УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПТИЧЕСКОЙ ТОМОГРАФИИ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2014 года по МПК G01B9/02 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Данное изобретение касается оптической когерентной томографии в частотной области, выполняемой по линейной схеме сканирования с использованием источника изменения света с преобразованием частоты, в частности оптической когерентной томографии (ОКТ), в которой осуществляют световое сканирование объекта (или образца), а отраженный от объекта свет принимают посредством линейной ПЗС камеры.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Существует два вида традиционной оптической когерентной томографии ОКТ, time-domain ОКТ, т.е. ОКТ во временной области и ОКТ в частотной области, в которых применяется схема поточечного сканирования с использованием широкополосного источника света и в каждом из которых требуется более одного отдельного сканера. На Фиг.1 показана схема традиционной ОКТ во временной области, а на Фиг.2 - традиционной ОКТ в частотной области.

В ОКТ во временной области, как показано на Фиг.1, световой пучок, исходящий от широкополосного источника (12) света, расщепляется оптическим светоделителем (30) на два световых пучка, которые падают на зеркало (50) опорного пучка и на объект и, соответственно, отражаются от них. Отраженные световые пучки объединяются на оптическом светоделителе (30), и разность оптических длин пути двух световых пучков порождает интерференционный сигнал (т.е. интерференционную картину). Интерференционный сигнал детектируется фотодиодом (90) и подвергается аналого-цифровому преобразованию (АЦП) и процессу демодуляции, что приводит к получению сигнала изображения по глубине. Для получения двумерного изображения требуется осуществить две схемы сканирования путем перемещения как зеркала (50) опорного пучка, так и сканера (80), что называют x-z сканированием. Однако эти две схемы сканирования имеют сложности в синхронизации этих двух перемещений, требуют продолжительного времени для получения изображения, подвержены искажениям за счет перемещений объекта и обладают низким значением отношения сигнал/шум (SNR).

В ОКТ в частотной области, как показано на Фиг.2, световой пучок, исходящий от широкополосного источника (12) света, как и в ОКТ во временной области, расщепляется оптическим светоделителем (30) на два световых пучка, которые падают на зеркало (50) опорного пучка и на объект и, соответственно, отражаются от них. Отраженные световые пучки объединяются на оптическом светоделителе (30). Объединенный световой пучок обнаруживается с помощью спектроскопа (100) и подвергается Фурье-преобразованию, что приводит к получению сигнала изображения по глубине. В ОКТ в частотной области для получения двумерного изображения не требуется сканера, работающего в z-направлении, и используется лишь сканер (80) в x-направлении. В ОКТ в частотной области можно получить более высокое значение отношения сигнал/шум, чем в ОКТ во временной области. Однако в ОКТ в частотной области также существуют проблемы, связанные с тем, что изображение подвержено искажениям из-за перемещений объекта, а кроме того для обнаружения светового пучка должен быть использован спектроскоп (100).

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ТЕХНИЧЕСКАЯ ПРОБЛЕМА

Задача настоящего изобретения заключается в решении упомянутых проблем традиционного ОКТ и в получении двумерного изображения высокого разрешения за более короткий отрезок времени без механических перемещений испытуемого объекта путем линейного сканирования объекта линейным световым пучком.

ТЕХНИЧЕСКОЕ РЕШЕНИЕ

Для решения указанной задачи, в одном аспекте данного изобретения оптическая когерентная томография содержит: источник (11) света, излучающий световой пучок с множеством длин волн |1, |2, … |n; систему (20) формирования линейного пучка света, формирующую линейный световой пучок из светового пучка; оптический светоделитель (30), расщепляющий линейный световой пучок, исходящий из системы (20) формирования линейного пучка света, на два световых пучка, при этом один световой пучок направлен на зеркало (50) опорного пучка, а другой световой пучок направлен на объект; две первые собирающие линзы (40), одна из которых расположена между оптическим светоделителем (30) и зеркалом (50) опорного пучка, а другая расположена между оптическим светоделителем (30) и объектом, для коллимирования световых пучков, расщепленных оптическим светоделителем (30); вторую собирающую линзу (60), при этом световые пучки, отраженные от зеркала (50) опорного пучка и объекта, объединяются с помощью оптического светоделителя (30), и объединенный световой пучок падает на вторую собирающую линзу (60); камеру (70), принимающую объединенные световые пучки, исходящие из второй собирающей линзы (60); панель обработки изображения, детектирующую сигналы, соответствующие каждому выходному пикселю камеры (70); секция Фурье-преобразования для Фурье-преобразования детектированных сигналов, соответствующих пикселям в значениях множества длин волн |1, |2, … |n, для получения информации в виде изображений, связанной с глубиной (z-сканирование), а также монитор, отображающий двумерное изображение, полученное соединением пикселей вдоль оси x, используя выходные сигналы секция Фурье-преобразования.

