СПОСОБ И УСТРОЙСТВО СПЕКТРАЛЬНОЙ РЕФЛЕКТОМЕТРИИ
SPECTRAL REFLECTOMETRY METHOD AND DEVICE

Изобретение относится к оптической низкокогерентной рефлектометрии со спектральным способом приема и может быть использовано для получения изображения, свободного от когерентных помех, связанных с наличием самоинтерференции рассеянного от объекта исследования излучения и наличием паразитных отражений в оптическом тракте системы.
Применение методов рефлектометрии для определения профиля обратного рассеяния и отражения в объекте исследования широко распространено как в технике, так и в различных медико-биологических приложениях, в частности в оптической когерентной томографии. Устройства спектральной оптической рефлектометрии показали возможность осуществления более быстрого получения и построения изображений внутренней рассеивающей структуры объекта по сравнению с традиционными корреляционными методами. Принцип действия спектральной рефлектометрии основан на измерении оптического спектра интерференции опорного и рассеянного в исследуемом объекте широкополосного излучения в интерферометре и последующем восстановлении кросскорреляционной функции, соответствующей распределению рассеивателей по глубине. Однако при оптимизации данных устройств с точки зрения увеличения динамического диапазона возникает необходимость устранения когерентных помех, обусловленных неоднородностью спектра источника излучения и самоинтерференцией обратно рассеянного объектом исследования излучения, накладывающихся на полезный сигнал - кросскорреляционную составляющую оптического спектра интерференции.
Из статьи J. Ai and L.V.Wang «Synchronous self-elimination of autocorrelation interference in Fourier-domain optical coherence tomography», Optics Letters, vol.30, № 21, p.2939-2941, 2005 известен способ спектральной рефлектометрии и устройство для его осуществления. Устройство содержит широкополосный источник излучения, интерферометр, в объектном плече которого размещен светоделительный элемент, направляющую систему, спектрометр, блок обработки и визуализации. Излучение от широкополосного источника направляют на интерферометр, а часть излучения, рассеянного в объекте, через светоделитель выводят из интерферометра, направляя непосредственно на спектрометр. Другая часть рассеянного объектом излучения остается в интерферометре и направляется на спектрометр после замешивания с опорной частью излучения. Прием обеих частей излучения осуществляется идентичными фотоприемниками. Исключение когерентных помех происходит за счет измерения отдельных составляющих. На первом этапе измеряют общий уровень оптического сигнала, для чего перекрывают объектное плечо интерферометра. На втором этапе измеряют спектр интерференции, в котором присутствуют когерентные помехи. На третьем этапе происходит формирование спектра, свободного от когерентных помех. Результат достигается вычитанием из спектра интерференции, в котором присутствуют когерентные помехи, значения общего уровня оптического сигнала. Недостатком способа и устройства для его осуществления является существенная (до четырех раз) потеря мощности рассеянного объектом излучения за счет отбора половины мощности дополнительным делителем на прямом и обратном проходе. Кроме того, к недостаткам аналога следует отнести необходимость размещения устройства управления интерференцией непосредственно в объектном плече основного интерферометра, что существенно ограничивает область его применения.
Ближайшим аналогом разработанного способа и устройства является способ и устройство управления интерференцией, известные из статьи R.A.Leitgeb, С.К.Hitzenberger, A.F.Fercher «Phase-shifting algorithm to achieve high-speed tong-depth-range probing by frequency-domain optical coherence tomography», Optics Letters. Vol.28, № 22, p.2201-2203, 2003. Устройство содержит широкополосный источник излучения, интерферометр, в котором размещен блок управления интерференцией, представленный модулятором фазы между опорной и объектной частями излучения, спектрометр, блок обработки и визуализации. В излучение от широкополосного источника, проходящее через основной интерферометр, вводится определенная разность фаз между опорной и объектной частями излучения. Спектр интерференции опорной и объектной частями излучения принимается массивом фотоэлементов спектрометра. Совместная обработка нескольких последовательно принятых спектров интерференции с различным фазовым сдвигом между опорной и объектной частями излучения позволяет устранить влияние самоинтерференции объекта на итоговое изображение. Однако данный способ и устройство можно применять только для исследования малоподвижных объектов, с малыми внутренними движениями, не нарушающими фазовых соотношений из-за возникающего на подвижных рассеивателях эффекта Доплера. В противном случае возникают артефакты изображения.
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является разработка способа и устройства спектральной рефлектометрии, позволяющих получать изображения с полным устранением когерентных помех без потерь мощности рассеянного исследуемым объектом излучения при значительных скоростях движения в объекте (в 10 и более раз превышающих допустимые значения скоростей в ближайшем аналоге).
