CN109489544A - 基于光学微结构的超分辨光学相干层析方法和系统 - Google Patents
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Abstract
一种基于光学微结构的超分辨光学相干层析方法和系统，通过宽带光源发出的光经光纤耦合器分光后，参考臂反射后的参考光按照原光路返回到光纤耦合器，采样光束经光纤构成的样品臂照明样品，参考臂光纤端面的光学微结构形成横向亚波长尺度的针状照明光场，照明区域内经样品反射或后向散射的信号光再次通过该采样光纤返回到光纤耦合器，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。本发明利用光纤端面微结构获取光针状照明光场，使系统的横向分辨能力取决于光纤端面微结构，系统的轴向分辨率取决于宽带光源。与现有技术相比，具有超超高的横向空间分辨率和简单紧凑的光路系统结构，利于光学相干层析系统获得更大的应用范围。
Description
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纤微结构获得针状照明光场 的超高横向分辨光学相干层析系统。
背景技术
光学相干层析技术基于照明光源的相干长度形成的相干门，能够沿光轴方向解析不同的 深度信息，可以对样品进行非接触、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，以及集成电路、玻璃面板和光伏组件等工业领域的无损检 测。
为了光学相干层析技术更好的应用，尤其是在于人体血管等狭窄的腔道环境，很多工作 集中在如何保证系统性能的基础上，小型化采样臂的前端光学成像探头。目前，采样臂的前 端光学成像探头主要是无透镜光纤探头和光学微透镜。无透镜光纤探头主要有以下几种组合 方式：梯度折射率透镜+单模保偏光纤的组合、玻璃纤维+单模保偏光纤的组合、单模保偏光 纤+光子晶体光纤+玻璃纤维的组合、单模保偏光纤+锥形多模光纤+大芯多模光纤的组合。光 纤微透镜主要是单模保偏光纤端面的微型锥透镜、微型环带透镜、微型球透镜和微型棱镜等。 尽管这些光学成像探头的物理尺寸小、结构紧凑，但是其决定的系统横向空间分辨率一般处 于微米量级。
采样臂使用高数值孔径光学成像系统或调制照明光场可以有效提高光学相干层析成像系 统横向分辨率。对于采样臂是高数值孔径的光学成像系统的情况，高数值孔径必然导致系统 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。鉴于光纤型光学相干层析成 像系统采样臂的共聚焦光路结构模式，一些信号处理方法可以用来适当校正或提高光学相干 层析成像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。但是，该方法一方面比较难缩小采样臂的物理尺寸，另一方面始终受 衍射极限限制而难获得更高的横向空间分辨率。对于调制照明光场的情况，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)，采样臂光学成像系统可以突破 衍射极限获得超高空间分辨率，如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。其中，丁志华等(中国专利：CN200610053327)提出在采样臂 引入超分辨光瞳滤波器，利用相干门抑制光学系统轴向响应函数的旁瓣，实现轴向超高分辨 光学相干层析成像。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光学相干层析成像技术，即引入光程编码分束器，形 成几个对应于不同光程延迟的有效响应函数，基于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，数字控制各有效响应函数的相对贡献，实现不同 程度的超分辨。但是，该采样臂的光学系统依然难以小型化。
光学微结构可以获取超衍射极限的聚焦光场，有助于实现超高分辨成像。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，可实现空间分辨率在纳米量级的光学显微成像。本发明通过单模保偏光纤端面的光 学微结构，可以获得横向光场处于衍射极限以下，而轴向光场在几百微米量级的照明光场， 类似光子探针，而且通过光学微结构的不同构造，可以获得不同的光子探针。当该光学微结 构引入光纤型的光学相干层析系统，可以实现横向超高分辨率的层析成像。
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，提供基于光学微结构的超分辨光 学相干层析方法和系统，通过在光学相干层析成像系统样品臂引入具有光学微结构的光纤探 头，获得横向空间尺寸在衍射极限以下的照明光场，同时，该光纤探头接收扫描照明区域的 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显微图像。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
基于光学微结构的超分辨光学相干层析方法和系统，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，光纤探头由单 模保偏光纤和光纤端面的光学微结构组成，所述的探测臂包括计算机，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类似光子探针的照明场， 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，产生的干涉信号通过探测 臂获得，并得到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。首先将探测相干光谱信息通过插值转换成波数空间均匀采样，然后利 用傅里叶变换从谱域空间转换到初步深度信息，其次初步深度信息沿横向进行傅里叶变换获 得横向空间域分布信息，最后根据光学微结构形成的针状光场实际横向分布反卷积上述横向 空间域信息，再通过二维或三维反傅里叶变换获得样品结构信息。
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。