Для решения указанной задачи, в другом аспекте данного изобретения оптическая когерентная томография, в которой световой пучок, исходящий от источника света, расщепляется на два световых пучка оптическим светоделителем (30) для направления на зеркало (50) опорного пучка и объект, расщепленные световые пучки коллимируются каждой из первых собирающих линз (40), два сколлимированных световых пучка отражаются от зеркала (50) опорного пучка и объекта соответственно, чтобы объединиться на оптическом светоделителе (30), а объединенные световые пучки поступают на камеру (70) через вторую собирающую линзу (60), дополнительно содержит: систему (20) формирования линейного пучка света, расположенную между источником света и оптическим светоделителем (30), для формирования линейного светового пучка, который должен поступить на оптический светоделитель (30) в качестве светового пучка.

Для решения указанной задачи, в еще одном аспекте данного изобретения оптическая когерентная томография содержит, по меньшей мере, источник (11) света, излучающий световой пучок с множеством длин волн |1, |2, … |n; систему (20) формирования линейного пучка света, формирующую линейный световой пучок из светового пучка; оптический светоделитель (30), расщепляющий линейный световой пучок, исходящий из системы (20) формирования линейного пучка света, на два световых пучка, при этом один световой пучок направлен на зеркало (50) опорного пучка, а другой световой пучок направлен на объект; две первые собирающие линзы (40), одна из которых расположена между оптическим светоделителем (30) и зеркалом (50) опорного пучка, а другая расположена между оптическим светоделителем (30) и объектом, для коллимирования световых пучков, расщепленных оптическим светоделителем (30); вторую собирающую линзу (60), при этом световые пучки, отраженные от зеркала (50) опорного пучка и объекта, объединяются с помощью оптического светоделителя (30), и объединенный световой пучок падает на вторую собирающую линзу (60); камеру (70), принимающую объединенные световые пучки, исходящие из второй собирающей линзы (60).

Во всех аспектах этого изобретения система (20) формирования линейного пучка света содержит полуцилиндрическую линзу (21), собирающую линзу (22) и щель (23).

Параллельный световой пучок, исходящий от источника света, падает на поверхность полуцилиндрической линзы (21), а фокальная линия полуцилиндрической линзы (21) расположена перед собирающей линзой (22), в результате чего параллельная световая составляющая и расходящаяся световая составляющая падают на собирающую линзу (22).

Собирающая линза (22) имеет короткий фокус, в котором сходится параллельная световая составляющая, и длинный фокус, в котором сходится расходящаяся световая составляющая. Щель (23) расположена между точкой короткого фокуса и точкой длинного фокуса, направление щели (23) параллельно продольному направлению полуцилиндрической линзы (21), что приводит к образованию линейного светового пучка.

Для решения указанной задачи, в еще одном аспекте данного изобретения оптическая когерентная томография содержит: систему (20) формирования линейного пучка света, включающую в себя полуцилиндрическую линзу (21), собирающую линзу (22) и щель (23), при этом параллельный световой пучок, исходящий от источника света, падает на поверхность полуцилиндрической линзы (21), а фокальная линия полуцилиндрической линзы (21) расположена перед собирающей линзой (22), в результате чего параллельная световая составляющая и расходящаяся световая составляющая падают на собирающую линзу (22), собирающая линза (22) имеет короткий фокус, в котором сходится параллельная световая составляющая, и длинный фокус, в котором сходится расходящаяся световая составляющая, при этом щель (23) расположена между точкой короткого фокуса и точкой длинного фокуса, направление щели (23) параллельно продольному направлению полуцилиндрической линзы (21), что приводит к образованию линейного светового пучка.

ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫЕ ЭФФЕКТЫ

Согласно вышеупомянутому изобретению, в оптической когерентной томографии в частотной области по данному изобретению используется линейный световой пучок, подаваемый на объект, и можно создавать двумерное изображение с использованием x-z- сканирования без механических перемещений. Таким образом, двумерное изображение можно получать за более короткий период времени с высоким значением отношения сигнал/шум, а искажения, вызванные перемещением объекта, могут быть сведены к минимуму.

ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На Фиг.1 показана схема традиционной ОКТ во временной области.

На Фиг.2 показана схема традиционной ОКТ в частотной области.

На Фиг.3 показана схема ОКТ по данному изобретению, в которой применяется линейная схема сканирования с использованием источника света с преобразованием длин волн.

