CN108760048A - 基于声光可调谐滤波器的光学相干显微光谱成像探测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于声光可调谐滤波器的光学相干显微光谱成像探测装置，该装置可以超速的、高精度的、无接触的进行物体表面光谱成像和表面三维强度信息探测。该装置中光源产生的辐射光被光纤耦合器分为两束光；一束光被第一偏振控制调制后再经第一准直透镜组准直后被可沿X向移动的反射镜反射后形成参考光，参考光沿原路返回至2×2光纤耦合器；另一束光被第一聚焦透镜聚焦在样品上后产生样品反射光，样品反射光与参考光在2×2光纤耦合器内产生干涉光，干涉光被第二准直透镜组准直后再由第二偏振控制调制进入AOTF滤波单元中；AOTF滤波单元中产生偏振光然后被探测器采集，探测器与计算机连接；光谱信息经计算机处理后可得到样品的三维层析图像。

Description

基于声光可调谐滤波器的光学相干显微光谱成像探测装置

技术领域

本发明属于光学检测技术，具体涉及一种基于声光可调谐滤波器的光学相干显微光谱成像探测装置。

背景技术

光学相干层析技术(OCT)是一种基于相干干涉原理将光、电以及计算机图像处理技术结合为一体，利用样品的后向散射光对样品进行成像的新型成像技术，适用范围广，受到众多科研学者的关注。具有无损伤、非介入、非接触、图像分辨率高且操作简单、便携、易与内窥镜结合等优点，广泛应用于光学检测、工业检测、医学、生物诊断检测、科学研究等领域。OCT技术通过分析生物组织的后向散射光可以对生物组织内部的微细结构高分辨成像，可以对病变组织在体实时成像。OCT的成像分辨可以达到1-20μm，这比临床上常用的超声成像要高出一至两个数量级，可以实现物体微米量级的实时高分辨三维成像，而且具有非侵入、非接触等优点。通过对干涉条纹的光谱信号进行探测，可以实现物体表面的二维信息和轴向信息，既深度信息。目前在临床医学领域，OCT系统最成熟的应用领域是眼科检查，在眼睛中的探测深度可以达到2cm左右。该技术是一种发展潜力巨大的无损检测技术，被广泛应用在医学成像中。此外，光谱成像技术的另一优势在于它易于与其他技术相结合，提取样品光的振幅、相位和偏振态等参数作为诊断信息。

传统的XCT技术聚焦系统精密度要求很高，而且图像重建计算过程复杂，对人体有辐射剂量，成本高昂；虽然超声检测没有辐射，但检测时必须接触设备，容易造成感染，同时也影响检测结果；主磁场、梯度场、射频场的致热效应，同样可能对人体造成伤害，且费用高昂，操作复杂，限制了常规化普及；对于激光共焦显微术，其只能对透明非散射样品成像，通常成像时注入的荧光造影剂带有毒性，不能实现在体检测，而且成像深度小。

磁共振和超声成像的分辨率一般大于100μm，超声探头发出超声的波长、频率限制着系统的分辨率，虽分辨率最高可达到约100μm，但同时会降低探测深度。

MRI尽管有高于的分辨率，能探测特殊的组织化学物质，无游离辐射，但其费用极其昂贵。

目前OCT技术发展尚不成熟，相关科研工作者致力于增加系统穿透深度、提高分辨率和信噪比、优化系统综合性能等方向的研究。

发明内容

针对背景技术中出现的问题，本发明提供一种基于声光可调谐滤波器的光学相干显微光谱成像探测装置，可以超速的、高精度的、无接触的进行物体表面光谱成像和表面三维强度信息探测。

本发明所采用的技术方案为：

本发明提供了一种基于声光可调谐滤波器的光学相干显微光谱成像探测装置，包括光源、光隔离器、光纤、2×2光纤耦合器、第一准直透镜组、第二准直透镜组、第一聚焦透镜、第二聚焦透镜、第一偏振控制、第二偏振控制、第三偏振控制、AOTF滤波单元、反射镜、探测器以及计算机；

光源产生的辐射光依次经过光隔离器和2×2的光纤耦合器后被分为两束光；

其中一束光被第一偏振控制调制后再经第一准直透镜组准直后被可沿X向移动的反射镜反射后形成参考光，所述参考光沿原路返回至2×2光纤耦合器；

另一束光被第一聚焦透镜聚焦在可沿Y、Z方向振动的样品后产生样品反射光，样品反射光与参考光在2×2光纤耦合器内发生干涉后产生干涉光，干涉光被第二准直透镜组准直后再由第二偏振控制调制进入AOTF滤波单元中；干涉光在AOTF滤波单元中与AOTF滤波单元产生的超声波发生声光互作用从而产生偏振光，满足动量匹配条件的偏振光被衍射，被衍射的偏振光经第二聚焦透镜聚焦后被探测器采集，未被衍射的偏振光被第三偏振控制滤掉，最后探测器把光谱信息传输给计算机；

