Устройство для получения послойных оптических изображений светорассеивающих объектов

 

Использование: в средствах визуализации структуры объекта, преимущественно биологического, на заданной глубине. Сущность изобретения: при работе импульсного лазера свет по каналу генерации и формирования стоксовых импульсов поступает на исследуемый объект. Оптическая система снимает информацию на заданной глубине объекта и передает ее на усилитель яркости, куда поступают лазерные импульсы, проходящие по каналу формирования и задержки лазерных импульсов, сформированные по поперечному распределению. Эти импульсы усиливают изображение в стоксовом пучке, которое далее регистрируется. Комбинационно-активная среда канала генерации и формирования стоксовых импульсов выполнена в виде кристалла с погонным инкрементом усиления вынужденного комбинационного рассеивания не менее 0,8 ГВт/см, что позволяет получить достаточно четкое изображение при малых габаритах. 1 ил.

Изобретение относится к средствам визуализации структуры объекта преимущественно биологического происхождения на заданной глубине.

Известны устройства для получения послойных изображений объектов с использованием сверхкоротких лазерных импульсов для освещения объекта и временного стробирования рассеянного излучения [1-7] В основном эти устройства различаются по типу временного стробирования рассеянного объектом излучения: электронное стробирование [l-3] a так же стробирование посредством различных нелинейнооптических эффектов [4-6] Устройства стробирования на основе нелинейнооптических эффектов обеспечивают простую и надежную прямую регистрацию двумерных изображений объекта и выгодно отличаются от устройств электронного стробирования по стоимости и разрешающей способности. При создании так называемых "временных ворот" для рассеянного объектом излучения предлагается использовать такие нелинейные явления как эффект Керра-поворот плоскости поляризации излучения в сильном световом поле [4] генерацию антистоксовых компонент вынужденного комбинационного рассеивания (ВКР) [5] и собственно ВКР усиление стоксовых импульсов [6] Наиболее близким к заявленному является устройство для получения послойных оптических изображений светорассеивающих объектов, содержащее импульсный лазер оптически сообщенный с каналом генерации и формирования стоксовых импульсов и каналом формирования и задержки лазерных импульсов, при этом выход последнего сообщен с усилителем яркости на основе комбинационно-активной среды, с которым так же сообщен выход приемной оптической системы, а выход упомянутого усилителя через спектральные фильтры сообщен с фоторегистрирующим блоком [6] В процессе работы такого устройства осуществляется облучение исследуемого объекта стоксовыми импульсами ВКР, полученными при вынужденном комбинационном рассеянии пикосекундных лазерных импульсов в газовой ячейке и усиление рассеянного из объекта излучения при ВКР-задержанных мощных лазерных импульсов в такой же комбинационно-активной среде.

В таком устройстве мощные пикосекундные лазерные импульсы создают в комбинационной усилителе коэффициент усиления для стоксовых импульсов до 10⁹ на очень короткое время (ограниченное снизу только длительностью лазерных импульсов). В результате на фоторегистрирующее устройство поступает усиленный поток стоксовых фотонов преимущественно из того глубинного слоя объекта, время прихода которых в комбинационный усилитель совпадает со временем прихода туда же мощных лазерных импульсов. Это позволяет существенно понизить зашумленность изображений внутренних слоев многократно рассеянными фотонами, время прихода, которых в усилитель обычно больше, чем у информационного сигнала.

Недостатком данного устройства является довольно низкое качество получаемых изображений и необходимость облучения объекта мощным потоком световых квантов, что связано прежде всего с трудностью практической реализации больших коэффициентов усиления яркости изображений без потери их качества [7] Качество в данном случае характеризуется количеством элементов разрешения в изображении, а также зашумленностью изображения, выраженной в передаче контраста, черного и белого на фоторегистрирующую систему.

Целью данного изобретения является повышение эффективности работы устройства за счет улучшения качества получаемых изображений и уменьшения степени воздействия на исследуемый объект.

Цель достигается тем, что комбинационно-активная среда канала генерации и формирования стоксовых импульсов выполнена в виде кристалла, с погонных инкрементом усиления вынужденного комбинационного рассеивания не менее 0,8 ГВт/см, а приемная оптическая система с глубиной резкости, равной где Δ глубина резкости, v скорость света в среде объекта, t длительность лазерного импульса, t ≥ 10п с G максимальный инкремент усиления вынужденного комбинационного рассеивания в канале генерации и формирования стоксовых импульсов.

Согласно полученным экспериментальным данным использование комбинационно-активных кристаллов, удовлетворяющих указанным условиям, например кристаллов нитрата, бария, для генерации и усиления соответствующих стоксовых фотонов при энергии импульса более 1 мкДж позволяет существенно поднять количество элементов разрешения в изображении и обеспечить высокие коэффициенты усиления без оптического пробоя ВКР-усилителя, а выполнение требований к равномерности поперечного распределения интенсивности лазерных импульсов в пределах пространственного пересечения с усиливаемым стоксовым пучком изображения в комбинационно-активном кристалле обеспечивает отсутствие искажений при ВКР-усилении изображения. Выполнение требования к глубине резкости позволяет поднять передачу контраста черного и белого при максимально эффективном использовании потока рассеянных фотонов. При увеличении глубины резкости по сравнению с указанными в представленной формуле диапазонами в резкое изображение на фоторегистраторе попадают Фотоны из соседних несинхронных слоев, а при уменьшении глубины резкости часть "полезных" фотонов из нужного слоя теряется и необходимо увеличивать степень воздействия на объект.

