基于扫频光学相干层析技术的双折射率检测装置及其方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于扫频光学相干层析技术的双折射率检测装置及其方法。包括扫频激光器、光调制器、掺铒光纤放大器、耦合器、第一光纤、第二光纤、偏振复用合波器，半导体光放大器、环路器、偏振控制器、光探测器、微波信号滤波器、微波信号放大器、微波信号分路器、示波器和汇聚透镜。本发明着眼于新型光电子技术，尤其是微波光子学的发展与创新对光学相干层析的结构设计改变，提出一种基于双环光电振荡器的扫频偏振光学相干层析双折射率检测技术，实现了对生物组织的双折射率变化的检测转变为对微波信号频率的测量。同时本发明使用了半导体光放大器，利用其双折射效应来补偿光电混合环形结构谐振腔长度变化，实现了应力、温度可校准的检测。
【专利说明】基于扫频光学相干层析技术的双折射率检测装置及其方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及的是一种基于扫频偏振光学相干层析技术的双折射率检测装置及检 测方法。
【背景技术】
[0002] 随着人们对于生活质量要求的不断提高，在医疗检测中对无损伤、安全无害的检 测方式的需求也就越来越强烈，一些传统医学影像方法在成像时需要添加专门的显影剂等 帮助成像的物质或者借助X射线等辐射源，这些外界因素的加入或多或少会对人体造成伤 害。而OCT(偏振光学相干层析，opticalcoherencetomography，文中简称OCT)技术利用 光作为成像手段，通过干涉的方法获取生物组织背向散射光，对组织成像并获得组织内部 信息，如双折射信息、组织的光谱信息、血液多普勒信息等；只需借助光这个媒介，无需添加 任何外加的显影剂，不需要进行生理切片等创伤手段进行探测，属无损检测，因而较其它影 像技术更为安全，被称为"光学活检"。目前，OCT已发展出四个分支，包括：时域0CT、傅里 叶域0CT、平行光束OCT和功能0CT。
[0003] 时域0CT，时域OCT是OCT家族中发展最早的形式，OCT的其它分支都是由其演变 而成的；傅里叶域OCT:傅里叶域OCT在时域OCT的基础上取消了纵向扫描，而在光接收端， 使用光谱仪代替光电探测器；在傅里叶域OCT中，干涉图是以光学频率函数的形式进行探 测的。通过参考臂中一个固定的光学延迟，样品中不同深度反射回的光会产生与不同频率 分量产生干涉图样。再通过傅里叶变换就可以解出不同深度的反射情况，这样一来就可以 产生样品的一个深度分布（A-扫描）。根据光源和探测类型的不同，傅里叶域OCT可以分 为：谱域OCT和扫频0CT。平行光束0CT，与其它OCT不同，照在平行光束OCT干涉仪两臂的 不是光点而是平行光束；相应地在光接收端使用了一组而不是一个光电探测器，这使得它 可以取消横向扫描，只利用纵向扫描形成二维图像，缩短了成像时间；功能OCT:功能OCT不 仅可以采集普通OCT所关注的组织反射率信息，形成灰度图像，对其它由于病变引起的组 织特性变化也十分敏感，对这些附加信息的提取能够为医学诊断提供更多的依据，提高诊 断效率。按照所提取的组织特性不同，功能OCT可分为多普勒OCT和偏振0CT。
