Способ исследования объекта и оптический интерферометр для его осуществления
Заявлены способ исследования объекта и оптический интерферометр для его осуществления. Оптический интерферометр содержит источник низкокогерентного излучения, первый светорасщепитель, измерительное плечо, выполненное двунаправленным, опорное плечо, второй светорасщепитель, по меньшей мере, один фотоприемник. Опорное плечо выполнено с возможностью распространения по нему двух пучков опорного излучения во встречных направлениях, при этом второй светорасщепитель дополнительно выполняет функцию разделения первого пучка на третий и четвертый пучки, а первый светорасщепитель оптически связан с исследуемым объектом через порты второго светорасщепителя и дополнительно выполняет функцию смешения четвертого пучка низкокогерентного оптического излучения с частью оптического излучения, являющегося результатом смешения излучения, вернувшегося от исследуемого объекта, со вторым пучком низкокогерентного оптического излучения. Причем один из светорасщепителей подключен к соответствующему фотоприемнику. Технический результат - расширение класса способов и оптических интерферометров, предназначенных для исследования объекта, при оптимальном соотношении сигнал/шум. 2 с. и 9 з.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к технической физике, в частности к исследованиям внутренней структуры объектов оптическими средствами, и может быть использовано в низкокогерентных рефлектометрах и устройствах для оптической когерентной томографии, применяемых, в частности, в медицинской диагностике состояния отдельных органов и систем in vivo или in vitro, а также в технической диагностике, например, для контроля технологических процессов.
Достоинством оптических интерферометров, используемых для исследования объекта с помощью оптического низкокогерентного излучения, является возможность получения изображений мутных сред с высоким пространственным разрешением, а также возможность неинвазивной диагностики при проведении медицинских исследований и неразрушающего контроля при технической диагностике различного оборудования.
Оптические интерферометры, входящие в состав низкокогерентных рефлектометров и устройств для оптической когерентной томографии, достаточно хорошо известны (см., например, интерферометры по пат. США №5321501, 5383467, 5459570, 5582171, 6134003, международная заявка №WO 00/16034 и др.). Иногда оптическую схему интерферометра полностью или частично реализуют с использованием оптических элементов с сосредоточенными параметрами (пат. США №5383467), но чаще оптические интерферометры такого назначения выполняют оптоволоконными (пат. США №5321501, 5459570, 5582171).
Оптический интерферометр выполнен обычно в виде интерферометра Майкельсона (см., например, X.Clivaz et al. "High resolution reflectometry in biological tissues", OptLett. /Vol.17. N. 1/ January 1, 1992; J.A. Izatt, J.G. Fujimoto et al, "Optical coherence microscopy in scattering media", Opt.Lett., Vol.19, No 8/April 15,1994, p.590-592) либо интерферометра Маха-Цандера (см., например, J.A. Izatt, J.G. Fujimoto et al. "Micron-resolution Biomedical Imaging with optical coherence tomography". Optics & Photonic News, October 1993, Vol.4, No 10, p. 14-19; пат. США №5582171). Вне зависимости от используемой конкретной схемы оптического интерферометра он традиционно содержит один или два светорасщепителя, измерительное и опорное плечи и, по меньшей мере, один фотоприемник. Измерительное плечо, как правило, снабжено измерительным зондом, чаще всего оптоволоконным (например, A. Sergeev et al, "In vivo optical coherence tomography of human skin microstructure", Proc.SPIE, v.2328, 1994, p. 144; X.J. Wang et al. Characterization of human scalp hairs by optical low coherence reflectometry. Opt. Lett./Vol.20, No 5,1995, p.524-526).
В интерферометре Майкельсона (фиг.1) измерительное и опорное плечи двунаправленные, а на конце опорного плеча установлено референтное зеркало. Для обеспечения сканирования исследуемого объекта по глубине референтное зеркало соединяют с элементом, обеспечивающим механическое перемещение референтного зеркала (пат. США №5321501, 5459570), либо фиксируют местоположение референтного зеркала, а продольное сканирование осуществляют, например, с помощью пьезоэлектрического сканирующего элемента (пат. РФ №2100787, 1997г.), с помощью дисперсионно-решеточной линии задержки (K.F. Kwong, D. Yankelevich et al. 400-Hz mechanical scanning optical delay line. Optics Letters, Vol.18, No7, April 1, 1993) либо других оптических элементов, например, вращающихся зеркал, призм, геликоидных зеркал и др.
