Интерферометрическое устройство (варианты) - RU2273823C1

Чертежи

Описание

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к устройствам, отличающимся оптическими средствами измерения, и может быть использовано в приборах для исследования внутренней структуры объектов оптическими средствами, а именно в низкокогерентных рефлектометрах и устройствах для оптической когерентной томографии, применяемых, в частности, в медицинской диагностике состояния отдельных органов и систем человека, в том числе in vivo, а также в технической диагностике, например для контроля технологических процессов.

Уровень техники

Достоинством интерферометрических устройств, используемых для исследования внутренней структуры объектов 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. Устройства такого типа достаточно хорошо известны (см., например, пат. США №№5321501, 5383467, 5459570, 5582171, 6134003, 6657727). Иногда оптическую схему интерферометрического устройства полностью или частично реализуют с использованием оптических элементов с сосредоточенными параметрами (пат. США №5383467), но чаще интерферометрические устройства такого назначения выполняют оптоволоконными (пат. США №№5321501, 5459570, 5582171).

Такие устройства традиционно содержат источник низкокогерентного оптического излучения, оптический интерферометр и элемент доставки низкокогерентного оптического излучения к исследуемому объекту. При этом оптический интерферометр включает, по меньшей мере, один светорасщепитель и два плеча. По меньшей мере, одно из плеч оптического интерферометра содержит управляемый сканер, выполняющий функцию сканирования окна когерентности низкокогерентного оптического излучения вглубь исследуемого объекта в пределах зоны наблюдения. Управляемый сканер соединен с источником управляющего напряжения. Элемент доставки низкокогерентного оптического излучения к исследуемому объекту может быть частью одного из плеч оптического интерферометра (например, пат. США №532150; пат. РФ №2100787), а может быть размещен вне оптического интерферометра (например, заявка США №2003/0086093). Вне зависимости от места расположения элемента доставки низкокогерентного оптического излучения оптический интерферометр чаще всего выполнен в виде интерферометра Майкельсона (например, пат. США №№5321501, 5459570, 6069698, 6134003; пат. РФ №№№2100787, 2148378, 2169347) либо в виде интерферометра Маха-Цандера (например, пат. США №№5582171, 6687010). Известно также использование оптических интерферометров гибридного типа (например, пат, США №№5291267, 6657727).

В интерферометрических устройствах, работа которых основана на методе оптической когерентной томографии, интерференционный сигнал наблюдается только при равенстве оптических длин плеч оптического интерферометра в пределах окна когерентности, составляющего около 5-20 микрон. При исследовании объекта зону когерентности сканируют вглубь исследуемого объекта в пределах зоны наблюдения, которая составляет ˜2-5 мм. Поэтому при построении любой из перечисленных оптических схем интерферометрического устройства особое внимание уделяется согласованию оптических длин плеч оптического интерферометра. Согласование плеч оптического интерферометра может быть нарушено и при эксплуатации устройства, в частности при смене оптического зонда, при неравномерном изменении оптических длин плеч оптического интерферометра под воздействием температуры окружающей среды, при поперечном сканировании объектов, имеющих глубокий профиль, при движении объекта или движении поперечного сканера. Кроме того, в процессе эксплуатации устройства может возникнуть необходимость смещения границы зоны наблюдения для обследования различных участков объекта.

Известно включение в одно из плеч оптического интерферометра дополнительного управляемого сканера, обеспечивающего управление местоположением границы зоны наблюдения (например, пат. США №№6069698, 6191862, 6552796, 6615072).

Недостатком указанных устройств является то, что управляемые сканеры в них, как тот, что обеспечивает сканирование окна когерентности низкокогерентного оптического излучения вглубь исследуемого объекта в пределах зоны наблюдения, так и тот, который изменяет местоположение границы зоны наблюдения, выполнены в виде механических линий задержки. Устройства, использующие такие линии задержки, хотя и допускают возможность автоматизации процесса измерений, являются дорогостоящими и достаточно сложными устройствами, они чувствительны к вибрациям и условиям окружающей среды и потому плохо пригодны к использованию в медицинских исследованиях, особенно in vivo.

Другим недостатком известных технических решений является то, что в них не предусмотрена коррекция искажения, формируемого томографического изображения поперечного сечения объекта в случае, когда интерферометрическое устройство входит в состав устройства для оптической когерентной томографии, а устройство для поперечного сканирования, по меньшей мере частично, входит в состав оптического зонда. Это искажение обусловлено аберрацией оптической длины пути для низкокогерентного оптического излучения, направляемого на исследуемый объект, и обусловлено поперечным сканированием. Особенно наглядно это искажение проявляется при исследовании плоского объекта, поскольку вследствие указанной аберрации томографическое изображение поперечного сечения плоского объекта выглядит искривленным. Искажение томографического изображения связано с особенностью его построения по интерференционному сигналу, являющемуся результатом смешения оптического излучения, вернувшегося от исследуемого объекта, и излучения, прошедшего по референтному пути. При указанном способе поперечного сканирования низкокогерентное оптическое излучение, направляемое на исследуемый объект, исходит из точек, разноудаленных от оптической оси устройства. Поэтому, в то время как оптическая длина пути низкокогерентного оптического излучения, распространяющегося по референтному пути, неизменна, оптическая длина пути для низкокогерентного оптического излучения, направляемого на исследуемый объект, при поперечном сканировании не является константой, что приводит к искажению формируемого томографического изображения.

По международной заявке № PCT/RU 03/000252 известно интерферометрическое устройство, в котором обеспечивается коррекция искажения томографического изображения за счет коррекции указанной аберрации путем использования специальной линзовой системы, установленной внутри оптоволоконного зонда. Однако в некоторых случаях, например при проведении медицинских исследований, требуемые размеры оптоволоконного зонда столь малы, что не позволяют включение такой линзовой системы.

Ближайшим аналогом первого варианта разработанного интерферометрического устройства по совокупности сходных существенных признаков является одна из модификаций интерферометрического устройства, известного по пат. РФ №2100787. Эта модификация устройства содержит оптически связанные источник низкокогерентного оптического излучения и оптический интерферометр. Оптический интерферометр выполнен в виде интерферометра Майкельсона и включает светорасщепитель, измерительное плечо и опорное плечо. Измерительное плечо включает элемент доставки низкокогерентного оптического излучения к исследуемому объекту, выполненный в виде оптического зонда. Одно из плеч оптического интерферометра включает оптоволоконный управляемый сканер, выполняющий функцию сканирования окна когерентности низкокогерентного оптического излучения вглубь исследуемого объекта в пределах зоны наблюдения. Оптоволоконный управляемый сканер представляет собой оптоволоконную пьезоэлектрическую управляемую линию задержки, выполненную с возможностью изменения оптической длины соответствующего плеча оптического интерферометра в пределах до, по меньшей мере, нескольких десятков длин волн источника оптического излучения, и содержит пьезоэлектрический элемент, характеризующийся высоким поперечным обратным пьезоэффектом, и оптическое волокно, скрепленное с пьезоэлектрическим элементом. При этом пьезоэлектрический элемент выполнен с возможностью формирования в нем электрического поля, а размер пьезоэлектрического элемента в направлении, приблизительно ортогональном вектору электрического поля, существенно превышает размер пьезоэлектрического элемента в направлении, приблизительно совпадающем с вектором электрического поля, причем длина оптического волокна существенно превышает диаметр пьезоэлектрического элемента. Оптоволоконный управляемый сканер подключен к источнику переменного управляющего напряжения.

Ближайшим аналогом второго варианта разработанного интерферометрического устройства по совокупности сходных существенных признаков также является указанная выше модификация интерферометрического устройства, известного по пат. РФ №2100787, входящая в состав устройства для оптической когерентной томографии.

