Способ и устройство регистрации пространственного распределения оптических характеристик труднодоступных объектов
METHOD AND DEVICE FOR THE HARD-TO-REACH OBJECTS OPTICAL CHARACTERISTICS SPATIAL DISTRIBUTION REGISTRATION

Предлагаемое техническое решение относится к устройствам получения оптической информации о труднодоступных объектах эндоскопическими методами, а именно для регистрации пространственного распределения оптических характеристик труднодоступных объектов. Оно объединяет спектральные, интерференционные и эндоскопические методы.
Регистрация изображений в отдельных узких спектральных интервалах (далее - спектральных изображений) позволяет получать разнообразную информацию об объекте. В частности, спектральные изображения позволяют получать следующую информацию:
1) пространственное распределение физико-химических свойств объекта за счет их контрастного выделения (spectral imaging) при настройке на отдельные характеристические для этих свойств длины волн;
2) спектральные зависимости оптических свойств объекта при измерении во всем спектре, что позволяет выявить присутствие веществ или включений, если те имеют селективные спектры отражения, поглощения, рассеяния.
Широкое применение получили интерференционные методы, в которых регистрируется пространственное распределение интенсивности света в интерференционной картине, образованной парой интерферирующих пучков, один из которых (объектный) проходит через объект или отражается от него, а другой (опорный) служит для сравнения и выявления амплитудно-фазовых возмущений, вносимых объектом. Методы интерферометрии, в частности цифровая голография (ЦГ) и оптическая когерентная томография (ОКТ), в настоящее время эффективно используются при неразрушающем контроле технических изделий и материалов (анализ деформаций, дефектоскопия) и при неинвазивной диагностике биообъектов (офтальмология, гастроэнтерология, дерматология) для получения информации о структуре исследуемого объекта [М.K. Kim. Digital holographic microscopy. Principles, techniques and applications // Springer, 2011. 240 p.; W. Drexler, J.G. Fujimoto. Optical Coherence Tomography: Technology and Applications // 2nd edition. Springer International Publishing Switzerland, 2015. 2571 p.].
В медицине и технике для изучения труднодоступных объектов, например обследования внутренних органов или обнаружения дефектов на поверхностях внутренних полостей сложных промышленных изделий, используются оптические эндоскопы, представляющие собой жесткие или гибкие световоды, доставляющие излучение до объекта, а рассеянный или отраженный им свет - до системы наблюдения и регистрации.
Применение спектрально-интерференционных методов дает возможность визуализации амплитудно-фазовой структуры и измерения ее характеристик, что позволяет существенно расширить возможности традиционных методов эндоскопии. Поэтому актуальной задачей является дополнение таких широко используемых приборов для визуального анализа труднодоступных объектов, как оптические (линзовые, оптоволоконные и др.) эндоскопы, модулями для регистрации и анализа спектральных и/или интерференционных изображений. Например, были созданы установки с регистрацией в спектральной области (spectral-domain optical coherence tomography, SD-OCT) на основе перестраиваемого лазерного источника [W. Drexler, J.G. Fujimoto. Optical Coherence Tomography: Technology and Applications // 2nd edition. Springer International Publishing Switzerland, 2015. 2571 p.] и с регистрацией во временной области (time-domain optical coherence tomography, TD OCT) на основе прецизионного механического перемещения отдельных оптических компонентов [M.W. Lindner. White-light interferometry via an endoscope // Interferometry XI: Techniques and Analysis. Proc. SPIE, 2002. V. 4777. P. 90-101].
Принципиальным недостатком этих технических решений является необходимость специальной конструкции самого эндоскопа, что не позволяет создать на их основе приставку (вспомогательный модуль) к классическим уже используемым эндоскопам. Кроме того, использование в первом методе лазерного излучения приводит к наличию спекл-структуры на регистрируемых изображениях, а механическое перемещение оптических элементов во втором методе - к ограничениям при разработке компактных портативных устройств и погрешностям при обработке интерферограмм.
