Оптический спектрометр с волоконным входом для оптической когерентной томографии

Изобретение относится к оптической интерферометрии и может быть использовано для создания оптического спектрометра, нечувствительного к состоянию поляризации регистрируемого излучения. Оптический спектрометр с волоконным входом для оптической когерентной томографии содержит последовательно расположенные входное волокно с деполяризующим элементом, коллиматор, дисперсионный оптический элемент, фокусирующий элемент, фотоприемник линейного типа. При этом деполяризующий элемент выполнен в виде двух отрезков поляризационно-удерживающего волокна различной длины, при этом длины и разность длин этих двух отрезков больше либо равны отношению длины когерентности регистрируемой спектральной компоненты к разности показателей преломления поляризационно-удерживающего волокна для собственных поляризационных мод, причем поляризационные моды второго отрезка повернуты на 45 градусов относительно поляризационных мод первого отрезка. Технический результат заключается в улучшении характеристик выходного сигнала. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к оптической интерферометрии, в частности к спектральной рефлектометрии и оптической когерентной томографии, и может быть использовано для создания оптического спектрометра, нечувствительного к состоянию поляризации регистрируемого излучения.

Оптическая интерферометрия, предполагающая регистрацию оптических спектров интерферирующих волн в широком спектральном диапазоне (десятки процентов центральной длины волны), предназначена для построения пространственно-разрешенных изображений внутренней структуры рассеивающих сред, в первую очередь, биологических. Регистрация оптических спектров осуществляется с использованием спектрометра, содержащего дисперсионный элемент, коэффициент пропускания которого, в общем случае, зависит от состояния поляризации регистрируемого излучения (поляризационная зависимость пропускания). Перемещение ОКТ зонда с оптическим трактом из одномодового волокна меняет состояние поляризации проходящего по нему оптического излучения. Соответственно меняется и состояние поляризации регистрируемого спектрометром излучения. Это приводит к изменению величины регистрируемого спектрометром сигнала из-за поляризационной зависимости коэффициента пропускания. Поскольку величина регистрируемого сигнала содержит диагностическую информацию, то ее изменение, обусловленное причинами, отличными от изменения свойств зондируемой среды, может пагубно влиять на диагностическую ценность такой информации.

По патенту US 7817274 «Compact spectrometer» публ. от 19.10.2010 г., МПК G01J 3/28 известен оптический спектрометр с волоконным входом, содержащий входное волокно, коллиматор, дисперсионный оптический элемент в виде дифракционной решетки, фокусирующий элемент и детектор. Дифракционная решетка имеет зависимость эффективности дифракции от поляризации падающего на нее излучения. Таким образом, изменение поляризации излучения на входе приводит к изменению величины выходного сигнала. Недостатком устройства - аналога является чувствительность к поляризации входного излучения.

Ближайшим аналогом разработанного спектрометра с волоконным входом для оптической когерентной томографии является устройство, известное по публикации Tong Wu, Shuaishuai Sun, Xuhui Wang, Haiyan Zhang, Chongjun He, Jiming Wang, Xiaorong Gu, Youwen Liu, Optimization of linear-wavenumber spectrometer for high-resolution spectral domain optical coherence tomography // Optics Communications, Volume 405, pp. 171-176, 2017. Описанный в устройстве - прототипе оптический спектрометр с волоконным входом для оптической когерентной томографии содержит входное волокно, коллиматор, дисперсионный оптический элемент, фокусирующий элемент и фотоприемник линейного типа.

Опорное и анализируемое излучения по входному оптическому волокну поступают на коллиматор, который формирует параксиальный оптический пучок. Затем этот пучок излучения подается на дисперсионный элемент, который представляет собой последовательно расположенные дифракционную решетку и призму. На выходе дисперсионного элемента спектральные компоненты имеют угол распространения, определяемый оптической частотой излучения. Разделенные таким образом по углу распространения спектральные компоненты, проходя через фокусирующий элемент, фокусируются в плоскости фотоприемника линейного типа.

