CN112595679A - 一种谱域光学相干层析测量***及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的谱域光学相干层析测量***及测量方法,所述宽带光源发出的光经过所述时空波包生成单元形成预设时空分布的波包,所述带宽光束经所述相干层析测量光路传输至所述采集处理单元,所述采集处理单元获取入射光束的信号并分析处理再传输至所述控制单元,所述控制单元用于根据入射的光束信息进行图像显示,本发明提供的谱域光学相干层析测量***及测量方法,利用时空波包技术将宽带光源出射光调制成为特定的时空波包,该时空波包在折射率变化的介质中传播速度一致,在光学***测量中不存在色散,不需要增加额外的色散补偿硬件和软件,大大提升了谱域光学层析测量精度和应用范围。
Description
技术领域
本发明涉及医疗器械技术领域,特别涉及一种谱域光学相干层析测量***及测量方法。
背景技术
目前在光学相干层析测量领域,由于样品臂和参考臂的色散不匹配会影响测量精度。因此需要进行色散补偿,传统的色散补偿方法分为硬件补偿和软件补偿。硬件补偿方法通常在参考臂中增加特定折射率的光学元件实现色散补偿,软件补偿通过设计特定的算法对测量结果进行数据补偿。这两种方法难以应用于色散动态变化的测量***,同时对测量***中的色散也存在较大的***误差和主观误差。
时空波包光束是在空间和时间自由度之间具有精确相关性的脉冲波束。在这样的光束中,不同的空间频率分量会根据不同的时间频率而变化,即波中的每个角度都与特定的波长相关联。利用衍射光栅和相位调制板,仅进行相位调制,就能够在空间和时间频率之间有效地引入可调控的相关性,将每个空间频率分配给不同的波长。它可以实现穿越两种材料的界面而不会改变其速度,无论这两种材料有多么不同,都好像界面不存在一样。
与常规的折射定律不同,这种时空波包具有显著的反常折射现象:相对于折射率的群速度不变性、群延迟抵消、高折射率材料引起的群速度的增加,以及可以通过改变入射角来调整群速度。
发明内容
鉴于此,有必要提供一种可提升谱域光学层析测量精度和应用范围的谱域光学相干层析测量***及测量方法。
为解决上述问题,本发明采用下述技术方案:
第一方面,本申请提供了一种谱域光学相干层析测量***,包括:通过光纤依次连接的宽带光源、时空波包生成单元、光学相干层析测量光路和采集处理单元,以及与所述采集处理单元电性连接的控制单元,其中:
所述宽带光源发出的光经过所述时空波包生成单元形成预设时空分布的波包,所述预设时空分布的波包经所述相干层析测量光路传输至所述采集处理单元,所述采集处理单元获取入射光束的信号并分析处理再传输至所述控制单元,所述控制单元用于根据入射的光束信息进行图像显示;
且经过所述时空波包生成单元形成宽带光束在折射率不同介质中传播速度不变且不受色散影响。
在其中一些实施例中,所述时空波包生成单元包括依次连接的第一光栅、第一柱透镜、相位调制板、第二柱透镜及第二光栅,所述第一光栅分离宽带光为空间连续分布的不同波长的光,所述第一柱透镜将空间连续分布的不同波长的光转换为平行光,所述相位调制板将所述第一柱透镜入射的平行光进行相位调制,所述第二柱透镜将所述调制后的光谱聚焦在所述第二光栅上,所述第二光栅重新产生宽带光束。
在其中一些实施例中,所述第一柱透镜及所述第二柱透镜均为衍射光栅。
在其中一些实施例中,所述第一柱透镜及所述第二柱透镜均为表面曲率渐变的柱透镜。
在其中一些实施例中,所述相位调制板为透射式或反射式相位调制结构。
第二方面,本申请还提供了一种所述的谱域光学相干层析测量***的测量方法,包括下述步骤:
所述宽带光源发出的光经过所述时空波包生成单元产生预设时空分布的波包,所述预设时空分布的波包在折射率不同介质中传播速度不变且不受色散影响;
所述预设时空分布的波包经所述相干层析测量光路传输至采集处理单元,所述采集处理单元获取入射光束的信号并分析处理再传输至所述控制单元;
所述控制单元控制整个谱域光学相干层析测量***、信息的存储和图像的显示。
