Оптический интерферометр (варианты)

 

Изобретение относится к устройствам, отличающимся оптическими средствами измерения, и может быть использовано для исследования внутренней структуры объектов. Варианты оптического интерферометра характеризуются максимальной эффективностью использования мощности источника оптического излучения при оптимальном соотношении сигнал/шум. В одном из вариантов разработанного оптического интерферометра Майкельсона реализовано изменение направления поляризации оптического излучения, проходящего через светорасщепитель в обратном направлении, на ортогональное по сравнению с направлением поляризации оптического излучения, проходящего через светорасщепитель в прямом направлении, что обеспечивается включением в измерительное и опорное плечи оптического интерферометра соответствующих переключателей поляризации. При этом светорасщепитель выполнен поляризационно чувствительным. Это позволяет установить коэффициент расщепления светорасщепителя для каждой из поляризаций исходя из условия наилучшего соотношения сигнал/шум при заданной мощности источника оптического излучения. В другом варианте разработанного оптического интерферометра Майкельсона светорасщепитель выполнен невзаимным, т.е. его коэффициенты расщепления в прямом и обратном направлении могут различаться. В одной модификации этого варианта может использоваться источник поляризованного оптического излучения, при этом невзаимный светорасщепитель реализован путем включения в него двух переключателей поляризации, функция которых аналогична функции переключателей поляризации, включенных в измерительное и опорное плечи в первом варианте разработанного оптического интерферометра. В другой модификации может использоваться также и источник неполяризованного оптического излучения. В этой модификации невзаимность светорасщепителя обеспечивается за счет использования совместного действия оптически активного элемента и элемента Фарадея на оптическое излучение, проходящее через эти элементы в прямом и обратном направлении. Реализация балансного приема как в первом, так и во втором вариантах разработанного оптического интерферометра, обеспечивает максимальную эффективность использования мощности источника оптического излучения при оптимальном соотношении сигнал/шум. 2 с. и 31 з.п.ф-лы, 7 ил.

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.

Оптические интерферометры, входящие в состав низкокогерентных рефлектометров и устройств для оптической когерентной томографии, достаточно хорошо известны. Обычно они выполнены в виде интерферометра Майкельсона (см., например, X.Clivaz et al. "High resolution reflectometry in biological tissues", Opt. Lett. /Vol. 17, N 1/January 1, 1992; J.A.Izatt, J.G.Fujimoto et al, "Optical coherence microscopy in scattering media", Opt. Lett./ Vol. 19, N 8/April 15, 1994, p. 590-592), либо интерферометра Маха-Цендера (см., например, J.A.Izatt, J.G.Fujimoto et al. "Micron-resolution Biomedical Imaging with optical coherence tomography", Optics & Photonic News, October 1993, Vol. 4, N 10, p. 14-19; пат. США N 5582171, 1996 г.).

Вне зависимости от используемой конкретной схемы оптического интерферометра он традиционно содержит источник низкокогерентного оптического излучения, один или два светорасщепителя, измерительное и опорное плечи и фотоприемник, связанный с блоком обработки и индикации. Измерительное плечо, как правило, снабжено зондом, а на конце опорного плеча установлено референтное зеркало (например, A.Sergeev et al, "In vivo optical coherence tomography of human skin microstructure", Proc. SPIE, v. 2328, 1994, p. 144; X.J. Wang et al. Characterization of human scalp hairs by optical low coherence reflectometry. Opt. Lett./Vol. 20, N 5, 1995, pp. 524-526). Для обеспечения сканирования по глубине референтное зеркало соединяют с элементом, обеспечивающим механическое перемещение референтного зеркала (пат. США N 5321501, 1994 г.; пат. США N 5459570, 1995 г.), либо фиксируют местоположение референтного зеркала, а сканирование по глубине осуществляют с помощью пьезоэлектрического сканирующего элемента (пат. РФ N 2100787, 1997 г.), либо с помощью дисперсионно-решеточной линии задержки (K.F.Kwong, D.Yankelevich et al. 400-Hz mechanical scanning optical delay line, Optics Letters, Vol. 18, N 7, April 1, 1993). Иногда оптическую схему интерферометра полностью или частично реализуют с использованием оптических элементов с сосредоточенными параметрами (пат. США N 5383467, 1995 г.), но чаще оптические интерферометры такого назначения выполняют оптоволоконными (пат. США N 5321501, 1994 г.; пат. США N 5459570, 1995 г., пат. США N 5582171, 1996 г.).