Дисперсионный оптический элемент имеет различные коэффициенты пропускания для поляризационных компонент излучения, вектор колебания напряженности электрического поля которых перпендикулярен плоскости падения параксиального оптического пучка на дисперсионный элемент и для компонент излучения, вектор колебания напряженности электрического поля которых лежит в плоскости падения параксиального оптического пучка на дисперсионный элемент. При прохождении через дисперсионный оптический элемент одна из поляризационных компонент имеет большие потери (поляризационно-зависимые), чем другая. Это приводит к тому, что при изменении состояния поляризации регистрируемого излучения, обусловленного изгибными деформациями одномодового волокна оптического тракта зонда, происходит изменение уровня сигнала, прошедшего через дисперсионный оптический элемент и регистрируемого затем фотоприемником линейного типа, не связанное с изменением свойств исследуемого объекта. Как следствие, это приводит к искажению получаемых изображений, что совершенно недопустимо при получении изображений биологических объектов в диагностических целях.

Недостатком устройства - прототипа является чувствительность спектрометра к состоянию поляризации регистрируемого излучения.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является разработка оптического спектрометра с волоконным входом для оптической когерентной томографии, с улучшенными характеристиками регистрации сигнала, а именно повышением достоверности регистрируемого сигнала, связанным с нечувствительностью спектрометра к упругим изгибным деформациям во входном волокне, вызывающим изменение состояния поляризации регистрируемого излучения.

Указанный технический результат достигается благодаря тому, что разработанный оптический спектрометр с волоконным входом для оптической когерентной томографии так же, как и ближайший аналог, содержит последовательно расположенные входное волокно, коллиматор, дисперсионный оптический элемент, фокусирующий элемент, фотоприемник линейного типа.

Новым в разработанном устройстве является то, что входное волокно содержит деполяризующий элемент, выполненный в виде двух отрезков поляризационно-удерживающего волокна различной длины, при этом длины и разность длин этих двух отрезков больше либо равны отношению длины когерентности регистрируемой спектральной компоненты к разности показателей преломления поляризационно-удерживающего волокна для собственных поляризационных мод, причем поляризационные моды второго отрезка повернуты на 45 градусов относительно поляризационных мод первого отрезка.

В частном случае в разработанном оптическом спектрометре с волоконным входом для оптической когерентной томографии длины отрезков поляризационно-удерживающего волокна относятся друг к другу как 1:2.

На фиг. 1 представлена схема реализации разработанного оптического спектрометра с волоконным входом для оптической когерентной томографии.

На фиг. 2 представлена схема деполяризующего элемента, поясняющая принцип его действия.

Оптический спектрометр с волоконным входом по фиг. 1 содержит входное волокно 1, деполяризующий элемент 2, коллиматор 3, дисперсионный оптический элемент 4, фокусирующий элемент 5 и фотоприемник линейного типа 6.

Регистрируемое излучение проходит по входному волокну 1 и поступает на деполяризующий элемент 2. Деполяризующий элемент 2 взаимодействует с отдельными поляризационными компонентами излучения, формируя на выходе излучение, имеющее одинаковые проекции на собственные оси дисперсионного оптического элемента 4. Сформированное деполяризованное излучение поступает на коллиматор 3, где преобразуется в параксиальный оптический пучок. Параксиальный оптический пучок поступает на дисперсионный оптический элемент 4, где отдельные спектральные компоненты изменяют направление распространения в зависимости от длины волны А, на угол, определяемый свойствами дисперсионного оптического элемента 4. Далее, проходя через фокусирующий элемент 5, оптическая ось которого совпадает с направлением распространения центральной компоненты излучения, излучение фокусируется на фотоприемник линейного типа 6.

Деполяризующий элемент 2 выполнен из двух отрезков поляризационно-удерживающего волокна разной длины, причем поляризационные моды второго отрезка повернуты на 45 градусов относительно поляризационных мод первого отрезка. К тому же длины и разность длин этих отрезков поляризационно-удерживающего волокна больше либо равны отношению длины когерентности регистрируемой спектральной компоненты к разности показателей преломления поляризационно-удерживающего волокна для собственных поляризационных мод.

При распространении излучения по поляризационно-удерживающему волокну (РМ optical fiber) вследствие поляризационной модовой дисперсии две поляризационные компоненты (по медленной и быстрой осям - AS и aF соответственно) распространяются с различными скоростями, определяемыми, соответственно, эффективными показателями преломления для этих мод nS и nF.

При этом каждая из поляризационных мод при прохождении первого отрезка поляризационно-удерживающего волокна проходит оптический путь, равный произведению длины L1 отрезка поляризационно-удерживающего волокна на показатель преломления для конкретной поляризационной моды (nS и nF соответственно)

Взаимная оптическая разность хода возникающая между быстрой и медленной модами в первом отрезке поляризационно-удерживающего волокна, определяется выражением

При длине отрезка волокна L1, определяемой выражением

где - длина когерентности отдельной спектральной компоненты, регистрируемой спектрометром,

оптическая разность хода возникающая между быстрой и медленной модами, становится больше длины когерентности, и когерентность между поляризационными модами AS и aF теряется.

В случае если мощности поляризационных мод равны (AS=aF) на входе деполяризующего элемента 2, в собственных поляризационных модах поляризационно-удерживающего волокна после прохождения первого отрезка волокна длиной L1 излучение становится деполяризованным. В силу отсутствия интерференции между проекциями поляризационных мод на собственные оси дисперсионного оптического элемента 4 суммарная мощность регистрируемого излучения определяется суммой мощностей отдельных поляризационных компонент и сохраняется неизменной вне зависимости от взаимной ориентации собственных осей поляризационно-удерживающего волокна и дисперсионного оптического элемента 4.

В случае разной исходной мощности поляризационных мод AS и aF выходное излучение на выходе первого отрезка поляризационно-удерживающего волокна сохраняет поляризационную неоднородность. Для устранения этой неоднородности применяется второй отрезок аналогичного волокна другой длины, поляризационные моды которого повернуты на 45 градусов относительно поляризационных мод первого отрезка. В этом случае каждая из собственных мод первого отрезка поляризационно-удерживающего волокна формирует излучение равной мощности в собственных поляризационных модах второго отрезка поляризационно-удерживающего волокна: мода AS формирует моды ASS и ASF, а мода aF - aFS и aFF.

Для выполнения условия формирования деполяризованного излучения необходимо обеспечить отсутствие интерференции между проекциями всех мод на собственные оси дисперсионного оптического элемента 4. То есть необходимо, чтобы задержка между любыми двумя из четырех поляризационных компонент ASS, ASF, aFS, aFF была больше длины когерентности регистрируемой спектральной компоненты. Это условие может быть формализовано в виде соотношения

В частном случае реализации разработанного спектрометра с волоконным входом для оптической когерентной томографии деполяризующий элемент 2 выполнен из двух отрезков поляризационно-удерживающего волокна различной длины при этом эти длины относятся как 1:2, то есть L2=2L1, кроме того длины и разность длин упомянутых двух отрезков больше либо равны отношению длины когерентности регистрируемой спектральной компоненты к разности показателей преломления поляризационно-удерживающего волокна для собственных поляризационных мод, причем поляризационные моды второго отрезка повернуты на 45 градусов относительно поляризационных мод первого отрезка. В этом случае общая длина поляризационно-удерживающего волокна, входящего в состав деполяризующего элемента 2, имеет наименьшее значение.

Таким образом, применение во входном волокне разработанного оптического спектрометра деполяризующего элемента, выполненного в виде двух отрезков поляризационно-удерживающего волокна различной длины, при этом длины и разность длин этих двух отрезков больше либо равны отношению длины когерентности регистрируемой спектральной компоненты к разности показателей преломления поляризационно-удерживающего волокна для собственных поляризационных мод, причем поляризационные моды второго отрезка повернуты на 45 градусов относительно поляризационных мод первого отрезка, позволяет равномерно распределить мощность регистрируемого излучения по проекциям на собственные оси поляризационной анизотропии дисперсионного оптического элемента. В результате разработанный оптический спектрометр с волоконным входом становится нечувствительным к изменению состояния поляризации регистрируемого излучения, связанному, например, с упругими изгибными деформациями во входном волокне. То есть разработанный оптический спектрометр с волоконным входом обладает улучшенными, по сравнению с прототипом, характеристиками выходного сигнала, поскольку обеспечивает повышение достоверности регистрируемого сигнала.

1. Оптический спектрометр с волоконным входом для оптической когерентной томографии, содержащий последовательно расположенные входное волокно, коллиматор, дисперсионный оптический элемент, фокусирующий элемент, фотоприемник линейного типа, отличающийся тем, что входное волокно содержит деполяризующий элемент, выполненный в виде двух отрезков поляризационно-удерживающего волокна различной длины, при этом длины и разность длин этих двух отрезков больше либо равны отношению длины когерентности регистрируемой спектральной компоненты к разности показателей преломления поляризационно-удерживающего волокна для собственных поляризационных мод, причем поляризационные моды второго отрезка повернуты на 45 градусов относительно поляризационных мод первого отрезка.

2. Оптический спектрометр с волоконным входом для оптической когерентной томографии по п. 1, отличающийся тем, что длины отрезков поляризационно-удерживающего волокна относятся друг к другу как 1:2.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области одновременного измерения цвета и линейных размеров легкодеформирующихся объектов, например шишек свежеубранного хмеля. Технический эффект заключается в повышении точности сортировки шишек хмеля по цвету и линейным размерам, а также в повышении производительности выполнения операций сортировки.

Группа изобретений относится к волоконной оптике. Устройство измерения спектральных характеристик волоконно-оптических брэгговских решеток включает полупроводниковый лазер со встроенным элементом нагрева-охлаждения.

Изобретение относится к способам измерения абсолютной спектральной чувствительности многоэлементных или матричных ИК фотоприемников (ИК МФПУ). Способ позволяет за одно измерение определить абсолютную спектральную чувствительность всех фоточувствительных элементов (ФЧЭ) ИК МФПУ.

Изобретение относится к области клинической диагностики и биохимии в части создания методов, позволяющих измерять каталитическую активности веществ, и может использоваться для идентификации и определения параметров каталитической активности предварительно неизвестных биологически активных веществ.

Изобретение относится к области анализа характеристик покрытий и касается компьютерной системы для вычисления индикаторов текстур покрытий. Компьютерная система сконфигурирована для приема переменных текстуры целевого покрытия из изображения целевого покрытия, доступа к базе данных относительных текстурных характеристик, в которой хранится набор зависимостей текстурных характеристик для множества покрытий, вычисления корреляции между переменными текстуры целевого покрытия и переменными данных текстуры, связанных со сравниваемым покрытием, и вычисления на основе вычисленной корреляции набора относительных текстурных характеристик для целевого покрытия, которые указывают относительные различия по текстуре между целевым покрытием и сравниваемым покрытием.

Изобретение относится к области колориметрии и касается способа определения показателя для характеризации качества настройки цветового тона лака по отношению к цветовому эталону.

Изобретение относится к способам определения ширины запрещенной зоны темновой и фотопроводимости органических полупроводников на основе гетероатомных соединений.

Изобретение относится к промышленной безопасности. Система постоянного контроля концентрации паров углеводородов нефти и нефтепродуктов в воздухе рабочей зоны при проведении огневых и газоопасных работ включает в себя передвижной газоанализатор, блок контроля и управления и блок исполнения радиокоманд.

Фотометр // 2659977
Изобретение относится к устройствам для измерения яркости поверхностей пищевых продуктов, материалов, изделий, источников света, экранов мониторов. Фотометр содержит корпус, блок питания, осветительно-приемный блок и измерительную головку, программируемый микроконтроллер последовательно включает-выключает светодиоды, закрепленные в осветительно-приемном блоке, белого, красного, синего и зеленого цвета, которые освещают исследуемую поверхность, а отраженный свет улавливается светочувствительным датчиком, преобразуется пропорционально величине силы света в электрический ток, передается на анализ в программируемый микроконтроллер, который по алгоритму загруженной через USB-кабель от ЭВМ программы, передает данные на монитор в буквенно-цифровом формате как результат измерения яркости поверхностей, при этом корпус изготовлен из ударопрочной пластмассы, а блок питания состоит из четырех щелочных батарей АА по 1,5 В.

Изобретение относится к устройствам сканирования возбуждаемого лазерным источником излучения спектра флуоресценции поверхности объекта исследований и представления результата в виде изображений в видимом и ИК-диапазонах.

Изобретение относится к контрольно-измерительным приборам, а именно к электроизмерительным приборам, и предназначено для получения спектров фотопроводимости образцов полупроводников.

Изобретение относится к области физических исследований и управлению свойствами молекул и материалов, в частности к способу модификации свойств молекул и устройству для реализации способа, и может быть использовано для изменения физических свойства веществ, например диэлектрической проницаемости, электропроводности, флуоресценции, индуктивности и химических свойств, например констант связывания и скорости химических реакций.

Изобретение относится к устройствам сканирования возбуждаемого лазерным источником излучения спектра флуоресценции поверхности объекта исследований и представления результата в виде изображений в видимом и ИК-диапазонах.

Устройство для вариативной одноцветной спектроскопии «накачка-зондирование» в терагерцовом диапазоне содержит перестраиваемый по частоте источник монохроматического излучения, первую пропускающую дифракционную решетку и вторую пропускающую дифракционную решетку.

Изобретение относится к области измерительной техники и касается устройства для регистрации инфракрасных спектров твердых веществ. Устройство содержит корпус в виде цилиндра, имеющего расширение, выполненное в виде кюветы для регистрации спектров и расположенное на платформе.

Группа изобретений относится к области косметологии и раскрывает систему получения индивидуализированной композиции для обработки волос, а также способ приготовления окрашивающей композиции с использованием вышеуказанной системы.

Изобретение относится к области оптического приборостроения и касается многощелевой гиперспектральной камеры с комбинированным отслеживанием изображения. Камера включает в себя входной объектив, щелевую структуру, коллимационный объектив, диспергирующий элемент, выходной объектив, фотоприемное устройство.

Изобретение относится к области спектроскопии и касается спектрометра с пространственным модулятором света. Спектрометр включает в себя входное устройство для приема оптического излучения; дисперсионный элемент, предназначенный для рассеивания падающего оптического излучения, проходящего из входного устройства, выходное устройство и пространственный модулятор света, принимающий рассеянное дисперсионным элементом оптическое излучение и предназначенный для выборочного направления частей длины волны принятого излучения на выходное устройство.

Изобретение относится к области спектроскопии и касается спектрометра с регулируемым дефлектором. Спектрометр включает в себя спектрально рассеивающий оптический элемент для спектрального рассеивания принимаемого света, рычажно-оптический регулируемый дефлектор для регулируемого отклонения спектрально рассеянного света и детекторную матрицу для приема спектрально рассеянного и регулируемо отклоняемого света.

Изобретение относится к области оптических методов контроля и касается датчика для проверки ценного документа. Устройство включает в себя, по меньшей мере, два фотодетектора, принимающих свет в разных спектральных диапазонах.

Изобретение относится к оптической интерферометрии и может быть использовано для создания оптического спектрометра, нечувствительного к состоянию поляризации регистрируемого излучения. Оптический спектрометр с волоконным входом для оптической когерентной томографии содержит последовательно расположенные входное волокно с деполяризующим элементом, коллиматор, дисперсионный оптический элемент, фокусирующий элемент, фотоприемник линейного типа. При этом деполяризующий элемент выполнен в виде двух отрезков поляризационно-удерживающего волокна различной длины, при этом длины и разность длин этих двух отрезков больше либо равны отношению длины когерентности регистрируемой спектральной компоненты к разности показателей преломления поляризационно-удерживающего волокна для собственных поляризационных мод, причем поляризационные моды второго отрезка повернуты на 45 градусов относительно поляризационных мод первого отрезка. Технический результат заключается в улучшении характеристик выходного сигнала. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Наверх