CN110215181B - 基于机械制啁啾长周期光纤光栅的共路径光学层析成像系统 - Google Patents
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Abstract
一种基于机械制啁啾长周期光纤光栅的共路径光学层析成像系统，包括输入光源、光环行器、OCT共路干涉单元以及信号处理单元；所述的OCT共路干涉单元包括MCLPFG、NMF、空芯光纤、纤芯模式反射器和GIF，所述MCLPFG、NMF通过外界压力来调控光纤中的光场分布，在NMF与空芯光纤熔接的一端端面设置所述纤芯模式反射器，空芯光纤中心孔的直径和NMF的纤芯直径相等，空芯光纤的外层直径和NMF光纤包层的外径相等；所述纤芯模式反射器是通过在NMF光纤与空芯光纤熔接一端的纤芯端面镀膜，以形成反射镜；出射的光束经过GIF聚焦于光纤外部的样品上成像。本发明成像稳定性良好，能够减小测量操作难度。
Description
技术领域
本发明涉及生物医学成像和医疗成像检测领域，尤其是涉及共路光学相干层析成像(Common Path Optical Coherence tomography,缩写为CPOCT)系统领域。
背景技术
光学相干层析成像技术(Optical Coherence tomography,缩写为OCT)是一种基于宽光谱的迈克尔逊干涉式低相干成像技术。OCT成像技术采用宽带光源实现高深度成像，利用迈克尔逊干涉光路实现高灵敏度的测量。OCT成像技术由于能够无创伤获取生物组织轴向深度信息成像，在医疗检测以及生物研究领域得到了广泛的应用。相对于其他医疗检测技术，如共焦显微成像技术、超声检测技术、核磁共振技术等，OCT成像技术在成像深度以及成像分辨率方面很好地弥补了测量盲区。同时，OCT成像技术在其他检测领域也具有极好的发展前景。例如物体表面均匀度检测、涂层检测等机械量测量领域。
自1991年D.Huang等人提出该项技术以来，OCT系统被人们关注并取得了极大的进步。传统OCT系统结构一般为双臂结构以实现干涉测量，共路光学相干成像技术(CPOCT)是在传统OCT技术的基础上实现参考臂与测量臂光纤共路径传输，可缓解由于双臂结构产生的臂间色散以及偏振失调问题。同时，其还解决了测量臂长度限制以及测量操作复杂的问题。Vakhtin最初提出的共路OCT系统是一种基于参考镜的分立式系统；随着共路OCT系统的进一步研究，Wang等提出了一种基于微机电系统内窥镜探头的共路OCT系统，利用光纤和探头结合结构替代分立式反射镜。随着光纤技术的发展以及共路OCT系统的进一步研究，最近Vairagi等又提出了一种基于负轴锥光纤端的贝塞尔光束的共路OCT成像，实现了纯光纤结构微探头的共路OCT系统。
目前，CPOCT系统的参考光信号大多数是由玻璃与空气界面的菲涅尔反射产生。其反射光信号的强度可调控性差，稳定性有待进一步提高。同时，用于共路径OCT系统的探头制作精度要求高，偶然性较大，其结构仍存在较大的改进空间。
发明内容
为了克服现有的CPOCT系统的成像稳定性较差、测量操作难度较高的不足，本发明提出了一种基于机械制啁啾长周期光纤光栅(Mechanically induced Chirped Long-Period Fiber Gratings，缩写为MCLPFG)与调制光场的非均匀受力光纤(NonuniformStressed Fiber，缩写为NSF)的CPOCT系统，成像稳定性良好，能够减小测量操作难度。