Одной из основных проблем, которые приходится решать при разработке оптических интерферометров, входящих в состав низкокогерентных рефлектометров и устройств для оптической когерентной томографии, впрочем так же, как и при разработке практически любых измерительных устройств, является проблема обеспечения максимального соотношения сигнал/шум при высокой эффективности использования мощности источника. Как известно, в классическом оптическом интерферометре Майкельсона, входящего в состав устройств для оптической когерентной томографии, для максимального использования мощности источника используют взаимный светорасщепитель с коэффициентом расщепления, равным 3 дБ. Оптическое излучение источника, пройдя через светорасщепитель, а затем через опорное плечо в прямом и обратном направлении, возвращается на светорасщепитель, после чего 25% мощности поступает на фотоприемник, а 25% проходит к источнику оптического излучения (для случая, когда мощность оптического излучения, отраженная из измерительного плеча, пренебрежимо мала по сравнению с мощностью, отраженной из опорного плеча). Очевидно, что в таком интерферометре 25% мощности источника просто не используется, а кроме того, приходится принимать специальные меры для защиты источника оптического излучения. В то же время, те 25% мощности источника, которые после светорасщепителя проходят к фотоприемнику из опорного плеча, являются избыточными с точки зрения обеспечения максимального соотношения сигнал/шум. Как показали исследования (W. V. Sorin, D.M.Baney "A simple intensity noise reduction technique for optical low coherence reflectometry", IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 4, N 12, pp. 1404-1406, 1992), максимальное соотношение сигнал/шум может быть достигнуто при некотором, сравнительно невысоком уровне мощности в опорном плече. Это вынуждает уменьшать уровень мощности в опорном плече путем включения в него специальных аттенюаторов, что дополнительно снижает эффективность использования мощности источника.

Для повышения соотношения сигнал/шум известно использование балансного приема (H. -J. Foth et al. "Optical coherence tomography in turbid tissue: theoretical analysis and experimental results", Proc. SPIE, vol. 2628, pp 239-247, 1998) в оптическом интерферометре указанного назначения. В этом интерферометре первый фотоприемник традиционно оптически связан со светорасщепителем, а на второй фотоприемник поступает часть сигнала непосредственно от источника низкокогерентного оптического излучения. Недостатком этого технического решения так же, как и рассмотренных выше, является неэффективное использование мощности источника низкокогерентного излучения. Кроме того, указанная реализация балансного приема обеспечивает лишь компенсацию избыточных шумов источника за счет их вычитания, поэтому соотношение сигнал/шум в этом интерферометре не является оптимальным.

В оптическом интерферометре по ст. W. Drexler et al. "In vivo ultrahigh-resolution optical coherence tomography", Opt. Lett., Vol. 24, N 17, pp. 1221-1223, 1999, реализована несколько иная схема балансного приема. Этот оптический интерферометр входит в состав устройства для оптической когерентной томографии, выполнен в виде интерферометра Майкельсона и содержит оптически связанные источник низкокогерентного линейно поляризованного оптического излучения, первый и второй 3 дБ взаимные светорасщепители, измерительное и опорное плечи, а также два фотоприемника. Первый фотоприемник оптически связан с первым светорасщепителем, а второй фотоприемник оптически связан со вторым светорасщепителем, а их выходы соединены с соответствующими входами дифференциального усилителя. Выход последнего соединен с блоком обработки и индикации. На конце опорного плеча установлено референтное зеркало, перемещение которого обеспечивает сканирование по глубине. Поперечное сканирование исследуемого объекта осуществляется с помощью сканирующего устройства, размещенного в измерительном плече. Интерференционный сигнал поступает как на первый, так и на второй фотоприемники, за счет чего происходит не только вычитание избыточных шумов источника оптического излучения, но и сложение информативных интерференционных сигналов. Поэтому балансный прием, реализованный в этом оптическом интерферометре, обеспечивает повышенное соотношение сигнал/шум как по сравнению с оптическими интерферометрами, в которых используется прием интерференционного сигнала с помощью одного фотоприемника, так и по сравнению с описанным выше оптическим интерферометром по ст. H.-J. Foth et al., использующим балансный прием.

