基于超透镜的光学相干层析成像系统的制作方法

1.本技术属于医学、生物学设备领域，具体涉及一种基于超透镜的光学相干层析成像系统。


背景技术：

2.光学相干层析成像(optical coherence tomography，oct)是一种基于低相干光干涉原理，利用样品背散/反射光与参考光相干的非接触非侵入性的新型成像技术，可提供具有微米级分辨率的一维深度，二维截面层析和三维立体的实时扫描图像。oct技术具有非接触、无损伤、图像分辨率高且操作简单、便携等优点，主要应用于生物医学成像和诊断领域，弥补了共聚焦显微镜成像穿透深度低和超声波成像分辨率低的不足。
3.现有oct装置中的样品臂和参考臂，由于其中设置的光学组件，使其较为笨重，而且成像速度较慢。


技术实现要素：

4.本技术要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种光学相干层析成像系统。
5.本技术提供了一种基于超透镜的光学相干层析成像系统，包括：
6.样品臂和参考臂；以及
7.光纤耦合器，用于将来自相干光源的光线分为样品光和参考光，并分别输送至样品臂和参考臂，所述光纤耦合器连接有探测器；
8.其中，所述参考臂设置有第一超透镜，所述第一超透镜被配置为将参考光准直后照射在样品表面，并将样品表面的反射光聚焦传输至参考臂光纤；以及
9.其中，所述样品臂包括样品臂光纤，和第二超透镜；所述第二超透镜被配置为将样品光会聚后照射于样品内部的特定面，并将所述特定面的散射光输入至所述样品臂光纤。
10.优选地，所述样品臂光纤，包裹有涂覆层，并在末端设置有倾斜的端面；所述第二超透镜，设置于所述端面。
11.优选地，所述端面为外凸曲面，以及
12.所述第二超透镜为与所述端面形状适配的曲面超透镜。
13.优选地，所述样品臂还包括转动接头，与所述样品臂光纤连接。
14.优选地，所述第一超透镜包括第一基底和第一超表面结构；所述第一超表面结构包括多个阵列设置的第一结构单元，所述第一结构单元包括纳米结构。
15.优选地，所述第二超透镜包括第二基底和第二超表面结构；所述第二超表面结构包括多个阵列设置的第二结构单元，所述第二结构单元包括纳米结构。
16.优选地，所述第一结构单元和/或第二结构单元为正六边形，所述正六边形各顶点和/或中心位置至少设置有一个纳米结构。
17.优选地，所述第一结构单元和/或第二结构单元为正方形，所述正方形各顶点和/
是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
40.应当理解，尽管在本技术可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本技术范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在
……
时”或“当
……
时”或“响应于确定”。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施方式中的特征可以相互组合。
41.下面将结合附图和示例性实施例对本技术的技术方案进行清楚、完整的描述。
42.实施例1
43.本实施例涉及一种用于光学相干层析成像系统(oct)的样品臂，包括样品臂内部的光纤，包裹有涂覆层22，并在末端设置有倾斜的端面23。还包括第二超透镜24，如图1所示，贴合于光纤的端面23，该第二超透镜24被配置为将样品光会聚后照射于样品内部的特定面，并将特定面的散射光输入至所述样品臂光纤21。应当理解，上述第二超透镜24与光纤端面23的贴合，包括但不限于用粘接剂粘合、通过结构挂接、插接、热熔、设置辅助结构套装等。还包括转动接头25，用于使样品臂能够转动，并在转动的同时保证光纤内光线的传输不受影响。其中，样品臂还可包括外壳、套筒等与现有技术相同的结构，在此不再赘述。
44.优选实施例中，第二超透镜24基底尺寸应与光纤端面23尺寸相同，边缘对齐，以确保超表面结构部分与光纤纤芯对准。
