CN107518862A

CN107518862A - 集成光学相干与非相干成像***的一种光纤及成像方法

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Publication number: CN107518862A
Application number: CN201610441935.2A
Authority: CN
Inventors: 魏晋
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2016-06-20
Filing date: 2016-06-20
Publication date: 2017-12-29

Abstract

本发明在于提供集成光学相干与非相干成像***的一种光纤及成像方法。光学相干断层扫描技术（Optical Coherence Tomography，简称 OCT）采用低相干光干涉技术，需要使用单模光纤进行发射和回收光学信号。多模光纤适合于非相干光的光谱学成像。将单模传输与多模传输在单一光纤上同时实现，然后集成两种乃至多种模式的成像方式，联合成像，可以结合两种或多种成像的优点。本发明提出一种这样的三包层光纤及成像方法。光纤由纤芯和至少三层包层组成，由内向外分别纤芯层，也称为内层纤芯，用于单模传输；第一层包层，也称为内层包层；第二层包层，也称为外层纤芯，用于多模传输；第三层包层，也可称之为外层包层。

Description

集成光学相干与非相干成像***的一种光纤及成像方法

技术领域

本发明涉及单光纤内窥成像技术，尤其涉及一种用于集成光学相干层析成像与光谱学成像的三包层光纤、三包层光纤耦合器、集成成像***及相关成像方法。

背景技术

光纤传感与成像技术具有体积小，成像分辨率高等特点，在近数十年来发展迅速。尤其在医疗成像领域，用于诊断人体组织病变的光学活检已经成为现代光学技术应用的一大方向。光学活检，尤其是微型体积探头的内窥成像技术，具有减少患者痛苦、精确辨认病灶及指导临床诊断和治疗的作用。光学相干断层扫描技术（OpticalCoherenceTomography，简称 OCT）是近年来发展较快的一种最具发展前途的新型层析成像技术，特别是生物组织活体检测和成像方面具有诱人的应用前景，已尝试在眼科、心血管及消化道疾病的临床诊断中应用。近年来OCT使用单一光纤进行内窥扫描，然后重建影像，可以实现探头体积微小，是内窥成像的重要应用技术。

对于OCT和内窥成像技术的研究和挖掘近年来也是十分迅速。常规的OCT技术只能提供样品的形态学信息，对于许多病灶的观察和了解方面略显单一。专利CN201085617Y中显示了一种集成光学相干层析成像与激光诱导荧光光谱的单光纤成像***。提出了一种内窥***，能够在能够提供样品形态学和生化成分的同时，成像探头尽可能的小型化的方案。专利US8953911着重探讨了结合OCT和其他非相干光学成像***，尤其是结合OCT和光谱学成像的实施方案。这些方案使得利用单一微结构光纤实现多模式光学成像成为了可能。

然而，现有技术所运用到的都是双包层光纤，不可避免的存在光纤的纤芯和内包层之间的信号串扰问题。光纤两相邻光波导层的信号串扰问题会影响成像***的灵敏度和信噪比。因此，为了提高成像质量，双包层光纤所存在的这一问题应当进行解决。

发明内容

本发明在于提供一种集成光学相干层析成像（Optical Coherence Tomography,简称OCT）和其他光谱学成像方式的多模式成像光纤及方法。OCT采用低相干光干涉技术，需要使用单模光纤进行发射和回收光学信号。多模光纤适合于非相干光的光谱学成像。将单模传输与多模传输在单一光纤上同时实现，然后集成两种乃至多种模式的成像方式，联合成像，可以结合两种或多种成像的优点。本发明提出一种这样的三包层光纤。光纤由纤芯和至少3层包层组成，由内向外分别为纤芯层，也称为内层纤芯；第一层包层，也称为内层包层；第二层包层，也称为外层纤芯；第三层包层，也可称之为外层包层。外层包层外为可选择的涂覆层，各层之间的折射率关系满足：涂覆层折射率>内层纤芯折射率>外层纤芯折射率>外层包层折射率>内层包层折射率。其中内层纤芯为单模传输，外层纤芯为多模传输，内层包层和外层包层不导光。为了提高信号接收效率，在尺寸上，内层包层的厚度设置为，在保证内层纤芯限制损耗不明显的情况下，尽可能小。在一些实施例中，内层包层的厚度为，内层纤芯中传输光中心波长的10倍左右。

