基于光子納米噴射的高橫向分辨光學(xué)相干層析系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于光子納米噴射的高橫向分辨光學(xué)相干層析系統(tǒng)，包括寬帶光源、光纖耦合器、參考臂、樣品臂和探測(cè)臂，寬帶光源發(fā)出的光經(jīng)光纖耦合器分光后分別進(jìn)入?yún)⒖急酆蜆悠繁郏瑓⒖急鄯瓷浜蟮膮⒖脊獍凑赵饴贩祷氐焦饫w耦合器，同時(shí)樣品臂的光通過光纖探頭形成光子納米噴射照明場(chǎng)，照明區(qū)域內(nèi)經(jīng)樣品反射或后向散射的信號(hào)光再次通過光纖探頭返回到光纖耦合器，樣品臂返回的信號(hào)光與參考臂返回的參考光匯合并發(fā)生干涉；同時(shí)樣品臂中掃描裝置對(duì)樣品進(jìn)行掃描并將其掃描時(shí)序發(fā)送給探測(cè)臂中的計(jì)算機(jī)，探測(cè)臂對(duì)不同波長(zhǎng)光的并行探測(cè)得到樣品的深度信息。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有超高的橫向空間分辨率，利于OCT系統(tǒng)獲得更大的應(yīng)用范圍。
【專利說明】基于光子納米噴射的高橫向分辨光學(xué)相干層析系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種光學(xué)相干層析技術(shù)，尤其是涉及一種基于光子納米噴射的高橫向分辨光學(xué)相干層析系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002]光學(xué)相干層析成像(Optical Coherence Tomography，簡(jiǎn)稱OCT)作為一種新興的光學(xué)成像技術(shù)，能夠進(jìn)行非接觸、無損傷、高分辨率地成像，主要應(yīng)用于基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研宄和眼科、心血管等疾病的臨床診斷，以及考古、玉石、集成電路、玻璃面板和光伏組件等領(lǐng)域的無損檢測(cè)。
[0003]空間分辨率作為光學(xué)成像技術(shù)最重要的技術(shù)指標(biāo)之一，如何突破光學(xué)成像系統(tǒng)的衍射極限約束，一直是促進(jìn)包括OCT技術(shù)在內(nèi)的各種光學(xué)成像技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的動(dòng)力。在OCT系統(tǒng)中，橫向空間分辨率取決于采樣臂上光學(xué)系統(tǒng)的聚焦場(chǎng)橫向分布，而軸向空間分辨率主要由寬帶光源的相干長(zhǎng)度決定。因此，一般可以使用不同的方法分別提高OCT系統(tǒng)的軸向和橫向空間分辨率。目前，提高OCT系統(tǒng)軸向分辨率的主要方法是寬帶光源技術(shù)，如超短脈沖激光技術(shù)、非線性超連續(xù)光譜技術(shù)和光譜合成技術(shù)。提高OCT系統(tǒng)橫向分辨率最直接的方法是采樣臂使用高數(shù)值孔徑的光學(xué)系統(tǒng)。但是，該方法要獲得高橫向分辨率就必然導(dǎo)致光學(xué)系統(tǒng)的焦深變短，從而導(dǎo)致遠(yuǎn)離實(shí)際焦點(diǎn)處的橫向分辨率迅速下降。鑒于光纖型OCT系統(tǒng)采樣臂的光路系統(tǒng)一般是共聚焦光路結(jié)構(gòu)模式，一些信號(hào)處理方法可以用來校正或提高OCT系統(tǒng)的橫向空間分辨率，如基于點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)的反卷積算法，類似合成孔徑成像的綜合孔徑相干成像技術(shù)。然而，這些方法依然要受光學(xué)系統(tǒng)衍射極限的限制。通過調(diào)節(jié)照明光束的振幅、相位和偏振態(tài)改變聚焦光場(chǎng)(即點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)工程)，光學(xué)成像系統(tǒng)可以突破衍射極限獲得超高空間分辨率，如使用中心遮擋型光瞳濾波器，環(huán)形、多級(jí)純相位光瞳濾波器，復(fù)振幅濾波器，光瞳掩模等。因此，丁志華等(中國(guó)專利:CN200610053327)提出在采樣臂插入超分辨光瞳濾波器，利用相干門抑制軸向響應(yīng)函數(shù)的旁瓣，實(shí)現(xiàn)軸向超高分辨0CT。另外，丁志華等(中國(guó)專利:CN200910154912)引入光程參量作為控制量，提出基于光程編碼和相干合成的超高分辨OCT技術(shù)，即引入光程編碼分束器，形成多種對(duì)應(yīng)于不同光程延遲的有效響應(yīng)函數(shù)，基于多種有效響應(yīng)函數(shù)的相干合成，重建光學(xué)超分辨圖像；通過改變相干合成時(shí)的相對(duì)系數(shù)，數(shù)字控制多種有效響應(yīng)函數(shù)的相對(duì)貢獻(xiàn)，實(shí)現(xiàn)不同程度的超分辨。