На Фиг.4 показана схема внутренней конструкции оптической системы линейного сканирования по данному изобретению, представленной на Фиг.3.

ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫЙ ВАРИАНТ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Как показано на Фиг.3, наиболее предпочтительный вид оптической когерентной томографии содержит: источник (11) света, излучающий световой пучок с множеством длин волн |1, |2, … |n; систему (20) формирования линейного пучка света, формирующую линейный световой пучок; оптический светоделитель (30), расщепляющий линейный световой пучок, исходящий из системы (20) формирования линейного пучка света, на два световых пучка, при этом один световой пучок направлен на зеркало (50) опорного пучка, а другой световой пучок направлен на объект; две первые собирающие линзы (40), одна из которых расположена между оптическим светоделителем (30) и зеркалом (50) опорного пучка, а другая расположена между оптическим светоделителем (30) и объектом, для коллимирования световых пучков, расщепленных оптическим светоделителем (30); вторую собирающую линзу (60), при этом световые пучки, отраженные от зеркала (50) опорного пучка и объекта, объединяются на оптическом светоделителе (30); камеру (70), принимающую объединенные световые пучки, исходящие из второй собирающей линзы (60); панель обработки изображения, детектирующую сигналы, соответствующие каждому выходному пикселю камеры (70); секцию Фурье-преобразования для Фурье-преобразования детектированных сигналов, соответствующих пикселям в значениях множества длин волн |1, |2, … |n, для получения информации в виде изображений, связанной с глубиной (z-сканирование), а также монитор, отображающий двумерное изображение, полученное соединением пикселей вдоль оси x, используя выходные сигналы звена Фурье-преобразования.

ВАРИАНТ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Конфигурации и функционирование по данному изобретению, оптической когерентной томографии, будут далее описаны в качестве примера в сочетании с чертежами.

На Фиг.3 показана схема ОКТ по данному изобретению, в которой применяется линейная схема сканирования с использованием линейного светового пучка. Данный ОКТ содержит источник (11) света, систему (20) формирования линейного пучка света, оптический светоделитель (30), первую собирающую линзу (40), зеркало (50) опорного пучка, вторую собирающую линзу (60), камеру (70), панель обработки изображения, секцию Фурье-преобразования и монитор.

Источник (11) света генерирует световые пучки с длинами волн |1, |2, … |n последовательно и в непрерывном режиме. Таким образом, источник света выполняет ту же роль, что и спектроскоп (100) на Фиг.2.

Световой пучок, исходящий от источника (11) света, проходит через систему (20) формирования линейного пучка света, которая придает световому пучку, исходящему от источника света, форму линейного светового пучка. Подробная конфигурация системы (20) формирования линейного пучка света будет описана ниже.

Линейный световой пучок расщепляется оптическим светоделителем (30) на два световых пучка, которые распространяются к зеркалу (50) опорного пучка и объекту соответственно. Две первые собирающие линзы (40) коллимируют два расщепленных световых пучка, соответственно делая их параллельными. Два параллельных световых пучка отражаются от зеркала (50) опорного пучка и от объекта, и отраженные световые пучки объединяются на оптическом светоделителе (30).

Световой пучок, объединенный на оптическом светоделителе (30), проходит через вторую собирающую линзу (60), чтобы поступить в камеру (70). Падающий световой пучок, поступающий в камеру (70), генерирует сигналы на каждый пиксель, которые детектируются панелью обработки изображения.

Информация изображения (z-сканирование), связанная с глубиной объекта, может быть получена с помощью Фурье-преобразования детектированных световых сигналов |1, |2, … |n на каждом пикселе. После этого получают двумерное изображение путем связывания пикселей камеры вдоль оси x.

На Фиг.4 показана схема внутренней конструкции оптической системы линейного сканирования по данному изобретению, представленной на Фиг.3. Оптическая система линейного сканирования включает в себя полуцилиндрическую линзу (21), собирающую линзу (22) и щель (23). Таким образом, на Фиг.4 показана подробная схема оптической системы линейного сканирования, поддерживающей линейную схему сканирования для данного изобретения.

На Фиг.4 показано, как образуется линейный световой пучок. Параллельный световой пучок, исходящий от источника (11) света с преобразованием длин волн, падает под прямым углом на поверхность полуцилиндрической линзы (21), как показано на Фиг.4. Параллельная составляющая светового пучка, падающая по центру поверхности вдоль продольной центральной оси, пройдет через полуцилиндрическую линзу (21) без светопреломления, результате чего на выходе полуцилиндрической линзы (21) получают параллельную составляющую светового пучка. Параллельная составляющая светового пучка, падающая по месту, отдаленному от продольной центральной оси, будет сходиться на фокальную линию, изображенную короткой темной толстой линией на Фиг.4. Таким образом, параллельный световой пучок, падающий на поверхность полуцилиндрической линзы (21), сфокусирован на фокальную линию полуцилиндрической линзы (21), и, пройдя через фокальную линию, световой пучок расходится в направлении ширины, ортогональном продольной оси полуцилиндрической линзы (21).