Ближайшим аналогом третьего варианта разработанного интерферометрического устройства по совокупности сходных существенных признаков является другая модификация интерферометрического устройства, известного по пат. РФ №2100787. Эта модификация устройства содержит оптически связанные источник низкокогерентного оптического излучения и оптический интерферометр. Оптический интерферометр выполнен в виде интерферометра Майкельсона и включает светорасщепитель, измерительное плечо и опорное плечо. Измерительное плечо включает элемент доставки низкокогерентного оптического излучения к исследуемому объекту, выполненный в виде оптического зонда. Каждое из плеч оптического интерферометра включает оптоволоконный управляемый сканер, выполняющий функцию сканирования окна когерентности низкокогерентного оптического излучения вглубь исследуемого объекта в пределах зоны наблюдения. Оптоволоконные управляемые сканеры выполнены в виде пьезоэлектрической оптоволоконной управляемой линии задержки. Пьезоэлектрическая оптоволоконная линия задержки выполнена с возможностью изменения оптической длины соответствующего плеча оптического интерферометра в пределах до, по меньшей мере, нескольких десятков длин волн источника оптического излучения. Она содержит пьезоэлектрический элемент, характеризующийся высоким поперечным обратным пьезоэффектом, и оптическое волокно, скрепленное с пьезоэлектрическим элементом. При этом пьезоэлектрический элемент выполнен с возможностью формирования в нем электрического поля, а размер пьезоэлектрического элемента в направлении, приблизительно ортогональном вектору электрического поля, существенно превышает размер пьезоэлектрического элемента в направлении, приблизительно совпадающем с вектором электрического поля, причем длина оптического волокна существенно превышает диаметр пьезоэлектрического элемента. Оптический интерферометр содержит также источник переменного управляющего напряжения, подключенный к оптоволоконному управляемому сканеру.

Ближайшим аналогом четвертого варианта разработанного интерферометрического устройства по совокупности сходных существенных признаков является указанная выше вторая модификация интерферометрического устройства, известного по пат. РФ №2300787, входящая в состав устройства для оптической когерентной томографии.

Достоинством известных устройств по пат. РФ №2100787 является то, что они могут быть выполнены целиком оптоволоконными, без использования дорогостоящих перемещаемых механических элементов, что существенно облегчает применение этих устройств в медицинской практике, поскольку используемые в них оптоволоконные управляемые сканеры не требуют дополнительной настройки и калибровки при эксплуатации. Однако в интерферометрических устройствах по пат. РФ №2100787 не предусмотрена возможность управления местоположением границы зоны наблюдения. В этих устройствах не предусмотрена также возможность коррекции искажения томографического изображения поперечного сечения объекта, вызванной аберрацией оптической длины пути для низкокогерентного оптического излучения, направляемого на исследуемый объект, обусловленной поперечным сканированием. Указанная аберрация возникает в случае, когда интерферометрическое устройство входит в состав устройства для оптической когерентной томографии, а устройство для поперечного сканирования, по меньшей мере частично, входит в состав оптического зонда.

Раскрытие изобретения

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является расширение класса интерферометрических устройств, предназначенных для исследования внутренней структуры объектов методом оптической когерентной томографии, в которых предусмотрена возможность управления местоположением границы зоны наблюдения, при упрощении эксплуатации таких устройств. Другой задачей является расширение класса интерферометрических устройств, входящих в состав устройств для оптической когерентной томографии, в которых предусмотрена возможность коррекции искажения томографического изображения поперечного сечения объекта, вызванного аберрацией оптической длины пути для низкокогерентного оптического излучения, направляемого на исследуемый объект, обусловленной поперечным сканированием.

Сущность первого варианта разработанного интерферометрического устройства заключается в том, что он так же, как и интерферометрическое устройство, являющийся его ближайшим аналогом, содержит оптически связанные источник низкокогерентного оптического излучения, оптический интерферометр и элемент доставки низкокогерентного оптического излучения к исследуемому объекту. Оптический интерферометр включает, по меньшей мере, один светорасщепитель, два плеча, оптоволоконный управляемый сканер, который выполняет функцию сканирования окна когерентности низкокогерентного оптического излучения вглубь исследуемого объекта в пределах зоны наблюдения и размещен в одном из плеч оптического интерферометра, а также источник переменного управляющего напряжения, подключенный к оптоволоконному управляемому сканеру.

Новым в первом варианте разработанного интерферометрического устройства является то, что оптоволоконный управляемый сканер дополнительно выполняет функцию управления местоположением границы зоны наблюдения, а в оптический интерферометр дополнительно введен управляемый источник постоянного управляющего напряжения, подключенный к оптоволоконному управляемому сканеру.

В частном случае элемент доставки низкокогерентного оптического излучения к объекту исследования выполнен в виде оптического зонда.

В другом частном случае интерферометрическое устройство входит в состав устройства для оптической когерентной томографии и включает устройство для поперечного сканирования, которое, по меньшей мере частично, входит в состав оптического зонда.

В другом частном случае оптоволоконный управляемый сканер дополнительно выполняет функцию компенсации аберрации оптической длины пути для низкокогерентного оптического излучения, направляемого на исследуемый объект, обусловленной поперечным сканированием, а в оптический интерферометр дополнительно введен источник компенсирующего управляющего напряжения, подключенный к оптоволоконному управляемому сканеру и выполненный с возможностью формирования управляющего напряжения, обеспечивающего компенсацию отклонения томографического изображения поперечного сечения объекта в присутствии указанной аберрации от неискаженного томографического изображения поперечного сечения объекта.

В другом частном случае оптоволоконный управляемый сканер выполнен с возможностью изменения оптической длины соответствующего плеча оптического интерферометра в пределах до, по меньшей мере, нескольких тысяч длин волн источника оптического излучения.

В конкретной реализации оптоволоконный управляемый сканер выполнен в виде пьезоэлектрической оптоволоконной управляемой линии задержки.

Целесообразно при этом выполнить пьезоэлектрическую оптоволоконную управляемую линию задержки содержащей пьезоэлектрический элемент, характеризующийся высоким поперечным обратным пьезоэффектом, и оптическое волокно, скрепленное с пьезоэлектрическим элементом. При этом пьезоэлектрический элемент выполнен с возможностью формирования в нем электрического поля, а размер пьезоэлектрического элемента в направлении, приблизительно ортогональном вектору электрического поля, существенно превышает размер пьезоэлектрического элемента в направлении, приблизительно совпадающем с вектором электрического поля, причем длина оптического волокна существенно превышает диаметр пьезоэлектрического элемента.

В частном случае пьезоэлектрический элемент выполнен в виде, по меньшей мере, одной пьезоэлектрической пластины.

В другом частном случае оптическое волокно прикреплено к, по меньшей мере, одной поверхности, по меньшей мере, одной пьезоэлектрической пластины.

В другом частном случае оптическое волокно уложено спиралью.

В другом частном случае спираль выполнена многослойной.

В другом частном случае пьезоэлектрический элемент снабжен электродами.

В другой конкретной реализации оптоволоконный управляемый сканер выполнен в виде магнитострикционной оптоволоконной управляемой линии задержки.

В частном случае элемент доставки низкокогерентного оптического излучения к объекту исследования является частью одного из плеч оптического интерферометра.

В другом частном случае элемент доставки низкокогерентного оптического излучения к объекту исследования размещен вне оптического интерферометра и оптически связан с ним через оптическую развязку, при этом дистальная часть элемента доставки низкокогерентного оптического излучения к объекту исследования образует с объектом исследования дополнительный оптический интерферометр.