Сущность разработанного способа заключается в том, что так же, как и способ, который является ближайшим аналогом, он содержит два или более последовательных измерения спектра интерференции, состоящих из следующих этапов: направление оптического излучения от широкополосного источника излучения на интерферометр, разделение в интерферометре излучения на опорную и объектную части, регистрация спектра интерференции отраженной в опорном плече и рассеянной исследуемым объектом частей излучения спектрометром, обработка полученных данных в блоке обработки и визуализации, при этом свободный от когерентных помех спектр интерференции получается при совместной обработке результатов двух или более последовательных измерений спектра интерференции.
Новым в разработанном способе является то, что во время по крайней мере одного измерения спектра интерференции с помощью блока управления интерференцией излучения осуществляется модуляция фазы между интерферирующими частями излучения по определенному закону в течение времени экспозиции, что приводит к усреднению фазы полезной интерференции, а во время по крайней мере одного дополнительного измерения спектра интерференции фаза между интерферирующими частями излучения в течение времени экспозиции не модулируется.
В первом частном случае реализации способа спектральной рефлектометрии фаза между интерферирующими частями излучения в дополнительных измерениях спектра интерференции устанавливается различной.
Сущность разработанного устройства заключается в том, что оно так же. как и устройство, которое является ближайшим аналогом, содержит широкополосный источник излучения, по крайней мере один интерферометр, состоящий из по крайней мере двух оптических путей, один из которых является опорным, а в другом размещается исследуемый объект, в по крайней мере один из которых введен блок управления интерференцией излучения, спектрометр, блок обработки и визуализации
Новым в разработанном устройстве является то, что блок управления интерференцией излучения выполнен с возможностью изменения фазы между интерферирующими частями излучения непосредственно во время экспозиции принимаемого излучения на фотоприемные элементы спектрометра.
В первом частном случае реализации устройства спектральной рефлектометрии блок управления интерференцией излучения выполнен электрооптическим.
Во втором частном случае реализации устройства спектральной рефлектометрии блок управления интерференцией излучения выполнен пьезоэлектрическим.
В третьем частном случае реализации устройства спектральной рефлектометрии блок управления интерференцией излучения выполнен волоконным пьезоэлектрическим.
В четвертом частном случае реализации устройства спектральной рефлектометрии блок управления интерференцией излучения выполнен электромагнитным.
В пятом частном случае реализации устройства спектральной рефлектометрии блок управления интерференцией излучения выполнен электростатическим.
В шестом частном случае реализации устройства спектральной рефлектометрии блок управления интерференцией излучения выполнен на основе микроэлектромеханических систем (MEMS).
В восьмом частном случае реализации устройства спектральной рефлектометрии блок управления интерференцией излучения размещается в дополнительном интерферометре, введенным параллельно или последовательно с интерферометром.
Все вышеизложенное позволяет решить задачу, на решение которой направлено настоящее изобретение - получать изображения с полным устранением когерентных помех без потерь мощности рассеянного исследуемым объектом излучения при значительных скоростях движения в объекте (в 10 и более раз превышающих допустимые значения скоростей в ближайшем аналоге).
На фиг.1 представлен частный случай реализации устройства спектральной рефлектометрии.
На фиг.2 представлены формы функции модуляции фазы F(t), удовлетворяющие условию дискриминации кросскорреляционной составляющей в принимаемом спектре.
На фиг.3 представлены временные диаграммы, поясняющие работу разработанных устройства и способа спектральной рефлектометрии, позволяющих получать изображения спектральной рефлектометрии с полным устранением когерентных помех без потерь мощности рассеянного исследуемым объектом излучения при значительных скоростях движения в объекте.
Устройство спектральной рефлектометрии по фиг.1 в общем случае реализации содержит широкополосный источник излучения 1, интерферометр 2, состоящий из делителя излучения 3, опорного пути 4, в которое введен блок управления интерференцией излучения 5, и объектного пути 6, в котором размещается исследуемый объект 7, также разработанное устройство содержит спектрометр 8 с фотоприемными элементами и блок обработки и визуализации 9.
Работа устройства спектральной рефлектометрии приведена ниже в описании реализации способа спектральной рефлектометрии.
Для получения изображений с полным устранением когерентных помех без потерь мощности рассеянного исследуемым объектом излучения проводятся два последовательных измерения.
Во время первого измерения спектра интерференции с помощью блока управления интерференцией осуществляется модуляция фазы между интерферирующими частями излучения по определенному закону в течение времени экспозиции, что приводит к усреднению фазы полезной интерференции.