[0004]區(qū)別以上基于OCT采樣臂光學(xué)系統(tǒng)的線性成像過程來實(shí)現(xiàn)超高分辨成像的技術(shù)，光子結(jié)構(gòu)也可以獲取超衍射極限的聚焦光場(chǎng)，以實(shí)現(xiàn)超高分辨成像。如在散射近場(chǎng)掃描光學(xué)顯微鏡中，激光照射原子力光纖探針形成納米級(jí)的近場(chǎng)照明場(chǎng)，通過遠(yuǎn)場(chǎng)獲取彈性散射的信號(hào)光，實(shí)現(xiàn)空間分辨率達(dá)10納米的光學(xué)顯微成像或光譜儀。同樣，通過微米級(jí)介質(zhì)小球的光散射，可以獲得橫向光場(chǎng)分布處于衍射極限以下，而沿軸向保持橫向分布一致的長(zhǎng)度在微米量級(jí)的光子納米噴射，類似光子探針。該光子納米噴射大小取決于介質(zhì)小球的物理尺寸、折射率大小和分布、小球外部的折射率大小和分布，以及入射光的物理特性。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種基于光子納米噴射的高橫向分辨光學(xué)相干層析系統(tǒng)，通過光學(xué)相干層析成像系統(tǒng)樣品臂的光纖探頭，使得樣品臂傳輸光束經(jīng)光纖探頭的介質(zhì)微球散射形成光子納米噴射，獲得橫向空間尺寸在衍射極限以下的光子探針，同時(shí)，該光纖探頭接收光子探針掃描照明區(qū)域的反射或后向散射信號(hào)光，利用信號(hào)處理方法重構(gòu)出橫向超高分辨的光學(xué)圖像。
[0006]本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn):
[0007]一種基于光子納米噴射的高橫向分辨光學(xué)相干層析系統(tǒng)，其特征在于，包括寬帶光源、光纖耦合器、參考臂、樣品臂和探測(cè)臂，所述的樣品臂包括光纖探頭和掃描裝置，所述的探測(cè)臂包括計(jì)算機(jī)和光譜探測(cè)器，所述的寬帶光源發(fā)出的光經(jīng)光纖耦合器分光后，分別進(jìn)入?yún)⒖急酆蜆悠繁?，所述的參考臂反射后的參考光按照原光路返回到光纖耦合器，同時(shí)所述的樣品臂的光通過光纖探頭形成光子納米噴射照明場(chǎng)，照明區(qū)域內(nèi)經(jīng)樣品反射或后向散射的信號(hào)光再次通過光纖探頭返回到光纖耦合器。
[0008]樣品臂返回的信號(hào)光與參考臂返回的參考光匯合并發(fā)生干涉，通過探測(cè)臂的光譜探測(cè)器獲得與樣品信息有關(guān)的干涉光譜；同時(shí)樣品臂中掃描裝置對(duì)樣品進(jìn)行掃描并將其掃描時(shí)序發(fā)送給探測(cè)臂中的計(jì)算機(jī)，探測(cè)臂在一個(gè)信息采集周期內(nèi)對(duì)不同波長(zhǎng)光的并行探測(cè)得到樣品的深度信息，探測(cè)臂中計(jì)算機(jī)根據(jù)掃描時(shí)序和樣品的深度信息重建出樣品的二維圖像。
[0009]所述的寬帶光源發(fā)出的光為低相干光。
[0010]所述的光纖親合器為2X2光纖親合器。
[0011]所述的參考臂包括透鏡或透鏡組、以及平面反射鏡，經(jīng)光纖耦合器分路進(jìn)入?yún)⒖急鄣墓馐ㄟ^透鏡或透鏡組照射平面反射鏡，由平面反射鏡反射的參考光束就按原路返回再次進(jìn)入光纖耦合器。
[0012]所述的探測(cè)臂上設(shè)有用于干涉信號(hào)探測(cè)的CCD相機(jī)。
[0013]所述的光纖探頭包括單模光纖和介質(zhì)小球，該介質(zhì)小球固定于單模光纖上。
[0014]所述的單模光纖與介質(zhì)小球接觸面呈曲面設(shè)置。
[0015]所述的介質(zhì)小球通過膠合方式固定于單模光纖的端面上。
[0016]所述的探測(cè)臂中計(jì)算機(jī)根據(jù)掃描時(shí)序和樣品的深度信息重建出樣品的二維圖像具體如下:
[0017]首先，利用傅里葉變換處理一個(gè)采樣周期內(nèi)獲取的干涉光譜信息，獲得一次測(cè)量對(duì)應(yīng)的空間深度信息；
[0018]然后，利用反卷積算法處理空間深度信息，使橫向分辨率在測(cè)量深度內(nèi)保持一致；
[0019]最后，根據(jù)掃描的時(shí)序和方式，依次重構(gòu)出被檢測(cè)范圍內(nèi)縱切面的二維圖像。