所述的光纤探头由单模保偏光纤和光学微结构组成，光学微结构位于单模保偏光纤的端 面。
所述的光学微结构根据照明光束的工作波长进行设计，可以采用球状、半球状或环形结 构，且不仅仅局域于这些结构；根据测量要求和制作的方法选择最佳的材料、球面半径、环 带数、环带宽度、环带的占空比等具体物理参数。
与现有技术相比，本发明将具有光学微结构的光纤探头作为光学相干层析成像系统的采 样臂，得到横向分布在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。因此， 本发明可以实现结构简单、尺寸更小的采样臂，且具有超高的横向空间分辨率，利于光学相 干层析成像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为本发明中光纤探头的侧面轮廓示意图；
图3为本发明中光纤探头的截面轮廓示意图；
图中，1宽带光源 2光纤耦合器 3参考臂 4样品臂 5探测臂 6光纤探头 7扫描 装置 8球面微结构轮廓 9半球面微结构轮廓 10环带状微结构轮廓
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所示为基于光学微结构的超分辨光学相干层析系统示意图：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光学微结构和单模保偏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是由单模保偏光纤和光学微结构组成；光学微结构可以采用球状、半 球状或环形结构；根据测量要求和制作的方法选择最佳的材料、球面半径、环带数、环带宽 度、环带的占空比等具体物理参数。
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类似光子探针的明场，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中计算机将探测相干光谱信息通 过插值转换成波数空间均匀采样，然后利用傅里叶变换从谱域空间转换到初步深度信息，其 次初步深度信息沿横向进行傅里叶变换获得横向空间域分布信息，最后根据光学微结构形成 的针状光场实际横向分布反卷积上述横向空间域信息，再通过二维或三维反傅里叶变换获得 样品结构信息。
作为实施例，图2-3所示为光纤探头的结构示意图。如图2所示，柱形上凸起部分对应 单模保偏光纤端面的光学微结构，柱形部分对应单模保偏光纤。光学微结构首先通过时域有 限差分法进行理论模拟，给出单模保偏光纤端面照射光场的空间分布，确定光学微结构的形 貌参数和材料，然后通过光刻、电子束溅射、离子束溅射、化学刻蚀、3D打印等方法制作。 其中，图2-3中8-9分别显示球面和半球面微结构轮廓，该微结构形成的照明光场取决于球 体的直径、折射率、折射分布方式、成像环境的折射率大小以及宽带光源的波长范围。图2-3 中10显示环带状微结构轮廓，该微结构形成的照明光场取决于环带的数量、宽度、占空比、 折射率、内外环带的相对半径、成像环境的折射率大小以及宽带光源的波长范围。当单模保 偏光纤输出光束经光学微结构调制后，光学相干层析系统将仅获取横向分布低于衍射极限以 下的深度信息，即保证光学相干层析系统的横向分辨率取决于类似光子探针的照明光场，轴 向分辨率依然是由宽带光源的相干长度决定。因此，通过具有光学微结构的光纤探头，光学 相干层析系统可以获得横向超高分辨率。
所述光纤探头所用单模保偏光纤与光纤耦合器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，使光 学相干层析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 (8)
1.基于光学微结构的超分辨光学相干层析方法和系统，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端面微结构和扫描装置，所述的探测臂包括计算机，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，同时所述样品臂的光通过光纤微结构形成横向亚波长尺度的针状照明场，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，产生的干涉信号通过探测臂获得，并得到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所述的基于光学微结构的超分辨光学相干层析方法和系统，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所述的基于光学微结构的超分辨光学相干层析方法和系统，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所述的基于光学微结构的超分辨光学相干层析方法和系统，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所述的基于光学微结构的超分辨光学相干层析方法和系统统，其特征在于，所述的探测臂上有用于探测干涉信号的CCD相机。
6.根据权利要求1所述的基于光学微结构的超分辨光学相干层析方法和系统，其特征在于，所述的光纤微结构是位于单模保偏光纤端面的微结构。
7.根据权利要求6所述的基于光学微结构的超分辨光学相干层析方法和系统，其特征在于，所述的微结构可以采用球状、半球状或环形结构，但不局限于这些结构。
8.根据权利要求1所述的基于光学微结构的超分辨光学相干层析方法和系统，其特征在于，所述深度信息的重建是首先将探测相干光谱信息通过插值转换成波数空间均匀采样，然后利用傅里叶变换从谱域空间转换到初步深度信息，其次初步深度信息沿横向进行傅里叶变换获得横向空间域分布信息，最后根据光学微结构形成的针状光场实际横向分布反卷积上述横向空间域信息，再通过二维或三维反傅里叶变换获得样品结构信息。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20190319 |
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |