CN109564327A - 环形光束耦合系统 - Google Patents
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Abstract
公开能够减少在双包层光纤的芯发生的噪声的环形光束耦合系统。公开的环形光束耦合系统包括：传递光源的光的光纤；接收从所述光纤输出的光并形成圆形的平行光束的准直器；将所述平行光束变换成环形光束的环形光束生成部；以及所述环形光束耦合于包层区域的双包层光纤。
Description
技术领域
本发明涉及环形光束耦合系统，更具体来讲涉及能够减少在双包层光纤的芯发生的噪声的环形光束耦合系统。
背景技术
作为用于诊断心血管疾病等的成像导管(imaging catheter)的现有技术，超声波技术、近红外线成像技术、光学相干断层摄影技术等已商用化并应用于临床。
超声波技术是将导管形态的器械插入血管等的试片获取血管的断层影像的技术，是至今医院利用得最多的血管内成像技术。由于利用超声波技术，因此具有100μm水平的低分辨率，而且对比度低，影像获取速度慢到约30秒程度。
近红外线成像技术是利用近红外线光通过分光方法获知血管内壁是否存在脂质的技术，近来已开发出了其与血管内超声波相结合的单一导管。
光学相干断层摄影技术(Octical Coherence Tomography)是像血管内超声波一样将导管形态的器械插入血管并向血管发出光，然后对回来的光进行分析以获取血管的断层影像的技术。通过白色光干涉计的原理和共聚焦显微镜方式的组合获取生物体组织内部的微结构。
并且，光学相干断层摄影技术已和近红外线荧光成像技术(Near InfraredFluorescence imaging)或近红外线光谱分析技术(Near Infrared Spectroscopy)相结合构成了成像导管系统。
发明内容
技术问题
本发明的目的是提供能够减少在双包层光纤的芯发生的噪声的环形光束耦合系统。
技术方案
根据用于达成上述目的的本发明的一实施例，提供一种环形光束耦合系统，包括：光纤，其传递光源的光；准直器，其接收从所述光纤输出的光并形成圆形的平行光束；环形光束生成部，其将所述平行光束变换成环形光束；以及双包层光纤，其使得所述环形光束耦合于包层区域。
并且，根据用于达成上述目的的本发明的另一实施例，提供一种环形光束耦合系统，包括：光源；多模光纤，其引导所述光源的光；双包层光纤，其使得从所述多模光纤输出的环形光束耦合于包层区域，其中，所述光源的光向所述多模光纤入射使得被与所述多模光纤的中心轴相隔预设距离的芯的外廓区域引导。
并且，根据用于达成上述目的的本发明的又一实施例，提供一种环形光束耦合系统，包括：光源；中空芯光纤，其接收所述光源的光并输出环形光束；以及双包层光纤，其使得所述环形光束耦合于包层区域。
技术效果
根据本发明，环形光束并非耦合于双包层光纤的芯，而是能够耦合于包层区域，从而能够减少由双包层光纤的芯生成的自体荧光成分、拉曼散射信号等噪声成分。
附图说明
图1是显示本发明的一实施例的成像导管系统的示意图；
图2是显示本发明的一实施例的环形光束的轮廓的示意图；
图3是显示本发明的第一实施例的环形光束耦合系统的示意图；
图4是显示本发明的第二实施例的环形光束耦合系统的示意图；
图5及图6是显示相位空间滤光器的一例的示意图；
图7是显示本发明的第三实施例的环形光束耦合系统的示意图；
图8是显示图7中利用的环形滤光器(annular aperture)的示意图；
图9是显示利用环形滤光器的环形光束的模拟结果的示意图；
图10是显示本发明的第四实施例的环形光束耦合系统的示意图；
图11是用于说明不交轴光线(skewed ray)的形成原理的示意图；
图12是显示本发明的第四实施例的环形光束耦合系统的示意图；
图13是显示中空芯光纤的结构及折射率轮廓的示意图。
具体实施方式
本发明可进行多种变更，可具有多种实施例，以下在附图中例示特定实施例并在说明书中进行具体说明。但其目的并非使本发明限定于特定的实施形态，因此应理解为包括属于本发明的思想及技术范围的所有变更、等同物及替代物。在说明各附图方面，对类似的构成要素使用了类似的附图标记。
以下参照附图具体地说明本发明的实施例。
图1是显示本发明的一实施例的成像导管系统的示意图。
参照图1，本发明的成像导管系统包括自体荧光光源110、OCT装置120、导管装置130、光检测部140及第一光学系150。本发明的成像导管系统是利用光学相干断层摄影技术及自体荧光寿命成像技术(autofluorescence lifetime imaging microscopy)的成像导管系统。
