УСТРОЙСТВО СКАНИРУЮЩЕГО ОПОРНОГО ПЛЕЧА ОПТИЧЕСКОГО КОГЕРЕНТНОГО ТОМОГРАФА

Предлагаемое техническое решение (полезная модель) относится к области оптических устройств или приспособлений с использованием подвижных оптических элементов для управления интенсивностью, цветом, фазой, поляризацией или направлением света, в частности к сканирующим системам и может быть использовано в оптической когерентной томографии для сканирования измерительного объема по глубине.
В оптической когерентной томографии внутреннюю структуру биообъекта восстанавливают с помощью селекции отраженного излучения по глубине, с которой оно пришло и степени отражения на ней. С этой целью сравнивают волны с опорного плеча и с плеча образца. Опорное плечо изготавливают таким образом, чтобы опорная волна каждый раз сравнивалась с долей излучения, пришедшего с разной глубины внутри образца (биообъекта), т.е. опорное плечо обеспечивает многократное управляемое изменение длины оптического пути, который проходит опорная волна. Для этого используется оптическая линия задержки на основе сканирующего зеркала или гальвано-сканера.
По патенту US 6654127 B2, МПК G02B 6/34, G01N 21/45, G01B 11/24, A61B 10/00, G01N 21/17, G02B 26/00, G01B 9/02, G01B 9/023, G02F 1/11, G02B 26/10, опубл. 25.11.2003 г., известно устройство оптической линии задержки, предназначенное для применения преимущественно в когерентной оптической рефлектометрии во временной области и оптической когерентной томографии, включающее в себя множество оптических элементов находящихся в оптической связи друг с другом, в котором: по меньшей мере, один из множества оптических элементов способен пространственно разделять световые волны, т.е. обеспечивать пространственную дисперсию оптического сигнала; по меньшей мере, один из множества оптических элементов можно регулировать, т.е. влиять на фазовую и групповую задержку оптического сигнала; по меньшей мере, один из множества оптических элементов компенсирует дисперсию широкого спектра источника излучения, по меньшей мере, одного из оптических элементов пространственно разделяющих световые волны. Техническим результатом использования устройства является обеспечение регулируемой временной задержки оптического излучения.
Недостатком данного устройства является невысокое пространственное разрешение, вызванное недостаточной фокусировкой излучения обратно в острие (торец) оптического волокна, приводящей в свою очередь к неполному восстановлению коллимированного излучения и соответственно потере части полезного сигнала.
По патенту US 20090279171 A1, МПК A61B 5/00, G11B 7/005, A61B 3/12, G11B 7/085, G01B 11/02, G01B 11/00, G11B 7/24, G01B 11/12, G11B 7/125, G11B 7/135, G01J 1/00, H01S 5/14, G11B 7/00, G01N 21/47, G01B 9/02, G02B 27/44, G01B 11/24, A61B 5/103, G02B 5/18, A61B 3/10, опубл. 12.11.2009 г., известно устройство оптической линии задержки, универсальной для различных оптических систем, в которой в одном варианте на протяжении оптического пути (от оптического входа до оптического выхода) свет последовательно ортогонально отражается первой, второй и третьей отражающим поверхностям линейно подвижной секции и выходит через часть секции в направлении противоположном его изначальному направлению. В другом варианте используется более сложная маршрутизация излучения: свет последовательно ортогонально отражается первой, второй и третьей отражающим поверхностям линейно подвижной секции и с помощью вспомогательной подвижной секции, расположенной примерно параллельно по отношению, по меньшей мере, либо к оптическому входу, либо к оптическому выходу, выходит в направлении противоположном направлению его прибытия. Техническим результатом использования устройства является обеспечение регулируемой по времени задержки оптического излучения.
Недостатками данного устройства является невозможность компенсации дисперсии и разделения фазовой и групповой задержки, а также не высокое пространственное разрешение, вызванное разделением оптического входа и оптического выхода.
Ближайшим аналогом (прототипом) разработанной полезной модели является устройство сканирующей оптической линии задержки (патент US 6111645 А, МПК A61B 5/00, G11B 7/005, A61B 3/12, G11B 7/085, G01B 11/02, G01B 11/00, G11B 7/24, G01B 11/12, G11B 7/125, G11B 7/135, G01J 1/00, H01S 5/14, G11B 7/00, G01N 21/47, G01B 9/02, G02B 27/44, G01B 11/24, A61B 5/103, G02B 5/18, A61B 3/10, опубл. 29.08.2000 г.) для оптической интерферометрии, в том числе оптической когерентной томографии, в котором временная задержка оптического излучения достигается с помощью дифракционных оптических элементов в сочетании с элементами для формирования изображений. В одном варианте осуществления дифракционная решетка разлагает по частотам или длинам волн доставленный с помощью оптического волокна и коллимированный с помощью линзы световой пучок. Зеркало, помещенное на фокусное расстояние от фокусирующей линзы, и дифракционная решетка с переменными плотностью штрихов, углом блеска, а также углом общего наклона решетки и/или углом наклона зеркала производят изменение групповой и фазовой задержки. В других вариантах осуществления это устройство позволяет выполнять сканирование с задержкой по времени без использования подвижных частей. Техническим результатом использования устройства является обеспечение регулируемой групповой и фазовой задержки для каждой позиции при угловом движении сканирующего зеркала.