В конкретной реализации оптическая развязка выполнена в виде светорасщепителя.

В другой конкретной реализации оптическая развязка выполнена в виде оптического циркулятора.

Сущность второго варианта разработанного интерферометрического устройства заключается в том, что он так же, как и интерферометрическое устройство, являющееся его ближайшим аналогом, входит в состав устройства для оптической когерентной томографии и содержит оптически связанные источник низкокогерентного оптического излучения, оптический интерферометр, элемент доставки низкокогерентного оптического излучения к исследуемому объекту, выполненный в виде оптического зонда, и устройство для поперечного сканирования, которое, по меньшей мере частично, входит в состав оптического зонда. Оптический интерферометр включает, по меньшей мере, один светорасщепитель, два плеча, оптоволоконный управляемый сканер, который выполняет функцию сканирования окна когерентности низкокогерентного оптического излучения вглубь исследуемого объекта в пределах зоны наблюдения и размещен в одном из плеч оптического интерферометра, а также источник переменного управляющего напряжения, подключенный к оптоволоконному управляемому сканеру.

Новым во втором варианте разработанного интерферометрического устройства является то, что оптоволоконный управляемый сканер дополнительно выполняет функцию компенсации аберрации оптической длины пути для низкокогерентного оптического излучения, направляемого на исследуемый объект, обусловленной поперечным сканированием. При этом в оптический интерферометр дополнительно введен источник компенсирующего управляющего напряжения, подключенный к оптоволоконному управляемому сканеру и выполненный с возможностью формирования управляющего напряжения, обеспечивающего компенсацию отклонения томографического изображения поперечного сечения объекта в присутствии указанной аберрации от неискаженного томографического изображения поперечного сечения объекта.

В частном случае оптоволоконный управляемый сканер выполнен с возможностью изменения оптической длины соответствующего плеча оптического интерферометра в пределах до, по меньшей мере, нескольких десятков длин волн источника оптического излучения.

В конкретной реализации оптоволоконный управляемый сканер выполнен в виде пьезоэлектрической оптоволоконной управляемой линии задержки.

Целесообразно выполнить пьезоэлектрическую оптоволоконную управляемую линию задержки содержащей пьезоэлектрический элемент, характеризующийся высоким поперечным обратным пьезоэффектом, и оптическое волокно, скрепленное с пьезоэлектрическим элементом. При этом пьезоэлектрический элемент выполнен с возможностью формирования в нем электрического поля, а размер пьезоэлектрического элемента в направлении, приблизительно ортогональном вектору электрического поля, существенно превышает размер пьезоэлектрического элемента в направлении, приблизительно совпадающем с вектором электрического поля, причем длина оптического волокна существенно превышает диаметр пьезоэлектрического элемента.

В другой конкретной реализации оптоволоконный управляемый сканер выполнен в виде магнитострикционной оптоволоконной управляемой линии задержки.

Сущность третьего варианта разработанного интерферометрического устройства заключается в том, что он так же, как и интерферометрическое устройство, являющееся его ближайшим аналогом, содержит оптически связанные источник низкокогерентного оптического излучения, оптический интерферометр и элемент доставки низкокогерентного оптического излучения к исследуемому объекту, при этом оптический интерферометр включает, по меньшей мере, один светорасщепитель, два плеча, первый оптоволоконный управляемый сканер и второй оптоволоконный управляемый сканер, а также источник переменного управляющего напряжения, подключенный к первому оптоволоконному управляемому сканеру, причем первый оптоволоконный управляемый сканер выполняет функцию сканирования окна когерентности низкокогерентного оптического излучения вглубь исследуемого объекта в пределах зоны наблюдения.

Новым в третьем варианте разработанного интерферометрического устройства является то, что второй оптоволоконный управляемый сканер выполняет функцию управления местоположением границы зоны наблюдения, а в оптический интерферометр дополнительно введен управляемый источник постоянного управляющего напряжения, подключенный ко второму оптоволоконному управляемому сканеру.

В частном случае элемент доставки низкокогерентного оптического излучения к объекту исследования выполнен в виде оптического зонда.

В другом частном случае интерферометрическое устройство входит в состав устройства для оптической когерентной томографии и включает устройство для поперечного сканирования, которое, по меньшей мере частично, входит в состав оптического зонда.

В другом частном случае первый оптоволоконный управляемый сканер или второй оптоволоконный управляемый сканер дополнительно выполняет функцию компенсации аберрации оптической длины пути для низкокогерентного оптического излучения, направляемого на исследуемый объект, обусловленной поперечным сканированием, а в оптический интерферометр дополнительно введен источник компенсирующего управляющего напряжения, подключенный к соответствующему оптоволоконному управляемому сканеру и выполненный с возможностью формирования управляющего напряжения, обеспечивающего компенсацию отклонения томографического изображения поперечного сечения объекта в присутствии указанной аберрации от неискаженного томографического изображения поперечного сечения объекта.

В другом частном случае первый оптоволоконный управляемый сканер выполнен с возможностью изменения оптической длины соответствующего плеча оптического интерферометра в пределах до, по меньшей мере, нескольких десятков длин волн источника оптического излучения, а второй оптоволоконный управляемый сканер выполнен с возможностью изменения оптической длины соответствующего плеча оптического интерферометра в пределах до, по меньшей мере, нескольких тысяч длин волн источника оптического излучения.

В конкретной реализации первый оптоволоконный управляемый сканер выполнен в виде пьезоэлектрической оптоволоконной управляемой линии задержки.

В другой конкретной реализации второй оптоволоконный управляемый сканер выполнен в виде пьезоэлектрической оптоволоконной управляемой линии задержка

Целесообразно выполнить пьезоэлектрическую оптоволоконную управляемую линию задержки содержащей пьезоэлектрический элемент, характеризующийся высоким поперечным обратным пьезоэффектом, и оптическое волокно, скрепленное с пьезоэлектрическим элементом. При этом пьезоэлектрический элемент выполнен с возможностью формирования в нем электрического поля, а размер пьезоэлектрического элемента в направлении, приблизительно ортогональном вектору электрического поля, существенно превышает размер пьезоэлектрического элемента в направлении, приблизительно совпадающем с вектором электрического поля, причем длина оптического волокна существенно превышает диаметр пьезоэлектрического элемента.

В другой конкретной реализации первый оптоволоконный управляемый сканер выполнен в виде магнитострикционной оптоволоконной управляемой линии задержки.

В другой конкретной реализации второй оптоволоконный управляемый сканер выполнен в виде магнитострикционной оптоволоконной управляемой линии задержки.

В другом частном случае элемент доставки низкокогерентного оптического излучения к объекту исследования является частью одного из плеч оптического интерферометра.

В другом частном случае элемент доставки низкокогерентного оптического излучения к объекту исследования размещен вне оптического интерферометра и оптически связан с ним через оптическую развязку, при этом дистальная часть элемента доставки низкокогерентного оптического излучения к объекту исследования образует с объектом исследования дополнительный оптический интерферометр.

В конкретной реализации оптическая развязка выполнена в виде светорасщепителя.

В другой конкретной реализации оптическая развязка выполнена в виде оптического циркулятора.

Сущность четвертого варианта разработанного интерферометрического устройства заключается в том, что он так же, как и интерферометрическое устройство, являющееся его ближайшим аналогом, входит в состав устройства для оптической когерентной томографии и содержит оптически связанные источник низкокогерентного оптического излучения, оптический интерферометр, элемент доставки низкокогерентного оптического излучения к исследуемому объекту, выполненный в виде оптического зонда, и устройство для поперечного сканирования, которое, по меньшей мере частично, входит в состав оптического зонда. Оптический интерферометр включает, по меньшей мере, один светорасщепитель, два плеча, первый оптоволоконный управляемый сканер и второй оптоволоконный управляемый сканер, а также источник переменного управляющего напряжения, подключенный к первому оптоволоконному управляемому сканеру, причем первый управляемый сканер выполняет функцию сканирования окна когерентности низкокогерентного оптического излучения вглубь исследуемого объекта в пределах зоны наблюдения.