自体荧光光源110输出光使得被插入导管装置130的导管133的血管之类的试片160能够发生自体荧光。自体荧光光源110输出的光的波长是紫外线区域的波长，作为一实施例，可利用355nm的波长。
第一光学系150接收自体荧光光源110的光及从OCT装置120输出的OCT光源的光并提供给导管装置130。并且将输入导管装置130的自体荧光传递到光检测部140，将从试片160反射的OCT光源的光传递到OCT装置120。作为OCT光源的光的波长的一实施例，可以是1250～1350nm。
导管装置130接收自体荧光光源110的光及OCT光源的光以对试片160进行扫描。
光检测部140检测从试片160生成的自体荧光。作为光检测部140的一实施例，可以是在电磁场的紫外线、可视光线及红外线邻近区域以非常高的感测度检测光的光电倍增管(PMT，Photo Multiplier Tube Detectors)。
根据本发明，可通过光学相干断层摄影技术生成试片的断层结构影像，可通过自体荧光寿命成像技术成像从构成试片的组织的构成成分生成的自体荧光。
对本发明的成像导管系统更具体来讲，第一光学系150包括将光源的光传递到导管装置的准直器与在多个准直器之间调节光的路径的二向色镜(dichroic mirror)155、156。并且，根据实施例，还可以包括用于提高信噪比的光学滤光器157、158及反射镜159。
第四准直器154通过单模光纤170接收OCT光源的光并传递到第一二向色镜155，第一二向色镜155使OCT光源的光通过并传递到第一准直器151。
第二准直器152通过多模光纤(multi mode fiber)或单模光纤(single modefiber)171接收自体荧光光源的光并传递到第一准直器151。其中，从第二准直器152输出的光被第一二向色镜155及第二二向色镜156反射并传递到第一准直器151。
第一准直器151接收自体荧光光源110及OCT光源的光，通过双包层光纤(doubleclad fiber)172传递到导管装置130。并且第一准直器151将从试片160生成的自体荧光及从试片160反射的OCT光源的光传递到第一二向色镜155。
第一二向色镜155将自体荧光反射到第二二向色镜156，并且使OCT光源的光通过以传递到第四准直器154。
第二二向色镜156使自体荧光通过以传递到反射镜159，被反射镜159反射的自体荧光输入到第三准直器153。即，第三准直器153通过第一准直器151接收从试片160生成的自体荧光，并通过多模光纤173传递到光检测部140。
导管装置130包括连接第一准直器151与导管133的光学连接器131及导管133。光学连接器131与第一准直器151通过双包层光纤172连接，导管133是消耗性装置，可通过光学连接器131轻易地锁固及分离。导管装置130和第一准直器151一起旋转，导管133可插入到试片160在旋转或前后移动的过程中对试片内部进行扫描。
另外，为了减少在光纤内的衰减(attenuation)，双包层光纤的芯由掺锗二氧化硅(germanium doped silica)构成，掺锗二氧化硅具有自体荧光特性。对紫外线区域的波长具有很强的自体荧光特性，不仅对紫外线区域，对可视光线及红外线区域也具有很高的自体荧光特性。
由双包层光纤的芯生成的自体荧光对从试片生成的自体荧光起到伪影(artifact)的作用，在自体荧光寿命影像中成为噪声。因此需要用于去除这种噪声的方案。
图2是显示本发明的一实施例的环形光束的轮廓的示意图，图2的(a)显示圆形光束的轮廓，图2的(b)显示环形光束的轮廓。图2中显示得相对亮的部分表示光束的形状。
从图1的第二准直器152输出的平行光束是如图2的(a)所示的圆形光束(circularbeam)。因此，通过第一准直器151耦合于双包层光纤172的平行光束还被耦合于双包层光纤172的芯，通过芯生成自体荧光成分。
为此，本发明公开将如图2的(b)所示的环形光束(annular beam)耦合于双包层光纤，从而能够减少由双包层光纤的芯生成的自体荧光成分的环形光束耦合系统。相比于图2的(a)的圆形光束，图2的(b)的环形光束在外廓部分以环(ring)形态形成光，因此环形光束能够耦合于双包层光纤的包层区域，而不耦合于芯，因此能够减少由双包层光纤的芯生成的自体荧光成分。