Известные интерферометры Майкельсона реализуют, в сущности, один и тот же способ исследования объекта, описанный, например, в пат. США №5321501, 5383467, 5459570, пат. РФ №2148378. По этому способу формируют низкокогерентное оптическое излучение, которое разделяют на первый и второй пучки низкокогерентного оптического излучения. Первый из упомянутых пучков направляют на исследуемый объект по измерительному оптическому пути, а второй пучок низкокогерентного оптического излучения направляют по опорному оптическому пути. Затем смешивают низкокогерентное оптическое излучение, прошедшее в прямом и обратном направлениях по измерительному оптическому пути, выполненному двунаправленным, и низкокогерентное оптическое излучение, прошедшее в прямом и обратном направлениях по опорному оптическому пути, также выполненному двунаправленным. Отображают интенсивность низкокогерентного оптического излучения, прошедшего по измерительному оптическому пути и несущего информацию об исследуемом объекте, используя для этого оптическое излучение, являющееся результатом указанного смешения.
Основным недостатком интерферометров Майкельсона, также как и способа, реализованного в этих интерферометрах, является недостаточная эффективность использования источника оптического излучения. Это обусловлено тем, что даже при оптимальном коэффициенте расщепления светорасщепителя, который равен 0,5 для невзаимной конфигурации, существенная часть входной мощности растрачивается впустую в опорном плече, а также на обратном пути от светорасщепителя в источник. Кроме того, оптическое излучение на обратном пути от светорасщепителя в источник включает переменную составляющую, соответствующую полезному интерферометрическому сигналу, амплитуда которого пропорциональна амплитуде сигнала на выходе детектора. Эта составляющая могла бы быть использована в интерферометре другой конфигурации для улучшения отношения сигнал/шум, но в интерферометре Майкельсона теряется и, более того, отрицательно влияет на большинство известных источников широкополосного оптического излучения (например, полупроводниковые суперлюминесцентные диоды, суперлюминесцентные источники на легированных волокнах, суперлюмы спонтанного излучения, твердотельные и оптоволоконные фемтосекундные лазеры).
Достоинством интерферометра Маха-Цандера (фиг.2) является то, что в источник не возвращается какая-либо существенная часть оптической мощности, при этом в схеме имеется больше возможностей для разделения мощности между плечами и суммирования мощности, поскольку для разделения и суммирования мощностей используются разные светорасщепители. Кроме того, второй оптический канал, содержащий противофазную интерференционную составляющую, легко доступен и используется в устройстве дифференциального детектирования для улучшения соотношения сигнал/шум. В интерферометре Маха-Цандера измерительное и опорное плечи однонаправленные, поэтому требуется включение оптического циркулятора в измерительное плечо для работы с отражающими исследуемыми объектами. Работа на просвет для построения изображений биотканей с помощью низкокогерентной интерферометрии практически невозможна, поскольку вследствие рассеяния света проникновение в глубь низкокогерентного оптического излучения принципиально ограничено до 2-3 мм, в то время как ткани и органы человека и животного имеют значительно большую толщину. Сканирование по глубине в интерферометре Маха-Цандера можно реализовать с помощью работающей на пропускание встроенной линии задержки, например, оптоволоконной пьезоэлектрической линии задержки. Такая линия задержки может обеспечить лишь 50-процентное изменение длины оптического пути (и, следовательно, 50-процентную глубину сканирования) по сравнению с аналогичным элементом задержки, работающим на отражение, вследствие однонаправленного действия. Поэтому наибольшее распространение получили линии задержки, работающие на отражение, аналогичные тем, которые используются в интерферометре Майкельсона. Однако использование такой линии задержки требует включения еще одного оптического циркулятора в опорное плечо, что ведет к усложнению и удорожанию конструкции.
Известные интерферометры Маха-Цандера реализуют несколько иной способ исследования объекта, описанный, например, в международной заявке № WO 00/16034, в пат. США №6485413. По этому способу формируют низкокогерентное оптическое излучение, которое разделяют на первый и второй пучки низкокогерентного оптического излучения. Первый из упомянутых пучков направляют на исследуемый объект по первой части однонаправленного измерительного оптического пути и фокусируют его на исследуемом объекте, а второй пучок низкокогерентного оптического излучения направляют по однонаправленному опорному оптическому пути. С помощью дополнительной оптической системы низкокогерентное оптическое излучение, несущее информацию об исследуемом объекте, направляют по второй части однонаправленного измерительного оптического пути. Затем смешивают низкокогерентные оптические излучения, прошедшие по измерительному и опорному оптическим путям в прямом направлении, после чего отображают интенсивность низкокогерентного оптического излучения, прошедшего по измерительному оптическому пути и несущего информацию об исследуемом объекте, используя для этого сигнал интерференционной модуляции интенсивности оптического излучения, являющегося результатом указанного смешения. Этот способ, также как и устройства, его реализующие, обеспечивает повышенную эффективность использования мощности источника оптического излучения.