Новым в четвертом варианте разработанного интерферометрического устройства является то, что второй оптоволоконный управляемый сканер выполняет функцию компенсации аберрации оптической длины пути для низкокогерентного оптического излучения, направляемого на исследуемый объект, обусловленной поперечным сканированием, а в оптический интерферометр дополнительно введен источник компенсирующего управляющего напряжения, подключенный ко второму оптоволоконному управляемому сканеру и выполненный с возможностью формирования управляющего напряжения, обеспечивающего компенсацию отклонения томографического изображения поперечного сечения объекта в присутствии указанной аберрации от неискаженного томографического изображения поперечного сечения объекта.

В частном случае первый оптоволоконный управляемый сканер выполнен с возможностью изменения оптической длины соответствующего плеча оптического интерферометра в пределах до, по меньшей мере, нескольких десятков длин волн источника оптического излучения, а второй оптоволоконный управляемый сканер выполнен с возможностью изменения оптической длины соответствующего плеча оптического интерферометра в пределах до, по меньшей мере, нескольких длин волн источника оптического излучения.

В конкретной реализации первый оптоволоконный управляемый сканер выполнен в виде пьезоэлектрической оптоволоконной управляемой линии задержки.

В другой конкретной реализации второй оптоволоконный управляемый сканер выполнен в виде пьезоэлектрической оптоволоконной управляемой линии задержки.

В другой конкретной реализации первый оптоволоконный управляемый сканер выполнен в виде магнитострикционной оптоволоконной управляемой линии задержки.

В другой конкретной реализации второй оптоволоконный управляемый сканер выполнен в виде магнитострикционной оптоволоконной управляемой линии задержки.

В одном из вариантов разработанного интерферометрического устройства оптоволоконный управляемый сканер реализован выполняющим одновременно две функции: функцию сканирования окна когерентности низкокогерентного оптического излучения вглубь исследуемого объекта в пределах зоны наблюдения и функцию управления местоположением границы зоны наблюдения. В другой модификации этого варианта в случае, когда интерферометрическое устройство входит в состав устройства для оптической когерентной томографии, а устройство для поперечного сканирования, по меньшей мере частично, входит в состав оптического зонда, оптоволоконный управляемый сканер выполняет и третью функцию: функцию компенсации аберрации оптической длины пути для низкокогерентного оптического излучения, направляемого на исследуемый объект, обусловленной поперечным сканированием. В другом варианте разработанного интерферометрического устройства оптоволоконный управляемый сканер выполняет функцию сканирования окна когерентности низкокогерентного оптического излучения вглубь исследуемого объекта в пределах зоны наблюдения и функцию компенсации аберрации оптической длины пути для низкокогерентного оптического излучения, направляемого на исследуемый объект, обусловленной поперечным сканированием. В третьем варианте разработанного интерферометрического устройства первый оптоволоконный управляемый сканер, так же, как в известном устройстве, выполняет функцию сканирования окна когерентности низкокогерентного оптического излучения вглубь исследуемого объекта в пределах зоны наблюдения, а второй оптоволоконный управляемый сканер, в отличие от известного устройства, выполняет функцию управления местоположением границы зоны наблюдения. Кроме того, либо первый оптоволоконный управляемый сканер, либо второй оптоволоконный управляемый сканер в случае, когда интерферометрическое устройство входит в состав устройства для оптической когерентной томографии, а устройство для поперечного сканирования, по меньшей мере частично, входит в состав оптического зонда, может дополнительно выполнять функцию компенсации аберрации оптической длины пути для низкокогерентного оптического излучения, направляемого на исследуемый объект, обусловленной поперечным сканированием. В четвертом варианте разработанного интерферометрического устройства первый оптоволоконный управляемый сканер так же, как в известном устройстве, выполняет функцию сканирования окна когерентности низкокогерентного оптического излучения вглубь исследуемого объекта в пределах зоны наблюдения, а второй оптоволоконный управляемый сканер, в отличие от известного устройства, выполняет функцию компенсации аберрации и оптической длины пути для низкокогерентного оптического излучения, направляемого на исследуемый объект, обусловленной поперечным сканированием. Для выполнения функции сканирования окна когерентности низкокогерентного оптического излучения вглубь исследуемого объекта в пределах зоны наблюдения пьезоэлектрическая управляемая линия задержки должна обеспечивать изменение оптической длины соответствующего плеча оптического интерферометра в пределах до, по меньшей мере, нескольких десятков длин воли источника оптического излучения. Для выполнения функции управления местоположением границы зоны наблюдения пьезоэлектрическая управляемая линия задержки должна обеспечивать изменение оптической длины соответствующего плеча оптического интерферометра в пределах до, по меньшей мере, нескольких тысяч длин волн источника оптического излучения. Для выполнения функции компенсации аберрации оптической длины пути низкокогерентного оптического излучения, обусловленной поперечным сканированием, пьезоэлектрическая управляемая линия задержки должна обеспечивать изменение оптической длины соответствующего плеча оптического интерферометра в пределах до, по меньшей мере, нескольких длин волн источника оптического излучения. Примечательно, что для реализации всех указанных функций, может быть использован оптоволоконный управляемый сканер, выполненный либо в виде пьезоэлектрической, либо в виде магнитострикционной оптоволоконной управляемой линии задержки, при подаче на него соответствующих управляющих напряжений. В предпочтительном варианте используются пьезоэлектрическая оптоволоконная управляемая линия задержки, содержащая пьезоэлектрический элемент, характеризующийся высоким поперечным обратным пьезоэффектом, и оптическое волокно, скрепленное с пьезоэлектрическим элементом. При этом пьезоэлектрический элемент выполнен с возможностью формирования в нем электрического поля, а размер пьезоэлектрического элемента в направлении, приблизительно ортогональном вектору электрического поля, существенно превышает размер пьезоэлектрического элемента в направлении, приблизительно совпадающем с вектором электрического поля, причем длина оптического волокна существенно превышает диаметр пьезоэлектрического элемента.

Предложенные варианты интерферометрического устройства расширяют класс интерферометрических устройств, предназначенных для исследования внутренней структуры объектов методом оптической когерентной томографии, в которых предусмотрена возможность управления местоположением границы зоны наблюдения, при упрощении эксплуатации таких устройств. Предложенные варианты интерферометрического устройства расширяют также класс указанных интерферометрических устройств, входящих в состав устройств для оптической когерентной томографии, в которых предусмотрена возможность коррекции искажения томографического изображения поперечного сечения объекта, вызванного аберрацией оптической длины пути для низкокогерентного оптического излучения, направляемого на исследуемый объект, обусловленной поперечным сканированием. Конкретные виды и формы выполнения интерферометрического устройства и входящих в него элементов, в частности оптического интерферометра, пьезоэлектрического элемента, места расположения элемента доставки оптического излучения и других элементов, характеризуют изобретение в частных конкретных случаях его выполнения.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 изображена функциональная схема первого варианта разработанного интерферометрического устройства, соответствующая одному из частных случаев его реализации.

На фиг.2 изображена функциональная схема второго варианта разработанного интерферометрического устройства, соответствующая одному из частных случаев его реализации.

На фиг.3 изображена функциональная схема третьего варианта разработанного интерферометрического устройства, соответствующая одному из частных случаев его реализации.