Однако этот оптический интерферометр недостаточно эффективен с точки зрения использования мощности источника низкокогерентного излучения. Это связано с тем, что в нем используются 2 светорасщепителя с коэффициентом расщепления 3 дБ, в результате чего порядка 12,5% мощности возвращается к источнику. Кроме того, необходимо выравнивание мощности, поступающей на первый и второй фотоприемники, что в еще большей степени уменьшает эффективность использования источника оптического излучения.

Оптический интерферометр по ст. A.M.Rollins, J.A.Izatt "Optimal interferometer designs for optical coherence tomography", Opt. Lett., Vol. 24, N 21, pp. 1484-1486, 1999, выполнен в виде интерферометра Маха-Цендера и содержит оптически связанные источник неполяризованного оптического излучения, первый взаимный светорасщепитель, измерительное и опорное плечи, второй взаимный светорасщепитель и трехпортовый циркулятор. Циркулятор включен в измерительное плечо, при этом первый его порт подключен к выходу первого канала первого светорасщепителя, второй связан с исследуемым объектом, а третий порт соединен с входом первого канала второго светорасщепителя. В опорное плечо включена линия задержки, подключенная одним концом к выходу второго канала первого светорасщепителя, а вторым концом - к входу второго канала второго светорасщепителя. Выход первого канала второго светорасщепителя оптически связан с фотоприемником. Коэффициенты расщепления первого и второго светорасщепителей отличны от 3 дБ. Модификация этой схемы позволяет реализовать балансный прием. Для этого в оптический интерферометр дополнительно введены второй фотоприемник и дифференциальный усилитель. Второй фотоприемник оптически связан с выходом второго канала второго светорасщепителя, а выходы первого и второго фотоприемников подключены к соответствующим входам дифференциального усилителя. При этом коэффициент расщепления второго светорасщепителя устанавливают равным 3 дБ.

Ближайшим аналогом первого варианта разработанного оптического интерферометра по совокупности сходных существенных признаков является оптический интерферометр, известный по ст. B.E.Bouma, G.J.Tearney "Power efficient, non-reciprocal interferometer and linear scanning fiber-optic catheter for optical coherence tomography", Opt. Lett., Vol. 24, N 8, pp. 531-533, 1999. Этот оптический интерферометр так же, как и описанный выше по ст. A.M.Rollins et al, выполнен в виде интерферометра Маха-Цендера. Он содержит оптически связанные источник линейно поляризованного оптического излучения, первый светорасщепитель, измерительное и опорное плечи, циркулятор, второй светорасщепитель и фотоприемник, выход которого связан с блоком обработки и индикации. Опорное плечо включает сканер по глубине, выполненный в виде дисперсионно-решеточной линии задержки, содержащей неподвижное референтное зеркало, размещенное на конце опорного плеча. Первый и второй светорасщепители выполнены взаимными и несимметричными: коэффициенты расщепления первого и второго светорасщепителей составляют 90%:10%, при этом 90% мощности поступает в измерительное плечо, а 10% - в опорное плечо. В этом техническом решении так же, как и в описанном выше оптическом интерферометре по ст. A.M. Rollins et al. , за счет повышения уровня мощности оптического излучения, поступающей в измерительное плечо, обеспечивается повышенная эффективность использования мощности источника оптического излучения по сравнению с известными оптическими интерферометрами и высокое соотношение сигнал/шум. Достоинством этого оптического интерферометра является также и то, что большая часть оптического излучения не возвращается в источник.

Однако в этом оптическом интерферометре часть мощности источника, пройдя через опорное плечо, тем не менее возвращается в источник. Кроме того, в этом интерферометре не предусмотрена возможность реализации балансного приема, что не позволяет обеспечить оптимальное соотношение сигнал/шум.