Сканирование в глубь исследуемого объекта как в первом, так и во втором способе, равно как и в интерферометрах, реализующих эти способы, осуществляют, изменяя разность оптических длин путей для низкокогерентного оптического излучения, направляемого на исследуемый объект, и низкокогерентного оптического излучения, направляемого по опорному оптическому пути. При необходимости осуществляют также поперечное сканирование исследуемого объекта.
Ближайшим аналогом разработанного способа исследования объекта является гибридный способ, известный по пат. США №5291267. По этому способу формируют низкокогерентное оптическое излучение, которое разделяют на первый и второй пучки низкокогерентного оптического излучения. Первый из упомянутых пучков направляют на исследуемый объект по двунаправленному измерительному оптическому пути, а второй пучок низкокогерентного оптического излучения направляют по однонаправленному опорному оптическому пути. Оптическое излучение, обратно рассеянное исследуемым объектом, усиливают. Затем смешивают низкокогерентное оптическое излучение, прошедшее по измерительному оптическому пути в прямом и обратном направлениях, и низкокогерентное оптическое излучение, прошедшее по опорному оптическому пути в прямом направлении. Отображают интенсивность низкокогерентного оптического излучения, прошедшего по измерительному оптическому пути и несущего информацию об исследуемом объекте, используя для этого, по меньшей мере, один сигнал интерференционной модуляции интенсивности оптического излучения, являющегося результатом указанного смешения.
Ближайшим аналогом разработанного интерферометра является гибридный оптический интерферометр, реализующий указанный выше способ, также известный по пат. США №5291267. Интерферометр содержит оптически связанные источник низкокогерентного оптического излучения, первый светорасщепитель, измерительное и опорное плечи, второй светорасщепитель и, по меньшей мере, один фотоприемник. Источник низкокогерентного оптического излучения выполнен в виде источника-усилителя. В этом оптическом интерферометре источник выполняет две функции: функцию формирования низкокогерентного оптического излучения низкокогерентного оптического излучения и функцию усиления оптического излучения, обратно рассеянного исследуемым объектом. Измерительное плечо выполнено двунаправленным, а опорное плечо выполнено однонаправленным. Первый светорасщепитель выполняет функцию разделения низкокогерентного оптического излучения от источника на первый и второй пучки низкокогерентного оптического излучения, а второй светорасщепитель выполняет функцию смешения низкокогерентного оптического излучения, прошедшего по измерительному плечу, и низкокогерентного оптического излучения, прошедшего по опорному плечу. Одно из плеч включает элемент, обеспечивающий изменение разности оптических длин плеч оптического интерферометра, т.е. сканирование исследуемого объекта по глубине. Этот оптический интерферометр, также как и реализуемый им способ, обеспечивает повышенную скорость измерений вследствие значительного усиления обратно рассеянного исследуемым объектом сигнала и тем самым высокую эффективность использования мощности источника оптического излучения.
Недостатком способа - ближайшего аналога, также как и гибридного оптического интерферометра, его реализующего, является невозможность обеспечения оптимального соотношения сигнал/шум. Это обусловлено наличием паразитного оптического излучения, формируемого источником одновременно с формированием низкокогерентного оптического излучения, используемого для измерений. Паразитное оптическое излучение излучается в направлении, противоположном основному направлению излучения, и поступает на второй светорасщепитель, осуществляющий формирование интерференционного сигнала. Поскольку паразитное оптическое излучение некогерентно с основным оптическим излучением, оно не участвует в формировании интерференционного сигнала, но, будучи весьма интенсивным, существенно увеличивает уровень шумов в приемнике.
Таким образом, задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является расширение класса способов и оптических интерферометров, предназначенных для исследования объекта с помощью оптического низкокогерентного излучения, обеспечивающих высокую эффективность использования мощности источника оптического излучения при оптимальном соотношении сигнал/шум, т.е. создание способа исследования объекта и оптического интерферометра, эксплуатационные характеристики которых, по меньшей мере, не уступают эксплуатационным характеристикам лучших аналогов, известных из уровня техники.