在其中一些实施例中,所述时空波包生成单元包括依次连接的第一光栅、第一柱透镜、相位调制板、第二柱透镜及第二光栅,所述第一光栅分离宽带光为空间连续分布的不同波长的光,所述第一柱透镜将空间连续分布的不同波长的光转换为平行光,所述相位调制板将所述第一柱透镜入射的平行光进行相位调制,所述第二柱透镜将所述调制后的光谱聚焦在所述第二光栅上,所述第二光栅重新产生宽带光束。
在其中一些实施例中,所述第一柱透镜及所述第二柱透镜均为衍射光栅。
在其中一些实施例中,所述第一柱透镜及所述第二柱透镜均为表面曲率渐变的柱透镜。
在其中一些实施例中,所述相位调制板为透射式或反射式相位调制结构。
在其中一些实施例中,所述控制单元还电性连接所述宽带光源、所述时空波包生成单元及光学相干层析测量光路。
采用上述技术方案,本发明实现的技术效果如下:
本发明提供的谱域光学相干层析测量***及测量方法,所述宽带光源发出的光经过所述时空波包生成单元形成预设时空分布的波包,所述预设时空分布的波包经所述相干层析测量光路传输至所述采集处理单元,所述采集处理单元获取入射光束的信号并分析处理再传输至所述控制单元,所述控制单元控制整个谱域光学相干层析测量***、信息的存储和图像的显示;且经过所述时空波包生成单元形成宽带光束在折射率不同介质中传播速度不变且不受色散影响,本发明提供的谱域光学相干层析测量***及测量方法,利用时空波包技术将宽带光源出射光调制成为特定的时空波包,该时空波包在折射率变化的介质中传播速度一致,在光学***测量中不存在色散,不需要增加额外的色散补偿硬件和软件,大大提升了谱域光学层析测量精度和应用范围。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案,下面将对本发明实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1提供的谱域光学相干层析测量***的结构示意图;
图2为本发明实施例1提供的所述时空波包生成单元的结构示意图;
图3为本发明实施例2提供的谱域光学相干层析测量方法的步骤流程图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例,所述实施例的示例在附图中示出,其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的,旨在用于解释本发明,而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中,需要理解的是,术语“上”、“下”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。
此外,术语“第一”、“第二”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中,“多个”的含义是两个或两个以上,除非另有明确具体的限定。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。
实施例1
请参阅图1,为本发明一实施方式提供的谱域光学相干层析测量***的结构示意图,包括通过光纤依次连接的宽带光源110、时空波包生成单元120、光学相干层析测量光路130和采集处理单元140,以及与所述宽带光源110、时空波包生成单元120、光学相干层析测量光路130和采集处理单元140电性连接的控制单元150。以下详细说明各个部件之间的连接关系。
所述宽带光源110发出的光经过所述时空波包生成单元120形成预设时空分布的波包,所述预设时空分布的波包经所述相干层析测量光路130传输至所述采集处理单元140,所述采集处理单元140获取入射光束的信号并分析处理再传输至所述控制单元150,所述控制单元150用于根据入射的光束信息进行图像显示,;且经过所述时空波包生成单元120形成宽带光束在折射率不同介质中传播速度不变且不受色散影响。
请参阅图2,所述时空波包生成单元120包括依次连接的第一光栅121、第一柱透镜122、相位调制板123、第二柱透镜124及第二光栅125。