Ближайшим аналогом второго варианта разработанного оптического интерферометра является оптический интерферометр, описанный в ст. A.M. Rollins et al. "Real-time in vivo imaging of human gastrointestinal ultrastructure by use of endoscopic optical coherence tomography with a novel efficient interferometer design". Opt. Lett., Vol. 24, N 19, pp. 1358-1360, 1999., а также в ст. A.M.Rollins, J.A.Izatt "Optimal interferometer designs for optical coherence tomography". Opt. Lett., Vol. 24, N 21, pp. 1484-1486, 1999. Оптический интерферометр содержит оптически связанные источник оптического излучения, трехпортовый циркулятор, взаимный светорасщепитель, измерительное плечо и опорное плечо, а также первый фотоприемник, выход которого связан с блоком обработки и индикации. Опорное плечо включает сканер по глубине, выполненный в виде дисперсионно-решеточной линии задержки, содержащей неподвижное референтное зеркало, размещенное на конце опорного плеча. Первый порт циркулятора оптически связан с источником оптического излучения, второй его порт оптически связан с первым портом светорасщепителя, а третий порт циркулятора оптически связан с фотоприемником. Второй и третий порты светорасщепителя оптически связаны с измерительным и опорным плечами соответственно. Коэффициент расщепления светорасщепителя отличен от 3 дБ. Эксплуатационные характеристики этого оптического интерферометра близки к эксплуатационным характеристикам описанных выше оптических интерферометров с одним фотоприемником по ст. A.M.Rollins et al и по ст. B.E.Bouma et al.

Модификация этого оптического интерферометра позволяет реализовать балансный прием. Для этого в схему включен второй фотоприемник, оптически связанный с четвертым портом светорасщепителя, и дифференциальный усилитель, к соответствующим входам которого подключены выходы первого и второго фотоприемников. Коэффициент расщепления светорасщепителя установлен равным 3 дБ. Эксплуатационные характеристики этого оптического интерферометра близки к эксплуатационным характеристикам описанного выше оптического интерферометра по ст. A.M.Rollins et al., использующего балансную схему приема.

Недостатком этого оптического интерферометра так же, как и других известных, является то, что в них используются светорасщепители, в которых коэффициенты передачи между соответствующими портами в прямом и обратном направлении имеют одинаковые значения. Поэтому высокая эффективность использования мощности источника оптического излучения при соотношении сигнал/шум, близком к оптимальному, в этих оптических интерферометрах обеспечивается либо введением дополнительных светорасщепителей, либо введением циркулятора. Кроме того, недостатком этого оптического интерферометра в модификации, использующей балансную схему приема, является неизбежность потери 25% мощности источника оптического излучения, поскольку оптимальным является использование светорасщепителя с коэффициентом расщепления, равным 3 дБ.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является расширение класса оптических интерферометров, обеспечивающих высокую эффективность использования мощности источника оптического излучения при обеспечении оптимального соотношения сигнал/шум, т.е. создание вариантов оптического интерферометра, эксплуатационные характеристики которых по меньшей мере не уступают эксплуатационным характеристикам лучших оптических интерферометров, известных из уровня техники.

Сущность первого варианта разработанного оптического интерферометра заключается в том, что он так же, как и оптический интерферометр, являющийся его ближайшим аналогом, содержит оптически связанные источник низкокогерентного оптического излучения, линейно поляризованного в первом заданном направлении, светорасщепитель, измерительное плечо и опорное плечо, на конце которого установлено референтное зеркало, а также первый фотоприемник, выход которого связан с блоком обработки и индикации. Коэффициент расщепления светорасщепителя для оптического излучения, линейно поляризованного в первом заданном направлении, отличен от 3 дБ.

Новым в первом варианте разработанного оптического интерферометра является то, что в него дополнительно введены установленный в измерительном плече между светорасщепителем и исследуемым объектом первый переключатель поляризации, обеспечивающий изменение направления поляризации оптического излучения на второе заданное направление, ортогональное первому, в результате прохождения оптического излучения через упомянутый переключатель поляризации в прямом и обратном направлении, и второй переключатель поляризации, обеспечивающий изменение направления поляризации оптического излучения на второе заданное направление, ортогональное первому, в результате прохождения оптического излучения через упомянутый переключатель поляризации в прямом и обратном направлении, установленный в опорном плече между светорасщепителем и референтным зеркалом, при этом светорасщепитель выполнен поляризационно чувствительным.