Сущность разработанного способа исследования объекта заключается в том, что так же, как и в способе, который является ближайшим аналогом, формируют низкокогерентное оптическое излучение, которое разделяют на первый и второй пучки низкокогерентного оптического излучения. Первый пучок низкокогерентного оптического излучения используют для облучения исследуемого объекта, а второй пучок низкокогерентного оптического излучения направляют по опорному оптическому пути в первом направлении. Затем смешивают низкокогерентное оптическое излучение, прошедшее в прямом и обратном направлениях по измерительному оптическому пути, выполненному двунаправленным, со вторым пучком низкокогерентного оптического излучения, прошедшим опорный оптический путь в первом направлении. Отображают интенсивность низкокогерентного оптического излучения, прошедшего по измерительному оптическому пути и несущего информацию об исследуемом объекте, используя для этого, по меньшей мере, один сигнал интерференционной модуляции интенсивности оптического излучения, являющегося результатом указанного смешения.
Новым в разработанном способе исследования объекта является то, что опорный оптический путь выполняют с возможностью распространения по нему двух пучков опорного излучения во встречных направлениях. Первый пучок низкокогерентного оптического излучения разделяют на третий и четвертый пучки низкокогерентного оптического излучения. Упомянутый третий пучок направляют на исследуемый объект, а упомянутый четвертый пучок направляют по опорному оптическому пути во втором направлении. При этом часть оптического излучения, являющегося результатом указанного смешения, дополнительно смешивают с четвертым пучком низкокогерентного оптического излучения, прошедшим опорный оптический путь во втором направлении.
Сущность разработанного оптического интерферометра заключается в том, что он, также как и оптический интерферометр, который является ближайшим аналогом, содержит оптически связанные источник низкокогерентного оптического излучения, первый светорасщепитель, выполняющий функцию разделения низкокогерентного оптического излучения от источника на первый и второй пучки низкокогерентного оптического излучения, измерительное плечо, выполненное двунаправленным, опорное плечо, второй светорасщепитель, выполняющий функцию смешения низкокогерентного оптического излучения, прошедшего по измерительному плечу, со вторым пучком низкокогерентного оптического излучения, и, по меньшей мере, один фотоприемник.
Новым в разработанном оптическом интерферометре является то, что опорное плечо выполнено с возможностью распространения по нему двух пучков опорного излучения во встречных направлениях. При этом второй светорасщепитель дополнительно выполняет функцию разделения первого пучка низкокогерентного оптического излучения на третий и четвертый пучки низкокогерентного оптического излучения. Первый светорасщепитель оптически связан с исследуемым объектом через порты второго светорасщепителя и дополнительно выполняет функцию смешения четвертого пучка низкокогерентного оптического излучения с частью оптического излучения, являющегося результатом смешения низкокогерентного оптического излучения, вернувшегося от исследуемого объекта, со вторым пучком низкокогерентного оптического излучения. По меньшей мере, один из светорасщепителей подключен к соответствующему фотоприемнику.
В частном случае, по меньшей мере, одно из плеч гибридного оптического интерферометра содержит оптическую линию задержки.
В другом частном случае измерительное плечо гибридного оптического интерферометра снабжено зондом, размещенным в его дистальном конце.
В другом частном случае, по меньшей мере, одно из плеч гибридного оптического интерферометра выполнено оптоволоконным.
В другом частном случае зонд выполнен съемным и соединен с остальной частью гибридного оптического интерферометра с помощью разъемного соединения.
В другом частном случае первый светорасщепитель выполнен невзаимным.
В другом частном случае первый светорасщепитель выполнен поляризационно-чувствительным, а в измерительное плечо включен переключатель поляризации.
Разработанные способ исследования объекта и реализующий его гибридный оптический интерферометр предусматривают выполнение опорного оптического пути, т.е. опорного плеча оптического интерферометра, с возможностью распространения по нему двух пучков опорного излучения во встречных направлениях. Выполнение светорасщепителей невзаимными или поляризационно-зависимыми и включением элементов, изменяющих поляризацию, между светорасщепителями и/или в измерительное и опорное плечи оптического интерферометра позволяет оптимизировать коэффициенты расщепления и смешения светорасщепителей. При этом коэффициенты расщепления и смешения могут быть установлены исходя из условия обеспечения наилучшего соотношения сигнал/шум при заданной мощности источника оптического излучения.
Таким образом, предложенные технические решения позволяют решить поставленную задачу, а именно, расширить класс способов и оптических интерферометров, предназначенных для исследования объекта с помощью оптического низкокогерентного излучения, обеспечивающих высокую эффективность использования мощности источника оптического излучения при оптимальном соотношении сигнал/шум, т.е. создание вариантов способов и устройств, эксплуатационные характеристики которых, по меньшей мере, не уступают эксплуатационным характеристикам лучших аналогов, известных из уровня техники.
На фиг.1 изображена структурная схема оптического интерферометра Майкельсона, известного из уровня техники.