На фиг.4 изображена функциональная схема четвертого варианта разработанного интерферометрического устройства, соответствующая одному из частных случаев его реализации.

Фиг.5 иллюстрирует одну из конкретных реализации оптоволоконной пьезоэлектрической линии задержки.

Осуществление изобретения

Интерферометрическое устройство по фиг.1 содержит оптически связанные источник 1 оптического излучения и оптический интерферометр 2. Оптический интерферометр 2 в интерферометрическом устройстве по фиг.1 выполнен в виде интерферометра Майкельсона и включает светорасщепитель 3 и два плеча, одно из которых является измерительным плечом 4, а другое является опорным плечом 5. Одно из плеч оптического интерферометра 2, в конкретной реализации измерительное плечо 4, включает оптоволоконный управляемый сканер 6, выполняющий функцию сканирования окна когерентности низкокогерентного оптического излучения вглубь исследуемого объекта 7 в пределах зоны наблюдения, функцию управления местоположением границы зоны наблюдения и функцию компенсации аберрации оптической длины пути низкокогерентного оптического излучения, направляемого на исследуемый объект, обусловленной поперечным сканированием. Оптический интерферометр 2 содержит также источник 8 переменного управляющего напряжения, управляемый источник 9 постоянного управляющего напряжения и источник 10 компенсирующего управляющего напряжения, подключенные к оптоволоконному управляемому сканеру 6. Интерферометрическое устройство содержит также элемент 11 доставки низкокогерентного оптического излучения к исследуемому объекту 7. В конкретной реализации по фиг.1 элемент 11 является частью одного из плеч оптического интерферометра 2, а именно частью измерительного плеча 4. В конкретной реализации по фиг.1 элемент 11 выполнен в виде оптического зонда 12. Опорное плечо 5 включает на конце неподвижное референтное зеркало 13. Интерферометрическое устройство в конкретной реализации по фиг.1 входит в состав устройства для оптической когерентной томографии. Оптический зонд 12 включает устройство для поперечного сканирования (на чертеже не показано), а к светорасщепителю 3 подключен, по меньшей мере, один фотоприемник, соединенный с блоком обработки и индикации (на чертеже не показаны).

Интерферометрическое устройство по фиг.2 содержит оптически связанные источник 1 оптического излучения и оптический интерферометр 14. Оптический интерферометр 14 в интерферометрическом устройстве по фиг.2 выполнен в виде интерферометра Майкельсона и включает светорасщепитель 3, первое плечо 15 и второе плечо 16. На конце первого плеча 15 установлено зеркало 17, а на конце второго плеча 16 установлено зеркало 18. Одно из плеч оптического интерферометра 14, в конкретной реализации первое плечо 15, включает оптоволоконный управляемый сканер 19, выполняющий функцию сканирования окна когерентности низкокогерентного оптического излучения вглубь объекта 7 в пределах зоны наблюдения и функцию компенсации аберрации оптической длины пути низкокогерентного оптического излучения, направляемого на исследуемый объект, обусловленной поперечным сканированием. Оптический интерферометр 14 содержит также источник 8 переменного управляющего напряжения и источник 10 компенсирующего управляющего напряжения, подключенные к оптоволоконному управляемому сканеру 19. Интерферометрическое устройство содержит также элемент 11 доставки низкокогерентного оптического излучения к объекту 7. В конкретной реализации по фиг.2 элемент 11 выполнен в виде оптического зонда 12 и размещен вне оптического интерферометра 14. Элемент 11 оптически связан с оптическим интерферометром 14 через оптическую развязку 20. Дистальная часть элемента 11 образует с объектом 7 дополнительный оптический интерферометр 21. Интерферометрическое устройство в конкретной реализации по фиг.2 входит в состав устройства для оптической когерентной томографии. Оптический зонд 12 включает устройство для поперечного сканирования (на чертеже не показано), а к светорасщепителю 3 подключен, по меньшей мере, один фотоприемник, соединенный с блоком обработки и индикации (на чертеже не показаны).

Интерферометрическое устройство по фиг.3 содержит оптически связанные источник 1 оптического излучения и оптический интерферометр 22. Оптический интерферометр 22 в интерферометрическом устройстве по фиг.3 выполнен в виде интерферометра Майкельсона и включает светорасщепитель 3 и два плеча, а именно первое плечо 23 и второе плечо 24. На конце первого плеча 23 установлено зеркало 17, а на конце второго плеча 24 установлено зеркало 18. Одно из плеч оптического интерферометра 22, в конкретной реализации первое плечо 23, включает оптоволоконный управляемый сканер 25, выполняющий функцию сканирования окна когерентности низкокогерентного оптического излучения вглубь исследуемого объекта 7 в пределах зоны наблюдения. Другое плечо оптического интерферометра 22, в конкретной реализации опорное плечо 24, включает оптоволоконный управляемый сканер 26, выполняющий функцию управления местоположением границы зоны наблюдения. Оптический интерферометр 22 содержит также источник 8 переменного управляющего напряжения и управляемый источник 9 постоянного управляющего напряжения. Источник 8 подключен к оптоволоконному управляемому сканеру 25, а источник 9 подключен к оптоволоконному управляемому сканеру 26. Интерферометрическое устройство содержит также элемент 11 доставки низкокогерентного оптического излучения к исследуемому объекту 7. В конкретной реализации по фиг.3 элемент 11 размещен вне оптического интерферометра 22, выполнен в виде оптического зонда 12 и оптически связан с оптическим интерферометром 22 через оптическую развязку 20. Дистальная часть элемента 11 образует с объектом 7 дополнительный оптический интерферометр 21.

Интерферометрическое устройство по фиг.3 может входить в состав устройства для оптической когерентной томографии, при этом оно включает устройство для поперечного сканирования (на чертеже не показано), которое, по меньшей мере частично, входит в состав оптического зонда 12. В этом случае один из оптоволоконных управляемых сканеров, т.е. оптоволоконный управляемый сканер 25 или оптоволоконный управляемый сканер 26, дополнительно выполняет функцию компенсации аберрации оптической длины пути для низкокогерентного оптического излучения, направляемого на исследуемый объект 7, обусловленной поперечным сканированием. При этом интерферометрическое устройство дополнительно содержит источник 10 компенсирующего управляющего напряжения, подключенный к соответствующему оптоволоконному управляемому сканеру, а к светорасщепителю 3 подключен, по меньшей мере, один фотоприемник, соединенный с блоком обработки и индикации (на чертеже не показаны).

Интерферометрическое устройство по фиг.4 содержит оптически связанные источник 1 оптического излучения и оптический интерферометр 27. Оптический интерферометр 27 в интерферометрическом устройстве по фиг.4 выполнен в виде интерферометра Майкельсона и включает светорасщепитель 3 и два плеча, одно из которых является измерительным плечом 28, а другое является опорным плечом 29. Одно из плеч оптического интерферометра 22, в конкретной реализации измерительное плечо 28, включает оптоволоконный управляемый сканер 30, выполняющий функцию сканирования окна когерентности низкокогерентного оптического излучения вглубь исследуемого объекта 7 в пределах зоны наблюдения. Другое плечо оптического интерферометра 27, в конкретной реализации опорное плечо 29, включает оптоволоконный управляемый сканер 31, выполняющий функцию компенсации аберрации оптической длины пути для низкокогерентного оптического излучения, направляемого на исследуемый объект, обусловленной поперечным сканированием. Оптический интерферометр 27 содержит также источник 8 переменного управляющего напряжения и источник 10 компенсирующего управляющего напряжения. Источник 8 подключен к оптоволоконному управляемому сканеру 30, а источник 10 подключен к оптоволоконному управляемому сканеру 31. Интерферометрическое устройство содержит также элемент 11 доставки низкокогерентного оптического излучения к исследуемому объекту 7. В конкретной реализации по фиг.4 элемент 11 является частью одного из плеч оптического интерферометра 27, а именно частью измерительного плеча 28, и выполнен в виде оптического зонда 12. Опорное плечо 29 включает на конце неподвижное референтное зеркало 13.