[0004] 本发明所提出基于扫频偏振光学相干层析技术的双折射率检测方法及装置，核心 技术是采用微波光子学领域的新型光电振荡方式产生微波信号的方法，将对生物组织的双 折射率变化的检测转变为对微波信号频率的测量，其检测方法及装置结构不同于目前OCT 检测方法。1982年，Neyer和Voges首次提出了利用输出端的光信号反馈控制电光调制器 的这种环形结构来实现振荡器的光电振荡器原理和结构。1994年，美国喷气动力实验室的 X. Steve. Yao和Lute Maleki等人提出并演示了第一个光电振荡器结构，产生了高质量的 微波信号。2000年，Yao和Maleki提出通过增加光纤环路（长光纤和短光纤）形成一个光 滤波器的双环路光电振荡器结构来降低相位噪声。本发明所提出的检测方法及装置采用偏 振复用型双环光电振荡器方案，利用其产生的低相位噪声、稳定、频谱干净的微波信号，把 被测生物组织作为谐振腔的一部分加入到光纤反馈回路中形成振荡，将对生物组织的双折 射率变化的检测转变为对微波信号频率的测量，利用基频的N次谐波进行测量。偏振OCT可以得到普通OCT所忽略的组织双折射信息，健康的生物组织具有规律的双折射分布，而 病变的生物组织，其双折射分布遭到破坏，甚至完全丧失双折射性质。在本发明实施例装 置中被测生物组织的双折射率变化越显著，输出微波的频率间隔越小，而利用振荡基频的N 次谐波测量，比传统偏振OCT检测方法测量范围更广，测量精度更高，这使其在医学领域有 着很好的应用前景。
[0005] 本发明所提出基于扫频偏振光学相干层析技术的双折射率检测方法及装置，考虑 到了在实际测量过程中，光电振荡器中光纤的传输特性参数容易受到环境因素的干扰而发 生变化的现象。从传输损耗、带宽以及抗电磁干扰特性方面看，光纤是传送微波信号的理 想介质，然而环境温度、压力以及弯曲均会导致光纤折射率变化，积累的传输延迟变化将直 接导致微波信号的相位噪声和相位漂移。实验研宄表明，光纤折射率随温度的变化率约为 40psAkmX°C)，对于长度为IOOm的光纤，温度变化I°C相应的延迟约为4ps。压力对光纤传 输相位的影响更为明显，实验研宄表明，光纤折射率随压强的变化率约为70psAkmXMPa)， 对于长度为IOOm的光纤，压强变化IMPa相应的延迟约为7ps。考虑到短时间内环境参数不 会发生突变，因此相位延迟漂移影响着测量结果长期稳定性及重复性，其引起的误差大小 随着测量时间增长、应力、温度变化的增大而增大。因此如何针对偏振OCT方案中电路及光 路的特点，设计相应的相位漂移补偿及抑制技术，从而进一步提高偏振OCT技术的检测精 度是目前在OCT应用中亟需解决的问题。
【发明内容】
[0006] 技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于扫频偏振光学相干层析 技术的双折射率检测装置，可对应力和温度进行校准，降低应力和温度变化对检测精度带 来的影响；同时还提供该检测装置的检测方法，将对生物组织的双折射率变化的检测转变 为对微波信号频率进行测量。
[0007] 技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
[0008] 一种基于扫频偏振光学相干层析双折射率的检测装置，该检测装置包括扫频激光 器、光调制器、掺铒光纤放大器、親合器、第一光纤、第二光纤、偏振复用合波器，半导体光放 大器、环路器、偏振控制器、光探测器、微波信号滤波器、微波信号放大器、微波信号分路器、 示波器和汇聚透镜；扫频激光器的输出端与光调制器的输入端连接，光调制器的输出端与 掺铒光纤放大器的输入端连接，掺铒光纤放大器的输出端与親合器的输入端连接，親合器 的输出端分别通过第一光纤和第二光纤与偏振复用合波器的输入端连接，进一步，所述的 第一光纤和第二光纤的长度不相等。偏振复用合波器的输出端与半导体光放大器的输入端 连接，半导体光放大器的输出端与环路器的第一端口连接，环路器的第二端口通过透镜将 光聚焦到生物样品上，并且通过透镜将反射光送回环路器的第二端口，环路器的第三端口 与偏振控制器的输入端连接，偏振控制器的输出端与光探测器的输入端连接，光探测器的 输出端与微波信号滤波器的输入端连接，微波信号滤波器的输出端与微波信号放大器的输 入端连接，微波信号放大器的输出端与分路器的输入端连接，分路器的第一输出端口与不 波器的输入端连接，分路器的第二输出端口与光调制器的微波调制端连接。
