專利名稱：共路徑光相干斷層成像系統(tǒng)光纖探頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是光相干斷層成像(OCT)系統(tǒng)技術(shù)，主要是關(guān)于共路徑光相干斷層 成像系統(tǒng)的光纖探頭。
背景技術(shù)：
光相干斷層成像(Optical Coherence Tomography，簡(jiǎn)稱OCT)是一種高分辨率、 非接觸式的生物組織成像技術(shù)。作為一種影像學(xué)檢查方法具有非創(chuàng)傷性、非接觸性、操作 簡(jiǎn)單，高分辨率橫截面成像，圖像直觀、清晰。這項(xiàng)技術(shù)的獨(dú)特功能使得研究和臨床應(yīng)用非 常廣泛，尤其是光相干斷層成像技術(shù)與內(nèi)窺成像技術(shù)相結(jié)合形成的內(nèi)窺光相干斷層成像技 術(shù)，可對(duì)生物體內(nèi)部的組織器官進(jìn)行成像，極大地拓展了它的應(yīng)用范圍。光相干斷層成像是一種新型的光學(xué)成像方式，是通過測(cè)量后向散射光和后向反射 光可以實(shí)現(xiàn)對(duì)材料內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)和生物系統(tǒng)的橫斷面的成像。它所使用的光源是可見 光或者近紅外光，成像也是只適用于可見光或近紅外光透明的媒質(zhì)。光相干斷層成像技術(shù) 發(fā)展至今，從光路的結(jié)構(gòu)來(lái)看，主要有兩類一類是雙光路結(jié)構(gòu)，參考臂和探測(cè)臂是獨(dú)立的； 另一類是單光路結(jié)構(gòu)，即參考臂和探測(cè)臂合在一起。在共路徑OCT系統(tǒng)中，參考臂和樣品臂 共用一個(gè)光學(xué)路徑。光源發(fā)出的光經(jīng)過光纖耦合器進(jìn)入?yún)⒖急?樣品臂)，一部分光在參 考面處反射，作為參考光；另一部分光透過傳感探針照射到樣品內(nèi)部而得到很弱的后向散 射光，再次耦合回光纖，作為樣品光，與參考光相干疊加，產(chǎn)生干涉信號(hào)。干涉信號(hào)通過參 考臂(樣品臂)回到光纖耦合器，進(jìn)入探測(cè)器。由于生物體內(nèi)腔結(jié)構(gòu)極不規(guī)則，進(jìn)人其內(nèi)的 光纖或光纖傳像束不可避免地存在著彎曲現(xiàn)象，致使由其傳輸光束的偏振態(tài)發(fā)生變化，以 及使用與參考臂不同類型或不同長(zhǎng)度光纖時(shí)引起的色散失配、溫度波動(dòng)引起的圖像漂移、 周期性生命律動(dòng)引起的振動(dòng)等，都會(huì)導(dǎo)致成像質(zhì)量顯著下降。并且，針對(duì)不同組織或區(qū)域 成像時(shí)要求使用不同長(zhǎng)度的探頭，探頭的每次更換，都需進(jìn)行大行程范圍的光程匹配、色散 補(bǔ)償和偏振態(tài)調(diào)節(jié)等操作，這些因素有時(shí)甚至?xí)鱿到y(tǒng)可供調(diào)節(jié)的范圍而得不到滿意結(jié) 果。因此，系統(tǒng)的傳感探頭采用共路徑結(jié)構(gòu)，可以有效的減小光纖振動(dòng)、彎曲等干擾的影響， 非常適合內(nèi)窺成像，這樣才能得到人體內(nèi)部組織器官的高分辨率成像。國(guó)外的很多科研機(jī) 構(gòu)都開展了這方面的研究，如美國(guó)的哈佛醫(yī)學(xué)院的G. J. Tearney小組采用的旋轉(zhuǎn)光學(xué)組件 構(gòu)建的360度圓周掃描的探頭系統(tǒng)；Y. T. Pan和J. M. Zara提出的基于旋轉(zhuǎn)光耦合器和微機(jī) 電系統(tǒng)(MEMS)的OCT微型探頭；華盛頓大學(xué)的Xingde Li小組提出基于壓電陶瓷的掃描探 頭。上述的方法，都存在有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，如基于旋轉(zhuǎn)光學(xué)組件和光學(xué)耦合器的掃描探頭， 其光的耦合效率比較低，而且探頭的尺寸比較大；基于MEMS技術(shù)的微型探頭制作相當(dāng)?shù)膹?fù) 雜，制造成本和技術(shù)要求都比較高；基于壓電陶瓷的掃描探頭需要很高的驅(qū)動(dòng)電壓，需要較 高的能耗，這不利于目前提倡的低碳經(jīng)濟(jì)并在人體中產(chǎn)生一定的安全隱患。