Целесообразно при этом установить коэффициент расщепления светорасщепителя для оптического излучения, линейно поляризованного во втором заданном направлении, отличным от 3 дБ.

В частном случае источник оптического излучения, линейно поляризованного в первом заданном направлении, оптически связан с первым портом светорасщепителя через дополнительно введенный в оптический интерферометр поляризатор, при этом первый порт поляризатора оптически связан с источником оптического излучения, второй порт поляризатора оптически связан с первым портом светорасщепителя, третий порт поляризатора оптически связан с дополнительно введенным вторым фотоприемником, а выходы первого и второго фотоприемников связаны с блоком обработки и индикации через соединенный с ним дополнительно введенный дифференциальный усилитель, к соответствующим входам которого они подключены.

Целесообразно при этом установить коэффициент расщепления светорасщепителя для оптического излучения, линейно поляризованного во втором заданном направлении, равным 3 дБ.

В частном случае по меньшей мере один из упомянутых переключателей поляризации выполнен в виде элемента Фарадея.

В другом частном случае по меньшей мере один из переключателей поляризации выполнен в виде четвертьволновой пластины.

В частном случае по меньшей мере одно из плеч оптического интерферометра содержит сканер по глубине, выполненный с возможностью изменения оптической длины этого плеча по меньшей мере на несколько десятков рабочих длин волн интерферометра.

В другом частном случае измерительное плечо оптического интерферометра снабжено зондом, размещенным в его дистальном конце.

В конкретной реализации этого частного случая часть измерительного плеча интерферометра, включающая зонд, выполнена оптоволоконной.

В другой конкретной реализации этого частного случая первый переключатель поляризации размещен в дистальном конце оптоволоконного зонда.

В частном случае измерительное и опорное плечи оптического интерферометра выполнены оптоволоконными.

В другом частном случае светорасщепитель выполнен оптоволоконным.

В конкретной реализации по меньшей мере одно из плеч интерферометра включает контроллер поляризации.

В другой конкретной реализации оптическое волокно выполнено анизотропным.

В частном случае оптический интерферометр входит в состав устройства для оптической когерентной томографии, при этом источник линейно поляризованного оптического излучения выполнен низкокогерентным, а зонд включает поперечный сканер.

Сущность второго варианта разработанного оптического интерферометра заключается в том, что он так же, как и оптический интерферометр, являющийся его ближайшим аналогом, содержит источник оптического излучения, оптически связанный с первым портом светорасщепителя, второй порт которого оптически связан с измерительным плечом, при этом третий порт светорасщепителя оптически связан с опорным плечом, на конце которого установлено референтное зеркало, а также оптически связанный с четвертым портом светорасщепителя первый фотоприемник, выход которого связан с блоком обработки и индикации.

Новым во втором варианте разработанного оптического интерферометра является то, что светорасщепитель выполнен невзаимным.

В частном случае источник оптического излучения оптически связан с первым портом светорасщепителя через дополнительно введенную в оптический интерферометр трехпортовую развязку, при этом первый порт трехпортовой развязки оптически связан с источником оптического излучения, второй его порт оптически связан с первым портом светорасщепителя, третий порт трехпортовой развязки оптически связан с дополнительно введенным вторым фотоприемником, а выходы первого и второго фотоприемников связаны с блоком обработки и индикации через соединенный с ним дополнительно введенный дифференциальный усилитель, к соответствующим входам которого они подключены.

В другом частном случае светорасщепитель выполнен поляризационно нечувствительным.

В конкретной реализации этого частного случая светорасщепитель содержит последовательно установленные на оптической оси первую плоскопараллельную пластину с двойным лучепреломлением, которая оптически связана с первым портом светорасщепителя, оптически активный элемент, элемент Фарадея и вторую плоскопараллельную пластину с двойным лучепреломлением, которая оптически связана со вторым портом светорасщепителя, а также первый поляризатор, оптически связанный с первой плоскопараллельной пластиной с двойным лучепреломлением через первое зеркало, второй поляризатор, оптически связанный со второй плоскопараллельной пластиной с двойным лучепреломлением через второе зеркало, при этом третьим портом светорасщепителя является первый поляризатор, четвертым портом светорасщепителя является второй поляризатор, а оптические оси первой и второй плоскопараллельных пластин ориентированы навстречу друг другу аксиально симметрично относительно оптической оси интерферометра.