В работе [М. Ozcan, D.O. Tayyar. Development of 3D holographic endoscope // Practical Holography XXX: Materials and Applications. Proc. of SPIE, 2002. V. 9771. P. 97710A1-8] описаны способы получения голограмм на одной длине волны с использованием лазерной подсветки (в схеме деления подсветки на опорный и объектный пучки до образца и в схеме пространственной фильтрации опорного пучка вне эндоскопа посредством одномодового волокна или точечной диафрагмы) и с помощью приставки, располагаемой за окуляром эндоскопа, в которой интерференционным светофильтром из широкополосной подсветки эндоскопа вырезается одна длина волны. Эти решения не предусматривают спектральный анализ.
Таким образом, до сих пор не существует методов регистрации спектральных интерференционных изображений с интерферометрических модулей, располагаемых за окуляром эндоскопа, где спектральная перестройка могла бы осуществляться квазинепрерывно в некотором диапазоне длин волн.
Предлагаемое техническое решение направлено на устранение недостатков указанных схем и расширение их функциональных возможностей. Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является решение, описанное в вышеуказанной статье [M.W. Lindner. Proc. SPIE, 2002. V. 4777, P. 90], в которой реализована схема определения трехмерного распределения в образце коэффициента отражения по интенсивности отраженного/рассеянного излучения, основанная на методе ОКТ во временной области, предусматривающем регистрацию серии томографических изображений с изменением длины одного из плеч интерферометра Майкельсона с помощью пьезотолкателя.
Технический результат, который может быть получен, состоит в обеспечении возможности регистрации интерференционных изображений труднодоступных объектов в произвольных узких спектральных интервалах, обеспечении совместимости со стандартными окулярами оптических эндоскопов, снижении чувствительности к внешним засветкам за счет спектральной фильтрации в приемном канале интерферометра, повышении стабильности работы устройства за счет исключения подвижных элементов, возможности регистрации нескольких разных изображений (широкополосного, спектрального, спектрального интерференционного) одного и того же участка объекта.
Для решения указанной технической задачи с достижением указанного технического результата применяется способ регистрации интерференционных изображений труднодоступных объектов в произвольных узких спектральных интервалах, состоящий в том, что исследуемый объект освещают широкополосным светом; формируют пучок излучения, переносящий оптическое изображение исследуемого объекта; делят его на два идентичных пучка, один из которых пространственно фильтруют, формируя волну с известной формой волнового фронта (сферическую волну), и сводят вместе со вторым пучком с совмещением направления распространения волновых фронтов; осуществляют спектральную фильтрацию этих пучков; регистрируют двумерное спектральное интерференционное изображение, образуемое парой сведенных вместе пучков; повторяют эту процедуру для всех необходимых спектральных компонент; зарегистрированные спектральные интерференционные изображения обрабатывают методами ЦГ или ОКТ.
Изобретение поясняется чертежами.
На Фиг. 1 показана структурная схема предпочтительного варианта осуществления прибора, где 1 - входная (сопрягающая) оптическая система, 2 - светоделитель, 3 - плоские зеркала, 4 - точечная диафрагма, 5 - промежуточная оптическая система, 6 - перестраиваемый монохроматор изображений, 7 - матричный приемник излучения, 8 - выходная (фокусирующая) оптическая система, 9 - подвижный непрозрачный экран, 10 - подвижный зеркальный элемент, 11 - цветная видеокамера.
На Фиг. 2 показана структурная схема второго возможного варианта осуществления прибора, где 1 - входная (сопрягающая) оптическая система, 2 - светоделитель, 3 - идентичные плоские зеркала, 4 - точечная диафрагма, 6 - перестраиваемый монохроматор изображений, 5 - промежуточная оптическая система (идентичные микрообъективы 5а и 5б), 7 - матричный приемник излучения, 8 - выходная (фокусирующая) оптическая система, 9 - подвижный непрозрачный экран, 10 - подвижный зеркальный элемент, 11 - цветная видеокамера.
Изобретение может быть реализовано на основе устройства, состоящего из оптически связанных и расположенных последовательно входной (сопрягающей) оптической системы 1; интерферометра, состоящего из светоделителя 2, плоских зеркал 3 объектного (3а) и опорного (3б) плеч; промежуточной оптической системы 5; перестраиваемого монохроматора изображений 6; матричного приемника излучения 7.