Поиск, проведенный по патентной и научной литературе показал, что заявленная совокупность неизвестна, т. е. заявленное соответствует критерию "новизна".

Поскольку имеется потребность в такого рода устройствах и оно состоит из известных составляющих, то заявленное соответствует критерию "промышленная применимость".

А так как в результате использования заявленного появляется новый эффект, выражающийся в повышении качества изображения, уменьшения степени воздействия на объект и уменьшении габаритов и массы устройства, то заявленное соответствует критерию "изобретательский уровень", и получение таких эффектов не следует явным образом из уровня техники, а является результатом исследовательской работы.

На чертеже представлена блок-схема устройства для получения послойных оптических изображений.

Устройство содержит импульсный лазер 1, оптически сообщенный с каналом генерации и формирования стоксовых импульсов 2, приемную оптическую систему 3, канал формирования и задержки лазерных импульсов 4, который так же отвечает за равномерность поперечного распределения интенсивности лазерных импульсов, приходящих на усилитель яркости 5 на основе комбинационно-активной среды (кристалла), спектральные фильтры 6 и фоторегистрирующий блок 7. На фиг.1 показан также исследуемый объект 8, на который воздействуют излучением канала 2, а регистрируют рассеянное излучение оптической системой 3.

Устройство для получения послойных оптических изображений работает следующим образом.

Лазер 1 излучает мощные пикосекундные импульсы, которые делятся на два канала 2 и 4. В канале 2 лазерные импульсы преобразуются в стоксовы импульсы ВКР, которые используются затем для облучения объекта 8. Рассеянное объектом излучение собирается приемной оптической системой 3 с заданной глубиной резкости и попадает на кристалл-усилитель 5. Туда же приходят лазерные импульсы, сформированные по поперечному распределению и задержанные на нужную величину в канале 4. Лазерные импульсы усиливают изображение в стоксовом пучке в течении короткого времени, не превышающего длительность лазерных импульсов. Время прихода лазерных импульсов в усилитель 5 подобрано таким образом, чтобы усилить только те стоксовые фотоны, которые собираются в резкое изображение заданного внутреннего слоя исследуемого объекта приемной оптической системой 3. Далее информация фильтруется и регистрируется на фоторегистрирующем блоке 7.

Использование предложенного устройства позволяет получать контрастные послойные изображения объектов на заданной глубине, дает возможность просматривать внутреннюю структуру светорассеивающих объектов, что является наиболее актуальным в исследовании объектов биологического происхождения.

Литература 1. J.C. Hebden et al. "Time-resolved Imaging throught a highly scattering medium", Appl. Opt. v.30, 1991, pp. 788-794.

2. S. Andersson-Engels et al. "Time-resolved transillumination for medical diagnostics". Opt. Lett. v.l5, 1990, pp. 1179-1181.

3. К. М. Yoo et al. "Imaging of a transluent object hidden in a highly scattering medium from the early portion of the diffuse component of a transmitted ultrafast laser pulse". Opt. Lett. v. 17, 1992, pp. 958-960.

4. L.L. Kalpaxis et al. "Three-dimensional temporal image reconstruction of an objekt hidden in highly scattering media by time gated optikal tomografi". Opt. Lett. 18, 1993, 1691-1693.

5. M. Bashkansky and J. Reintjes, "Imaging trought a strong scattering medium with nonlinear optikal field cross-corelation techniques". Opt. Lett. 18, 1993,-2132-2134.

6. M.D. Duncan et al. "Time-gated imaging through scattering media using stimulated Raman amplification", Opt. Lett. 16. 1991, 1868-1870.

7. Optics Photonics News", (Special Issue: "Time-Resolved Imaging Diagnostics in Medicine"), Oct.1993, V.4, No 10, 28-32.

Формула изобретения

Устройство для получения послойных оптических изображений светорассеивающих объектов, содержащее импульсный лазер, оптически сообщенный с каналом генерации и формирования стоксовых импульсов и каналом формирования и задержки лазерных импульсов, при этом выход последнего сообщен с усилителем яркости на основе комбинационно-активной среды, с которым так же сообщен выход приемной оптической системы, а выход упомянутого усилителя через спектральные фильтры сообщен с фоторегистрирующим блоком, отличающееся тем, что комбинационно-активная среда канала генерации и формирования стоксовых импульсов выполнена в виде кристалла с погонным инкрементом усиления вынужденного комдинационного рассеивания не менее 0,8 ГВт/см², а приемная оптическая система с глубиной резкости

где В глубина резкости;
τ - длительность лазерного импульса, причем τ ≥ 10 пс;
G максимальный инкремент усиления вынужденного комбинационного рассеивания в канале генерации и формирования стоксовых импульсов;
v скорость света в среде объекта.

РИСУНКИ

Рисунок 1