При этом целесообразно выполнить развязку в виде циркулятора.

В другом частном случае источник оптического излучения выполнен в виде источника поляризованного оптического излучения, а светорасщепитель выполнен поляризационно чувствительным.

В конкретной реализации этого частного случая светорасщепитель дополнительно включает два переключателя поляризации, каждый из которых обеспечивает изменение направления поляризации оптического излучения, линейно поляризованного в первом заданном направлении, на второе заданное направление, ортогональное первому, в результате прохождения оптического излучения через соответствующий переключатель поляризации в прямом и обратном направлении, при этом один из переключателей поляризации является вторым портом светорасщепителя, а другой переключатель поляризации является третьим портом светорасщепителя.

При этом целесообразно выполнить развязку в виде поляризатора.

В частном случае по меньшей мере один из упомянутых переключателей поляризации выполнен в виде элемента Фарадея.

В другом частном случае по меньшей мере один из переключателей поляризации выполнен в виде четвертьволновой пластины.

В частном случае по меньшей мере одно из плеч оптического интерферометра содержит сканер по глубине, выполненный с возможностью изменения оптической длины этого плеча по меньшей мере на несколько десятков рабочих длин волн интерферометра.

В другом частном случае измерительное плечо оптического интерферометра снабжено зондом, размещенным в его дистальном конце.

В конкретной реализации этого частного случая часть измерительного плеча интерферометра, включающая зонд, выполнена оптоволоконной.

В другой конкретной реализации этого частного случая первый переключатель поляризации размещен в дистальном конце оптоволоконного зонда.

В частном случае измерительное и опорное плечи оптического интерферометра выполнены оптоволоконными.

В другом частном случае светорасщепитель выполнен оптоволоконным.

В конкретной реализации по меньшей мере одно из плеч интерферометра включает контроллер поляризации.

В другой конкретной реализации оптическое волокно выполнено анизотропным.

В частном случае оптический интерферометр входит в состав устройства для оптической когерентной томографии, при этом источник линейно поляризованного оптического излучения выполнен низкокогерентным, а зонд включает поперечный сканер.

Сущность изобретения можно пояснить следующим образом.

В одном из вариантов разработанного оптического интерферометра Майкельсона реализовано изменение направления поляризации оптического излучения, проходящего через светорасщепитель в обратном направлении, на ортогональное, по сравнению с направлением поляризации оптического излучения, проходящего через светорасщепитель в прямом направлении, что обеспечивается включением в измерительное и опорное плечи оптического интерферометра соответствующих переключателей поляризации. При этом светорасщепитель выполнен поляризационно чувствительным, т.е. с различными коэффициентами расщепления для оптических излучений, поляризованных в двух ортогональных направлениях. Это позволяет установить коэффициент расщепления светорасщепителя для каждой из поляризаций исходя из условия обеспечения наилучшего соотношения сигнал/шум при заданной мощности источника оптического излучения.

В другом варианте разработанного оптического интерферометра Майкельсона светорасщепитель выполнен невзаимным, т.е. его коэффициенты расщепления в прямом и обратном направлении могут различаться. В одной модификации этого варианта может использоваться источник поляризованного оптического излучения, при этом невзаимный светорасщепитель реализован путем включения в него двух переключателей поляризации, функция которых аналогична функции переключателей поляризации, включенных в измерительное и опорное плечи в первом варианте разработанного оптического интерферометра. В другой модификации может использоваться также и источник неполяризованного оптического излучения. В этой модификации невзаимность светорасщепителя обеспечивается за счет использования совместного действия оптически активного элемента и элемента Фарадея на оптическое излучение, проходящее через эти элементы в прямом и обратном направлении. Все это позволяет установить коэффициент расщепления светорасщепителя в прямом и обратном направлении исходя из условия наилучшего соотношения сигнал/шум при заданной мощности источника оптического излучения.

Реализация балансного приема как в первом, так и во втором вариантах разработанного оптического интерферометра, обеспечивает оптимальное соотношение сигнал/шум.