Отличием изобретения является то, что вместо интерферометра, встроенного в эндоскоп, с последовательным во времени сканированием по глубине за счет изменения длины одного из его плеч в данной схеме равноплечий интерферометр устанавливается за окуляром эндоскопа и в его приемный канал устанавливается перестраиваемый спектральный монохроматор изображений, а опорная волна формируется за счет установки точечной диафрагмы в плоскости фокусировки излучения в опорном плече. Устройство на основе предлагаемого метода отличается совместимостью с оптическими эндоскопами, компактностью, высоким спектральным разрешением, большим числом (несколько сотен) спектральных каналов, отсутствием механического сканирования.
Устройство работает следующим образом.
За окуляром эндоскопа располагают интерферометр Майкельсона [P. Girshovitz, N.T. Shaked, Compact and portable low-coherence interferometer with off-axis geometry for quantitative phase microscopy and nanoscopy // Optics Express, 2013. V. 21(5). P. 5701-5714], все оптические компоненты которого жестко закреплены на общем основании (Фиг. 1, 2).
В частном случае (п. 3 формулы) в качестве промежуточной оптической системы может использоваться коллимирующая оптическая система 5 (Фиг. 1). Входная (сопрягающая) оптическая система 1 согласует оптически окуляр эндоскопа и монохроматор путем преобразования размеров углового поля и светового диаметра выходящего из окуляра эндоскопа коллимированного светового пучка, несущего изображение наблюдаемого через эндоскоп объекта. Выходящий из сопрягающей оптической системы 1 сходящийся пучок разделяется светоделителем 2 на два пучка, направляемые в объектное и опорное плечи. В объектном плече пучок отражается от плоского зеркала 3а, расположенного в фокусе оптической системы 1, и возвращается на светоделитель 2. В опорном плече пучок отражается от расположенного в фокусе оптической системы 1 точечного отражателя и возвращается на светоделитель 2. Этот точечный отражатель, представляющий собой плоское зеркало 3б с закрепленной на нем точечной диафрагмой (pinhole) 4, позволяет сформировать сферический фронт опорного пучка. Светоделитель 2 совмещает пучки из объектного и опорного плеч и направляет их в промежуточную оптическую систему 5, фокальная плоскость которой совпадает с зеркалами 3а и 3б. Таким образом реализуется интерферометр Майкельсона в конфигурации τ («тау»). После промежуточной оптической системы 5 пучки проходят перестраиваемый монохроматор изображений 6, который выделяет из широкополосного спектра узкополосную компоненту, и регистрируются матричным приемником излучения 7, на котором они образуют спектральное голографическое изображение. Цифровая обработка зарегистрированного изображения методами ЦГ позволяет вычислить пространственное распределение фазы и амплитуды в соответствующем спектральном интервале.
В частном случае (п. 4 формулы) в качестве промежуточной оптической системы могут использоваться идентичные микрообъективы 5а и 5б, расположенные в опорном и объектном плечах интерферометра, фокусирующие излучение на зеркалах этих каналов (Фиг. 2). Входная (сопрягающая) оптическая система 1 служит для согласования окуляра эндоскопа с монохроматором 6. Коллимированный световой пучок, переносящий изображение наблюдаемого через эндоскоп объекта, делится светоделителем 2 на два идентичных пучка, и направляется в объектное и опорное плечо, в которых расположены идентичные микрообъективы 5а и 5б, фокусирующие пучки соответственно на плоском зеркале 3а и точечном отражателе, образованном плоским зеркалом 3б с закрепленной на нем точечной диафрагмой (pinhole) 4, и затем направляющие отраженное излучение обратно на светоделитель 2. Далее пучки из объектного и опорного плеч совмещаются светоделителем 2 и направляются в перестраиваемый монохроматор 6. Таким образом реализуется интерферометр Майкельсона в конфигурации Линника. После промежуточной оптической системы 5 пучки проходят перестраиваемый монохроматор изображений 6, который выделяет из широкополосного спектра узкополосную компоненту, и регистрируются матричным приемником излучения 7, на котором они образуют спектральное топографическое изображение.
