CN109596529B - 一种基于光纤阵列并行探测的光学相干层析***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于光纤阵列并行探测的光学相干层析***及方法，其中***包括：光源，用于发出照明光；参考臂，用于生成探测相干信号所需的参考光；采样臂，用于传导照明光至样品并接收信号光，由光纤阵列和光学成像***组成；其中，光纤阵列包括主光纤和***光纤束，中心主光纤传输照明光和接收低频信号光，***光纤束接收高频信号光；探测臂，用于接收由光纤阵列的信号光和参考臂的参考光形成的多通道相干信号；计算机，对所述多通道相干信号进行处理，重构出横向超高分辨的光学相干层析图像。本发明的***能够对同一扫描位置同时进行多次测量，可以获得超高的横向分辨能力，提高***的信噪比。

Description

一种基于光纤阵列并行探测的光学相干层析***及方法

技术领域

本发明涉及光学相干层析成像技术领域，特别是涉及一种基于光纤阵列并行探测的光学相干层析***及方法。

背景技术

光学相干层析技术具有非接触、快速和高信噪比等特点，特别适合用于生物组织的结构成像、玻璃面板内部缺陷检测等。在光学相干层析技术中，采样臂的光学成像部分决定整个***的横向空间分辨率，受横向分辨率和景深相互制约关系的影响。为了保证整个成像深度范围的横向分辨能力一致，光学成像部分的数值孔径一般较小。这导致光学相干层析成像***的横向分辨能力偏低，限制其向更大应用范围拓展。

为了提高光学相干层析***的横向空间分辨率，必然要从采样臂的光学成像部分入手。最直接的方法就是提高光学成像部分的数值孔径，***可以获得高横向空间分辨率，但是***的成像深度范围大大缩小。这被称为光学相干显微术。由于成像深度范围偏小，该技术的轴向成像速度偏慢。当考虑到聚焦光场分布与光束的振幅、相位和偏振态之间的相互关系时，光学成像***可以通过适当的掩模设计控制光场，获得中心峰值宽度更窄的点扩散函数。基于此特性，丁志华等人提出了光程编码和相干合成的光学超分辨方法，使光学相干层析***获得高横向空间分辨率。但是，该方法需要制作非常精准的光程编码分束编码器。此外，振幅型的光程编码分束器导致光能利用效率偏低，相位型的光程编码分束器易导致较强的旁瓣，而偏振型的光程编码分束器仅在高数值孔径聚焦***发挥作用。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种基于光纤阵列并行探测的光学相干层析***及方法。

一种基于光纤阵列并行探测的光学相干层析***，包括：

光源，用于发出照明光；

参考臂，用于生成探测相干信号所需的参考光；

采样臂，用于传导照明光至样品并接收信号光，由光纤阵列和光学成像***组成；其中，光纤阵列包括主光纤和***光纤束，中心主光纤传输照明光和接收低频信号光，***光纤束接收高频信号光；

探测臂，用于接收由光纤阵列的信号光和参考臂的参考光形成的多通道相干信号；

计算机，对所述多通道相干信号进行处理，重构出横向超高分辨的光学相干层析图像。

优选的，单模保偏光纤连接光源、参考臂、采样臂和探测臂；光源发出的光由第一光纤耦合器分成两路；一路光进入参考臂，经参考臂内的准直透镜和反射镜后反向传输；另一路进入采样臂照明样品。

其中，反向传输的参考光由第一光纤耦合器导向探测臂的第二光纤耦合器，由第二光纤耦合器分解到光纤耦合器阵列的参考光端口，参考光和光纤阵列内各通道的信号光通过光纤耦合器阵列接入探测臂。