Излучение от широкополосного источника излучения 1 направляют в интерферометр 2 через делитель излучения 3. В интерферометре 2 излучение направляется по различным оптическим путям: опорному 4 и объектному 6. В объектном пути 6 излучение направляется на объект 7 и его рассеянная в обратном направлении компонента заводится обратно в объектный путь 6. В опорном пути 4 с помощью блока управления интерференцией излучения 5 происходит модуляция разности фаз между опорной и объектной частями излучения по специальному закону. После прохождения интерферометра 2 излучение, прошедшее по различным оптическим путям 4 и 6, снова замешивается делителем излучения 3 и подается на спектрометр 8. В спектрометре 8 излучение раскладывается на отдельные спектральные компоненты, принимаемые отдельными фотоприемными элементами. При наличии модуляции фазы между опорной и объектной частями излучения, в различные моменты времени интерференция на отдельном фотоприемном элементе происходит с различной фазой. Это приводит к усреднению сигнала интерференции, возникшей в интерферометре 2 по фазе, в то время как влияние на сигнал интерференции, не связанной с интерференцией между опорной и объектной частями излучения - самоинтерференции, и неоднородности спектра источника излучения сохраняются. Таким образом, принимаемый в первом измерении спектр содержит только когерентные помехи и свободен от кросскорреляционной составляющей.
Во время второго измерения спектра интерференции фаза между интерферирующими частями излучения в течение времени экспозиции не модулируется.
Излучение от широкополосного источника излучения 1 направляют в интерферометр 2 через делитель излучения 3. В интерферометре 2 излучение направляется по различным оптическим путям: опорному пути 4 и объектному пути 6. В объектном пути 6 излучение направляется на исследуемый объект 7 и его рассеянная в обратном направлении компонента заводится обратно в объектный путь 6. В опорном пути 4 с помощью блока управления интерференцией излучения 5 модуляция разности фаз между опорной и объектной частями излучения по специальному закону не происходит. После прохождения интерферометра 2 излучение, прошедшее по различным оптическим путям 4 и 6, снова замешивается делителем излучения 3 и подается на спектрометр 8. В спектрометре 8 излучение раскладывается на отдельные спектральные компоненты, принимаемые отдельными фотоприемными элементами. При отсутствии модуляции фазы между опорной и объектной частями излучения в различные моменты времени интерференция на отдельном фотоприемном элементе происходит с одной и той же фазой. Это приводит к эффективному накоплению сигнала интерференции. Таким образом, принимаемый в первом измерении спектр содержит как когерентные помехи, так и кросскорреляционную составляющую.
Спектр интерференции, свободный от влияния когерентных помех, получается в результате вычитания результата первого измерения из второго в блоке обработки и визуализации 9.
Математическое описание принципа действия устройства приведено ниже.
Во время второго измерения спектра интерференции фаза между интерферирующими частями излучения в течение времени экспозиции не модулируется. В этом случае величина сигнала, снимаемого с входа отдельного фотоприемного элемента, содержит три основные составляющие
где r - коэффициент, характеризующий отражение в опорном плече интерферометра,
k - волновое число анализируемой спектральной компоненты,
E(k) - амплитуда электрического поля, падающего на исследуемый объект излучения,
z - координата, возрастающая с увеличением глубины объекта, начало отсчета привязано к нулевой разности хода интерферирующих частей излучения,
D(z) - коэффициент рассеяния, характеризующий долю излучения, возвращенную в интерферометр с глубины z.
Третье слагаемое представляет собой кросскорреляционную составляющую сигнала, содержащую полезную информацию о рассеянии в объекте исследования. Первые два слагаемых образуют постоянную составляющую, соответствующую суммарной интенсивности опорной и рассеянной объектом волн и автокорреляционную, обусловленную самоинтерференцией излучения, рассеянного исследуемым объектом
AC
SCC
CC
S(k)=S(k)+S(k)+S(k),
CC
где S(k) - кросскорреляционная (полезная) составляющая интерференционного сигнала,
AC
S(k) - автокорреляционная составляющая, характеризующая суммарную мощность опорной и возвращенной волн,
SCC
S(k) - результат взаимной интерференции всей совокупности компонент рассеянной волны.
AC
SCC
Для исключения влияния когерентных помех, определяемых суммой S(k)+S(k). на восстанавливаемый спектр рассеяния используется блок управления интерференцией излучения 5. В первом измерении непосредственно во время экспозиции принимаемого спектра на массив фотоприемных элементов осуществляется модуляция фазы излучения. В этом случае принимаемый сигнал на отдельном фотоприемном элементе представляется как
где γ - коэффициент, учитывающий емкость элемента, квантовую эффективность и восприимчивость фотоприемного элемента,
τ - время экспозиции,
m - амплитуда модуляции фазы,
F(t) - модулирующая функция, изменяющаяся в интервале [-1; 1].