光谱信息经计算机处理后得到样品不同深度的结构信息，再配合计算机获取的可沿Y、Z方向振动的样品图像信息，即可得到样品的三维层析图像。

进一步地，所述AOTF滤波单元包括两个串联放置的AOTF，每个AOTF都配备一个射频驱动装置，两个射频驱动装置可以分别独立控制两个AOTF的衍射光波长和强度。

进一步地，所述反射镜安装在可沿x方向振动的压电陶瓷上。

进一步地，所述Y、Z方向振动的样品安装在可沿Y、Z方向振动的二维高频振动的压电陶瓷上。

还需要说明的是：沿x方向振动压电陶瓷组的位移量可以达到几百个微米量级，精度可以达到纳米量级；二维高频振动的压电陶瓷组搭载几克重量样品的谐振频率为KHz量级；声光可调谐滤波器的波长切换响应时间小于10微秒。

进一步地，上述光源为宽带光源或超辐射发光二极管或激光，其中所使用的具体光源根据被测物体决定。

进一步地，上述探测器为光谱仪或光电倍增管或CCD或CMOS相机。

进一步地，上述二维高频振动的压电陶瓷直接与待测样品胶性连接，所述沿x方向振动的压电陶瓷与反射镜也采用胶性连接。具体振动频率和位移根据压电陶瓷本身的性质和输入电压控制。

本发明所达到的有益效果是：

(1)本发明的探测装置可以对被测样品每一点的空间强度分布进行测量，也可以进行光谱成像测量以及样品的三维分布测量。

(2)本发明采用两个AOTF串联放置，通过第一偏振控制调制入射光的偏振方向使入射的干涉光恰好可以与超声波在第一个AOTF内发生声光相互作用后得到窄带单色光，接着与超声波在第二个AOTF内发生第二次声光相互作用后得到了光谱带宽更窄的单色光，入射的干涉光连续被两次滤波后得到的衍射光光谱带宽明显减小，这种双滤波的好处就是第二次声光互作用以后的衍射光漂移量恰好反向补偿第一次声光互作用以后的衍射光漂移量，消除由衍射光漂移引起的图像模糊，而且还可以有效抑制衍射光信号两侧的旁瓣强度，使衍射光信噪比更高。

(3)本发明的装置在探测过程中可以根据实际需求灵活选择探测器，通过光谱仪可以测量物体的光谱信息，利用CCD相机可以实施成像测量。

(4)本发明的二维高频振动的压电陶瓷应用在物体表面探测中，通过移动参考臂改变光程差实施样品深度测量，通过电压驱动高频压电陶瓷实现样品表面二维方向上的测量，进而达到超速测量的目的。最重要的是，对物体的探测波长不再拘泥于单个波长或有限个波长，而是可以实施宽谱段探测，根据AOTF的调制，可以灵活选择探测波长。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

附图标记如下：

1-光源、2-光隔离器、3-2×2光纤耦合器、4-第一准直透镜组、5-第二准直透镜组、6-第一聚焦透镜、7-第二聚焦透镜、8-第一偏振控制、9-第二偏振控制、10-第三偏振控制、11-AOTF滤波单元、12-沿x方向振动的压电陶瓷、13-反射镜、14-二维高频振动的压电陶瓷、15-探测器、16-计算机、17-待测样品、18-射频驱动装置。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的技术方案。

如图1所示，一种基于声光可调谐滤波器的光学相干显微光谱成像探测装置，该装置主要包括光源1、光隔离器2、2×2光纤耦合器3、第一准直透镜组4、第二准直透镜组5、第一聚焦透镜6、第二聚焦透镜7、第一偏振控制8、第二偏振控制9、第三偏振控制10、AOTF滤波单元11、沿x方向振动的压电陶瓷12、反射镜13、二维高频振动的压电陶瓷14、探测器15、计算机16；

其中，反射镜13胶装在沿x方向振动的压电陶瓷12上，待测样品17胶装在二维高频振动的压电陶瓷14上；

计算机16分别控制着AOTF滤波单元11的衍射光波长及强度、沿x方向振动的压电陶瓷12和二维高频振动的压电陶瓷14移动以及探测器15开闭；

光源1发出辐射光依次经过光隔离器2、2×2的光纤耦合器3后被分为两束光，光隔离器2的主要作用是防止逆光干扰。其中一束光被第一偏振控制8调制后，再由第一准直透镜组4准直后被沿着x方向水平移动的反射镜13反射形成参考光，参考光沿原路返回至2×2的光纤耦合器3；

另一束光被第一聚焦透镜6聚焦在安装了二维高频振动的压电陶瓷14的待测样品17上，样品反射光与参考光在2×2光纤耦合器3内发生干涉，干涉光先经过第二准直透镜组5准直后，再被第二偏振控制9调制后进入AOTF滤波单元11中与超声波发生声光互作用，满足动量匹配条件的偏振光被衍射，被衍射的部分经第二聚焦透镜7聚焦后被探测器采集，未被衍射的部分被第三偏振控制10滤掉，最后通过探测器15把光谱信息传输给计算机16，这就实现了系统的光谱信息采集。光谱信息经计算机16处理后得到样品不同深度的结构信息，再配合二维高频振动的压电陶瓷14进行扫描就可以得到样品的三维层析图像。