Интерферометрическое устройство по фиг.4 входит в состав устройства для оптической когерентной томографии. Оптический зонд 12 включает устройство для поперечного сканирования (на чертеже не показано), а к светорасщепителю 3 подключен, по меньшей мере, один фотоприемник, соединенный с блоком обработки и индикации (на чертеже не показаны).

Пьезоэлектрическая оптоволоконная управляемая линия задержки по фиг.5 содержит пьезоэлектрический элемент, характеризующийся высоким поперечным обратным пьезоэффектом. Пьезоэлектрический элемент выполнен с возможностью формирования в нем электрического поля, а размер пьезоэлектрического элемента в направлении, приблизительно ортогональном вектору электрического поля, существенно превышает размер пьезоэлектрического элемента в направлении, приблизительно совпадающем с вектором электрического поля. В конкретной реализации пьезоэлектрический элемент выполнен в виде пьезоэлектрической пластины 32. К противоположным поверхностям пьезоэлектрической пластины 32 прикреплены электроды 33, 34 и оптическое волокно 35. Длина оптического волокна 35 существенно превышает диаметр пьезоэлектрической пластины 32. В конкретной реализации оптоволоконной пьезоэлектрической линии задержки по фиг.5 оптическое волокно 35 уложено спиралью. Спираль может быть выполнена многослойной; фиг.5 иллюстрирует двухслойную укладку оптического волокна 35 спиралью.

Источник 1 представляет собой источник низкокогерентного оптического излучения видимого или ближнего ИК-диапазона длин волн; в качестве источника 1 могут быть использованы, например, полупроводниковый суперлюминесцентный диод, суперлюминесцентный диод на легированном оптическом волокне, твердотельный или оптоволоконный фемтосекундный лазер. В качестве источника 1 может использоваться как источник поляризованного, так и неполяризованного оптического излучения.

Оптические интерферометры 2, 14, 22 и 27 могут быть выполнен по любой известной схеме, например в виде интерферометра Майкельсона, в виде интерферометра Маха-Цандера, по гибридной схеме, известной, например, по пат. США №№5291267, 6657727.

Светорасщепитель 3 может быть выполнен оптоволоконным.

Оптоволоконный управляемый сканер 6 под воздействием сообщаемого ему электрического заряда обеспечивает изменение оптической длины измерительного плеча 4 оптического интерферометра 2 в пределах до, по меньшей мере, нескольких тысяч длин волн источника 1. В предпочтительном варианте реализации оптоволоконный управляемый сканер 6 выполнен в виде пьезоэлектрической оптоволоконной управляемой линии задержки, схематичное изображение которой приведено на фиг.5. В качестве оптоволоконного управляемого сканера 6 может быть также использована, например, пьезоэлектрическая оптоволоконная управляемая линия задержки, выпускаемая фирмой Canadian Insrtumentation & Research, Ltd (модель 916), в которой пьезоэлектрический элемент имеет форму цилиндра. Может быть использована, например, пьезоэлектрическая оптоволоконная управляемая линия задержки типа PZ2-HS с цилиндрическим пьезоэлементом, выпускаемая фирмой OPTIPHASE, INC (США). Оптоволоконный управляемый сканер 6 может быть также выполнен в виде магнитострикционной оптоволоконной управляемой линии задержки, известной, например, по статье Trowbridge, F.R., Phillips, R.L. "Metallic-glass fiber-optic phase modulators". Optics Letters, vol.6, Dec.1981, p.636-638.

Источник 8 обеспечивает формирование переменного управляющего напряжения, в конкретной реализации пилообразного напряжения. Амплитуда этого управляющего напряжения определяется параметрами управляемого сканера 6.

Управляемый источник 9 обеспечивает формирование постоянного управляющего напряжения. Величина этого напряжения определяется заданным местоположением границы зоны наблюдения.

Источник 10 обеспечивает формирование управляющего напряжения, обеспечивающего компенсацию отклонения томографического изображения поперечного сечения объекта в присутствии аберрации оптической длины пути для низкокогерентного излучения, направляемого на исследуемый объект 7, обусловленной поперечным сканированием, от неискаженного томографического изображения поперечного сечения объекта.

Компенсирующее управляющее напряжение, формируемое источником 10, в первом приближении пропорционально отклонению томографического изображения поперечного сечения объекта 7 в присутствии указанной аберрации от неискаженного томографического изображения поперечного сечения объекта 7 и обратно пропорционально коэффициенту чувствительности соответствующего оптоволоконного управляемого сканера. Компенсирующее управляющее напряжение изменяется синхронно с изменением координаты поперечного сканирования. Форма компенсирующего напряжения, формируемого источником 10, может быть определена расчетным путем либо быть определена экспериментально при калибровке интерферометрического устройства. При исследовании плоского объекта в большинстве случаев она описывается полиномиальной функцией, например параболой второго порядка. В отсутствие компенсации, при поперечном сканировании плоского объекта на величину 1 мм типичное значение максимального отклонения томографического изображения поперечного сечения объекта от плоского томографического изображения может достигать ˜ 200 мкм. Коэффициент чувствительности оптоволоконного управляемого сканера в предпочтительном варианте разработанного интерферометрического устройства составляет ˜10 мкм/В, поэтому для компенсации указанного отклонения достаточно 20 В.

Источники 8, 9 и 10 могут быть объединены в один источник управляющего напряжения, выполненный с возможностью формирования соответствующих управляющих напряжений.

Элемент 11 предназначен для доставки низкокогерентного оптического излучения к исследуемому объекту 7 и может быть выполнен в виде оптического зонда 12, в частности в виде оптоволоконного зонда по пат. РФ №2148378.

Зонд 12 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 доступа к внутреннему органу. Если зонд 12 сконструирован для получения томографического изображения по окружности (например, катетер для получения томографического изображения внутренней части сосудов), он может быть соединен с остальной частью интерферометра с помощью вращающегося соединения. Зонд 12 может содержать устройство для поперечного сканирования и может быть выполнен, например, по пат. РФ №2148378.

Зеркала 17, 18 могут быть выполнены в виде зеркала Фарадея.

Оптоволоконный управляемый сканер 19 обеспечивает изменение оптической длины измерительного плеча 15 оптического интерферометра 14 в пределах до, по меньшей мере, нескольких десятков длин волн источника 1. Конструктивно оптоволоконный управляемый сканер 19 может быть выполнен аналогично оптоволоконному управляемому сканеру 6.

Оптическая развязка 20 может быть выполнена в виде светорасщепителя, аналогичного светорасщепителю 3, либо в виде оптического циркулятора.

Оптоволоконный управляемый сканер 25 обеспечивает изменение оптической длины измерительного плеча 23 оптического интерферометра 22 в пределах до, по меньшей мере, нескольких десятков длин волн источника 1. Конструктивно оптоволоконный управляемый сканер 25 может быть выполнен аналогично оптоволоконным управляемым сканерам 6 и 19.

Оптоволоконный управляемый сканер 26 обеспечивает изменение оптической длины опорного плеча 24 оптического интерферометра 22 в пределах до, по меньшей мере, нескольких тысяч длин волн источника 1. Конструктивно оптоволоконный управляемый сканер 26 может быть выполнен аналогично оптоволоконным управляемым сканерам 6,19 и 25.