根据本发明的环形光束耦合系统，可通过将由准直器形成的圆形的平行光束变换成环形光束或调节入射到多模光纤或双包层光纤的光源的光的入射角生成环形光束。或者可以利用芯为环形形态的中空芯光纤(hollow core fiber)生成环形光束。以下参照附图对实施例进行更具体的说明。
另外，本发明的环形光束耦合系统不仅可以适用于上述利用光学相干断层摄影技术及自体荧光寿命成像技术的成像导管系统，还可以适用于双包层光纤的芯能够生成自体荧光的所有成像导管系统。例如，可适用于光学相干断层摄影技术-近红外线荧光成像技术(Near infrared fluorescence imaging)成像导管系统、光学相干断层摄影技术-近红外线光谱分析法(Near infrared spectroscopy)成像导管系统、光学相干断层摄影技术-自体荧光成像(Autofluorescence imaging)成像导管系统等。
<第一实施例>
本发明的一实施例的环形光束耦合系统包括光纤、准直器、环形光束生成部及双包层光纤。
光纤传递光源的光，准直器接收从光纤输出的光并形成圆形的平行光束。环形光束生成部将平行光束变换成环形光束，环形光束耦合于双包层光纤的包层区域。
光纤对应于图1的多模光纤或单模光纤171，准直器对应于第二准直器152。并且双包层光纤对应于图1的双包层光纤172。即，本发明的环形光束生成部位于第二准直器152的输出端，将第二准直器152的平行光束变换成环形光束。
图3是显示本发明的第一实施例的环形光束耦合系统的示意图。图3及以下附图为了便利而将准直器表示成透镜形态。
参照图3，环形光束耦合系统可利用轴棱锥透镜(axicon lens)330将平行光束360变换成环形光束370。轴棱锥透镜330的一面具有平面形状，一面的背面为凸出成圆锥形状的形状。可以将轴棱锥透镜330配置成轴棱锥透镜330的中心轴333位于平行光束的中心轴333上。
从光纤310输出的光通过准直器320形成为平行光束360，轴棱锥透镜330将平行光束360变换成环形光束370。平行光束360入射到轴棱锥透镜330的平面部331后，光向轴棱锥透镜的凸出部332的中心轴333方向折射能够形成环形光束370。环形光束370可通过准直器340耦合于双包层光纤350的包层(cladding)区域。其中，准直器340可对应于图1的第一准直器151。
可根据平行光束的直径、与准直器的距离、双包层光纤的直径相应地确定轴棱锥透镜的凸出部的角度。
<第二实施例>
图4是显示本发明的第二实施例的环形光束耦合系统的示意图，图5及图6是显示相位空间滤光器的一例的示意图。
参照图4，环形光束耦合系统可利用相位空间滤光器(phase spatial filter)430将平行光束变换成环形光束。相位空间滤光器是改变通过相位空间滤光器的光的相位的滤光器。
如图3所示，相位空间滤光器430改变从准直器320输出的平行光束的相位，以在焦点位置470将平行光束变换成环形光束。
相位空间滤光器430如图5所示，包括第一凸出部510。第一凸出部510具有向平行光束360的行进方向或平行光束360的行进方向的反方向凸出的形状，第一凸出部510的直径a小于平行光束360的直径。或根据实施例，如图6所示，相位空间滤光器430还可以包括和第一凸出部510相隔预设距离且向平行光束360的行进方向或平行光束360的反方向凸出的环形的第二凸出部520。
包括第一凸出部510在内，相位空间滤光器430可以由环氧树脂之类的第一折射率的物质构成，通过了相位空间滤光器430的光通过空气之类的第二折射率的物质。通过第一凸出部510的光520相比于通过了第一凸出部510以外的区域的光530，还通过相当于第一凸出部510的高度d的第一折射率的物质，因此，平行光束360中通过第一凸出部510的光520与未通过第一凸出部510的光530之间发生如图5中(b)所示的相位差。
通过第一凸出部510的光520与不通过与第一凸出部510的光530之间可随着第一凸出部510的高度d发生相当于λ/2的相位差(phase differ ence)，可通过相消干涉在通过了相位空间滤光器430的光聚集的焦点位置480形成环形光束。
第一凸出部510的高度d可取决于第一折射率n1与第二折射率n2的差异及平行光束360的波长λ，例如，可以如[数学式1]确定第一凸出部510的高度d。
【数学式1】
并且第一凸出部510的直径a可以随形成为满足相消干涉条件的平行光束360的直径而异，平行光束360的直径增大时，第一凸出部510的直径a也可以相应增大。
<第三实施例>
