮挡，因而光传输效率更高。
Description
技术领域
本发明属于内窥光学相干成像(OCT，Optical coherence tomography)领域，具体涉及利用光纤型光瞳滤波器扩展焦深的方法以及基于此方法的全光纤OCT探针。
技术背景
OCT是一种能获取生物组织的三维结构信息和功能信息的高分辨在体成像手段。与常规的光学成像方法相比，它的轴向分辨率与横向分辨率无关，并且主要取决于光源的相干长度。使用当今最先进的宽带光源，其轴向分辨率能达到1～5个微米。但横向分辨率的进一步提高会导致焦深的减小。使用高数值孔径的物镜对波长为1.3μm的高斯光束聚焦，如果焦平面处的光斑大小在5μm以内，焦深(空气中)将小于87.2μm。如此短的焦深不利于生物样品的成像，因为当样品表面的起伏大于成像系统的焦深时，离焦现象将不可避免。因此，对于高分辨率的OCT系统，扩展成像系统的焦深存在实际意义。
目前，OCT中扩展焦深主要的方法有：1.数字重聚焦；2.动态聚焦；3.使用多光束；4.使用准贝塞尔光束；5.光瞳切趾。其中，数字重聚焦使用的图像重建算法计算量大，且要求采集过程中相位的稳定。动态聚焦方法被成功应用于传统的时域OCT系统，但对于整个成像深度范围的信息被同时获取的傅里叶域OCT系统，这种方法并不合适。基于多光束的方法利用一组聚焦在不同深度的光束，通过并行地获取各焦点位置的信息，来实现焦深的扩展。但是这增加了系统的复杂度，而且需要校正图像之间的横向错移。对于大多数应用来说，使用准贝塞尔光束可以产生足够大的焦深，但旁瓣效应和低的光传输效率限制了它的进一步推广。切趾术是扩展焦深的常用技术，如在物镜的光瞳处放置环形光阑，或相位滤波器，或复振幅滤波器。其中环形切趾术已被广泛地应用于成像工程。它的缺点在于中心遮挡导致的光传输效率下降。因此，具有更高传输效率的二元相位空间滤波器被提出来，而复振幅滤波器被提出来用于优化焦深范围内的光能量分布。但是，如果把上述的相位/复振幅滤波器用于小型的内窥探针，将面临滤波器制作以及光学对准方面的挑战。使用光纤型滤波器以及全光纤结构探针可以克服光学对准上的困难，如使用小段自聚焦光纤作为相位滤波器。但是其效果依赖于自聚焦光纤的切割精度，约4μm的长度公差增加了探针的制作难度。
发明内容
本发明针对现有技术的不足,提供了一种基于光纤型光瞳滤波器扩展焦深的方法和探针。使用中心波长为1.3μm的扫频光源，系统的横向分辨率为4.6μm且焦深扩展了2.6倍，光传输损耗仅0.56dB，光纤长度允差达到-28/+20μm。由于具有高分辨率，大焦深，低损耗和易于制造的优点，该方法和探针在内窥OCT领域具有应用潜力。
基于光纤型光瞳滤波器扩展焦深的方法，该方法为：照明光通过单模光纤传导到光纤型光瞳滤波器前端面，依次通过光纤型光瞳滤波器的第一梯度折射率光纤和阶跃型多模光纤，光纤型光瞳滤波器出射的光束在聚焦物镜的光瞳处形成可控的复振幅分布，从而扩展常规聚焦物镜的焦深；
其中梯度折射率光纤用于提高光传输效率以及调节在梯度折射率光纤-多模光纤界面处激发的光纤模式数量、各模式的耦合效率和初始相位。通过改变多模光纤的长度，能调节各模式由于传播常数不同在多模光纤中积累的模间相位差。所激发的模式数量，各模式的耦合效率以及模间相位差决定了在物镜光瞳处由模式干涉形成的复振幅分布。通过改变光纤型光瞳滤波器的结构参数，对光瞳处的复振幅分布进行优化，能达到扩展焦深的目的。
所述的光纤型光瞳滤波器与聚焦物镜接触时，光纤型光瞳滤波器紧贴着聚焦物镜的光瞳；
所述的光纤型光瞳滤波器与聚焦物镜不接触时，光纤型光瞳滤波器与聚焦物镜的光瞳之间熔接一段无芯光纤。
基于光纤型光瞳滤波器扩展焦深的方法使用的探针，其特征在于：由单模光纤、第一梯度折射率光纤、阶跃型多模光纤、聚焦物镜依次熔接而成。