Оптоволоконный управляемый сканер 30 обеспечивает изменение оптической длины измерительного плеча 28 оптического интерферометра 27 в пределах до, по меньшей мере, нескольких десятков длин волн источника 1. Конструктивно оптоволоконный управляемый сканер 30 может быть выполнен аналогично оптоволоконным управляемым сканерам 6, 19, 25 и 26.

Оптоволоконный управляемый сканер 31 обеспечивает изменение оптической длины опорного плеча 29 оптического интерферометра 27 в пределах до, по меньшей мере, нескольких длин волн источника 1. Конструктивно оптоволоконный управляемый сканер 31 может быть выполнен аналогично оптоволоконным управляемым сканерам 6, 19, 25, 26 и 30.

В качестве фотоприемника в устройстве для оптической когерентной томографии может быть использован фотодиод, а блок обработки и индикации может быть выполнен, например, аналогичным блоку по ст. В.М.Геликонов и др. "Когерентная оптическая томография микронеоднородностей биотканей". Письма в ЖЭТФ, т. 61, вып.2, с.149-153, который включает последовательно соединенные полосовой фильтр, логарифмический усилитель, амплитудный детектор, аналого-цифровой преобразователь и компьютер. В качестве устройства для поперечного сканирования могут быть использованы любые известные из уровня техники устройства, например, по пат. США №№3470320, 5317148, 5321501. В предпочтительном варианте реализации изобретения устройство для поперечного сканирования выполнено по пат. РФ №2148378.

Пьезометрическая пластина 32 выполнена из пьезоэлектрика, характеризующегося высоким поперечным обратным пьезоэффектом, например, типа ЦТБС-1. Отношение диаметра пьезоэлектрической пластины 32 к ее толщине определяется условием обеспечения необходимого изменения длины оптического волокна 35 с учетом конкретной конфигурации укладки оптического волокна 35.

Электроды 33, 34 выполнены из металла, например из серебра.

В качестве оптического волокна 35 в интерферометрическом устройстве может быть использовано как изотропное, так и поляризационно сохраняющее оптическое волокно.

Интерферометрическое устройство по фиг.1 работает следующим образом.

Источник 1 формирует низкокогерентное оптическое излучение, в конкретной реализации, видимого или ближнего ИК-диапазона, которое поступает на оптический интерферометр 2. Светорасщепитель 3 осуществляет разделение низкокогерентного оптического излучения от источника 1 на два пучка низкокогерентного оптического излучения и ввод указанных пучков в измерительное и опорное плечи 4, 5 интерферометра 2. Элемент 11, выполненный в виде оптического зонда 12, является частью измерительного плеча 4 и обеспечивает доставку оптического излучения на исследуемый объект 7 и обратный ввод в измерительное плечо 4 сигнала, отраженного или обратно рассеянного исследуемым объектом 7. Референтное зеркало 13 отражает падающее на него низкокогерентное оптическое излучение обратно в референтное плечо 5. Управляемый источник 9 обеспечивает формирование постоянного управляющего напряжения, которое поступает на оптоволоконный управляемый сканер 6. При поступлении этого напряжения на оптоволоконный управляемый сканер 6 происходит соответствующее изменение оптической длины измерительного плеча 4 интерферометра 2, а следовательно, согласование оптических длин измерительного и опорного плеч 4, 5 в пределах, необходимых для осуществления управления местоположением границы зоны наблюдения. Управление местоположением границы зоны наблюдения может осуществляться вручную, а может быть автоматизировано, например, как в устройстве по пат. США №6552796. Источник 8 обеспечивает формирование переменного напряжения, которое также поступает на оптоволоконный управляемый сканер 6. При поступлении этого управляющего напряжения на оптоволоконный управляемый сканер 6 происходит изменение с постоянной скоростью V, оптической длины измерительного плеча 4 оптического интерферометра 2, а следовательно, и изменение разности Δ оптических длин измерительного и опорного плеч 4, 5 оптического интерферометра 2 в соответствии с законом изменения этого управляющего напряжения. Это обеспечивает сканирование окна когерентности низкокогерентного оптического излучения вглубь исследуемого объекта 7 в пределах зоны наблюдения. Оптический интерферометр 2 обеспечивает формирование интерференционного сигнала, являющегося результатом смешения сигналов, прошедших в прямом и обратном направлениях по измерительному и опорному плечам 4, 5, соответственно. При изменении с помощью управляемого сканера 6 разности оптических длин плеч 4, 5 по закону управляющего напряжения от источника 8 происходит интерференционная модуляция интенсивности смешанного оптического излучения на выходе светорасщепителя 3 интерферометра 2, на частоте Допплера

f-V/λ,

где V=dΔ/dt;

V - скорость изменения разности Δ оптических длин измерительного 4 и опорного 5 плеч оптического интерферометра 2;

λ - центральная длина волны источника 1.

Закон интерференционной модуляции соответствует изменению интенсивности оптического излучения, отраженного или обратно рассеянного исследуемым объектом 7 с различных его глубин.

Устройство для поперечного сканирования (на чертеже не показано), входящее в состав оптического зонда 12, осуществляет поперечное сканирование окна когерентности низкокогерентного оптического излучения. Блок обработки и индикации (на чертеже не показан) устройства для оптической когерентной томографии осуществляет построение томографического изображения поперечного сечения исследуемого объекта 7, используя для этого сигнал с выхода фотоприемника (на чертеже не показан). Сигнал на выходе фотоприемника пропорционален сигналу интерференционной модуляции интенсивности смешанного оптического излучения на выходе светорасщепителя 3.

Источник 10 обеспечивает формирование компенсирующего управляющего напряжения, которое также поступает на оптоволоконный управляемый сканер 6. При подаче этого напряжения на оптоволоконный управляемый сканер 6 происходит соответствующее изменение разности оптических длин плеч 4, 5, компенсирующее аберрацию, обусловленную поперечным сканированием. Поэтому блок обработки и индикации устройства для оптической когерентной томографии формирует неискаженное томографическое изображение поперечного сечения исследуемого объекта 7.

Иитерферометрическое устройство по фиг.2 работает следующим образом.

Источник 1 формирует низкокогерентное оптическое излучение, в конкретной реализации, видимого или ближнего ИК-диапазона, которое через оптическую развязку 20 поступает на элемент 11, выполненный в виде оптического зонда 12. Оптический зонд 12 обеспечивает доставку оптического излучения на исследуемый объект 7. В конкретной реализации дополнительный оптический интерферометр 36 образован торцом оптического зонда 12 и исследуемым объектом 7. Оптическое излучение, отраженное от торца оптического зонда 12, и оптическое излучение, отраженное или обратно рассеянное объектом 7, через оптическую развязку 20 и светорасщепитель 3 поступает в оптический интерферометр 14. Источник 8 обеспечивает формирование переменного напряжения, которое поступает на оптоволоконный управляемый сканер 19. Оптоволоконный управляемый сканер 19 выполнен в виде оптоволоконной пьезоэлектрической управляемой линии задержки с возможностью изменения оптической длины соответствующего плеча оптического интерферометра 14, в конкретной реализации, первого плеча 15, в пределах до, по меньшей мере, нескольких десятков длин волн источника 1. Поэтому при поступлении управляющего напряжения от источника 8 на оптоволоконный управляемый сканер 19 происходит изменение с постоянной скоростью V оптической длины измерительного плеча 15 оптического интерферометра 14, а следовательно, и изменение разности Δ оптических длин первого и второго плеч 15, 16 оптического интерферометра 14 в соответствии с законом изменения этого управляющего напряжения. Это обеспечивает сканирование окна когерентности низкокогерентного оптического излучения вглубь исследуемого объекта 7 в пределах зоны наблюдения. Управление местоположением границы зоны наблюдения в этом варианте интерферометрического устройства не предусмотрено. Оптический интерферометр 14 совместно с дополнительным оптическим интерферометром 21 обеспечивает формирование интерференционного сигнала, являющегося результатом смешения сигналов, прошедших по первому и второму плечам 15, 16, соответственно. При изменении с помощью управляемого сканера 19 разности оптических длин плеч 15, 16 по закону управляющего напряжения от источника 8 происходит интерференционная модуляция интенсивности смешанного оптического излучения на выходе светорасщепителя 3 оптического интерферометра 14, на частоте Допплера

f-V/λ,

где V=dΔ/dt;

V - скорость изменения разности Δ оптических длин путей первого 15 и второго 16 плеч оптического интерферометра 14;

λ - центральная длина волны источника 1.