所述的光源与第一光纤耦合器间的单模保偏光纤中连接有防止反向传输的第一光纤隔离器；第一光纤耦合器与采样臂间的单模保偏光纤中连接有防止反向传输的第二光纤隔离器。

优选的，所述光纤阵列每个支路放置一个光纤偏振控制器，调节各通道相干信号的对比度。

优选的，光纤阵列由位于中心位置的主光纤和外周环形排列光纤束组成，光纤阵列位于采样臂的一端呈圆形排列。

优选的，探测臂内对应每个通道有相应的探测器，分别探测各通道相干信号的时域信息或者频域信息。

一种基于光纤阵列并行探测的光学相干层析方法，包括以下步骤：

1)光源发出的光经光纤耦合器分成两路，一路进入参考臂，一路进入采样臂的主光纤；进入主光纤的照明光由采样臂投射到样品，样品后向散射信号光经采样臂被光纤阵列接收导入探测臂；进入参考臂的光反射后导入探测臂；各通道的参考光和信号光相干后被相应的探测器接收，导入计算机进行信号处理；

2)根据光纤阵列中各光纤在采样臂的空间位置，确定每个光纤端口和主光纤端口相对采样臂的有效点扩散函数，将***光纤对应的有效点扩散函数平移至主光纤对应的有效点扩散函数处，通过叠加所有有效点扩散函数生成有***效点扩散函数；

3)通过控制采样臂(3)扫描样品，各通道对应探测器获得样品的二维或三维结构信息；

4)对获取的各通道相干信号时域信息或者频域信息沿深度方向进行傅里叶变换，将各通道的信号转换到空间域；

5)将所有***光纤对应通道的空间域信息与主光纤对应通道的空间域信息叠加，然后根据所有通道数取平均值，再利用步骤2)中获取的***有效点扩散函数进行横向的反卷积运算，最后重构出横向超高分辨的光学相干层析图像。

本发明是通过以下技术方案实现的：

在***上，采样臂引入光纤阵列，中心主光纤传输照明光束，整个光纤阵列接收样品被扫描区域的后向散射信号；光纤阵列的另一端通过光纤耦合器阵列将每根光纤接收的样品信号光和相应参考光耦合；参考光经1×N耦合器均分到相应光纤耦合器阵列的一端；各通道的相干信号光由相应的单点探测器或光谱探测器接收。

在方法上，***获取的三维实值干涉光谱图可以表示成S_n(r,k)，其中r表示横向空间坐标，k表示波数空间坐标，下标n表示通道编号。S_n(r,k)沿着k方向作傅里叶变换，得到各测量通道对应的空间域信息A _n(r,z)，其中z表示深度空间坐标。将所有通道空间域信息叠加求平均值，得到待处理的测量图像

其中N表示总通道数。根据光纤阵列在采样臂的排列情况，中心主光纤对应的采样臂成像***有效点扩散函数可以表示为h_c(x,y)，***第i根光纤对应的采样臂成像***有效点扩散函数可表示为h_i(x,y)。通过平移***每根光纤对应的有效点扩散函数到中心光纤对应的位置，将这些有效点扩散函数叠加可以得***有效点扩散函数

其中x_i和y_i表示***第i根光纤相对中心光纤的位置偏移量。最后利用M(r,z)和h_eff(x,y)的反卷积运算重构出横向超高分辨的光学相干层析图像，即I(r,z)＝dev(M,h_eff)，其中dev表示反卷积运算。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)通过光纤阵列的并行探测模式，可以获得同一扫描区域内更多高频的散射信号；利用合成的***有效点扩散函数反卷积中间图像，可以恢复测量中获得的高频信号，获得高横向分辨光学相干层析图像。

2)通过对同一扫描位置的N次同时测量，可以获得更多的信号光；数据处理中利用求和取平均值，可以有效提高***的信噪比。

附图说明

图1为本发明中基于光纤阵列并行探测的光学相干层析***图。

图1中：1、光源；2、参考臂；3、采样臂；4、探测臂；5、计算机；6、第一光纤隔离器；7、第一光纤耦合器；8、第二光纤耦合器；9、第二光纤隔离器；10、光纤阵列；11、光学成像***；12、光纤耦合器阵列；13、光纤偏振控制器组；14、样品。