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于机械制啁啾长周期光纤光栅的共路径光学层析成像系统，包括输入光源、光环行器、OCT共路干涉单元以及信号处理单元；所述的OCT共路干涉单元包括MCLPFG、NSF、空芯光纤(Hollow Optical Fiber，缩写为HOF)、纤芯模式反射器和GIF(Graded IndexFiber，缩写为GIF)，所述MCLPFG、NSF通过外界压力来调控光纤中的光场分布，在NSF与空芯光纤熔接的一端端面设置所述纤芯模式反射器，空芯光纤中心孔的直径和NSF的纤芯直径相等，空芯光纤的外层直径和NSF光纤包层的外径相等；所述纤芯模式反射器是通过在NSF光纤与空芯光纤熔接一端的纤芯端面镀膜，以形成反射镜；出射的光束经过GIF聚焦于光纤外部的样品上成像。
进一步，用于纤芯模式反射器的镀膜包括金属膜和介质膜。
再进一步，所述信号处理单元包括光电转换模块和计算机图像处理模块。
优选的，所述光电转换模块为光谱仪或双平衡检测器。
所述输入光源为宽光谱光源或扫频激光，所述光环行器为常规光环行器或单向光耦合器。
本发明提出的基于MCLPFG以及NSF光场调控的CPOCT系统相对于现有的CPOCT结构而言，具有光场可控、制作简单、结构稳定、制作时间短等优势。本发明利用啁啾光纤光栅的滤波特性，在光纤中实现包层与纤芯的同向耦合分光，代替传统系统中的分光器件实现共路径传输测量光信号与参考光信号。当MCLPFG的滤波波长宽度大于光源光谱宽度，光源光信号经过MCLPFG时，其光信号均满足谐振波长要求，通过压力变化来控制光信号从纤芯耦合到包层的耦合效率，实现光信号的同向分离。然后光信号进一步通过NSF调控光场得到合适的模场分布。在NSF之后纤芯镀膜，实现纤芯光信号的反射，作为参考光信号。利用渐变折射率光纤(GIF)替代传统OCT系统中的透镜，实现包层中光信号的聚焦，作为测量光信号。为实现纤芯镀膜以及降低成像噪声，添加一段空芯光纤(HOF)于NSF与GIF之间。包层中的光信号经过样品反射，携带样品信息，通过GIF重新返回到HOF的包层中。测量光信号经过传输返回MCLPFG包层中，MCLPFG将其耦合回纤芯中，与金属膜反射的纤芯参考光信号发生低相干干涉。干涉经由环行器传输进入信号处理单元解调成像。
本发明的技术构思为：利用CLPFG替代分光器实现测量光信号、参考光信号共路传输，利用GIF替代传统探头实现测量光信号的聚焦。利用MCLPFG|NSF|GIF构建新的CPOCT结构。
本发明的有益效果主要表现在：1)目前CPOCT系统的参考光信号由玻璃与空气的菲涅尔反射提供，其信号的可控性及稳定性有待提高。本发明中利用MCLPFG作为分光器件，通过纤芯镀膜实现参考光信号的反射，反射信号稳定性高。通过外部压力的改变可以实现光信号强度的调控。2)通过渐变折射率光纤实现测量光信号的自聚焦，实现了探头全光纤化，小型化探头可以适应更为复杂的测量环境。3)本发明采用MCLPFG和NSF，通过压力的改变以实现光纤光场的可控性调制，以实现优化成像质量。而且相对于现有的CPOCT探头而言，其制作时间短，制作成本及制作工艺要求不高。
附图说明
图1是基于MCLPFG的CPOCT系统的共路干涉单元结构示意图。
图2是CPOCT工作的整体结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1和图2，一种基于机械制啁啾长周期光纤光栅的共路径光学层析成像系统，包括输入光源1、光环行器2、OCT共路干涉单元4以及信号处理单元5、6；OCT共路干涉单元包括机械制啁啾长周期光纤光栅(MCLPFG)401、非均匀受力光纤(NSF)402、纤芯模式反射器405、空芯光纤(HOF)403以及渐变折射率光纤(GIF)404。NSF402的纤芯半径与MCLPFG401的纤芯半径相等，HOF403纤芯半径与NSF402的纤芯半径相等，MCLPFG401、NSF402、HOF403、GIF404的光纤包层外径相等。