具体地,所述第一光栅121分离宽带光为空间连续分布的不同波长的光,所述第一柱透镜122将空间连续分布的不同波长的光转换为平行光,所述相位调制板123将所述第一柱透镜122入射的平行光进行相位调制,所述第二柱透镜124将所述调制后的光谱聚焦在所述第二光栅125上,所述第二光栅125重新产生宽带光束。
在其中一些实施例中,所述第一柱透镜122及所述第二柱透镜124均为衍射光栅。
在其中一些实施例中,所述第一柱透镜122及所述第二柱透镜124均为表面曲率渐变的柱透镜。
在其中一些实施例中,所述相位调制板123为透射式或反射式相位调制结构。
可以理解的是,假设时空波包在折射率n1和n2的均质材料之间平面界面上的正常入射时发生折射,这两个材料半无限、非色散、各向同性。
现假设在一个折射率为n的材料中,光场表示为单色平面波,每一个都由光锥表面的一个点表示。其中,k x 和kz分别是波矢量沿着x轴和z轴方向的横向和轴向分量。w是时间频率,c是光在真空中的速度,t是时间。
可以理解的是,典型脉冲光束的时空光谱表示在光锥表面占据一个二维域。考虑传播不变时空波包,其表示在光锥与倾斜谱面相交的一维弯曲轨迹(圆锥截面)上,其中k 0 是固定波数,θ是相对于kz轴的光谱倾斜角。这个内部自由度只决定了群速度v=ctanθ=c/ñ,其中群折射率ñ=cotθ。亚光速区域对应群速度v<c/n(ñ>n),超光速区域对应群速度v>c/n(ñ<n)。这种波包为在自由空间和非色散材料中调谐群速度v提供了优异的灵活性。
可以理解的是,光锥角的变化随着折射率n的变化而变化,所以从一个介质转换到另一个导致微分同胚映射的时空波包表示的不变性约束ω(能量守恒)和kx(由于沿着x方向平移不变存在横向动量守恒)在正入射的平面界面。用小带宽抛物线(相对于中心频率)近似圆锥部分表示光锥上波包的时空光谱轨迹。因此,确定了与时空谱表示曲率成正比的量n(n-ñ)在正入射时是不变的,从而得出了一个新的折射公式来描述了光束从一种各向同性介质传递到另一种介质时,它们的群速度如何变化,即乘积n(n-ñ)在折射时保持不变,其中n是脉冲的折射率,而ñ是群折射率。这样,正交入射的时空波包的折射定律可以写成n1(n1-ñ1)=n2(n2-ñ2),利用该公式可以预测群速度保持不变、增加或减少的相应条件,从而实现对波包光束群延迟的设计、调控。
所述控制单元还电性连接所述宽带光源、所述时空波包生成单元及光学相干层析测量光路,用于控制所述宽带光源、所述时空波包生成单元及光学相干层析测量光路的工作。
本发明提供的谱域光学相干层析测量***,利用时空波包技术将宽带光源出射光调制成为特定的时空波包,该时空波包在折射率变化的介质中传播速度一致,在光学***测量中不存在色散,不需要增加额外的色散补偿硬件和软件,大大提升了谱域光学层析测量精度和应用范围。
此外,本发明提供的谱域光学相干层析测量***,不需要复杂的硬件色散补偿元件或装置,需要的元件简单易得,均为市售商用元件,搭建简单方便;且不需要靠经验因素估计的软件算法色散补偿方式。
另外,本发明提供的谱域光学相干层析测量***,可以适用于折射率变化的样品的检测及可以适用于不同折射率的样品的检测,而无需对***做任何结构改变。
实施例2
请参阅图3,为本发明实施例2提供的谱域光学相干层析测量***的测量方法,包括下述步骤:
步骤S110:所述宽带光源发出的光经过所述时空波包生成单元产生预设时空分布的波包,所述预设时空分布的波包在折射率不同介质中传播速度不变且不受色散影响。
步骤S120:所述预设时空分布的波包经所述相干层析测量光路传输至采集处理单元;
步骤S130:所述采集处理单元获取入射光束的信号并分析处理再传输至所述控制单元;
步骤S140:所述控制单元控制整个谱域光学相干层析测量***、信息的存储和图像的显示。
上述步骤中涉及的详细步骤在实施例1中已有详细描述,这里不再赘述。
本发明提供的谱域光学相干层析测量方法,利用时空波包技术将宽带光源出射光调制成为特定的时空波包,该时空波包在折射率变化的介质中传播速度一致,在光学***测量中不存在色散,不需要增加额外的色散补偿硬件和软件,大大提升了谱域光学层析测量精度和应用范围。