因此，如何在比 較簡(jiǎn)單的制造工藝和較低的制造成本的條件下，設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、能耗低、并具有較高 的光能利用率的共路徑OCT掃描探頭，就成為OCT探頭設(shè)計(jì)的一大目標(biāo)。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種用于共路徑光學(xué)相 干層析技術(shù)成像的光纖探頭。該共路徑光纖探頭基于楔形光纖和有角度的光纖端面，楔形 光纖用于縮小信號(hào)光的光斑大小，有角度的光纖端面提供了參考信號(hào)并對(duì)參考信號(hào)的大小 進(jìn)行調(diào)節(jié)，以達(dá)到最好的干涉效果，得到最好信噪比的干涉信號(hào)。技術(shù)方案本發(fā)明用于共路徑光相干斷層成像的光纖探頭，該探頭包括單模光纖 和楔形光纖，單模光纖和楔形光纖相連接成為一個(gè)整體，或直接在單模光纖的尾端切割成 楔形。所述的楔形光纖的尖劈端設(shè)有一個(gè)調(diào)節(jié)激光在楔形光纖上反射光和透射光分光比的 光纖端面，光纖端面與豎直方向有一夾角為Θ。所述的角為θ的具體的大小是由反射光R 和透射光T的分光比確定，根據(jù)菲涅耳定律計(jì)算得出 nsin θ = H1Sin θ j其中θ為端面與豎直方向的夾角，θ工為透射光與端面法線的夾角，α為震動(dòng)面 與入射面的夾角。η為光纖纖芯的折射率，H1為空氣的折射率。楔形光纖可以將單模光纖輸出的激光進(jìn)行會(huì)聚，照射在被測(cè)樣品上，楔形光纖的 端面被切割成一定的角度，用于調(diào)節(jié)激光輸出的分光比。有益效果與背景技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的技術(shù)效果1、本光纖探頭使用的是單模光纖和楔形光纖，具有體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、制造工藝簡(jiǎn) 單的優(yōu)點(diǎn)。2、本光纖探頭只是使用單模光纖和楔形光纖，并對(duì)光纖進(jìn)行加工，不添加任何的 驅(qū)動(dòng)裝置，減少了能量的消耗，低碳環(huán)保，也提高了安全性。3、通過使用楔形光纖對(duì)成像光纖中的激光進(jìn)行準(zhǔn)直會(huì)聚，可以提高軸外點(diǎn)成像的 光能利用率，進(jìn)而提高系統(tǒng)總體的信噪比。


下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明。圖1是共路徑光相干斷層成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2Α是本發(fā)明的光纖探頭。圖2Β是圖2Α的俯視圖。圖2C是圖2Α的側(cè)視圖。圖3Α是是單模光纖和楔形光纖組合的光路示意圖。圖3Β是端面有角度的單模光 纖的光路示意圖。圖4Α是單模光纖的模斑圖，圖4Β是楔形光纖的模斑圖。圖5是共路徑光相干斷層成像探頭實(shí)驗(yàn)的干涉曲線。圖中有單模光纖1，楔形光纖2，光纖端面3，待測(cè)試樣品4。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明，本發(fā)明的目的和效果將變得更
4加明顯。圖1所示是共路徑光相干斷層成像系統(tǒng)的原理圖。如圖所示，光源發(fā)出的光經(jīng)過 單模光纖傳輸?shù)?X2耦合器，通過2X2耦合器后，光分為兩路，其中一路的單模光纖被打 結(jié)，從而抑制了此路的反射光，另一路用單模光纖連接到光纖探頭，這一路中既作為參考臂 也作為探測(cè)臂。經(jīng)過2X2耦合器的光進(jìn)入?yún)⒖急?樣品臂)，一部分光在參考面處反射，作 為參考光；另一部分光透過傳感探針照射到樣品內(nèi)部而得到很弱的后向散射光，再次耦合 回光纖，作為樣品光，與參考光相干疊加，產(chǎn)生干涉信號(hào)。干涉信號(hào)通過參考臂(樣品臂) 回到光纖耦合器，進(jìn)入探測(cè)器。如圖2A所示，本發(fā)明用于共路徑光相干斷層成像系統(tǒng)的光纖探頭包括單模光纖1 和楔形光纖2，單模光纖1和楔形光纖2連接在一起，楔形光纖2的尾端被切割成一定的角 度Θ。