[0009] -种上述的基于扫频偏振光学相干层析技术的双折射率检测方法，该检测方法包 括以下过程：利用扫频激光器发出连续的光波，光波经光调制器调制和掺铒光纤放大器放 大后，通过親合器親合进入第一光纤和第二光纤中，偏振复用合波器将第一光纤和第二光 纤输出的调制光信号分成偏振态相互正交的两束信号，两束信号分别对准半导体光放大器 的横电模和横磁模，通过控制半导体光放大器的偏置电流，获得补偿后的垂直偏振光调制 信号，利用环路器将补偿后的垂直偏振光调制信号穿过透镜射向生物组织样品，然后该垂 直偏振光调制信号由生物组织样品反射，形成携带生物组织信息的反射光，反射光穿过透 镜，返回环路器中，由环路器的第三端口传至偏振控制器中，偏振控制器控制反射光的传输 偏振态，经光探测器输出微波信号，微波信号经微波信号滤波器滤波后，由微波信号放大器 放大，通过分路器分路为两路，一路反馈至光调制器中，形成闭环光电振荡回路，另一路输 出至示波器中，测量微波信号的频率。
[0010] 进一步，所述的基于扫频偏振光学相干层析技术的双折射率检测装置，第一光纤 和第二光纤的长度不相等。
[0011] 进一步，所述的基于扫频偏振光学相干层析技术的双折射率检测装置的检测方 法，第一光纤和第二光纤所输出的调制光信号由偏振复用合波器生成垂直偏振的调制光信 号，两个垂直偏振方向分别对准半导体光放大器的横电模和横磁模方向。半导体光放大器 是一种对外来光子产生受激辐射放大的光电子器件，其本质是一种处于粒子数反转条件下 的半导体增益介质。通过控制半导体光放大器的偏置电流，控制其双折射效应，以补偿受应 力、温度影响而使光电混合环形结构谐振腔长度发生的变化，实现校准检测。
[0012] 进一步，所述的基于扫频偏振光学相干层析技术的双折射率检测装置的检测方 法，所经过半导体光放大器实现应力、温度补偿后的垂直偏振光调制信号，经过环路器穿过 汇聚透镜射向生物组织样品，反射光受生物组织样品的背向散射率和双折射率共同影响， 使得光电混合的环形结构谐振腔参数发生改变，进而改变了其振荡产生的微波信号的频 率，从而实现了对生物组织的双折射率变化的检测转变为在示波器中测量微波信号的频 率。
[0013] 有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0014] (1)本发明所提出基于扫频偏振光学相干层析技术的双折射率检测方法及装置， 实现了对生物组织的双折射率变化的检测转变为对微波信号频率的测量，核心技术是采用 微波光子学领域的新型光电振荡方式产生微波信号的方法，检测方法及装置结构不同于目 前OCT已发展出四个分支，包括：时域OCT、傅里叶域OCT、平行光束OCT和功能OCT。
[0015] (2)本发明所提出基于扫频偏振光学相干层析技术的双折射率检测方法及装置， 采用偏振复用型双环光电振荡器方案。在这种双环结构的光电振荡器中，振荡器起振的振 荡模式间隔由短光纤环路决定，相位噪声则由长光纤环路决定，双环振荡器可以得到模式 间隔大且相位噪声低的振荡信号。利用其产生的低相位噪声、稳定、频谱干净的微波信号， 把被测生物组织作为谐振腔的一部分加入到光纤反馈回路中形成振荡，将对生物组织的双 折射率变化的检测转变为对微波信号频率的测量，利用基频的N次谐波进行测量。在本发 明实施例装置中被测生物组织的双折射率变化越显著，输出微波的频率间隔越小，而利用 振荡基频的N次谐波测量，比传统偏振OCT检测方法测量范围更广，测量精度更高，这使其 在医学领域有着很好的应用前景。