[0020]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明將光纖探頭作為OCT系統(tǒng)的采樣臂，得到橫向光場(chǎng)分布處于衍射極限以下的照明光場(chǎng)，從而獲得超高的橫向空間分辨率，系統(tǒng)的軸向空間分辨率依然由照明光源決定。相對(duì)其他方法，本發(fā)明利用光纖探頭進(jìn)行照明和探測(cè)，可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單的OCT系統(tǒng)，且具有超高的橫向空間分辨率，利于OCT系統(tǒng)獲得更大的應(yīng)用范圍。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖2為本發(fā)明光纖探頭的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖3為顯示經(jīng)過端面處理的單模光纖出射光場(chǎng)示意圖；
[0024]圖4為顯不光纖探頭的光子納米喂■射不意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0025]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0026]實(shí)施例
[0027]圖1所示為基于光子納米噴射的超高橫向分辨OCT系統(tǒng)示意圖:系統(tǒng)包括寬帶光源1、光纖耦合器2、參考臂3、樣品臂4和探測(cè)臂5。所述參考臂3前端包含透鏡或透鏡組和平面反射鏡組成的光路系統(tǒng)；所述樣品臂前端是由介質(zhì)微球和單模光纖組成的光纖探頭6，通過固定光纖探頭或樣品的掃描裝置7移動(dòng)實(shí)現(xiàn)掃描成像。
[0028]所述的光纖探頭6是由經(jīng)過端面處理的單模光纖和介質(zhì)小球組成；光纖端面的曲面形狀、介質(zhì)小球具體物理參數(shù)根據(jù)橫向尺寸在衍射極限以下的光子納米噴射進(jìn)行設(shè)計(jì)；介質(zhì)小球通過膠合方式固定于經(jīng)過端面處理的光纖端面。
[0029]寬帶光源I發(fā)出的低相干光，經(jīng)光纖耦合器2分光后，分別進(jìn)入?yún)⒖急?和樣品臂
4。參考臂3的光經(jīng)透鏡或透鏡組和平面反射鏡組成光路系統(tǒng)，由平面反射鏡(零光程參考面)反射后按照原光路返回到光纖耦合器2 ;樣品臂4的光通過光纖探頭形成光子納米噴射照明場(chǎng)，照明區(qū)域內(nèi)經(jīng)樣品反射或后向散射的信號(hào)光再次通過光纖探頭返回到光纖耦合器2 ;樣品臂4返回的信號(hào)光與參考臂3返回的參考光匯合并發(fā)生干涉，產(chǎn)生的干涉信號(hào)被探測(cè)臂5中的CCD探測(cè)，得到與樣品信息有關(guān)的干涉光譜。
[0030]樣品臂4中掃描裝置7的移動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品的掃描，探測(cè)臂5中CCD在一個(gè)信息采集周期內(nèi)對(duì)不同波長(zhǎng)光的并行探測(cè)得到樣品的深度信息，探測(cè)臂5中計(jì)算機(jī)根據(jù)掃描方式重建出樣品的二維圖像。
[0031]作為實(shí)施例，圖2-4所不為光纖探頭的結(jié)構(gòu)和對(duì)應(yīng)的出射光場(chǎng)空間分布。如圖2所示，圓柱部分對(duì)應(yīng)單模光纖，球形部分對(duì)應(yīng)介質(zhì)小球，介質(zhì)微球可以膠合固定在經(jīng)過端面處理的單模光纖端。通過時(shí)域有限差分法，給出微球固定在單模光纖端面前后的出射光場(chǎng)空間分布。其中，圖3顯示經(jīng)過端面處理的單模光纖出射光場(chǎng)，圖4顯示光纖探頭的光子納米噴射。該光子納米噴射的空間分布取決于介質(zhì)微球的直徑，折射率和折射分布方式，單模光纖端面的曲面形狀，以及寬帶光源的波長(zhǎng)范圍?？梢?，根據(jù)寬帶光源的波長(zhǎng)范圍，通過介質(zhì)微球和光纖端面的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以獲得橫向尺寸得到明顯壓縮的光子納米噴射。當(dāng)光子納米噴射照明樣品時(shí)，OCT系統(tǒng)將僅獲取橫向分布低于衍射極限以下的深度信息，即保證OCT系統(tǒng)的橫向分辨率取決于光子納米噴射的橫向分布，軸向分辨率依然是由寬帶光源的相干長(zhǎng)度決定。因此，通過基于光子納米噴射的光纖探頭，OCT系統(tǒng)可以獲得橫向超高分辨的圖像。
