[发明专利]基于光子纳米喷射的高横向分辨光学相干层析系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种光学相干层析技术，尤其是涉及一种基于光子纳米喷射的高横向分辨光学相干层析系统。

背景技术

光学相干层析成像(Optical Coherence Tomography，简称OCT)作为一种新兴的光学成像技术，能够进行非接触、无损伤、高分辨率地成像，主要应用于基础医学研究和眼科、心血管等疾病的临床诊断，以及考古、玉石、集成电路、玻璃面板和光伏组件等领域的无损检测。

空间分辨率作为光学成像技术最重要的技术指标之一，如何突破光学成像系统的衍射极限约束，一直是促进包括OCT技术在内的各种光学成像技术进一步发展的动力。在OCT系统中，横向空间分辨率取决于采样臂上光学系统的聚焦场横向分布，而轴向空间分辨率主要由宽带光源的相干长度决定。因此，一般可以使用不同的方法分别提高OCT系统的轴向和横向空间分辨率。目前，提高OCT系统轴向分辨率的主要方法是宽带光源技术，如超短脉冲激光技术、非线性超连续光谱技术和光谱合成技术。提高OCT系统横向分辨率最直接的方法是采样臂使用高数值孔径的光学系统。但是，该方法要获得高横向分辨率就必然导致光学系统的焦深变短，从而导致远离实际焦点处的横向分辨率迅速下降。鉴于光纤型OCT系统采样臂的光路系统一般是共聚焦光路结构模式，一些信号处理方法可以用来校正或提高OCT系统的横向空间分辨率，如基于点扩散函数的反卷积算法，类似合成孔径成像的综合孔径相干成像技术。然而，这些方法依然要受光学系统衍射极限的限制。通过调节照明光束的振幅、相位和偏振态改变聚焦光场(即点扩散函数工程)，光学成像系统可以突破衍射极限获得超高空间分辨率，如使用中心遮挡型光瞳滤波器，环形、多级纯相位光瞳滤波器，复振幅滤波器，光瞳掩模等。因此，丁志华等(中国专利：CN200610053327)提出在采样臂插入超分辨光瞳滤波器，利用相干门抑制轴向响应函数的旁瓣，实现轴向超高分辨OCT。另外，丁志华等(中国专利：CN200910154912)引入光程参量作为控制量，提出基于光程编码和相干合成的超高分辨OCT技术，即引入光程编码分束器，形成多种对应于不同光程延迟的有效响应函数，基于多种有效响应函数的相干合成，重建光学超分辨图像；通过改变相干合成时的相对系数，数字控制多种有效响应函数的相对贡献，实现不同程度的超分辨。

区别以上基于OCT采样臂光学系统的线性成像过程来实现超高分辨成像的技术，光子结构也可以获取超衍射极限的聚焦光场，以实现超高分辨成像。如在散射近场扫描光学显微镜中，激光照射原子力光纤探针形成纳米级的近场照明场，通过远场获取弹性散射的信号光，实现空间分辨率达10纳米的光学显微成像或光谱仪。同样，通过微米级介质小球的光散射，可以获得横向光场分布处于衍射极限以下，而沿轴向保持横向分布一致的长度在微米量级的光子纳米喷射，类似光子探针。该光子纳米喷射大小取决于介质小球的物理尺寸、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。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于光子纳米喷射的高横向分辨光学相干层析系统，通过光学相干层析成像系统样品臂的光纤探头，使得样品臂传输光束经光纤探头的介质微球散射形成光子纳米喷射，获得横向空间尺寸在衍射极限以下的光子探针，同时，该光纤探头接收光子探针扫描照明区域的反射或后向散射信号光，利用信号处理方法重构出横向超高分辨的光学图像。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于光子纳米喷射的高横向分辨光学相干层析系统，其特征在于，包括宽带光源、光纤耦合器、参考臂、样品臂和探测臂，所述的样品臂包括光纤探头和扫描装置，所述的探测臂包括计算机和光谱探测器，所述的宽带光源发出的光经光纤耦合器分光后，分别进入参考臂和样品臂，所述的参考臂反射后的参考光按照原光路返回到光纤耦合器，同时所述的样品臂的光通过光纤探头形成光子纳米喷射照明场，照明区域内经样品反射或后向散射的信号光再次通过光纤探头返回到光纤耦合器。

样品臂返回的信号光与参考臂返回的参考光汇合并发生干涉，通过探测臂的光谱探测器获得与样品信息有关的干涉光谱；同时样品臂中扫描装置对样品进行扫描并将其扫描时序发送给探测臂中的计算机，探测臂在一个信息采集周期内对不同波长光的并行探测得到样品的深度信息，探测臂中计算机根据扫描时序和样品的深度信息重建出样品的二维图像。

所述的宽带光源发出的光为低相干光。

所述的光纤耦合器为2×2光纤耦合器。