Недостатком данного устройства также является невысокое пространственное разрешение, вызванное недостаточной фокусировкой излучения обратно в острие оптического волокна.
Технической задачей полезной модели является повышение пространственного разрешения сканирования по глубине, за счет организации более эффективной фокусировки излучения в острие оптического волокна, приводящей к лучшему восстановлению коллимированного излучения и соответственно снижающей потери полезного сигнала.
Поставленная техническая задача достигается тем, что в устройстве сканирующего опорного плеча оптического когерентного томографа, так же, как и в устройстве, которое является ближайшим аналогом, содержатся одномодовый световод, являющийся единственным входом и выходом для излучения, оптически связанные с ним линза-коллиматор, дифракционная решетка с регулируемым углом наклона, сканирующее зеркало с регулируемым углом наклона и зеркало двойного прохода.
Новым в разработанном устройстве сканирующего опорного плеча оптического когерентного томографа является то, что линза-коллиматор жестко сочленена с зеркалом двойного прохода, так чтобы сохранять его взаимную перпендикулярность с торцом оптически связанного с линзой-коллиматором одномодового световода, при этом используется фокусирующая дихроичная линза, причем сканирующее зеркало помещено на фокусное расстояние от нее.
На фиг.1 представлена схема реализации разработанного устройства сканирующего опорного плеча оптического когерентного томографа в соответствии с формулой полезной модели.
Принцип работы устройства по фиг.1. следующий. Из одномодового световода излучение поступает на линзу-коллиматор, с ее помощью оно преобразуется в параллельные лучи и попадает на дифракционную решетку, где происходит их разложение. Затем лучи фокусируются краем фокусирующей дихроичной линзы и далее попадают на сканирующее зеркало (или на зеркало гальвано-сканера). Отразившись от него, они проходят через центр линзы, опять разлагаются на дифракционной решетке и поступают на зеркало двойного прохода, отразившись от которого излучение фокусируется, и возвращаются практически по тому же пути (в пределах погрешности) в острие световода. Возможность варьировать углами наклона дифракционной решетки (угол α) и сканирующего зеркала (угол β) позволяет эффективно регулировать процессы фокусировки и сканирования.
Наиболее важной отличительной особенностью предложенной полезной модели является то, что после разложения излучения в спектр дифракционной решеткой оно попадет на край фокусирующей дихроичной линзы, который по своим оптическим свойствам во многом схож с усеченной призмой, вследствие чего лучи света, падающие туда, очень эффективно собираются в точку фокуса линзы (именно там располагается сканирующее зеркало), т.е. фокусирующая дихроичная линза ведет себя так же, как и обычная двояковыпуклая линза. Но, фокусирующая дихроичная линза имеет свойство фокусировать более широкий спектр излучения источников света, чем обычная фокусирующая линза, а значит лучше подходит для нужд оптической когерентной томографии, где, как правило, используются широкополосные источники излучения.
Другой заявленной отличительной особенностью является жесткое сочленение линзы-коллиматора и зеркала двойного прохода. Оно объясняется геометрией оптических связей между структурными элементами предложенной полезной модели, и позволяет сохранять взаимную перпендикулярность зеркала двойного прохода и торца оптически связанного с линзой-коллиматором одномодового световода, а значит упростить фокусировку излучения в торец этого световода и последующее восстановление коллимированного излучения.
В конкретной реализации разработанного устройства сканирующего опорного плеча оптического когерентного томографа в качестве одномодового световода был использован метровый одномодовый световод P3-980A-FC-1 (970-1650 нм, FC/APC). В качестве линзы-коллиматора был использован коллиматор F220APC-1064 (1064 нм, FC/APC). В качестве дифракционной решетки была использована дифракционная решетка GTI25-03A (300 штрихов/мм, угол блеска 31.7°). Вместо сканирующего зеркала был использован 1D гальвано-сканер GVS001 (400-2000 нм, зеркало с серебряным напылением, угол сканирования ±12.5). Фокусирующая дихроичная линза была склеена из дихроичного фильтра DMLP900 (диаметр 25.4 мм, полоса пропускания 932-1300 нм) и двояковыпуклой линзы LB1757-C (диаметр 25.4 мм, фокусное расстояние 30 мм). Все комплектующие производства фирмы «Thorlabs» (США).
Таким образом, использование фокусирующей дихроичной линзы, в сочетании с жестким сочленением линзы-коллиматора и зеркала двойного прохода, а также особым взаимным расположением фокусирующей дихроичной линзы и сканирующего зеркала позволяет эффективно фокусировать и возвращать широкополосное излучение по тому же оптическому пути, по которому оно изначально пришло. В конкретной реализации погрешность не превышала 1 микрона. Поскольку одномодовый световод P3-980A-FC-1 имеет диаметр сердечника - 5.8 микрон, погрешность не более 1 микрона является приемлемой и позволяет организовать эффективную фокусировку в торец оптического волокна (и последующее восстановление коллимированного излучения), а значит снизить потери полезного сигнала и тем самым повысить пространственное разрешение сканирования по глубине.
Предлагаемое устройство сканирующего опорного плеча может быть использовано как в оптической когерентной томографии и когерентной оптической рефлектометрии во временной области, так и в оптической интерферометрии в целом.