На фиг.2 изображена структурная схема оптического интерферометра Маха-Цандера, известного из уровня техники.
На фиг.3 изображена структурная схема гибридного оптического интерферометра, известного из уровня техники.
На фиг.4 приведен вариант структурной схемы гибридного оптического интерферометра, с помощью которого может быть реализован разработанный способ.
Разработанные способ исследования объекта и гибридный оптический интерферометр для его реализации иллюстрируются на примере оптоволоконного интерферометра, входящего в состав устройства для оптической низкокогерентной томографии, хотя очевидно, что они могут быть реализованы с помощью оптических элементов с сосредоточенными параметрами. Такая реализация предпочтительна для медицинских применений, особенно в эндоскопии, где гибкость оптического волокна обеспечивает удобный доступ к различным тканям и органам, включая внутренние органы, через эндоскоп. Однако оптический интерферометр в целом либо любая часть его могут быть выполнены с использованием традиционных оптических элементов с сосредоточенными параметрами: зеркал, призм, и т. д.
Гибридный оптический интерферометр, реализующий предложенный способ, содержит оптически связанные источник 1 низкокогерентного оптического излучения, первый светорасщепитель 2, измерительное плечо 3, опорное плечо 4, второй светорасщепитель 5 и, по меньшей мере, один фотоприемник. В конкретной реализации, приведенной на фиг.5, источник 1 оптически связан с первым портом 6 первого светорасщепителя 2, второй порт 7 которого оптически связан с исследуемым объектом 8 через первый 9 и второй 10 порты второго светорасщепителя 5, а четвертый порт 11 первого светорасщепителя 2 оптически связан с четвертым портом 12 второго светорасщепителя 5. Измерительное плечо 3 выполнено двунаправленным, а опорное плечо 4 имеет форму петли. К третьему порту 13 первого светорасщепителя 2 подключен фотоприемник 14, а к третьему порту 15 второго светорасщепителя 5 подключен фотоприемник 16. В реализации по фиг.5 измерительное плечо 3 содержит оптическую линию задержки 17, а опорное плечо 4 содержит оптическую линию задержки 18. Дистальная часть измерительного плеча 3 включает зонд 19 для удобного доступа к исследуемому объекту 8.
Источник 1 представлят собой источник низкокогерентного оптического излучения видимого или ближнего ИК-диапазона длин волн; в качестве источника 1 может быть использован, например, полупроводниковый суперлюминесцентный диод, суперлюм спонтанного излучения, твердотельный и оптоволоконный фемтосекундный лазер.
В качестве фотоприемников 14, 16 могут быть использованы фотодиоды.
Оптические линии задержки 17, 18 предназначены для изменения разности оптических длин измерительного 3 и опорного 4 плеч, т.е. для сканирования в глубь исследуемого объекта 8. В предпочтительной реализации гибридного оптического интерферометра, приведенной на фиг.4, оптические линии задержки 17, 18 выполнены аналогичными по патенту РФ №2100787 в виде встроенной оптоволоконной линии задержки и приводятся в действие синхронно с соответствующей полярностью для суммирования эффекта с помощью управляющего устройства (на чертежах не показано). Однако могут быть использованы любые известные из уровня техники средства для изменения оптической длины, например, линии задержки, основанные на перемещении зеркала (зеркал), на перемещении призмы (призм), дифракционная линия задержки, вращающиеся зеркала, призмы, кулачковые механизмы и геликоидные зеркала.
В предпочтительном варианте реализации способа исследования объекта зонд 19 выполнен съемным и соединен с остальной частью измерительного плеча 3 с помощью оптоволоконного разъемного соединения. Если оптический интерферометр выполнен на поляризационно сохраняющем волокне, разъемное соединение также должно быть поляризационно сохраняющим. Зонд 19 может иметь любую известную из уровня техники конструкцию, например, это может быть эндоскоп, эндоскопический зонд, катетер, проводниковый катетер, игла, либо он может быть имплантирован в тело для обеспечения мгновенного доступа к внутреннему органу. Если зонд 19 сконструирован для получения изображения по окружности (например, катетер для получения изображения внутренней части сосудов), он может быть соединен с остальной частью интерферометра с помощью вращающегося соединения.
Зонд 19 может включать систему поперечного сканирования, которая может быть выполнена, например, так же, как в устройстве по пат. РФ №2148378.
Работа оптического интерферометра будет понятна из приведенного ниже описания реализации способа исследования объекта.
Способ исследования объекта с помощью оптического интерферометра, структурная схема которого приведена на фиг.4, реализуется следующим образом.