本发明所述三包层光纤的另外一个特点在于，与现有技术相比，导光的两个光纤层之间的信号串扰被大大降低（下文详述）。通过这种改进，噪声信号被抑制，成像***的灵敏度和信噪比都得到提升。

本发明涉及与三包层光纤相关的耦合器件。通过耦合器件实现分离内层单模传输和外层多模传输，且二者互不影响。在一种实施例中，三包层光纤和单模光纤相耦合，通过耦合器件使三包层光纤中的内层纤芯的光耦合进入单模光纤，而外层纤芯的光经过折射率匹配介质、可选的透镜以及光探测装置感应。另一种实施例中，三包层光纤中外层纤芯的光经过剥离外层包层的方法取出，而不影响内层纤芯中光的传输。

附图说明：

图1显示三包层光纤的横截面图及其对应折射率分布。

图2显示三包层光纤的纵截面图及逸出光的轨迹。

图3显示常用单模光纤的横截面图。

图4显示单模光纤与三包层光纤耦合处纵截面图及逸出光轨迹。

图5、图6、图7分别为三种三包层光纤耦合器的实施方案示意图。

图8为一种应用三包层光纤及三包层光纤耦合器的内窥成像***示意图。

具体实施方式：

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

图1为三包层光纤的横截面图及各包层和纤芯所对应的折射率分布图。在本发明之中，光纤100从内向外分为纤芯层101，也称为内层纤芯；第一层包层102，也称为内层包层；第二层包层103，也称为外层纤芯；第三层包层104，也可称之为外层包层。外层包层外为可选择的涂覆层（未画出），在实际应用中，将不含涂覆层的光纤浸入与所述涂覆层具有类似折射率的匹配介质（比如某种溶液）中，也可以达到相同的实用效果。图示中111、112、113、114分别为内层纤芯、内层包层、外层纤芯、外层包层的折射率情况，其中涂覆层折射率>内层纤芯折射率>外层纤芯折射率>外层包层折射率>内层包层折射率。其中所示的折射率111、112、113、114为该层总体折射率情况，或者说是平均折射率情况。也就是说，分别对于其中任意一层内部，折射率可是阶跃，也可以是渐变的。内层纤芯和外层纤芯作为导光通路，而内层包层、外层包层以及涂覆层不作为导光通路。

这种折射率分布，使得内层纤芯和外层纤芯之间的信号串扰问题，得到了很好的解决。如图2所示，当光纤材料不均匀，或者光纤的弯曲到一定程度时，部分在内层纤芯101中传播的光201，因达不到全反射条件而逃逸出内层纤芯101，进入内层包层102。对于这些逃逸的光，因为外层纤芯103折射率比内层包层102要大，所以内层包层102不会产生有效的光波导，光继而进入外层纤芯103。而又由于外层包层104的折射率大于等于内层包层102的折射率，这种逃逸光在外层纤芯103也不会形成有效的光波导，光201继续以相应的角度进入外层包层。而涂覆层或周围折射率匹配介质（未画出）比外层包层104有更大的折射率，进入外层包层104的光也无法在外层包层104有效传输，继续进入涂覆层。涂敷层具有高传输损耗，因此进入涂覆层的光很快消逝。因此，从内层纤芯101逃逸的光无法在其它任何层传输。这就有效减少了从内层纤芯101的发射信号进入外层纤芯103产生串扰。

在光学传感成像领域，内层纤芯常用来当作发射信号的传输通道。发射的光经过三包层光纤末端的探头照向待测样品，从待测样品返回的光信号，经探头回收，并在内层纤芯和外层纤芯中传播。探头对光的回收效率是一个和样品距离、内层纤芯数值孔径、外层纤芯数值孔径和探头末端透镜组参数相关的复杂的方程，与光纤横截面中导光层所占面积正相关。由于内层包层并不能有效进行光波导，那么为了使返回信号的收集效率更高，需要内层包层的厚度尽量小。另一方面，为了保证内层纤芯能够有效光波导，防止隐失波穿透内层包层，内层包层要有一定的厚度。因此，内层包层的厚度往往设置为内层纤芯中所传导光波长的5-15倍之间。