此外,本发明提供的谱域光学相干层析测量方法,不需要复杂的硬件色散补偿元件或装置,需要的元件简单易得,均为市售商用元件,搭建简单方便;且不需要靠经验因素估计的软件算法色散补偿方式。
另外,本发明提供的谱域光学相干层析测量方法,可以适用于折射率变化的样品的检测及可以适用于不同折射率的样品的检测,而无需对***做任何结构改变。
以上仅为本发明的较佳实施例而已,仅具体描述了本发明的技术原理,这些描述只是为了解释本发明的原理,不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处解释,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进,及本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其他具体实施方式,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种谱域光学相干层析测量***,其特征在于,包括:通过光纤依次连接的宽带光源、时空波包生成单元、光学相干层析测量光路和采集处理单元,以及与所述采集处理单元电性连接的控制单元,其中:
所述宽带光源发出的光经过所述时空波包生成单元形成预设时空分布的波包,所述预设时空分布的波包经所述相干层析测量光路传输至所述采集处理单元,所述采集处理单元获取入射光束的信号并分析处理再传输至所述控制单元,所述控制单元用于根据入射的光束信息进行图像显示;
且经过所述时空波包生成单元形成宽带光束在折射率不同介质中传播速度不变且不受色散影响。
2.如权利要求1所述的谱域光学相干层析测量***,其特征在于,所述时空波包生成单元包括依次连接的第一光栅、第一柱透镜、相位调制板、第二柱透镜及第二光栅,所述第一光栅分离宽带光为空间连续分布的不同波长的光,所述第一柱透镜将空间连续分布的不同波长的光转换为平行光,所述相位调制板将所述第一柱透镜入射的平行光进行相位调制,所述第二柱透镜将所述调制后的光谱聚焦在所述第二光栅上,所述第二光栅重新产生宽带光束。
3.如权利要求2所述的谱域光学相干层析测量***,其特征在于,所述第一柱透镜及所述第二柱透镜均为衍射光栅。
4.如权利要求2所述的谱域光学相干层析测量***,其特征在于,所述第一柱透镜及所述第二柱透镜均为表面曲率渐变的柱透镜。
5.如权利要求2所述的谱域光学相干层析测量***,其特征在于,所述相位调制板为透射式或反射式相位调制结构。
6.如权利要求1所述的谱域光学相干层析测量***,其特征在于,所述控制单元还电性连接所述宽带光源、所述时空波包生成单元及光学相干层析测量光路。
7.一种如权利要求1-6任一项所述的谱域光学相干层析测量***的测量方法,其特征在于,包括下述步骤:
所述宽带光源发出的光经过所述时空波包生成单元产生预设时空分布的波包,所述预设时空分布的波包在折射率不同介质中传播速度不变且不受色散影响;
所述预设时空分布的波包经所述相干层析测量光路传输至采集处理单元,所述采集处理单元获取入射光束的信号并分析处理再传输至所述控制单元;
所述控制单元控制整个谱域光学相干层析测量***、信息的存储和图像的显示。
8.如权利要求7所述的谱域光学相干层析测量***的测量方法,其特征在于,
所述时空波包生成单元包括依次连接的第一光栅、第一柱透镜、相位调制板、第二柱透镜及第二光栅,所述第一光栅分离宽带光为空间连续分布的不同波长的光,所述第一柱透镜将空间连续分布的不同波长的光转换为平行光,所述相位调制板将所述第一柱透镜入射的平行光进行相位调制,所述第二柱透镜将所述调制后的光谱聚焦在所述第二光栅上,所述第二光栅重新产生宽带光束。
9.如权利要求8所述的谱域光学相干层析测量***的测量方法,其特征在于,所述第一柱透镜及所述第二柱透镜均为衍射光栅。
10.如权利要求8所述的谱域光学相干层析测量***的测量方法,其特征在于,所述第一柱透镜及所述第二柱透镜均为表面曲率渐变的柱透镜,所述相位调制板为透射式或反射式相位调制结构。
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