Формируют низкокогерентное оптическое излучение в конкретной реализации видимого или ближнего ИК-диапазона с помощью источника 1. Разделяют это оптическое излучение на первый и второй пучки низкокогерентного оптического излучения с помощью светорасщепителя 2. Первый пучок низкокогерентного оптического излучения поступает на первый порт 9 светорасщепителя 5, с помощью которого первый пучок низкокогерентного оптического излучения разделяют на третий и четвертый пучки низкокогерентного оптического излучения. Упомянутый третий пучок направляют на исследуемый объект 8 по измерительному оптическому пути с помощью измерительного плеча 3, в дистальном конце которого в конкретной реализации размещен зонд 19.
Измерительный оптический путь, сформированный измерительным плечом 3, выполнен двунаправленным. Поэтому третий пучок низкокогерентного оптического излучения проходит по измерительному оптическому пути в прямом направлении со второго порта 10 светорасщепителя 5 через оптическую линию задержки 17 на исследуемый объект 8 и после, по меньшей мере, частичного отражения от объекта 8 проходит по измерительному оптическому пути в обратном направлении через оптическую линию задержки 17 на второй порт 10 светорасщепителя 5.
Опорный оптический путь сформирован опорным плечом 4, которое выполнено с возможностью распространения по нему двух пучков опорного излучения во встречных направлениях. Упомянутый второй пучок низкокогерентного оптического излучения направляют с помощью опорного плеча 4 по опорному оптическому пути в первом направлении с четвертого порта 11 светорасщепителя 2 через оптическую линию задержки 18 на четвертый порт 12 светорасщепителя 5. Упомянутый четвертый пучок низкокогерентного оптического излучения направляют с помощью опорного плеча 4 по опорному оптическому пути во втором направлении с четвертого порта 12 светорасщепителя 5 через оптическую линию задержки 18 на четвертый порт 11 светорасщепителя 2. Низкокогерентное оптическое излучение, вернувшееся от исследуемого объекта 8, смешивают с помощью светорасщепителя 5 со вторым пучком низкокогерентного оптического излучения, прошедшим опорный оптический путь в первом направлении. Часть оптического излучения, являющегося результатом указанного смешения, через первый порт 9 светорасщепителя 5 проходит на второй порт 7 светорасщепителя 2. Это оптическое излучение дополнительно смешивают с помощью светорасщепителя 2 с четвертым пучком низкокогерентного оптического излучения, прошедшим опорный оптический путь во втором направлении. Оптические линии задержки 17, 18 обеспечивают изменение разности оптических длин измерительного 3 и опорного 4 плеч с постоянной скоростью v, т.е. сканирование в глубь исследуемого объекта 8. При изменении разности оптических длин плеч 3, 4 с помощью оптических линий задержки 17, 18 происходит интерференционная модуляция интенсивности смешанного оптического излучения на третьем порте 13 светорасщепителя 2 и на третьем порте 15 светорасщепителя 5 на частоте Доплера
f=v/
,
где v=d
/dt,
v - скорость изменения разности оптических длин путей измерительного 3 и опорного 4 плеч;
- центральная длина волны источника 1.
При этом закон интерференционной модуляции соответствует изменению интенсивности оптического излучения, отраженного или обратно рассеянного исследуемым объектом 8 с различных его глубин. Затем отображают интенсивность низкокогерентного оптического излучения, прошедшего по измерительному оптическому пути и несущего информацию об исследуемом объекте, используя для этого сигнал интерференционной модуляции интенсивности оптического излучения, являющегося результатом указанного смешения. Это осуществляют следующим образом.
Фотоприемники 14, 16 принимают две противофазные переменные составляющие интерференционного сигнала, сформированные за счет смешивания смещенных на частоту Доплера (вследствие сканирования по глубине с постоянной скоростью) излучений из опорного и измерительного плеч 3, 4 соответственно. Фотоприемники 14, 16 обеспечивают преобразование смешанных оптических излучений со второго 10 и четвертого 12 портов светорасщепителя 5 в электрические сигналы, которые поступают на дифференциальный усилитель (на чертеже не показан) и далее на блок обработки и индикации (на чертеже не показан). Блок обработки и индикации может быть выполнен так же, как аналогичный блок, описанный в пат. РФ №2148378, и включает последовательно соединенные полосовой фильтр, логарифмический усилитель, амплитудный детектор, аналого-цифровой преобразователь и компьютер. Полосовой фильтр блока обработки и индикации осуществляет выделение сигнала на частоте Доплера, что обеспечивает улучшение соотношения сигнал/шум. После усиления сигнал поступает на амплитудный детектор, который выделяет сигнал, пропорциональный огибающей этого сигнала. Сигнал, выделенный амплитудным детектором блока обработки и индикации, пропорционален сигналу интерференционной модуляции интенсивности смешанного оптического излучения. Аналого-цифровой преобразователь блока осуществляет преобразование сигнала с выхода амплитудного детектора в цифровую форму. Компьютер блока обработки и индикации обеспечивает отображение на дисплее интенсивности цифрового сигнала. Поскольку цифровой сигнал соответствует изменению интенсивности оптического излучения, отраженного или обратно рассеянного исследуемым объектом 8 с различных его глубин, то полученное на дисплее изображение соответствует изображению исследуемого объекта 8.