[0016] (3)本发明所提出基于扫频偏振光学相干层析技术的双折射率检测方法及装置， 针对在OCT系统中普遍存在的环境因素影响，尤其是应力和温度变化对相关光路带来的精 度下降现象，提出一种基于半导体光放大器的应力和温度可校准技术。光信号及电信号在 传输介质中传播，其必然造成信号的相位延迟，当介质特性参数不变时，其传播延迟固定， 因此可通过校正的方法将相位延迟消除。半导体光放大器是一种对外来光子产生受激辐 射放大的光电子器件，其本质是一种处于粒子数反转条件下的半导体增益介质。利用其可 控的双折射效应，来补偿双环光电振荡器的谐振腔长度变化，实现了其应力、温度可校准检 测。
【专利附图】
【附图说明】
[0017] 图1为本发明的结构示意图。图中有：扫频激光器1、光调制器2、掺铒光纤放大器 3、親合器4、第一光纤5、第二光纤6、偏振复用合波器7,半导体光放大器8、环路器9、第一 端口 901、第二端口 902、第三端口 903、偏振控制器10、光探测器11、微波信号滤波器12、微 波信号放大器13、微波信号分路器14、第一输出端口 1401、第二输出端口 1402、不波器15、 汇聚透镜16。
[0018] 图2为本发明实施例中，测量某一生物组织样品时装置输出的微波信号频谱图。
[0019] 图3为本发明实施例中，测量某一生物组织样品时装置输出的微波信号波形图与 相位噪声图。
[0020] 图4为本发明实施例中，测量某一生物组织样品时应力、温度校准情况下装置输 出的微波信号频率分布图与相位噪声分布图。
【具体实施方式】
[0021] 下面结合附图，对本发明的实施例作详细说明。本实施例在以本发明技术方案为 前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于 下述的实施例。
[0022] 如图1所示，本发明的一种基于扫频偏振光学相干层析技术的双折射率检测装 置，包括扫频激光器1、光调制器2、掺铒光纤放大器3、親合器4、第一光纤5、第二光纤6、偏 振复用合波器7,半导体光放大器8、环路器9、偏振控制器10、光探测器11、微波信号滤波器 12、微波信号放大器13、微波信号分路器14、不波器15和汇聚透镜16。扫频激光器1的输 出端与光调制器2的输入端连接，光调制器2的输出端与掺铒光纤放大器3的输入端连接， 掺铒光纤放大器3的输出端与親合器4的输入端连接，親合器4的输出端分别通过第一光 纤5和第二光纤6与偏振复用合波器7的输入端连接，偏振复用合波器7的输出端与半导 体光放大器8的输入端连接，半导体光放大器8的输出端与环路器9的第一端口 901连接， 环路器9的第二端口 902通过汇聚透镜16将光聚焦到生物样品上，并且通过透镜16将反 射光送回环路器9的第二端口 902,环路器9的第三端口 903与偏振控制器10的输入端连 接，偏振控制器10的输出端与光探测器11的输入端连接，光探测器11的输出端与微波信 号滤波器12的输入端连接，微波信号滤波器12的输出端与微波信号放大器13的输入端连 接，微波信号放大器13的输出端与微波信号分路器14的输入端连接，微波信号分路器14 的第一输出端口 1401与不波器15的输入端连接，微波信号分路器14的第二输出端口 1402 与光调制器2的微波调制端连接。