В частном случае (п. 5 формулы) перед матричным приемником излучения 7 устанавливают выходную (фокусирующую) оптическую систему 8. При этом на приемнике регистрируется спектральное томографическое изображение объекта. Цифровая обработка серии зарегистрированных при перестройке монохроматора 6 по спектру томографических изображений методами ОКТ позволяет вычислить объемное распределение амплитудных характеристик объекта.
В частном случае (п. 6 формулы) в опорном плече устанавливают подвижный непрозрачный поглощающий экран 9, при введении которого в световой поток распространение света в этом плече блокируется. При введенном в ход лучей экране 9 при наличии выходной оптической системы на матричном приемнике 7 регистрируется спектральное изображение объекта. Оно не требует обработки и отображает распределение оптических, физико-химических и иных свойств объекта, проявляющих себя в выделенном интервале длин волн. При введенном в ход лучей экране 9 при отсутствии выходной оптической системы регистрируемое на матричном приемнике изображение не несет полезной информации.
В частном случае (п. 7 формулы) в приемном канале перед монохроматором 6 установлен подвижный зеркальный элемент 10, который выполнен с возможностью в одном положении отражать световой поток на цветную видеокамеру 11 для регистрации широкополосного изображения объекта, а во втором - не блокировать (пропускать) световой поток, допуская его прохождение через монохроматор 6. В этом случае при введенных в ход лучей экране 9 и зеркальном элементе 10 на цветной видеокамере 11 регистрируется широкополосное изображение объекта; при выведенном экране 9 и введенном зеркальном элементе 10 - широкополосное интерференционное изображение объекта. В схеме с выходной оптической системой широкополосное изображение объекта на цветной видеокамере 11, его спектральное изображение, полученное на матричном приемнике 7 при выведенном из хода лучей зеркальном элементе 10 и введенном в ход лучей экране 9, а также томографическое изображение, полученное на матричном приемнике 7 при выведенных из хода лучей зеркальном элементе 10 и экране 9, могут быть однозначно совмещены.
В частном случае (п. 8 формулы) реализуют вариант схемы, в котором в качестве перестраиваемого монохроматора изображений 6 используют акустооптический перестраиваемый фильтр изображений, выделяющий из падающего излучения заданный узкий спектральный интервал с определенной линейной поляризацией. В акустооптической кристаллической ячейке такого фильтра линейно поляризованный световой пучок испытывает дифракцию с изменением направления линейной поляризации и отклонением направления распространения излучения. Длина волны дифрагированного излучения определяется периодом ультразвуковой волны, которую возбуждают в акустооптической ячейке с помощью пьезопреобразователя.
В частном случае (п. 9 формулы) в качестве перестраиваемого монохроматора изображений 6 используют разводящий трехпучковый акустооптический перестраиваемый фильтр изображений, позволяющий одновременно сформировать три пучка: два отфильтрованных со взаимно ортогональной поляризацией и один неотфильтрованный (широкополосный) пучок. После акустооптического фильтра вместо одного матричного приемника излучения устанавливают два приемника для регистрации двух отфильтрованных пучков и дополнительно устанавливают цветную видеокамеру для регистрации неотфильтрованного пучка. В схеме без выходных оптических систем 8 перед приемниками 7 при выведенном из хода лучей экране 9 на приемниках 7 регистрируются два спектральных голографических изображения со взаимно ортогональной поляризацией, а на цветной видеокамере 11 - одно широкополосное интерференционное изображение объекта. При введенном в ход лучей экране 9 в этой же схеме на приемниках 7 регистрируются два изображения со взаимно ортогональной поляризацией, не несущие полезной информации, и одно широкополосное изображение объекта. В схеме с выходными оптическими системами 8 перед приемниками 7 при выведенном из хода лучей экране 9 на матричных приемниках 7 регистрируются два спектральных томографических изображения объекта со взаимно ортогональной поляризацией, а на цветной видеокамере 11 - одно широкополосное интерференционное изображение объекта. В этой же схеме при введенном в ход лучей экране 9 на матричных приемниках 7 регистрируются два спектральных изображения объекта со взаимно ортогональной поляризацией, а на цветной видеокамере 11 - одно широкополосное изображение объекта. Одновременная регистрация изображений позволяет однозначно «привязать» спектральные изображения к широкополосному и тем самым наложить распределение пространственных оптических и иных характеристик объекта на его изображение.