Сканирование по глубине с постоянной скоростью может осуществляться с помощью одной оптической линии задержки, включенной в любое плечо. Однако предпочтительно выполнить оптическую линию задержки в виде оптоволоконной линии задержки, содержащей значительное количество оптического волокна, и поскольку другое плечо должно иметь такую же длину оптического пути и, следовательно, аналогичное количество оптического волокна, целесообразно использовать это волокно так, чтобы изменение длины оптического пути было более эффективно. Поэтому в предпочтительном варианте оптическая линия задержки включена как в опорное, так и в измерительное плечо. Сканирование по глубине может также осуществляться за счет фазовой модуляции. В этом случае фазовый модулятор может быть помещен в любое плечо либо в оба плеча (на чертеже не показано).
Хорошо известно, что статические и динамические поляризационные искажения могут возникнуть в любом плече оптического интерферометра, вызывая замирание сигнала. Этот эффект может иметь место в оптическом интерферометре любой известной конфигурации, в том числе и в предложенных вариантах гибридного оптического интерферометра. Для предотвращения либо компенсации этого эффекта могут использоваться различные известные средства. К ним относятся поляризационно сохраняющее (с двойным лучепреломлением) или поляризационно поддерживающее (с высоким поглощением нежелательной поляризации) оптическое волокно, невзаимные элементы (элемент Фарадея, вращатель поляризации на эффекте Фарадея), поляризационно-чувствительный приемник. Кроме того, возможно изменение состояния поляризации с последующим извлечением информации о поляризации из нескольких полученных последовательно изображений. Все эти средства совместимы с предложенной схемой гибридного оптического интерферометра, так же, как и с описанными ранее другими схемами, известными из уровня техники. Кроме того, в любом из плеч могут быть включены поляризационные контроллеры и поляризаторы для сохранения либо для устранения любого необходимого состояния поляризации.
Из уровня техники хорошо известно, что для обеспечения наилучшего соотношения сигнал/шум необходимо неравное распределение мощности источника между измерительным и опорным плечами. В предложенном техническом решении коэффициент расщепления может быть оптимизирован за счет выполнения светорасщепителей 2, 5 невзаимными или поляризационно-зависимыми и включением элементов, изменяющих поляризацию, между светорасщепителем 2 и светорасщепителем 5 и/или в измерительное плечо 3 и в опорное плечо 4. При этом в измерительное плечо 3 должен быть включен элемент, изменяющий поляризацию, как, например, вращатель Фарадея или двупреломляющая пластина, или поляризационный контроллер (на фиг.4 не показано). В этом случае все четыре необходимые коэффициенты расщепления (светорасщепителя 2 в прямом направлении, светорасщепителя 2 в обратном направлении, светорасщепителя 5 в прямом направлении и светорасщепителя 5 в обратном направлении) могут быть оптимизированы исходя из мощности источника 1, центральной длины волны и ширины полосы, оптических потерь в различных элементах, эффективности фотоприемников 14, 16 и уровня темновых шумов, уровня токовых и потенциальных шумов фототока предусилителя, скорости сбора данных и т.д. Эти вычисления достаточно стандартны. Для типичной схемы оптического интерферометра, использующего оптический низкокогерентный источник мощностью несколько милливатт, в спектральном диапазоне 800-1300 нм (центральная длина волны) и длиной когерентности 10-15 
м, светорасщепитель 2 должен при прямом прохождении передавать 95% мощности в измерительное плечо 3. В любом случае как можно больше мощности должно быть направлено из измерительного плеча 3 в светорасщепитель 5 для смешения с опорным излучением. Необходимо отметить, что при любом коэффициенте расщепления светорасщепителя 2 оптическая мощность, отраженная к источнику 1, фактически равна нулю, поскольку уровень мощности, отраженной от биологических объектов, редко превышает 0,1%. При оптимальном согласовании даже эта незначительная мощность не вернется в источник 1.