当光纤型光瞳滤波器与聚焦物镜不接触时，阶跃型多模光纤与聚焦物镜之间熔接一段无芯光纤；所述的聚焦物镜为第二梯度折射率光纤、球面光纤透镜、锥形光纤透镜中一种；所述的聚焦物镜后端面做倒角0至15度和40至50度角斜面研磨处理。
与背景技术相比，本发明的有益效果有：
1.相比于数字重聚焦法，本发明的图像重建简单，计算量小，可以用于常规的相位灵敏度不高的OCT系统。
2.相比于动态聚焦法，本发明不仅适用于时域OCT系统，还适用于傅里叶域OCT系统。
3.相比于使用多光束的方法，本发明无需并行获取各焦点位置的信息，因此所使用的OCT系统结构更简单。
4.相比于使用准贝塞尔光束的方法，本发明的光束旁瓣更小，光传输效率更高。
5.相比于使用环形切趾术，本发明由于不存在中心遮挡，因而光传输效率更高。
6.相比于使用二元相位空间滤波器，本发明是基于光纤的，克服了光学对准的难题。
7.相比于使用一段自聚焦光纤作为相位滤波器的方法，由于基于滤波器多模光纤中的模式干涉原理，本发明容许更大的制造误差。
附图说明
图1(a)是传统探针；
图1(b)是本发明的大焦深探针的结构示意图。图中：1、单模光纤，2、第一梯度折射率光纤，3、阶跃型多模光纤，4、无芯光纤，5、第二梯度折射率光纤。其中第一梯度折射率光纤和阶跃型多模光纤组成上述的光纤型光瞳滤波器；
图2(a)是第一梯度折射率光纤与阶跃型多模光纤的界面处各模式的耦合效率与第一梯度折射率光纤长度(单位：微米)的关系；
图2(b)是第一梯度折射率光纤与阶跃型多模光纤的界面处各模式的初始模间相位差(单位：弧度)与第一梯度折射率光纤长度(单位：微米)的关系。图中：6、LP01模，7、LP02模，8、总耦合效率；
图3(a)是阶跃型多模光纤后端面处光场的振幅分布；
图3(b)是阶跃型多模光纤后端面处光场的相位分布(单位：弧度)，图中的横坐标表示半径(单位：微米)；
图4(a)是传统探针的光强分布图；
图4(b)本发明的大焦深探针内部的光强分布图；图中：9、单模光纤的芯层，10、第一梯度折射率光纤的芯层，11、阶跃型多模光纤的芯层，12、无芯光纤，13、第二梯度折射率光纤的芯层，14、像空间。
图5(a)是像空间中光束的半高全宽(单位：微米)；
图5(b)是像空间中光束的归一化中心光强。图中，横坐标为光斑与探针的距离(单位：微米)，实线15、17代表本发明的大焦深的探针，虚线16、18代表传统探针。
具体实施方式
下面结合附图和实施例来详细说明本发明，但本发明不仅限于此。
表1光纤规格
所选的各段光纤规格如表1所示。选用芯层直径为50μm的第一渐变折射率光纤有利于提高单模光纤与阶跃型多模光纤的耦合效率。选用芯层直径为62.5μm的第二渐变折射率光纤有利于增加探针的工作距离。所有光纤组件的包层直径一致，有利于探针的机械强度。各段光纤的长度经过优选，使探针的横向分辨率在5μm以内的同时实现最大的焦深。
使用中心波长为1.3μm的宽带光源，从单模光纤出射的光束近似为一高斯光束，在单模光纤后端面处的q参数为其中nSMF是单模光纤的芯层折射率，k0是宽带光源的中心波数，wSMF是束腰半径，等于单模光纤基模模场直径的一半。高斯光束在第一渐变折射率光纤中的传播可以使用ABCD矩阵方法求解。第一渐变折射率光纤后端面处的q参数可以由下面公式计算：
其中g、LGIF1和nGIF1分别为第一渐变折射率光纤的梯度常数、长度和中心折射率，nLCF是阶跃型多模光纤的芯层折射率。第一渐变折射率光纤后端面处的场可表示为：
式中r为半径坐标，A为振幅常数。在阶跃型多模光纤中，场在各模式中独立传输。把上式改写为多模光纤模式场和辐射场叠加的形式：
其中N为多模光纤所支持的LP0n模式数量，cn和ψn(r)分别为各模式的激发系数和径向光场分布。由于所选的多模光纤的V值等于6.4，在所有的LP0n模式中，仅LP01模和LP02模能在光纤中稳定传输，因此N＝2。LP0n模的径向光场分布ψn(r)为：