该实施例的装置中需要说明以下几点：

1、AOTF滤波单元实际上是由两个串联放置的AOTF组成，每个AOTF都配备一个射频驱动装置18，两个射频驱动装置18可以分别独立控制两个AOTF的衍射光波长和强度。

2、沿x方向振动压电陶瓷12的位移量可以达到几百个微米量级，精度可以达到纳米量级；二维高频振动的压电陶瓷14组搭载几克重量样品的谐振频率为KHz量级；AOTF的波长切换响应时间小于10微秒。

3、光源1为宽带光源或超辐射发光二极管或激光，其中所使用的具体光源根据被测物体决定。

4、探测器15为光谱仪或光电倍增管或CCD或CMOS相机。

下面对干涉光在AOTF滤波单元的具体调制过程进行描述：

两个AOTF的超声波信号都由彼此独立的驱动器提供，计算机分别控制加载到两个AOTF上的射频信号，频率范围由射频信号与衍射波长的调谐关系确定，信号强度的确定以使衍射效率达到最大为原则。计算机为它们的信号控制终端。根据超声驱动频率与入射光波长调谐关系结果，在计算机上发出相应的射频驱动信号指令就可以得到想要的衍射光波长输出。

干涉光与超声波在第一个AOTF中发生声光互作用后输出窄带衍射单色光，此过程的主要目的是从复色光中选择出想要的输出波长值。然后调谐第二个AOTF的超声驱动频率，使衍射光与超声波发生第二次声光相互作用，直到探测器接收到的衍射光强度最大，此时相当于两个AOTF上输出的中心波长一致，透射光被第三偏振控制遮挡，衍射光被探测器采集。

Claims (10)

1.一种基于声光可调谐滤波器的光学相干显微光谱成像探测装置，其特征在于：

包括光源、光隔离器、光纤、2×2光纤耦合器、第一准直透镜组、第二准直透镜组、第一聚焦透镜、第二聚焦透镜、第一偏振控制、第二偏振控制、第三偏振控制、AOTF滤波单元、反射镜、探测器以及计算机；

光源产生的辐射光依次经过光隔离器和2×2的光纤耦合器后被分为两束光；

其中一束光被第一偏振控制调制后再经第一准直透镜组准直后被可沿X向移动的反射镜反射后形成参考光，所述参考光沿原路返回至2×2光纤耦合器；

另一束光被第一聚焦透镜聚焦在可沿Y、Z方向振动的样品后产生样品反射光，样品反射光与参考光在2×2光纤耦合器内发生干涉后产生干涉光，干涉光被第二准直透镜组准直后再由第二偏振控制调制进入AOTF滤波单元中；干涉光在AOTF滤波单元中与AOTF滤波单元产生的超声波发生声光互作用从而产生偏振光，满足动量匹配条件的偏振光被衍射，被衍射的偏振光经第二聚焦透镜聚焦后被探测器采集，未被衍射的偏振光被第三偏振控制滤掉，最后探测器把光谱信息传输给计算机；

光谱信息经计算机处理后得到样品不同深度的结构信息，再配合计算机获取的可沿Y、Z方向振动的样品图像信息，即可得到样品的三维层析图像。

2.根据权利要求1所述的基于声光可调谐滤波器的光学相干显微光谱成像探测装置，其特征在于：所述AOTF滤波单元包括两个串联放置的AOTF，每个AOTF都配备一个射频驱动装置，两个射频驱动装置可以分别独立控制两个AOTF的衍射光波长和强度。

3.根据权利要求2所述的基于声光可调谐滤波器的光学相干显微光谱成像探测装置，其特征在于：每个AOTF的波长切换响应时间小于10微秒。

4.根据权利要求3所述的基于声光可调谐滤波器的光学相干显微光谱成像探测装置，其特征在于：所述反射镜安装在可沿x方向振动的压电陶瓷上。

5.根据权利要求4所述的基于声光可调谐滤波器的光学相干显微光谱成像探测装置，其特征在于：

所述可沿x方向振动的压电陶瓷的位移量为几百个微米量级，精度为纳米量级。

6.根据权利要求5所述的基于声光可调谐滤波器的光学相干显微光谱成像探测装置，其特征在于：所述Y、Z方向振动的样品安装在可沿Y、Z方向振动的二维高频振动的压电陶瓷上。

7.根据权利要求6所述的基于声光可调谐滤波器的光学相干显微光谱成像探测装置，其特征在于：所述二维高频振动的压电陶瓷搭载几克重量样品的谐振频率为KHz量级。

8.根据权利要求7所述的基于声光可调谐滤波器的光学相干显微光谱成像探测装置，其特征在于：所述光源为宽带光源或超辐射发光二极管或激光。

9.根据权利要求8所述的基于声光可调谐滤波器的光学相干显微光谱成像探测装置，其特征在于：所述探测器为光谱仪或光电倍增管或CCD或CMOS相机。

10.根据权利要求9所述的基于声光可调谐滤波器的光学相干显微光谱成像探测装置，其特征在于：所述二维高频振动的压电陶瓷直接与待测样品胶性连接，所述沿x方向振动的压电陶瓷与反射镜也采用胶性连接。