Световой пучок, прошедший через полуцилиндрическую линзу (21), падает на собирающую линзу (22). Параллельная составляющая светового пучка, падающего на собирающую линзу (22), будет сфокусирована в точке короткого фокуса, а расходящаяся составляющая светового пучка, падающего на собирающую линзу (22), будет сфокусирована в точке длинного фокуса, как показано на фиг.4.

Щель (23) расположена между точкой короткого фокуса и точкой длинного фокуса, как показано на фиг.4. Продольное направление щели параллельно направлению продольной центральной оси полуцилиндрической линзы (21). Световой пучок, исходящий из собирающей линзы (22), проходит через щель (23), что приводит к образованию линейного светового пучка, как показано длинной темной толстой линией на Фиг.4.

Линейный световой пучок, прошедший через щель (23), направляется на оптический светоделитель (30). Таким образом, линейный световой пучок падает на объект, и процедура x-сканирования, чувствительная к механическим перемещениям объекта, что имеет место в традиционной томографии, становится необязательной.

Выше изложены характерные особенности и преимущества данного изобретения. Следует понимать, что описание предпочтительных вариантов осуществления во многих отношениях является лишь иллюстративным. Могут быть внесены изменения в детали, в особенности по вопросам выбора составляющих и по вопросам формы, размера и схемы расположения частей, не выходя за границы изобретения. Описав предпочтительные варианты осуществления в сочетании с чертежами, можно видеть, что достигнуты различные цели и решены различные задачи, и возможны модификации и дополнения, очевидные для специалистов в данной области техники, оставаясь в границах, определяющих сущность и объем данного изобретения.

ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ

Согласно данному изобретению, оптическая когерентная томография в частотной области может быть легко реализована путем использования светового источника с преобразованием длин волн и оптической системы линейного сканирования, при этом двумерное изображение с высококачественным разрешением можно получать за короткий отрезок времени и без механических перемещений. Стоимость всей томографической системы может быть существенно снижена благодаря низкой стоимости материала и упрощению процесса.

Кроме того, томография по данному изобретению может быть адаптирована к требованиям использования в различных областях предоставления медицинских услуг, в том числе в офтальмологии.

Изобретение относится к оптической когерентной томографии. В устройстве система (20) формирования линейного пучка света содержит полуцилиндрическую линзу (21), собирающую линзу (22) и щель (23) для реализации спектральной оптической когерентной томографии. Параллельный световой пучок от источника света падает на поверхность полуцилиндрической линзы (21), а фокальная линия полуцилиндрической линзы (21) расположена перед собирающей линзой (22). Собирающая линза (22) имеет короткий фокус, в котором сходится параллельная световая составляющая, и длинный фокус, в котором сходится расходящаяся световая составляющая. Щель (23) расположена между точкой короткого фокуса и точкой длинного фокуса. Технический результат заключается в обеспечении возможности получения двумерного изображения с высококачественным разрешением за короткий промежуток времени, без воздействия каких бы то ни было механических перемещений. 3 н.и 6 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство для оптической когерентной томографии, содержащее: источник (11) света, излучающий световой пучок с множеством длин волн |1, |2, … |n; систему (20) формирования линейного пучка света, формирующую линейный световой пучок из светового пучка; оптический светоделитель (30), расщепляющий линейный световой пучок, исходящий из системы (20) формирования линейного пучка света, на два световых пучка, при этом один световой пучок направлен на зеркало (50) опорного пучка, а другой световой пучок направлен на объект; две первые собирающие линзы (40), одна из которых расположена между оптическим светоделителем (30) и зеркалом (50) опорного пучка, а другая расположена между оптическим светоделителем (30) и объектом, для коллимирования световых пучков, расщепленных оптическим светоделителем (30); вторую собирающую линзу (60), при этом световые пучки, отраженные от зеркала (50) опорного пучка и объекта, объединяются на оптическом светоделителе (30) и объединенный световой пучок падает на вторую собирающую линзу (60); камеру (70), принимающую объединенные световые пучки, исходящие из второй собирающей линзы (60); панель обработки изображения, детектирующую сигналы, соответствующие каждому выходному пикселю камеры (70); секцию Фурье-преобразования для Фурье-преобразования детектированных сигналов, соответствующих пикселям в значениях множества длин волн |1, |2, |n, для получения информации в виде изображений, связанной с глубиной (z-сканирование); а также монитор, отображающий двумерное изображение, полученное соединением пикселей вдоль оси x, используя выходные сигналы секции Фурье-преобразования, при этом система (20) формирования линейного пучка света содержит полуцилиндрическую линзу (21), собирающую линзу (22) и щель (23), и параллельный световой пучок, исходящий от источника света, падает на поверхность полуцилиндрической линзы (21), а фокальная линия полуцилиндрической линзы (21) расположена перед собирающей линзой (22), в результате чего параллельная световая составляющая и расходящаяся световая составляющая падают на собирающую линзу (22).

