[发明专利]用于OCT探针的单片光束成形光学系统以及方法

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2012年3月28日提交的美国临时申请系列号No.61/616734的权益以及2013年3月14日提交的美国申请系列号No.13/827234的权益，并基于这些申请，这些申请的全部内容通过引用结合于此。

技术领域

本发明涉及光学相干断层扫描(OCT)，并且尤其涉及用于OCT探针的单片光束成形光学系统。

背景技术

光学相干断层扫描(OCT)被用于捕捉散射生物组织的高分辨率横截面图像且是基于光纤干涉。示例OCT系统在美国专利No.5,321,501以及美国专利申请公开No.2009/0198125中描述，这些专利的全部内容通过引用结合于此。OCT系统的核心是迈克尔逊干涉仪，其中第一光纤用作参考臂且第二光纤用作样本臂。样本臂包括要分析的样本以及在其中包含小光学部件的小探针。上游光源提供成像光。光电探测器设置在样本臂和参考臂的光路下游。探针用于将光引导进入样本中或到样本上并且随后收集来自样本的散射光。

仅当两臂间的光程差是在来自光源的光的相干长度内时，来自样本臂和参考臂的光的光学干涉被光电探测器检测到。通过轴向地改变参考臂的光程长度以及检测来自参考臂的光和来自样本臂的散射光之间的干涉，获取来自样本的深度信息。通过在两个维度中横向地扫描样本臂中的光路，获得三维图像。此过程的轴向/深度分辨率由相干长度决定，而整体的横向分辨率是由探针的光学部件形成的图像斑点的尺寸决定。

由于探针通常需要被插入到小的体腔中，因而它必需很小且优选具有简单的光学设计。探针的示例性设计包括透明圆柱体，其中包含微型的探针光学部件，且通过该透明圆柱体传输和接收光。然而，透明圆柱体的弯曲体引起光学像差，如果未校正，其可将图像质量降低至图像是无用的程度。此外，在探针内具有多个且分离的光学部件是有问题的，因为这些小光学部件必须进行组装和对准，这增加了制造探针的成本和复杂度。

发明内容

本公开的一方面是支撑具有中心轴和末端的光纤的光束成形光学系统，其中该系统适于在光学相干断层扫描(OCT)透明外壳内使用，该透明外壳具有含有不对称的光焦度的圆柱形的主体。光束成形光学系统包括具有光轴、外表面以及相对的前端和后端的透明单片体。此系统还包括，沿着光轴按次序的至少一个对准特征、凹陷、有角度的平面端壁、反射表面(例如全内反射(TIR)表面)以及透镜表面。此至少一个对准特征被配置成可操作地支撑光纤以使光纤中心轴与光轴基本上同轴地对准。凹陷使此至少一个对准特征终止在有角度的平面端壁处。反射表面(例如，TIR)位于前端处并形成折叠的光轴。透镜表面沿着折叠的光轴在单片体中一体地形成并构成毗邻前端的外表面的一部分。光束成形系统具有光焦度，该光焦度以下面两种方式中的一种来提供：a)仅透镜表面具有光焦度并被配置成基本上补偿OCT透明外壳的不对称的光焦度；或b)透镜表面和反射表面(例如，TIR)各自具有光焦度并被协作地配置成基本上补偿OCT透明外壳的不对称的光焦度。

本公开的另一方面是一种光学组件，该光学组件包括如上所述的光束成形光学系统，并且还包括光纤，其中光纤被此至少一个对准特征可操作地支撑。

本公开的另一方面是一种支撑光纤并用于具有不对称的光焦度的透明圆柱形外壳内的光束成形光学系统。此系统具有透明单片体，该透明单片体具有在红外工作波长处基本均匀的折射率、折叠的光轴、顶部、前端、后端以及外表面。外表面具有形成在顶部并毗邻后端的至少一个平坦表面。此系统包括在单片体的此至少一个平坦表面中一体形成并被配置成支撑和对准该光纤的至少一个对准特征。此至少一个对准特征终止在限定第一光学表面的有角度的平面端壁处。此系统还具有形成于毗邻有角度的平面端壁的光纤对准特征中的凹陷。此系统进一步包括反射表面，例如TIR表面，该反射表面是在前端处并沿着光轴一体形成于单片体中的平面。反射平面相对于光轴是有角度的并且限定了形成折叠的光轴的第二光学表面。此系统还具有在毗邻前端的单片体的顶部上并沿着折叠的光轴而形成的透镜表面。透镜表面构成了外表面的一部分并限定了第三光学表面。透镜表面具有变形的非球面形状并且限定了光束成形光学系统的光焦度。透镜表面被配置成基本上补偿圆柱形外壳的不对称的光焦度。

本公开的另一方面是包括如上所述的光束成形光学系统以及光纤的光束成形光学组件。光纤被此至少一个对准特征支撑。光纤具有毗邻有角度的平面端壁并且位于由透镜表面所限定的物面处的末端。光纤末端可以以降低反射(诸如从有角度的平面端壁的反射可随后从光纤末端反射并接着往回传播通过有角度的平面端壁)的不利影响的方式成一定角度。