图7是显示本发明的第三实施例的环形光束耦合系统的示意图，图8是显示图7中利用的环形滤光器(annular aperture)的示意图。并且图9是显示利用环形滤光器的环形光束的模拟结果的示意图。
如图3所示，环形滤光器830将从准直器320输出的平行光束变换成环形光束。
本发明的环形滤光器830包括吸收平行光束360的一部分的圆形的光吸收部831及包围光吸收部831且允许平行光束360的一部分通过的环形开口部832。光吸收部831可以由吸收光的物质制成，作为一个实施例，可含有钴成分。
平行光束360的中心部被光吸收部831阻断，只有平行光束360的外廓区域能够通过环形开口部832通过形成环形光束770。为此，可以设计成光吸收部831的直径小于平行光束360的直径D。
并且，环形开口部832的直径小于平行光束360的直径D的情况下，平行光束360的一部分可能会不必要地被环形滤光器830阻断，因此优选的是环形开口部832的直径大于平行光束360的直径D。
另外，可以设计成相对于平行光束360的直径D的光吸收部831的直径的比例(第一比例)在相对于双包层光纤350的包层的直径dcl的芯的直径dco的比例(第二比例)以上，第一比例与第二比例的差异越小，越能够减少光吸收部831引起的光损失。
换而言之，根据第三实施例，不同于其他实施例，平行光束360的一部分被光吸收部831损失的同时形成环形光束，因此需要最小化光吸收部831引起的光损失，当光吸收部831的直径明显大于双包层光纤的芯的直径时，光吸收部831引起的光损失增大。即，当光吸收部831的直径大于能够使环形光束不耦合于双包层光纤的芯的光吸收部831的最小直径时将会发生不必要的光损失。
相反，如果光吸收部831的直径明显小于双包层光纤的芯的直径，环形光束可耦合于双包层光纤的芯。
因此，第三实施例可以使第一比例大于第二比例以使得环形光束不耦合于双包层光纤的芯，并且最小化第一比例与第二比例的差异以最小化光吸收部831引起的光损失。
并且，为了使环形光束的焦点位置形成于双包层光纤的包层，可以相比于不利用环形光束时将双包层光纤350与准直器340之间的距离减小或增大预设的间隔。
图9是利用光学模拟软件模拟第三实施例的耦合于双包层光纤的环形光束的模样的结果。图9中由黑色点构成的区域表示环形光束的形状。
图9显示光吸收部831的直径为150μm，环形开口部832的直径为3mm，双包层光纤350的芯直径dco为10μm，包层直径dcl为105μm，平行光束的直径为1.5mm的情况下的模拟结果。
该情况下，相当于平行光束直径D的光吸收部831的直径的比为0.1(150/1500)，相对于双包层光纤包层直径dcl的芯直径dco的比为0.095，因此图9的环形光束不耦合于双包层光纤的芯，能够使得光吸收部831引起的光损失不大。
<第四实施例>
图11是显示本发明的第四实施例的环形光束耦合系统的示意图，图12是用于说明不交轴光线(skewed ray)的形成原理的示意图。
不同于上述第一至第三实施例，第四实施例不利用环形光束生成部，而是利用不交轴光线(skewed ray)。不交轴光线是指在使光耦合于光纤时使光倾斜地入射，因此不通过光纤的中心地受到引导的光。
参照图10，光源1000的光通过透镜1080入射到多模光纤1010。其中光源1000的光向多模光纤1010入射使得被与多模光纤1010的中心相隔预设距离的芯的外廓区域引导。即，在多模光纤1010中被引导的光形成不交轴光线。因此，从多模光纤1010输出的光束的形状可以是环形，这种环形光束耦合于双包层光纤350的包层。
虽然图10并没有示出，但环形光束耦合系统还可以包括促动器或光学系。
促动器为了使光源1100的光被多模光纤1010芯的外廓区域引导，例如如图11所示地调节光源1000的位置。随着调节光源1000的位置，相对于多模光纤1010的光源1000的光的入射角或入射方向可得到调节。
光学系在光源1000及多模光纤1010之间调节光源1000的光的路径使得光源1000的光被芯的外廓区域引导。即，光源1000的位置是固定的，可通过调节光源的光的路径调节相对于多模光纤1010的光源的光的入射角或入射方向。
参照图11对不交轴光线进行更具体的说明。图11中箭头表示光的行进方向。
在显示多模光纤1010的剖面的图12(a)中，光输入到与多模光纤的芯1011的中心轴1120相隔预设距离的地点1110。其中，光并非与多模光纤1010的长度方向1013平行地入射，而是如图12(a)及显示全角视野(angled view)的图12(b)所示地以相对于多模光纤1010的长度方向1013即中心轴1120倾斜预设角度的状态向包层1012方向入射。光源1000的光可通过促动器或光学系以从中心轴1120倾斜预设角度的状态入射。