图3为常见单模光纤的横截面示意图 301为纤芯，302为包层。在一些实施例中，为了增加三包层光纤的兼容性，使之能够与常见单模光纤耦合，两种光纤常设置为一致的外径，同时内层纤芯与单模光纤的纤芯在折射率和直径上都相互匹配。如图4所示为这样一个实施例。在这个例子中，三包层光纤410通过对准或者光纤熔接或等手段与单模光纤420耦合于耦合面430。此时内层纤芯401和单模光纤纤芯301中的光可以完全耦合，与普通的两单模光纤耦合面没有区别。而由于单模光纤420的包层不能进行有效光波导，沿着外层纤芯403传播的光，会以圆锥轨迹离开光纤420。如果需要将这一部分光进行收集，则需要相应的外层纤芯光收集装置，也就是下文详述的三包层光纤耦合器。

图5－图7显示了3种三包层光纤耦合器的实施方案。这三种方案均可以将内层纤芯的光耦合到单核光纤的纤芯层，同时通过搭配相应的光收集器件，能够收集三包层光纤中外层纤芯中传播的光。图5中，左侧为三包层光纤501，右侧为单核光纤502，二者耦合于端面503。光纤耦合器区域包绕一种折射率匹配介质504，匹配介质504的折射率使得光可以逃逸出右侧光纤502。从纤芯中传输的光从左侧到右侧，没有多少损耗产生。而从多包层光纤501的外侧纤芯中传输的光则离开了光纤502。光纤逃逸的圆锥角度505由三包层光纤501的外层纤芯数值孔径、耦合光纤的包层折射率以及匹配物质的折射率共同决定。因此原来在多包层光纤501的外层纤芯中传播的光离开了光纤，并且没有影响到内层纤芯。离开光纤的光通过设置在光路上的环形探测器506进行探测。相比之下，图6中的实施例中添加了光学器件601以更高效和方便的收集光。在这个实施例中，逸出光纤的光在折射率匹配介质中传播了一定距离后，经由一面反射镜602反射，然后透镜601将光聚焦，并导向光探测装置（未画出）。值得一提的是，反射镜602也可以移入折射率匹配介质603之内。图7中显示环绕光纤的折射率匹配介质701在逸出光传播路径上的边缘呈一曲面702，该曲面经镀膜等处理使其同时具有聚焦透镜和反射镜的功能。经聚焦并反射后的光传向光探测装置703。

以上所述，为单模光纤和三包层光纤耦合处的光耦合和收集方法。这些方法，同样适用于将一段三包层光纤的外层纤芯中的光取出的情形。此时需要通过机械研磨或化学腐蚀等手段小心去除一段适当长度的外层包层，而保留内层纤芯和内层包层结构的完整。此时内层纤芯和内层包层形成的光波导特性不受影响。然后用如图5、图6或图7中所示方法将除去了外层包层的三包层光纤置于折射率匹配介质之中，即可在不影响内层纤芯光传播的前提下，将外层纤芯中的光从三包层光纤中取出。

图8显示了一个应用三包层光纤906及三包层光纤耦合器905进行双模式复合成像的***。这个成像***包括一个光源901，OCT子***902，单模光纤耦合器件903，可选择的旋转光学连接器904，三包层光纤耦合器905，包含三包层光纤的导管连接模块906，探头907，光电探测器件908以及计算机及电子***909组成。其中，OCT子***902是一个包括参考臂，样品臂及光电探测模块等完整功能的子***。在一些实施例中，旋转光学连接器904可以没有，此时往往探头907含有扫描模块以完成对样品的二维、三维扫描。在一些实施例中，旋转光学连接器904置于三包层光纤耦合器905的靠近探头907一侧。非相干成像***的光源901的光和相干成像***902的光源的光通过合光器件结合。两种光均通过单核光纤的纤芯传播，通过三包层光纤耦合器905，在导管906的三包层光纤中传播，从探头907照向样品。从样品返回的光由三包层光纤的两个纤芯层传播，由内层纤芯传播的光回到OCT子***902，然后被干涉测量装置收集和处理。而外层纤芯收集的光在三包层光纤耦合器905处耦合出光纤，经过光电探测器件908探测随即信号进入计算机和电子***909收集处理。电子***用于实现整个***的信号控制、同步、探头扫描、显示成像等等功能。

所述光源901可以是超连续谱产生光源、超辐射白光光源、SLED，宽带激光等等。以选用白光光源为例，可以同时得到来自OCT***的深度信息和白光光源产生的光谱学光色彩信息。将每一扫描线的色彩信息覆盖到深度信息头端，三维重建后即可观察到深度信息及表面的色彩图像，实现两种信息的结合。为了提升图像质量，外层纤芯滤出的光，可以添加滤波模块，以滤除OCT信号相关的光。也可以通过一个对OCT光不敏感的波长选择性光电探测器件，来只探测光谱学的色彩光。内层纤芯的光进入OCT***，与参考光形成干涉，产生OCT信号，而光谱学的色彩光和参考臂不相干，所以对OCT干涉信号并不能产生显著影响。也可以通过在OCT***上，进入光电探测器之前添加滤波模块，以滤除光谱学的色彩光，以减少OCT成像的背景噪音。这样，每一个包含了深度方向信息的OCT信号可以匹配一个相应的表层光谱学颜色信息。经过计算机三维重建等图像处理，可以达到真切的内窥效果。