圖2B所示的是圖2A的一個(gè)俯視圖。圖2C是圖2A的側(cè)視圖，圖2C所示的光纖端 面3與豎直方向的夾角為θ。θ角的作用是為了調(diào)節(jié)激光在光纖端面3上反射和透射的 分光比，從而提高干涉效果，提高系統(tǒng)的信噪比。圖3Α顯示的是單模光纖1和楔形光纖2組合的光路示意圖。如圖所示，光源發(fā)出 的光進(jìn)入單模光纖1中，經(jīng)單模光纖1傳輸?shù)叫ㄐ喂饫w2中，由于楔形光纖2對(duì)激光的會(huì)聚 作用，將單模光纖1中傳輸光的模斑減小，將光的能量更加集中，經(jīng)過角度為θ的光纖端面 3，一部分光由光纖端面3反射回楔形光纖2，另一部分的光由光纖端面3出射，照射在待測(cè) 試樣品4上，再經(jīng)由待測(cè)試樣品4反射和散射效應(yīng)，反射和散射光再耦合進(jìn)楔形光纖2中， 與由光纖端面3反射回楔形光纖2的光發(fā)生干涉效應(yīng)，干涉信號(hào)經(jīng)楔形光纖2傳到單模光 纖1，再由單模光纖1傳到探測(cè)器中，從而形成一個(gè)共路徑光相干斷層成像系統(tǒng)。圖3Β顯示 的是簡(jiǎn)化的共路徑光相干斷層成像探頭，它是將單模光纖1尾端切割成一定的角度θ，θ 角的大小在3. 35°到43. 23°之間。θ角度的作用也是為了調(diào)節(jié)激光在光纖端面3上的反 射和透射的分光比，從而提高干涉效果。圖3Α和圖3Β的區(qū)別是圖3Α中加有楔形光纖2，楔形光纖2是為了減少模斑大小， 與圖3Β相比，圖3Α所示探頭有更好的探測(cè)效果，有更好的信噪比。圖4Α所示的是單模光纖的模斑圖，圖4Β所示的是楔形光纖的模斑圖，由兩圖的對(duì) 比得知楔形光纖的模斑明顯小于單模光纖的模斑大小，這有助于提高系統(tǒng)的靈敏度和分辨率。圖5所示的是帶角度探頭的實(shí)驗(yàn)測(cè)試到的干涉曲線圖。由干涉曲線得知，光纖端 面3到待測(cè)試樣品4之間的距離在IOum之內(nèi)的干涉效果很明顯。
權(quán)利要求
一種共路徑光相干斷層成像系統(tǒng)的光纖探頭，其特征在于該探頭包括單模光纖(1)和楔形光纖(2)，單模光纖(1)和楔形光纖(2)相連接成為一個(gè)整體，或直接在單模光纖的尾端切割成楔形。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的共路徑光相干斷層成像系統(tǒng)的光纖探頭，其特征在于所述的 楔形光纖(2)的尖劈端設(shè)有一個(gè)調(diào)節(jié)激光在楔形光纖(2)上反射光和透射光分光比的光纖 端面(3)，光纖端面(3)與豎直方向有一夾角為θ。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的共路徑光相干斷層成像系統(tǒng)的光纖探頭，其特征在于所述的 角為θ的具體的大小是由反射光R和透射光T的分光比確定，根據(jù)菲涅耳定律計(jì)算得出 其中θ為端面與豎直方向的夾角，θ工為透射光與端面法線的夾角，α為震動(dòng)面與入 射面的夾角，η為光纖纖芯的折射率，H1為空氣的折射率。
全文摘要
本發(fā)明涉及的是一種共路徑光相干斷層成像系統(tǒng)的光纖探頭，該探頭包括單模光纖(1)和楔形光纖(2)，單模光纖(1)和楔形光纖(2)相連接成為一個(gè)整體，或直接在單模光纖的尾端切割成楔形。所述的楔形光纖(2)的尖劈端設(shè)有一個(gè)調(diào)節(jié)激光在楔形光纖(2)上反射光和透射光分光比的光纖端面(3)，光纖端面(3)與豎直方向有一夾角為θ。本探頭通過楔形光纖對(duì)光纖中的激光進(jìn)行會(huì)聚，減小激光的模斑大小，從而提高系統(tǒng)的信噪比；通過對(duì)楔形光纖端面角度的調(diào)節(jié)，可以改變激光在楔形光纖端面的反射和出射的比值，從而提高信號(hào)光和參考光的干涉效果。本探頭結(jié)構(gòu)緊湊，制作工藝簡(jiǎn)單，使用方便。
文檔編號(hào)G01N21/01GK101912254SQ20101023771
公開日2010年12月15日 申請(qǐng)日期2010年7月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月27日
發(fā)明者孫小菡, 巫中偉, 程瑤 申請(qǐng)人:東南大學(xué)