其中，光以作为临界角以上的角度的入射角θi入射到多模光纤1010时，反射角θr与入射角相同，在芯1011内部发生全反射的同时光向多模光纤1010的长度方向1013行进。并且光通过这种全反射而可以仅被与多模光纤1010的中心轴1120相隔预设距离r的芯1011的外廓区域引导，形成不交轴光线。
<第五实施例>
图12是显示本发明的第四实施例的环形光束耦合系统的示意图，图13是显示中空芯光纤的结构及折射率轮廓的示意图。
第五实施例不同于第一至第四实施例，利用光纤的结构本身形成环形光束。
参照图12，环形光束耦合系统包括光源、接收光源的光并输出环形光束1270的中空芯光纤1210及环形光束1270耦合于包层区域的双包层光纤350。即，图12不使用单模光纤或多模光纤，而是作为替换使用中空芯光纤，中空芯光纤1210如图13所示，包括环形的芯1320及包层1330，中空芯光纤1210的中心部1310是空的。并且为了使光被环形的芯1320引导，中空芯光纤1210具有折射率(refractive index)按照芯的折射率n2、包层的折射率n3及中心部的折射率n1的顺序变小的折射率特性。
因此，光能够被中空芯光纤1210的芯1320引导，由于芯1320是环形，因此能够从中空芯光纤1210能够输出环形光束1270。
如上所述，本发明通过具体的构成要素等特定事项与限定的实施例及附图进行了说明，但是其目的仅在于帮助更全面地理解本发明，本发明不限于上述实施例，本发明所属领域的普通技术人员可根据以上记载做多种修改及变形。因此，本发明的思想不应局限于说明的实施例，下述权利要求范围及与该权利要求范围等同或有等价变换的所有一切均属于本发明思想的范围。
Claims (12)
1.一种环形光束耦合系统，其包括：
光纤，其传递光源的光；
准直器，其接收从所述光纤输出的光并形成圆形的平行光束；
环形光束生成部，其将所述平行光束变换成环形光束；以及
双包层光纤，其使得所述环形光束耦合于包层区域。
2.根据权利要求1所述的环形光束耦合系统，其中，
所述环形光束生成部是轴棱锥透镜(axicon lens)，
所述轴棱锥透镜的中心轴位于所述平行光束的中心轴上。
3.根据权利要求1所述的环形光束耦合系统，其中，
所述环形光束生成部是相位空间滤光器(phase spatial filter)，
所述相位空间滤光器具有向所述平行光束的行进方向或所述行进方向的反方向凸出的形状，包括直径比所述平行光束的直径小的第一凸出部。
4.根据权利要求3所述的环形光束耦合系统，其中，所述相位空间滤光器还包括：
与所述第一凸出部相隔预设距离且向所述行进方向或所述行进方向的反方向凸出的环形的第二凸出部。
5.根据权利要求1所述的环形光束耦合系统，其中，所述环形光束生成部包括：
光吸收部，其具有圆形，吸收所述平行光束的一部分；以及
环形开口部，其包围所述光吸收部且使所述平行光束的一部分通过。
6.根据权利要求5所述的环形光束耦合系统，其中，
所述环形开口部的直径大于所述平行光束的直径。
7.根据权利要求6所述的环形光束耦合系统，其中，
所述光吸收部的直径相对于所述平行光束的直径的比例大于等于所述所述双包层光纤的芯的直径相对于所述包层的直径的比例。
8.一种环形光束耦合系统，其包括：
光源；
多模光纤，其引导所述光源的光；
双包层光纤，其使得从所述多模光纤输出的环形光束耦合于包层区域，
其中，所述光源的光向所述多模光纤入射使得被与所述多模光纤的中心轴相隔预设距离的芯的外廓区域引导。
9.根据权利要求8所述的环形光束耦合系统，其还包括：
促动器，其调节所述光源的位置使得所述光源的光被所述外廓区域引导。
10.根据权利要求9所述的环形光束耦合系统，其中，
所述促动器调节所述光源的位置使得所述光源的光以从所述中心轴倾斜预设角度的状态入射，
所述光源的光在发生全反射的同时被引导。
11.根据权利要求8所述的环形光束耦合系统，其还包括：
光学系，其在所述光源及所述多模光纤之间调节所述光源的光的路径使得所述光源的光被所述外廓区域引导。
12.一种环形光束耦合系统，其包括：
光源；
中空芯光纤，其接收所述光源的光并输出环形光束；以及
双包层光纤，其使得所述环形光束耦合于包层区域。
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