Первые два слагаемых подынтегрального выражения от времени не зависят, поэтому получаются такими же, как и при отсутствии модуляции фазы. От времени зависит только третье слагаемое в подынтегральном выражении, отвечающее за кросскорреляционную составляющую
После математических преобразований можно заключить, что кросскорреляционная составляющая сигнала в принимаемом спектре полностью исключается, если выполняется условие для амплитуды и формы модуляции фазы оптического излучения опорной волны
На фиг.2 представлены частные случаи решения этой системы - формы функции модуляции фазы F(t), удовлетворяющие условию дискриминации кросскорреляционной составляющей в принимаемом спектре. 1 - прямоугольная форма; 2 - гармоническая: 3 - линейная; 4 - кубическая.
0
-1
-1
Одним из частных решений этой системы является прямоугольная модуляция фазы со скважностью 50% (кривая I) и амплитудой модуляции m=(2n+1)π, где n - целое число. Другое частное решение системы представляет гармоническую модуляцию с частотой, кратной половине обратного времени экспозиции (кривая II). В этом случае второе уравнение выполняется независимо от величины амплитуды модуляции m, а первое имеет корни, совпадающие с корнями функции Бесселя нулевого порядка J(m)=0. Кроме этого на фиг.2 представлены еще две кривые (кривая III и кривая IV), удовлетворяющие системе интегральных уравнений. Следует отметить, что величина минимальной амплитуды модуляции фазы, удовлетворяющей условию дискриминации кросскорреляционной составляющей в принимаемом спектре, растет с ростом номера кривой на фиг.2. В настоящем устройстве и способе увеличение максимально допустимой скорости внутренних движений в объекте, которая не приводит к искажениям при измерении когерентных помех, осуществляется за счет использования модуляции с частотой, кратной обратному времени экспозиции. При сохранении условия кратности частоты модуляции f и обратного времени экспозиции τ:f=n·τ (n - целое), вклад фазового набега, обусловленного доплеровским сдвигом при движении внутри объекта, за время экспозиции уменьшается с увеличением числа n. В частности, в случае прямоугольной модуляции легко показать, что уменьшение величины этого вклада пропорционально n. Это позволяет существенно уменьшить влияние движения в объекте на результирующий сигнал, благодаря чему становится возможным наблюдение объектов с внутренними скоростями гораздо большими, чем позволяет ближайший аналог.
На фиг.3 представлены временные диаграммы, поясняющие работу разработанных устройства и способа спектральной рефлектометрии.
gate
ph
U - управляющее напряжение, открывающее и закрывающее затвор фотоприемного элемента спектрометра 8, U - напряжение, подаваемое на блок управления интерференцией излучения 5.
В конкретной реализации устройства спектральной рефлектометрии были использованы спектрометр на основе просветной дифракционной решетки Dikson VPH Transmitting grating с частотой штрихов 1145 1/мм, массив фотоприемных элементов Sensors Unlimited SU512LD-T1.
В случае, когда фаза между интерферирующими частями излучения в дополнительных измерениях спектра интерференции устанавливается различной, возможно выделение знака разности хода между опорной и объектной частями излучения.
Применение электрооптического блока управления интерференцией излучения позволяет осуществлять быструю модуляцию разности фаз между опорной и объектной частями излучения, при этом отсутствуют собственные резонансные частоты, которые могут вносить искажения в форму модулирующего напряжения.
В случае, когда блок управления интерференцией излучения выполнен пьезоэлектрическим, возможно существенно снизить стоимость готовой установки и упростить ее монтаж.
Исполнение блока управления интерференцией излучения в волоконном пьезоэлектрическом варианте позволяет управлять фазой излучения за счет растяжения волокна, что позволяет использовать меньшие величины напряжения для управления модулятором.
В случае, когда блок управления интерференцией излучения выполнен электромагнитным, возможно существенно снизить управляющее напряжение в блоке управления интерференцией излучения.
В случае, когда блок управления интерференцией излучения выполнен электростатическим, возможно существенно снизить управляющий ток в блоке управления интерференцией излучения.
В случае, когда блок управления интерференцией излучения выполнен на основе микроэлектромеханических систем (MEMS), возможно осуществлять неравномерную в поперечном сечении фазовую модуляцию в блоке управления интерференцией излучения.
Размещение блока управления интерференцией излучения в дополнительном интерферометре, введенным параллельно или последовательно с интерферометром, позволяет не изменять конструкцию основного интерферометра, что существенно затруднено в ряде приложений.
Таким образом, разработанные способ и устройство спектральной рефлектометрии позволяют получать изображения спектральной рефлектометрии с полным устранением когерентных помех без потерь мощности рассеянного исследуемым объектом излучения при значительных скоростях движения в объекте (в 10 и более раз превышающих допустимые значения скоростей в ближайшем аналоге).