具体实施方式

下面结合实施例和附图来详细说明本发明，但本发明并不仅限于此。

一种基于光纤阵列并行探测的光学相干层析***，基本结构如图1所示，包括光源1、参考臂2、采样臂3、探测臂4和计算机5；其中探测臂4由光纤阵列10、光学成像***11和光束扫描装置组成；光纤阵列10在探测臂的一端采用圆形排布，主光纤位于中心位置，光纤阵列的另一端首先连接相应的光纤偏振控制器组13，再与传输参考光的光纤束一起接入光纤耦合器阵列12，从光纤耦合器阵列12输出的光纤呈线型排布；参考臂2包括准直透镜和反射镜，提供产生相干信号的参考光；探测臂4由探测器阵列和数据采集单元组成，探测阵列可以由单探测器或者光谱探测器组成；计算机接收***探测信号并进行相关处理，根据数据采集速率发出光束扫描控制信号，显示重构的高横向分辨率光学相干层析图像；第一光纤隔离器6和第二光纤隔离器7分别隔离沿光纤反向传输的光信号进入光源和参考信号；第一光纤耦合器为2×2型结构，第二光纤耦合器为1×N型结构。

光源发出的部分相干光经第一光纤隔离器6后，进入第一光纤耦合器7，由第一光纤耦合器7将光源发出的光分成两路；一路光进入参考臂2，经准直透镜和反射镜后反向传输，再进入第一光纤耦合器7的另一端，导向探测臂的第二光纤耦合器8，并将参考光分解到光纤耦合器阵列12的参考光端口；另一路光先经第二光纤隔离器9进入采样臂，经光纤阵列10的中心主光纤和光学成像***11传输，在样品14内部形成照明区域，当采样臂3中光束扫描装置接收到计算机发出的控制信息，照明光束在样品内实现扫描，可以获取样品二维或三维信息；样品后向散射信号光经光学成像***11分别进入光纤阵列，每根光纤成为信号光的通道；每路信号光经与光纤连接的光纤偏振控制调节后，再进入光纤耦合器阵列12的信号光端口；每路信号光和参考光由光纤耦合器组的输出端导入探测臂4；探测臂中相对光纤耦合器阵列输出的每路相干信号有一个探测器，当时域光学相干层析信号被测量时，探测器是单点探测器；当频域光学相干层析信号被测量时，探测器是光谱探测器或平衡探测器；探测臂接收的所有相干信号被转换后，输入计算机进行处理和分析，重构出横向超高分辨的光学相干层析图像。

本实施例以谱域光学相干层析信号为例说明，但不局域于此。一种基于光纤阵列并行探测的光学相干层析方法，具体包括以下步骤：

1)根据光纤阵列中各光纤在采样臂的空间位置，确定中心主光纤对应的采样臂成像***有效点扩散函数可以表示为h_c(x,y),***第i根光纤对应的采样臂成像***有效点扩散函数可写成h_i(x,y)，将***光纤对应的有效点扩散函数平移至主光纤对应的有效点扩散函数处，通过叠加生成***有效点扩散函数h_eff(x,y)，即***有效点扩散函数：

式中x_i和y_i表示***第i根光纤相对中心光纤的位置偏移量。

2)通过控制采样臂3扫描装置，各通道对应探测器获得结合样品的二维或三维结构信息，则***获取各通道的三维实值干涉光谱图可以表示成S_n(r,k)，其中r表示横向空间坐标，k表示波数空间坐标，下标n表示通道编号；

3)对获取的各通道相干谱域信息沿深度方向进行傅里叶变换，将各通道的信号转换到空间域，则各测量通道对应的空间域信息A _n(r,z)，其中z表示深度空间坐标；

4)将所有***光纤对应通道的空间域信息与主光纤对应通道的空间域信息叠加，然后根据总通道数取平均值，则得到待处理的测量图像

其中N表示总通道数；

5)再利用1)中获取的***有效点扩散函数h_eff(x,y)对测量图像M(r,z)进行横向的反卷积运算，即I(r,z)＝dev(M,h_eff)，其中dev表示反卷积运算，最后重构出横向超高分辨的光学相干层析图像。