Формула изобретения
1. Способ исследования объекта, по которому формируют низкокогерентное оптическое излучение, которое разделяют на первый и второй пучки низкокогерентного оптического излучения, первый из которых используют для облучения исследуемого объекта, а второй пучок низкокогерентного оптического излучения направляют по опорному оптическому пути в первом направлении, затем смешивают низкокогерентное оптическое излучение, прошедшее в прямом и обратном направлениях по измерительному оптическому пути, выполненному двунаправленным, со вторым пучком низкокогерентного оптического излучения, прошедшим опорный оптический путь в первом направлении, и отображают интенсивность низкокогерентного оптического излучения, прошедшего по измерительному оптическому пути и несущего информацию об исследуемом объекте, используя для этого, по меньшей мере, один сигнал интерференционной модуляции интенсивности оптического излучения, являющегося результатом указанного смешения, отличающийся тем, что опорный оптический путь выполняют с возможностью распространения по нему двух пучков опорного излучения во встречных направлениях, первый пучок низкокогерентного оптического излучения разделяют на третий и четвертый пучки низкокогерентного оптического излучения, упомянутый третий пучок направляют на исследуемый объект, упомянутый четвертый пучок направляют по опорному оптическому пути во втором направлении, при этом часть оптического излучения, являющегося результатом оптического смешения, дополнительно смешивают с четвертым пучком низкокогерентного оптического излучения, прошедшим опорный оптический путь во втором направлении.
2. Оптический интерферометр, содержащий оптически связанные источник низкокогерентного оптического излучения, первый светорасщепитель, выполняющий функцию разделения низкокогерентного оптического излучения от источника на первый и второй пучки низкокогерентного оптического излучения, измерительное плечо, выполненное двунаправленным, опорное плечо, второй светорасщепитель, выполняющий функцию смешения низкокогерентного оптического излучения, прошедшего по измерительному плечу, со вторым пучком низкокогерентного оптического излучения, и, по меньшей мере, один фотоприемник, отличающийся тем, что опорное плечо выполнено с возможностью распространения по нему двух пучков опорного излучения во встречных направлениях, при этом второй светорасщепитель дополнительно выполняет функцию разделения первого пучка низкокогерентного оптического излучения на третий и четвертый пучки низкокогерентного оптического излучения, а первый светорасщепитель оптически связан с исследуемым объектом через порты второго светорасщепителя и дополнительно выполняет функцию смешения четвертого пучка низкокогерентного оптического излучения с частью оптического излучения, являющегося результатом смешения низкокогерентного оптического излучения, вернувшегося от исследуемого объекта, со вторым пучком низкокогерентного оптического излучения, причем, по меньшей мере, один из светорасщепителей подключен к соответствующему фотоприемнику.
3. Оптический интерферометр по п.2, отличающийся тем, что, по меньшей мере, одно из плеч оптического интерферометра содержит оптическую линию задержки.
4. Оптический интерферометр по п.2, отличающийся тем, что, по меньшей мере, одно из плеч оптического интерферометра содержит фазовый модулятор.
5. Оптический интерферометр по любому из пп.2-4, отличающийся тем, что измерительное плечо оптического интерферометра снабжено зондом, размещенным в его дистальном конце.
6. Оптический интерферометр по п.5, отличающийся тем, что, по меньшей мере, часть измерительного плеча оптического интерферометра, включающая зонд, выполнена оптоволоконной.
7. Оптический интерферометр по п.5, отличающийся тем, что зонд выполнен съемным и соединен с остальной частью оптического интерферометра с помощью разъемного соединения.
8. Оптический интерферометр по любому из пп.2-4, отличающийся тем, что, по меньшей мере, одно из плеч оптического интерферометра выполнено оптоволоконным.
9. Оптический интерферометр по любому из пп.2-4, отличающийся тем, что, по меньшей мере, один из светорасщепителей выполнен оптоволоконным.
10. Оптический интерферометр по любому из пп.2-4, отличающийся тем, что первый светорасщепитель выполнен невзаимным.
11. Оптический интерферометр по любому из пп.2-4, отличающийся тем, что первый светорасщепитель выполнен поляризационно-чувствительным, а в измерительное плечо включен переключатель поляризации.
РИСУНКИ
PC4A - Регистрация договора об уступке патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение
Прежний патентообладатель:Сергеев Александр Михайлович,Геликонов Валентин Михайлович,Геликонов Григорий Валентинович
(73) Патентообладатель:Общество с ограниченной ответственностью "ОПТОМЕДТЕХ"
Договор № РД0034898 зарегистрирован 10.04.2008
Извещение опубликовано: 20.05.2008 БИ: 14/2008