Таким образом, оба варианта разработанного оптического интерферометра позволяют решить поставленную задачу, а именно расширить класс оптических интерферометров, обеспечивающих высокую эффективность использования мощности источника оптического излучения при оптимальном соотношении сигнал/шум, т.е. создать варианты оптических интерферометров, эксплуатационные характеристики которых по меньшей мере не уступают эксплуатационным характеристикам лучших оптических интерферометров, известных из уровня техники.

На фиг. 1 изображена структурная схема первого варианта разработанного оптического интерферометра, соответствующая одному из частных случаев его реализации.

На фиг. 2 изображена структурная схема этого же варианта разработанного оптического интерферометра, соответствующая другому частному случаю его реализации.

На фиг. 3 изображена структурная схема второго варианта разработанного оптического интерферометра, соответствующая одному из частных случаев его реализации.

На фиг. 4 изображена структурная схема второго варианта разработанного оптического интерферометра, соответствующая другому частному случаю его реализации.

На фиг. 5 изображена структурная схема второго варианта разработанного оптического интерферометра, соответствующая третьему частному случаю его реализации.

На фиг. 6 изображена структурная схема второго варианта разработанного оптического интерферометра, соответствующая четвертому частному случаю его реализации.

Фиг. 7 иллюстрирует зависимости соотношения сигнал/шум от коэффициента расщепления светорасщепителя для различных вариантов разработанного оптического интерферометра.

Разработанные варианты оптического интерферометра иллюстрируются на примерах волоконно-оптических интерферометров, входящих в состав устройства для оптической когерентной томографии, хотя очевидно, что они могут быть реализованы с помощью оптических элементов с сосредоточенными параметрами и могут использоваться самостоятельно.

Оптический интерферометр по фиг. 1 содержит источник 1 оптического излучения, линейно поляризованного в первом заданном направлении, оптически связанный с первым портом 2 светорасщепителя 3, второй порт 4 которого оптически связан с измерительным плечом 5, а третий порт 6 оптически связан с опорным плечом 7. На конце опорного плеча 7 установлено референтное зеркало 8. В измерительном плече 5 установлен переключатель 9 поляризации, обеспечивающий изменение направления поляризации оптического излучения, линейно поляризованного в первом заданном направлении, на второе заданное направление, ортогональное первому, в результате прохождения через него оптического излучения в прямом и обратном направлении. Переключатель 9 может быть установлен в любой части измерительного плеча 5 за светорасщепителем 3, в конкретной реализации по фиг. 1 переключатель 9 установлен в дистальном конце измерительного плеча 5 непосредственно перед исследуемым объектом 10. В опорном плече 7 установлен переключатель 11 поляризации так же, как и переключатель 9, обеспечивающий изменение направления поляризации оптического излучения, линейно поляризованного в первом заданном направлении, на второе заданное направление, ортогональное первому, в результате прохождения через него оптического излучения в прямом и обратном направлении. Переключатель 11 может быть установлен в любой части опорного плеча 7 между светорасщепителем 3 и референтным зеркалом 8, в конкретной реализации по фиг. 1 переключатель 11 установлен в дистальном конце опорного плеча 7 непосредственно перед референтным зеркалом 8. С четвертым портом 12 светорасщепителем 3 оптически связан первый фотоприемник 13, выход которого связан с блоком 14 обработки и индикации. Коэффициент расщепления светорасщепителя 3 для оптического излучения, линейно поляризованного в первом заданном направлении, отличен от 3 дБ. Светорасщепитель 3 выполнен поляризационно чувствительным. Это означает, что коэффициент расщепления светорасщепителя 3 для оптического излучения, линейно поляризованного во втором заданном направлении, отличен от коэффициента расщепления светорасщепителя для оптического излучения, линейно поляризованного в первом заданном направлении. В конкретной реализации коэффициент расщепления светорасщепителя для оптического излучения, линейно поляризованного во втором заданном направлении, отличен от 3 дБ. При этом светорасщепитель 3 выполнен взаимным. В рассматриваемой конкретной реализации коэффициенты передачи светорасщепителя 3 с первого порта 2 на второй порт 4, и с первого порта 2 на третий порт 6 для оптического излучения, линейно поляризованного в первом заданном направлении, составляют соответственно K₁₂ = 0,97 и K₁₃ = 0,03. Для оптического излучения, линейно поляризованного во втором заданном направлении, коэффициент передачи светорасщепителя 3 с третьего порта 6 на четвертый порт 12 равен коэффициенту передачи со второго порта 4 на первый 2, а коэффициент передачи светорасщепителя 3 с третьего порта 6 на первый порт 2 равен коэффициенту передачи со второго порта 4 на четвертый порт 12, т.е. K₃₄ = K₂₁ = 0,03, а K₃₁ = K₂₄ = 0,97.