[0023] 上述的基于扫频偏振光学相干层析技术的双折射率检测方法，包括以下过程：利 用扫频激光器1发出连续的光波，光波经光调制器2调制和掺铒光纤放大器3放大后，通过 親合器4親合进入第一光纤5和第二光纤6中，偏振复用合波器7将第一光纤5和第二光 纤6输出的调制光信号分成偏振态相互正交的两束信号，两束信号分别对准半导体光放大 器8的横电模和横磁模，通过控制半导体光放大器8的偏置电流，获得补偿后的垂直偏振光 调制信号，利用环路器9将补偿后的垂直偏振光调制信号穿过汇聚透镜16射向生物组织样 品，然后该垂直偏振光调制信号由生物组织样品反射，形成携带生物组织信息的反射光。反 射光中携带了生物组织样品的背向散射率和双折射率。反射光穿过汇聚透镜16,返回环路 器9中，由环路器9的第三端口 903传至偏振控制器10中，偏振控制器10控制反射光的传 输偏振态，经光探测器11输出微波信号，微波信号经微波信号滤波器12滤波后，由微波信 号放大器13放大，通过微波信号分路器14分路为两路，一路1402反馈至光调制器2中，形 成闭环光电振荡回路，另一路1401输出至示波器15中，测量微波信号的频率。
[0024] 进一步，所述的第一光纤5和第二光纤6的长度不相等。在光电振荡器系统中，光 纤环路的储能时间决定了振荡器的品质因子，因此振荡器的相位噪声受到光纤延迟线的长 度即延迟时间的影响。虽然可以通过增加光纤长度来降低相位噪声，但实际上当振荡器产 生的频率满足一定条件时，会产生不同阶数的起振模式。由此可见，随着光纤长度的增加， 波模数量也会增加，波模之间的频率间隔就会变小。理论上可以用一个足够窄的滤波器去 除不需要的模式，但由于高品质因子的微波滤波器目前难以实现，因此结果不甚理想，所以 使用长光纤的光电振荡器会产生不需要的模式。通过增加光纤环路（第一光纤5和第二光 纤6)形成一个光滤波器的双环路光电振荡器结构来降低相位噪声，在这种双环结构的光 电振荡器中，振荡器起振的振荡模式间隔由短光纤环路决定，相位噪声则由长光纤环路决 定，双环振荡器可以得到模式间隔大且相位噪声低的振荡信号。
[0025] 进一步，所述的第一光纤5和第二光纤6的输出的调制光信号由偏振复用合波器7 生成垂直偏振的调制光信号，两个垂直偏振方向分别对准半导体光放大器8的横电模和横 磁模方向。较强的双折射效应使得半导体光放大器8表现出相当的偏振相关性，通过控制 半导体光放大器8偏置电流的改变，其横电模和横磁模式下折射率差也发生改变，使得通 过半导体光放大器8后的偏振垂直的光调制信号引入不同的时延，以补偿受应力、温度影 响而使光电混合环形结构谐振腔长度发生的变化，保证所产生微波信号频率和相位的稳定 性，实现校准检测。
[0026] 进一步，所述的经过半导体光放大器8实现应力、温度补偿后的垂直偏振光调制 信号，经过环路器9穿过汇聚透镜16射向生物组织样品，反射光受生物组织样品的背向散 射率和双折射率共同影响，使得光电混合的环形结构谐振腔参数发生改变，进而改变了其 振荡产生的微波信号的频率，从而实现了对生物组织的双折射率变化的检测转变为在示波 器15中测量微波信号的频率。
[0027] 本发明所提出的检测方法及装置中，在已知微波信号滤波器12中心频率的前提 下，微波信号分路器1402端口输入至光调制器2端口的微波信号丨_由频率模式竞争决定， 取决于两段单模光纤分别在横电模和横磁模式下引入的延时，分别记为τΤΙ^ΡτTM，考虑开 环状态有：
[0028]
【权利要求】
1. 一种基于扫频偏振光学相干层析技术的双折射率检测装置，其特征在于，该装置包 括扫频激光器（1)、光调制器（2)、掺铒光纤放大器（3)、親合器（4)、第一光纤（5)、第二光 纤（6)、偏振复用合波器（7)，半导体光放大器（8)、环路器（9)、偏振控制器（10)、光探测器 (11)、微波信号滤波器（12)、微波信号放大器（13)、微波信号分路器（14)、不波器（15)和汇 聚透镜（16); 扫频激光器（1)的输出端与光调制器（2)的输入端连接，光调制器（2)的输出端与掺铒 光纤放大器（3)的输入端连接，掺铒光纤放大器（3)的输出端与親合器（4)的输入端连接， 親合器（4)的输出端分别通过第一光纤（5)和第二光纤（6)与偏振复用合波器（7)的输入 