式中J0和K0分别为零阶贝塞尔函数和第二类零阶修正贝塞尔函数，常数bn满足关系ρ和ncl分别为阶跃型多模光纤的芯层半径和包层折射率。βn是LP0n模的传播常数。
LP0n模的激发系数cn可根据模式的正交性计算：
式中，|cn|和φ0n分别代表所激发模式的幅值和相位，符号*表示复共轭。使用输入能量对各模式能量进行归一化，得到各模式的耦合效率ηn：
在长度为LLCF的阶跃型多模光纤中，所激发的LP01模和LP02模分别以传播常数β1和β2独立传输，在多模光纤的后端面形成干涉光场：
上式表明，多模光纤和无芯光纤界面处的光场是各模式的相干叠加，其中模式的耦合效率ηn和模间相位差Δφ＝φ02-φ01+(β2-β1)LLCF可以通过改变滤波器中光纤的长度进行调节。耦合效率ηn和初始模间相位差Δφ0＝φ02-φ01与LGIF1的关系如图2所示。把LGIF1＝68μm和LLCF＝1100μm代入上式，得到的多模光纤后端面处的复振幅分布ELCF(图3)，其中振幅分布具有中心能量小，外沿能量大的特点，但与环形光阑不同的是，本方法和探针不存在中心遮挡，因此光传输效率更高。计算得到的总耦合效率达到87％以上。上述光场在无芯光纤中传播，然后在聚焦物镜(即第二渐变折射率光纤)的光瞳处形成所需的复振幅分布，最后在聚焦物镜的焦平面附近产生大焦深的聚焦光束。探针内部的光强分布如图4所示。图5比较了大焦深探针和传统探针的出射光束在像空间的半高全宽和归一化中心光强。图中，大焦深探针的光斑大小为4.6μm，焦深为195μm，与传统探针相比，焦深扩展了2.6倍。
探针在制作过程中会不可避免地引入长度误差，导致焦深减小。为了保证探针的焦深至少扩展2倍，以及至少50μm的工作距离，第一渐变折射率光纤的长度允差为±40μm，阶跃型多模光纤的长度允差为±80μm，无芯光纤的长度允差为±40μm，第二渐变折射率光纤的长度允差为-28/+20μm。因此光纤的切割精度优于-28/+20μm，使用现有的光纤切割刀和电动位移台即可实现。
Claims (6)
1.基于光纤型光瞳滤波器扩展焦深的方法，其特征在于：照明光通过单模光纤传导到光纤型光瞳滤波器前端面，依次通过光纤型光瞳滤波器的第一梯度折射率光纤和阶跃型多模光纤，光纤型光瞳滤波器出射的光束在聚焦物镜的光瞳处形成可控的复振幅分布，从而扩展常规聚焦物镜的焦深；所述单模光纤的芯层直径为8.2μm，包层直径为125μm；第一梯度折射率光纤的芯层直径为50μm，包层直径为125μm，长度为68μm；阶跃型多模光纤的芯层直径为25μm，包层直径为125μm，长度为1100μm；光纤型光瞳滤波器与聚焦物镜接触时，光纤型光瞳滤波器紧贴着聚焦物镜的光瞳。
2.根据权利要求1所述的基于光纤型光瞳滤波器扩展焦深的方法，其特征在于：光纤型光瞳滤波器与聚焦物镜不接触时，光纤型光瞳滤波器与聚焦物镜的光瞳之间熔接一段无芯光纤。
3.根据权利要求1所述的基于光纤型光瞳滤波器扩展焦深的方法使用的探针，其特征在于：由单模光纤、第一梯度折射率光纤、阶跃型多模光纤、聚焦物镜依次熔接而成。
4.根据权利要求3所述的基于光纤型光瞳滤波器扩展焦深的方法使用的探针，其特征在于：阶跃型多模光纤与聚焦物镜之间熔接一段无芯光纤。
5.根据权利要求3或4所述的基于光纤型光瞳滤波器扩展焦深的方法使用的探针，其特征在于：所述的聚焦物镜为第二梯度折射率光纤、球面光纤透镜、锥形光纤透镜中一种。
6.根据权利要求3所述的基于光纤型光瞳滤波器扩展焦深的方法使用的探针，其特征在于：所述的聚焦物镜后端面做倒角0至15度或做40至50度角斜面研磨处理。
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN107515446A (zh) | 2017-12-26 |
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