以上所述仅为本发明的较佳实施举例，并不用于限制本发明，凡在本发明精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于光纤阵列并行探测的光学相干层析***，其特征在于，包括：

光源(1)，用于发出照明光；

参考臂(2)，用于生成探测相干信号所需的参考光；

采样臂(3)，用于传导照明光至样品并接收信号光，由光纤阵列(10)和光学成像***(11)组成；其中，光纤阵列(10)包括主光纤和***光纤束，中心主光纤传输照明光和接收低频信号光，***光纤束接收高频信号光；

探测臂(4)，用于接收由光纤阵列(10)的信号光和参考臂(2)的参考光形成的多通道相干信号；

计算机(5)，对所述多通道相干信号进行处理，重构出横向超高分辨的光学相干层析图像。

2.如权利要求1所述的基于光纤阵列并行探测的光学相干层析***，其特征在于，单模保偏光纤连接光源(1)、参考臂(2)、采样臂(3)和探测臂(4)；

光源(1)发出的光由第一光纤耦合器(7)分成两路；一路光进入参考臂(2)，经参考臂(2)内的准直透镜和反射镜后反向传输；另一路进入采样臂(3)照明样品。

3.如权利要求2所述的基于光纤阵列并行探测的光学相干层析***，其特征在于，反向传输的参考光由第一光纤耦合器(7)导向探测臂(4)的第二光纤耦合器(8)，由第二光纤耦合器(8)分解到光纤耦合器阵列(12)的参考光端口，参考光和光纤阵列(10)内各通道的信号光通过光纤耦合器阵列接入探测臂(4)。

4.如权利要求2所述的基于光纤阵列并行探测的光学相干层析***，其特征在于，光源(1)与第一光纤耦合器(7)间的单模保偏光纤中连接有防止反向传输的第一光纤隔离器(6)；第一光纤耦合器(7)与采样臂(3)间的单模保偏光纤中连接有防止反向传输的第二光纤隔离器(9)。

5.如权利要求1所述的基于光纤阵列并行探测的光学相干层析***，其特征在于，所述光纤阵列(10)每个支路放置一个光纤偏振控制器，调节各通道相干信号的对比度。

6.如权利要求5所述的基于光纤阵列并行探测的光学相干层析***，其特征在于，光纤阵列(10)由位于中心位置的主光纤和外周环形排列光纤束组成，光纤阵列位于采样臂(3)的一端呈圆形排列。

7.如权利要求1所述的基于光纤阵列并行探测的光学相干层析***，其特征在于，探测臂(4)内对应每个通道有相应的探测器，分别探测各通道相干信号的时域信息或者频域信息。

8.一种基于光纤阵列并行探测的光学相干层析方法，根据权利要求1-7中任一项所述的光学相干层析***实施，其特征在于，包括以下步骤：

1)光源发出的光经光纤耦合器分成两路，一路进入参考臂，一路进入采样臂的主光纤；进入主光纤的照明光由采样臂投射到样品，样品后向散射信号光经采样臂被光纤阵列接收导入探测臂；进入参考臂的光反射后导入探测臂；各通道的参考光和信号光相干后被相应的探测器接收，导入计算机进行信号处理；

2)根据光纤阵列中各光纤在采样臂的空间位置，确定每个光纤端口相对采样臂的有效点扩散函数，将***光纤对应的有效点扩散函数平移至主光纤对应的有效点扩散函数处，通过叠加所有有效点扩散函数生成有***效点扩散函数；

3)通过控制采样臂(3)扫描样品，各通道对应探测器获得样品的二维或三维结构信息；

4)对获取的各通道相干信号时域信息或者频域信息沿深度方向进行傅里叶变换，将各通道的信号转换到空间域；

5)将所有***光纤对应通道的空间域信息与主光纤对应通道的空间域信息叠加，然后根据所有通道数取平均值，再利用步骤2)中获取的***有效点扩散函数进行横向的反卷积运算，最后重构出横向超高分辨的光学相干层析图像。

Images