MCLPFG401由外界施加周期性呈一定啁啾系数C变化的压力产生，通过压力大小的改变调控MCLPFG401的耦合效率。NSF402被外界施加一定角度压力，调控光纤光场。光纤模式反射器405是通过NSF402与空芯光纤HOF403熔接一端纤芯处镀膜以形成反射端面。
参考图1，CPOCT系统的工作过程和原理如下：输入光源通过光纤输入宽光谱信号411，其在传输光纤中的端面场分布如407所示。光信号通过MCLPFG401将满足谐振条件的光从纤芯模式耦合到包层模式LP1m中，其端面场分布如408所示，由于所用的MCLPFG401的滤波带宽大于光源光谱宽度，纤芯与包层的光信号分布分别如412、413所示。利用NSF402对纤芯与包层中的模场进行调控使纤芯与包层中的模场分布如409所示。纤芯中的光信号经过纤芯模式反射器405，反射回NSF402纤芯中作为参考光信号。调控后的包层模式410经过HOF403继续传输作为测量光信号，之后测量光信号经由GIF404聚焦到测量样品406中。反射后携带样品信息的光信号经由GIF404耦合回包层模式，测量光信号经由HOF403传输从新返回MCLPFG401层中，由MCLPFG401重新耦合回纤芯中，与参考光信号发生低相干干涉，形成如414的干涉信号。最后通过信号处理单元解调干涉信号信息获得样品的相关图像信息。
实施方案如图1、图2，首先是输入光源1发出的光通过单模光纤进入到环行器2中，然后再经过光纤进入到本发明所提出的CPOCT共路干涉单元4中。通过微电机3转动可以使整个CPOCT共路干涉单元4深入到组织或工件中，全方位探测到样品406的信息。样品各个深度的背向散射光一同返回，与纤芯模式反射器405反射的光进行麦克尔逊型干涉，干渉光谱图像通过光电转换模块5收集，通过光谱标定、线性插值、傅里叶变换等处理，由图像处理模块6恢复出被测样品深度方向的全部图像信息。
Claims (5)
1.一种基于机械制啁啾长周期光纤光栅的共路径光学层析成像系统，其特征在于，所述系统包括输入光源、光环行器、OCT共路干涉单元以及信号处理单元；所述的OCT共路干涉单元包括机械制啁啾长周期光纤光栅、非均匀受力光纤、空芯光纤、纤芯模式反射器和渐变折射率光纤，所述机械制啁啾长周期光纤光栅、非均匀受力光纤通过外界压力来调控光纤中的光场分布，在非均匀受力光纤与空芯光纤熔接的一端端面设置所述纤芯模式反射器，空芯光纤中心孔的直径和非均匀受力光纤的纤芯直径相等，空芯光纤的外层直径和非均匀受力光纤光纤包层的外径相等；所述纤芯模式反射器是通过在非均匀受力光纤与空芯光纤熔接一端的纤芯端面镀膜，以形成反射镜；出射的光束经过渐变折射率光纤聚焦于光纤外部的样品上成像。
2.如权利要求1所述的基于机械制啁啾长周期光纤光栅的共路径光学层析成像系统，其特征在于，用于纤芯模式反射器的镀膜包括金属膜和介质膜。
3.如权利要求1或2所述的基于机械制啁啾长周期光纤光栅的共路径光学层析成像系统，其特征在于，所述信号处理单元包括光电转换模块和计算机图像处理模块。
4.如权利要求3所述的基于机械制啁啾长周期光纤光栅的共路径光学层析成像系统，其特征在于，所述光电转换模块为光谱仪或双平衡检测器。
5.如权利要求1或2所述的基于机械制啁啾长周期光纤光栅的共路径光学层析成像系统，其特征在于，所述输入光源为宽光谱光源或扫频激光，所述光环行器为常规光环行器或单向光耦合器。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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