上述实施例是以白光光源与OCT***集成以添加表面真色彩信息。根据被探测样品的光谱吸收性质来改变光源发射波长，是有效的内窥成像检测手段。例如，胆固醇在1700nm波段有特征吸收，在血管内窥时应用相应波段即可清楚的区分脂质沉积区域，以检查相应的病变情况。此时得到的图像应是经过颜色映射的伪彩色信息。当然此处光源也可以是多种光源的混合，通过波分复用技术耦合进入光纤，返回光再经解波分复用之后分别进行处理。即虽然上述***实施例中的光源用于添加光谱学的色彩信息，它经过些许调整也可用于探测荧光成像、双光子成像、拉曼成像和其他类似原理的光学探测。因此以上为一种举例，而不应作为对于本发明的限制。

Claims

1.一种用于光纤光学传感的三包层光纤，其特征在于，包括：

纤芯区域，为单模传输，折射率为n1；

第一包层区域，其围绕并直接临近纤芯区域，折射率为n2；

第二包层区域，其围绕并直接临近第一包层区域，折射率为n3；

第三包层区域，其围绕并直接临近第二包层区域，折射率为n4；

而且n1 > n3 > n4 ≥ n2 。

2.根据权利要求1所述的一种用于光纤光学传感的三包层光纤，其特征在于：

在横截面观测，所述三包层光纤的纤芯和包层的外径均为同心圆，所述光纤的纤芯直径为8-10微米，第一包层区域的直径为35-55微米，第二包层区域直径为90-110微米，第三包层区域的直径为125-250微米。

3.一种对样品采集光学相干层细成像数据和光谱学数据的方法，其特征在于，不限定顺序的包括以下过程：

向样品方向传播的光在光纤的纤芯中有第一种折射率；

接收光来自样品的散射；

向第一个探测器方向传播的来自样品的散射光在所述光纤的纤芯中有第一种模式；

向第二个探测器方向传播的来自样品的散射光在所述光纤的第二层包层中有第二种模式；

用来自样品的散射光的第一种模式生成光学相干层析成像的图像，并且将光谱学数据覆盖到光学相干层析成像的图像的表面，所述光谱学数据通过来自样品的散射光的第二种模式获得。

4.根据权利要求3中所描述的一种对样品采集光学相干层细成像数据和光谱学数据的方法，其特征在于：

来自样品的散射光的第一种模式和第二种模式，分别沿着所述光纤的纤芯和第二层包层，互相同轴传播。

5.根据权利要求3中所描述的一种对样品采集光学相干层细成像数据和光谱学数据的方法，其特征在于：

光纤在旋转。

6.根据权利要求3中所描述的一种对样品采集光学相干层细成像数据和光谱学数据的方法，其特征在于：

光学相干层细成像的图像是三维的，光谱数据用来代表样品表面颜色。

7.根据权利要求3中所描述的一种对样品采集光学相干层细成像数据和光谱学数据的方法，其特征在于：

计算信号收集效率，以保证光学相干层细成像的图像焦点对准。

8.一种对样品采集光学相干层细成像数据和光谱学数据的方法，其特征在于，不限定顺序的包括以下过程：

向样品方向传播的光沿着光纤第一纤芯层；

源于样品散射光的接收光沿着光纤第二纤芯层传播，而不沿着最内层包层传播，且第二纤芯层和最内层包层同轴；

向第一个探测器方向传播的来自样品的散射光在所述光纤的第一纤芯层中有第一种模式；

向第二个探测器方向传播的来自样品的散射光有第二种模式；

分别用来自样品的散射光的第一种模式和第二种模式生成样品的光学相干层析成像的图像和光谱学数据，并且后者覆盖在前者的表面。

9.根据权利要求8中所描述的一种对样品采集光学相干层细成像数据和光谱学数据的方法，其特征在于，

所述来自样品的散射光的第二种模式在到达第二个探测器之前以一定的角度离开第二纤芯层。