2. Устройство по п.1, при этом собирающая линза (22) имеет короткий фокус, в котором сходится параллельная световая составляющая, и длинный фокус, в котором сходится расходящаяся световая составляющая.

3. Устройство по п.2, при этом щель (23) расположена между коротким фокусом и длинным фокусом, причем направление щели (23) параллельно продольному направлению полуцилиндрической линзы (21), что приводит к образованию линейного светового пучка.

4. Устройство для оптической когерентной томографии, в котором световой пучок, исходящий от источника света, расщепляется на два световых пучка оптическим светоделителем (30) для направления на зеркало (50) опорного пучка и на объект, расщепленные световые пучки коллимируются каждой из первых собирающих линз (40), два сколлимированных световых пучка отражаются от зеркала (50) опорного пучка и объекта соответственно, чтобы объединиться на оптическом светоделителе (30), а объединенные световые пучки поступают на камеру (70) через вторую собирающую линзу (60), дополнительно содержит: систему (20) формирования линейного пучка света, расположенную между источником света и оптическим светоделителем (30), для формирования линейного светового пучка, который должен поступить на оптический светоделитель (30) в качестве светового пучка, при этом система (20) формирования линейного пучка света содержит полуцилиндрическую линзу (21), собирающую линзу (22) и щель (23), и параллельный световой пучок, исходящий от источника света, падает на поверхность полуцилиндрической линзы (21), а фокальная линия полуцилиндрической линзы (21) расположена перед собирающей линзой (22), в результате чего параллельная световая составляющая и расходящаяся световая составляющая падают на собирающую линзу (22).

5. Устройство по п.4, при этом собирающая линза (22) имеет короткий фокус, в котором сходится параллельная световая составляющая, и длинный фокус, в котором сходится расходящаяся световая составляющая.

6. Устройство по п.5, при этом щель (23) расположена между коротким фокусом и длинным фокусом, причем направление щели (23) параллельно продольному направлению полуцилиндрической линзы (21), что приводит к образованию линейного светового пучка.

7. Устройство для оптической когерентной томографии, содержащее, по меньшей мере, источник (11) света, излучающий световой пучок с множеством длин волн |1, |2, … |n; систему (20) формирования линейного пучка света, формирующую линейный световой пучок из светового пучка; оптический светоделитель (30), расщепляющий линейный световой пучок, исходящий из системы (20) формирования линейного пучка света, на два световых пучка, при этом один световой пучок направлен на зеркало (50) опорного пучка, а другой световой пучок направлен на объект; две первые собирающие линзы (40), одна из которых расположена между оптическим светоделителем (30) и зеркалом (50) опорного пучка, а другая расположена между оптическим светоделителем (30) и объектом, для коллимирования световых пучков, расщепленных оптическим светоделителем (30); вторую собирающую линзу (60), при этом световые пучки, отраженные от зеркала (50) опорного пучка и объекта, объединяются с помощью оптического светоделителя (30), а объединенный световой пучок падает на вторую собирающую линзу (60); камеру (70), принимающую объединенные световые пучки, исходящие из второй собирающей линзы (60), при этом система (20) формирования линейного пучка света содержит полуцилиндрическую линзу (21), собирающую линзу (22) и щель (23), и параллельный световой пучок, исходящий от источника света, падает на поверхность полуцилиндрической линзы (21), а фокальная линия полуцилиндрической линзы (21) расположена перед собирающей линзой (22), в результате чего параллельная световая составляющая и расходящаяся световая составляющая падают на собирающую линзу (22).

8. Устройство по п.7, при этом собирающая линза (22) имеет короткий фокус, в котором сходится параллельная световая составляющая, и длинный фокус, в котором сходится расходящаяся световая составляющая.

9. Устройство по п.8, при этом щель (23) расположена между коротким фокусом и длинным фокусом, причем направление щели (23) параллельно продольному направлению полуцилиндрической линзы (21), что приводит к образованию линейного светового пучка.