Закон интерференционной модуляции соответствует изменению интенсивности оптического излучения, отраженного или обратно рассеянного исследуемым объектом 7 с различных его глубин.

Устройство для поперечного сканирования (на чертеже не показано), входящее в состав оптического зонда 12, осуществляет поперечное сканирование низкокогерентного оптического излучения. Блок обработки и индикации (на чертеже не показан) устройства для оптической когерентной томографии осуществляет построение томографического изображения поперечного сечения исследуемого объекта 7, используя для этого сигнал с выхода фотоприемника (на чертеже не показан). Сигнал на выходе фотоприемника пропорционален сигналу интерференционной модуляции интенсивности смешанного оптического излучения на выходе светорасщепителя 3.

Источник 10 обеспечивает формирование компенсирующего управляющего напряжения, которое также поступает на оптоволоконный управляемый сканер 19. При подаче этого напряжения на оптоволоконный управляемый сканер 19 происходит соответствующее изменение разности оптических длин плеч 15, 16, компенсирующее аберрацию, обусловленную поперечным сканированием. Поэтому блок обработки и индикации устройства для оптической когерентной томографии формирует неискаженное томографическое изображение поперечного сечения исследуемого объекта 7.

Интерферометрическое устройство по фиг.3 работает аналогично интерферометрическому устройству по фиг.2. Отличие заключается лишь в том, что сканирование окна когерентности низкокогерентного оптического излучения вглубь исследуемого объекта 7 в пределах зоны наблюдения осуществляется с помощью оптоволоконного управляемого сканера 25, а управляемый оптоволоконный сканер 26 обеспечивает управление местоположением границы зоны наблюдения. В конкретной реализации, представленной на фиг.3, не предусмотрена коррекция искажения томографического изображения поперечного сечения объекта, вызванного аберрацией оптической длины пути для низкокогерентного оптического излучения, направляемого на исследуемый объект 7, обусловленной поперечным сканированием. Однако, очевидно, что при подаче на него соответствующего управляющего напряжения либо оптоволоконный управляемый сканер 25, либо оптоволоконный управляемый сканер 26 может выполнять функцию компенсации указанной аберрации.

Интерферометрическое устройство по фиг.4 работает аналогично интерферометрическому устройству по фиг.1. Отличие заключается лишь в том, что сканирование окна когерентности низкокогерентного оптического излучения вглубь исследуемого объекта 7 в пределах зоны наблюдения осуществляется с помощью оптоволоконного управляемого сканера 30, а компенсация аберрации оптической длины пути для низкокогерентного оптического излучения, направляемого на исследуемый объект 7, обусловленной поперечным сканированием, осуществляется с помощью оптоволоконного управляемого сканера 31. В конкретной реализации, представленной на фиг.4, не предусмотрено управление местоположением границы зоны наблюдения. Однако, очевидно, что при подаче на него соответствующего управляющего напряжения либо оптоволоконный управляемый сканер 30, либо оптоволоконный управляемый сканер 31 может выполнять указанную функцию.

Оптоволоконная пьезоэлектрическая линия задержки по фиг.5 работает следующим образом.

Управляющее напряжение от источника управляющего напряжения (на фиг.5 не показан) поступает на электроды 33, 34, которые обеспечивают возникновение на поверхностях пьезоэлектрической пластины 32 разности потенциалов ϕ₁, вызывающей в пьезоэлектрической пластине 32 поперечный обратный пьезоэлектрический эффект. При этом абсолютное значение |ΔD| изменения диаметра пьезоэлектрической пластины 32 определяется выражением

|Δ D|=(D/h)*d₃₁*<ϕ₁,

где D - диаметр пьезоэлектрической пластины 32;

h - толщина пьезоэлектрической пластины 32;

d₃₁ - пьезоэлектрический модуль.

Изменение диаметра пьезоэлектрической пластины 32 в соответствии с законом изменения управляющего напряжения обуславливает соответствующее растяжение или сжатие оптического волокна 35, прикрепленного к поверхностям пьезоэлектрической пластины 32. Изменение длины оптического волокна 35 зависит, в частности, от вида его укладки.

В соответствии с приведенным выражением при однослойной двухсторонней укладке спиралью 24 м оптического волокна 35 на поверхностях пьезоэлектрической пластины 32 диаметром 65 мм и величине управляющего напряжения порядка 275 В можно получить изменение длины оптического волокна 35 на величину 2 мм для пьезоэлектрика типа ЦТБС-1 и 2,4 мм для пьезоэлектрика типа PZT-5H. Для аналогичной пластины при том же значении управляющего напряжения и использовании пяти слоев оптического волокна 35 общей длиной 120 м можно получить изменение длины оптического волокна 35 на величину 10 мм для пьезоэлектрика типа ЦГБС-1 и 12 мм для пьезоэлектрика типа PZT-5H. Данные приведены для двойного прохождения оптического излучения в оптическом интерферометре Майкельсона.

Таким образом, оптоволоконная пьезоэлектрическая линия задержки, схематичное изображение которой приведено на фиг.5, при подаче на нее соответствующих управляющих напряжений и укладке необходимого количества оптического волокна может выполнять функцию сканирования окна когерентности низкокогерентного оптического излучения вглубь исследуемого объекта в пределах зоны наблюдения, функцию управления местоположением границы зоны наблюдения и функцию компенсации аберрации оптической длины пути для низкокогерентного оптического излучения, направляемого на исследуемый объект, обусловленной поперечным сканированием.

Реферат

Предложены варианты интерферометрических устройств, предназначенные для исследования внутренней структуры объектов методом оптической когерентной томографии, в которых предусмотрена возможность управления местоположением границы зоны наблюдения, а также предусмотрена возможность коррекции искажения томографического изображения поперечного сечения объекта, вызванной аберрацией оптической длины пути для низкокогерентного оптического излучения, направляемого на исследуемый объект, обусловленной поперечным сканированием. В вариантах устройства один или два оптоволоконных управляемые сканера в различных сочетаниях выполняют функцию сканирования окна когерентности низкокогерентного оптического излучения вглубь исследуемого объекта в пределах зоны наблюдения, функцию управления местоположением границы зоны наблюдения и функцию компенсации аберрации оптической длины пути для низкокогерентного оптического излучения, направляемого на исследуемый объект, обусловленной поперечным сканированием. Выполнение указанных функций обеспечивается с помощью соответствующих управляющих напряжений. В предпочтительных вариантах разработанного интерферометрического устройства оптоволоконный управляемый сканер реализован в виде оптоволоконной пьезоэлектрической управляемой линии задержки. Технический результат - расширение класса интерферометрических устройств, упрощение эксплуатации. 4 н. и 38 з.п. ф-лы, 5 ил.

Формула