45.优选实施例中，第二超透镜24的超表面结构侧设置有保护层，并与所述光纤的端面23贴合连接，保护层可以为镀在第二超透镜24上的层状结构，应部分或全部地将超表面结构包覆，避免组装过程中损伤超表面结构。保护层应为相对于工作波段透明的材料。超表面结构朝向内侧，可以避免施术过程中损伤超表面结构。
46.在实施例1的优选实施例中，光纤端面23可设置为倾斜的，进一步地，可以设置为平面或外凸曲面。倾斜端面可以使样品光转向，配合前述转动接头25，可灵活地对样品进行扫描，结构也较现有技术方案更加简单。基于曲面的超透镜聚焦效果更好，相同的光束入射时，产生的焦点更小。
47.对上述的实施例的补充说明是，实施例1中的结构，可以通过转动光纤接头控制样品臂进行样品的二维扫描，会聚透镜即为上述第二超透镜24。样品臂的结构示意图和光线传播路径如图1所示。进入样品臂的光经过第二超透镜24后照在样品的某个面上，在样品背面发生散射，样品臂散射回来的光携带样品的二维信息。相比于共聚焦的单点成像，本实施例在面内二维成像，成像速度更快。所述的光纤涂覆层22的作用是保护光纤表面不受潮湿气体和外力擦伤，赋予光纤提高抗微弯性能，降低光纤的微弯附加损耗功能，光纤涂覆层22可以是用紫外光固化的一层弹性涂料，如丙烯酸酯、硅橡胶和尼龙等材料组成。
48.优选实施例中，如图8所示，所述端面为外凸曲面，以及所述第二超透镜为与所述端面形状适配的曲面超透镜。曲面超透镜的聚焦效果更好。
49.实施例2
50.本实施例涉及一种用于光学相干层析成像系统的参考臂，如图2示出的参考臂和其中的光路图，包括用于对光线准直的第一超透镜11，还可以包括外壳、套筒等与现有技术相同的结构，在此不再赘述。
51.优选实施例中，第一超透镜11基底尺寸应与光纤端面尺寸相同，边缘对齐，以确保超表面结构部分与光纤纤芯对准。
52.优选实施例中，第一超透镜11的超表面结构侧设置有保护层，并与所述光纤的端面贴合连接，保护层可以为镀在第一超透镜11上的层状结构，应部分或全部地将超表面结构包覆，避免组装过程中损伤超表面结构。保护层应为相对于工作波段透明的材料。超表面结构朝向内侧，可以避免施术过程中损伤超表面结构。
53.对实施例2的补充说明是，进入参考臂的光经过第一超透镜11准直之后均匀照在样品表面，在样品表面反射后再经过第一超透镜11聚焦到光纤内。与现有技术相比，其应用了超透镜，具备重量轻、体积小、结构及生产工艺简单的优势。
54.对上述实施例1和实施例2的补充说明是，所述的样品臂和参考臂具体用于：入射光在经过光纤耦合器后变成两束光，一束光进入参考臂，经过准直透镜后照向样品；另一束光进入样品臂，经过超透镜后照在样品的某个面上，在样品背面发生散射，样品臂散射回来的光携带样品的二维信息。背反射光和样品面反射的参考光束在光纤耦合器中发生干涉。对不同时刻的干涉光信号进行傅里叶变换就能得到样品的深度信息，再通过对两个横向维度进行扫描即可获得样品的三维图像。
55.对上述实施例1和实施例2的补充说明是，所述的第一超透镜11和第二超透镜24，为配置不同的超透镜，均包括如下结构特征：基底和超表面结构。基底为目标波段的透明基板。超表面结构由设置在基底表面的结构单元构成，所述的结构单元呈阵列状周期排布在基底表面。第一超透镜11和第二超透镜24因其各自的超表面结构的不同，而被配置为不同的光学功能，分别为聚焦和准直，具体超表面结构的选型，依照超表面数据库进行选择。
56.上述结构单元由设置在基底表面的纳米结构组成。应当理解，所述结构单元即为成特定规律排列的纳米结构，进一步地，多组结构单元阵列排布，共同组成超表面结构。应当理解，超透镜是一种超表面。超表面是一层亚波长的人工纳米结构膜，可根据其上的超表面结构单元来调制入射光。其中超表面结构单元包含全介质或等离子的纳米天线，可直接调控光的相位、幅度和偏振等特性。