端连接，偏振复用合波器（7)的输出端与半导体光放大器（8)的输入端连接，半导体光放大 器（8)的输出端与环路器（9)的第一端口（901)连接，环路器（9)的第二端口（902)通过汇 聚透镜（16)将光聚焦到生物样品上，并且通过汇聚透镜（16)将反射光送回环路器（9)的 第二端口（902)，环路器（9)的第三端口（903)与偏振控制器（10)的输入端连接，偏振控制 器（10)的输出端与光探测器（11)的输入端连接，光探测器（11)的输出端与微波信号滤波 器（12)的输入端连接，微波信号滤波器（12)的输出端与微波信号放大器（13)的输入端连 接，微波信号放大器（13)的输出端与微波信号分路器（14)的输入端连接，微波信号分路器 (14)的第一输出端口（1401)与不波器（15)的输入端连接，微波信号分路器（14)的第二输 出端口（1402)与光调制器（2)的微波调制端连接。
2. 按照权利要求1所述的基于扫频偏振光学相干层析技术的双折射率检测装置，其特 征在于，所述的第一光纤（5)的长度和第二光纤（6)的长度不相等。
3. -种权利要求1所述的基于扫频偏振光学相干层析技术的双折射率检测装置的检 测方法，其特征在于，该检测方法包括以下过程：利用扫频激光器（1)发出连续的光波，光 波经光调制器（2)调制和掺铒光纤放大器（3)放大后，通过耦合器（4)耦合进入第一光纤 (5)和第二光纤（6)中，偏振复用合波器（7)将第一光纤（5)和第二光纤（6)输出的调制光信 号复用生成垂直偏振的调制光信号，两个垂直偏振方向分别对准半导体光放大器（8)的横 电模和横磁模方向，通过控制半导体光放大器（8 )的偏置电流，获得补偿后的垂直偏振光调 制信号，利用环路器（9)将补偿后的垂直偏振光调制信号穿过汇聚透镜（16)射向生物组织 样品，然后该垂直偏振光调制信号由生物组织样品反射，形成携带生物组织信息的反射光， 反射光穿过汇聚透镜（16)，返回环路器（9)中，由环路器（9)的第三端口（903)传至偏振控 制器（10)中，偏振控制器（10)控制反射光的传输偏振态，经光探测器（11)输出微波信号， 微波信号经微波信号滤波器（12)滤波后，由微波信号放大器（13)放大，通过微波信号分路 器（14)分路为两路，一路反馈至光调制器（2)中，形成闭环光电振荡回路，另一路输出至示 波器（15)中，测量微波信号的频率。
4. 按照权利要求3所述的基于扫频偏振光学相干层析技术的双折射率检测装置的检 测方法，其特征在于，所述的第一光纤（5)和第二光纤（6)的输出的调制光信号由偏振复用 合波器（7)生成垂直偏振的调制光信号，两个垂直偏振方向分别对准半导体光放大器（8) 的横电模和横磁模方向，通过控制半导体光放大器（8)的偏置电流，控制其双折射效应，以 补偿受应力、温度影响而使光电混合环形结构谐振腔长度发生的变化，实现校准检测。
5. 按照权利要求3所述的基于扫频偏振光学相干层析技术的双折射率检测装置的检 测方法，其特征在于，经过半导体光放大器（8)实现应力、温度补偿后的垂直偏振光调制信 号，经过环路器（9)穿过汇聚透镜（16)射向生物组织样品，反射光受生物组织样品的背向 散射率和双折射率共同影响，使得光电混合的环形结构谐振腔参数发生改变，进而改变了 其振荡产生的微波信号的频率，从而实现对生物组织的双折射率变化的检测转变为在示波 器（15)中测量微波信号的频率。
【文档编号】G01N21/45GK104483289SQ201410775281
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2014年12月15日 优先权日:2014年12月15日
【发明者】陈翰, 胡才雨, 孙小菡 申请人:东南大学