[0032]所述光纖探頭所用單模光纖與光纖耦合器2攜帶的尾纖是相同類型，保證寬帶光源在光纖內(nèi)始終以單模方式傳輸。所述光纖探頭可以用光纖熔接機(jī)直接連接光纖耦合器，使OCT系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，尤其是采樣臂的物理尺寸可以大大縮小。
【權(quán)利要求】
1.一種基于光子納米噴射的高橫向分辨光學(xué)相干層析系統(tǒng)，其特征在于，包括寬帶光源、光纖耦合器、參考臂、樣品臂和探測(cè)臂，所述的樣品臂包括光纖探頭和掃描裝置，所述的探測(cè)臂包括計(jì)算機(jī)和光譜探測(cè)器，所述的寬帶光源發(fā)出的光經(jīng)光纖耦合器分光后，分別進(jìn)入?yún)⒖急酆蜆悠繁?，所述的參考臂反射后的參考光按照原光路返回到光纖耦合器，同時(shí)所述的樣品臂的光通過光纖探頭形成光子納米噴射照明場(chǎng)，照明區(qū)域內(nèi)經(jīng)樣品反射或后向散射的信號(hào)光再次通過光纖探頭返回到光纖耦合器。 樣品臂返回的信號(hào)光與參考臂返回的參考光匯合并發(fā)生干涉，通過探測(cè)臂的光譜探測(cè)器獲得與樣品信息有關(guān)的干涉光譜；同時(shí)樣品臂中掃描裝置對(duì)樣品進(jìn)行掃描并將其掃描時(shí)序發(fā)送給探測(cè)臂中的計(jì)算機(jī)，探測(cè)臂在一個(gè)信息采集周期內(nèi)對(duì)不同波長(zhǎng)光的并行探測(cè)得到樣品的深度信息，探測(cè)臂中計(jì)算機(jī)根據(jù)掃描時(shí)序和樣品的深度信息重建出樣品的二維圖像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于光子納米噴射的高橫向分辨光學(xué)相干層析系統(tǒng)，其特征在于，所述的寬帶光源發(fā)出的光為低相干光。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于光子納米噴射的高橫向分辨光學(xué)相干層析系統(tǒng)，其特征在于，所述的光纖耦合器為2X2光纖耦合器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于光子納米噴射的高橫向分辨光學(xué)相干層析系統(tǒng)，其特征在于，所述的參考臂包括透鏡或透鏡組、以及平面反射鏡，經(jīng)光纖耦合器分路進(jìn)入?yún)⒖急鄣墓馐ㄟ^透鏡或透鏡組照射平面反射鏡，由平面反射鏡反射的參考光束就按原路返回再次進(jìn)入光纖耦合器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于光子納米噴射的高橫向分辨光學(xué)相干層析系統(tǒng)，其特征在于，所述的探測(cè)臂上設(shè)有用于干涉信號(hào)探測(cè)的CCD相機(jī)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于光子納米噴射的高橫向分辨光學(xué)相干層析系統(tǒng)，其特征在于，所述的光纖探頭包括單模光纖和介質(zhì)小球，該介質(zhì)小球固定于單模光纖上。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種基于光子納米噴射的高橫向分辨光學(xué)相干層析系統(tǒng)，其特征在于，所述的單模光纖與介質(zhì)小球接觸面呈曲面設(shè)置。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種基于光子納米噴射的高橫向分辨光學(xué)相干層析系統(tǒng)，其特征在于，所述的介質(zhì)小球通過膠合方式固定于單模光纖的端面上。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于光子納米噴射的高橫向分辨光學(xué)相干層析系統(tǒng)，其特征在于，所述的探測(cè)臂中計(jì)算機(jī)根據(jù)掃描時(shí)序和樣品的深度信息重建出樣品的二維圖像具體如下: 首先，利用傅里葉變換處理一個(gè)采樣周期內(nèi)獲取的干涉光譜信息，獲得一次測(cè)量對(duì)應(yīng)的空間深度信息； 然后，利用反卷積算法處理空間深度信息，使橫向分辨率在測(cè)量深度內(nèi)保持一致； 最后，根據(jù)掃描的時(shí)序和方式，依次重構(gòu)出被檢測(cè)范圍內(nèi)縱切面的二維圖像。
【文檔編號(hào)】G01N21/84GK104490362SQ201410815294
【公開日】2015年4月8日 申請(qǐng)日期:2014年12月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月19日
【發(fā)明者】劉勇 申請(qǐng)人:上海電力學(xué)院