57.优选实施例中，如图4，结构单元为正六边形，所述正六边形各顶点和/或中心位置至少设置有一个纳米结构。包括一个中枢纳米结构，其周围环绕着6个与其距离相等的周边纳米结构，各周边纳米结构圆周均布，组成正六边形，也可理解为多个纳米结构组成的正三角形互相组合。
58.优选实施例中，如图5，结构单元为正方形，所述正方形各顶点和/或中心位置至少设置有一个纳米结构。为一个中枢纳米结构，其周围环绕着4个与其距离相等的周边纳米结构，组成正方形。
59.对实施例的补充说明是，所述的纳米结构是全介质结构单元，在可见光波段具有高透过率，优选实施例中，可选如下材料：氧化钛、氮化硅、熔融石英、氧化铝、氮化镓、磷化镓、非晶硅、晶体硅和氢化非晶硅等。应当理解，实际产品可能因超透镜形状的限制，在超透镜边缘有纳米结构的缺失，使其不满足完整的六边形/正方形。可以根据纳米结构在不同波长下所需的相位，在纳米结构数据库中查找相位最接近的纳米结构。
60.优选实施例中，纳米结构为偏振相关结构，具体包括纳米鳍或纳米椭圆柱。此类结构对入射光施加一个几何相位。
61.优选实施例中，纳米结构为或偏振无关结构，具体包括纳米圆柱或纳米方柱。此类结构对入射光施加一个传播相位。
62.优选实施例中，上述超表面的工作波段为红外波段。纳米结构之间可是空气填充或者其他工作波段透明或半透明的材料，此材料的折射率与纳米结构的折射率差值的绝对值需大于等于0.5。
63.优选实施例中，纳米结构的材料包括：氧化硅，氧化铝，氮化硅，氧化钛，氮化镓。可以理解的，纳米结构的材质可以为其它满足在超透镜的工作波段透明的选择。
64.实施例3
65.本实施例涉及一种基于超透镜的光学相干层析成像系统，其中包括实施2中所述的参考臂；和实施例1中所述的样品臂，用于将样品光照射至样品，并接收样品散射光；还包括：光纤耦合器，通过光纤分别连接所述参考臂和样品臂；相干光源，通过光纤连接所述光纤耦合器；探测器，与所述光纤耦合器连接。上述各结构或模块构成如图3所示。图中标识出的准直透镜即为实施例2中示出的第一超透镜，会聚透镜即为实施例1中示出的第二超透镜。其中，所述光纤耦合器一方面将相干光源的光分为两部分，使一部分进入样品臂，另一部分进入参考臂；另一方面将参考臂中反射回来的光与样品背散射得到的光耦合发生干涉。
66.在优选实施例中，光源可选的包括选取短相干长度1-10um的宽带光光源，具有较高的纵向分辨率；选取波长在700-1500nm的近红外光源，具有较高的生物组织穿透深度，获取更多的生物组织信息(生物组织对近红外光的吸收和多次散射较弱)。
67.在优选实施例中，样品臂和参考臂的超透镜均设置有保护层。所述保护层设置于超透镜带有超表面结构的一侧。超透镜与相对应的光纤贴合连接，贴合面可以是有保护层的一侧，也可以是没有保护层的一侧。进一步的，所述的贴合可以是通过粘合剂粘合，也可以是通过卡扣、套装、吸附等方式固定。
68.在优选实施例中，探测器选取的是阵列ccd，积分时间短，扫描灵敏度高。
69.对上述实施例的补充说明是，入射光在经过光纤耦合器后变成两束光，一束光进入参考臂，经过准直透镜后照向样品；另一束光进入样品臂，经过超透镜后照在样品的某个面上，在样品背面发生散射，样品臂散射回来的光携带样品的二维信息。背反射光和样品面反射的参考光束在光纤耦合器中发生干涉。对不同时刻的干涉光信号进行傅里叶变换就能得到样品的深度信息，再通过对两个横向维度进行扫描即可获得样品的三维图像。
70.上述各实施例中的参考臂和样品臂均使用了超透镜取代传统透镜，具备“轻”，“薄”，“简”，“廉”以及产能高的优势，oct系统更加轻巧和更便于实际应用。另一方面，通过样品臂超透镜，使样品光聚焦后投射在样品内部的某个面上，在样品背面发生散射，样品臂散射回来的光携带样品的二维信息。相比于现有技术中的共聚焦的单点成像，基于超透镜的oct系统在面内二维成像，成像速度更快。
71.以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。