По меньшей мере одно из плеч оптического интерферометра может содержать сканер 15 по глубине, выполненный с возможностью изменения оптической длины этого плеча по меньшей мере на несколько десятков рабочих длин волн интерферометра. В конкретной реализации, представленной на фиг. 1, сканер 15 размещен в опорном плече 7, а измерительное плечо 5 снабжено зондом 16, размещенным в его дистальном конце.

Источник 1 представляет собой источник оптического излучения, линейно поляризованного в первом заданном направлении, и может быть выполнен в виде источника низкокогерентного оптического излучения, например, суперлюминесцентного диода, оптически связанного с поляризатором, и в случае необходимости, с контроллером поляризации.

Светорасщепитель 3 может быть выполнен оптоволоконным, например, по ст. R. H. Stolen et al. "Polarization-selective 3dB fiber directional coupler", Opt. Lett. /Vol. 10, N 11, 1985, pp. 574-575, в которой описаны реализации оптоволоконных светорасщепителей с коэффициентом расщепления как равным, так и отличным от 3dB.

Переключатели 9 и 11 могут быть выполнены либо в виде элемента Фарадея, либо в виде четвертьволновой пластины. Однако при выполнении оптического интерферометра на изотропном волокне выполнение переключателей 9, 11 в виде элемента Фарадея предпочтительнее, поскольку позволяет скомпенсировать все поляризационные искажения, включая динамические.

В качестве фотоприемника 13 может быть использован фотодиод.

Блок 14 предназначен для формирования изображения исследуемого объекта 10 путем отображения интенсивности обратно рассеянного когерентного излучения и может быть выполнен, например, аналогично блоку обработки и индикации по ст. В.М.Геликонов и др. "Когерентная оптическая томография микронеоднородностей биотканей", Письма в ЖЭТФ, том. 61, вып. 2, с. 149-153, который включает последовательно соединенные полосовой фильтр, логарифмический усилитель, амплитудный детектор, аналого-цифровой преобразователь и компьютер.

Сканер 15 предназначен для изменения разности оптических длин измерительного 5 и опорного 7 плеч оптического интерферометра по меньшей мере на несколько десятков рабочих длин волн источника 1.

Сканер 15 может быть выполнен, например, по пат. РФ N 2100787, 1997 г. в виде оптоволоконного пьезоэлектрического преобразователя, содержащего по меньшей мере один пьезоэлектрический элемент, выполненный с возможностью формирования в нем электрического поля и характеризующийся высоким обратным пьезоэффектом, жестко скрепленные с пьезоэлектрическим элементом электроды, а также оптическое волокно, жестко скрепленное с электродами. Размер пьезоэлектрического элемента в направлении, приблизительно ортогональном вектору электрического поля, существенно превышает размер пьезоэлектрического элемента в направлении, приблизительно совпадающем с вектором электрического поля, при этом длина оптического волокна существенно превышает диаметр пьезоэлектрического элемента.

Часть измерительного плеча 5 оптического интерферометра, включающая зонд 16, может быть выполнена оптоволоконной. При этом зонд 16 может быть выполнен по з. РФ N 98104238/14 (WO 99/45338, опубл. 10.09.99).

При реализации оптического интерферометра с использованием изотропного волокна по меньшей мере одно из плеч интерферометра включает контроллер поляризации (на чертежах не показан).

Возможна также реализация оптического интерферометра на анизотропном волокне, например, типа PANDA. В этом случае включение контроллера поляризации не требуется.

Оптический интерферометр по фиг. 1 может входить в состав устройства для оптической когерентной томографии, при этом источник 1 выполнен в виде источника низкокогерентного оптического излучения, например, в виде суперлюминесцентного диода, оптически связанного с поляризатором, а зонд 16 включает поперечный сканер (на чертеже не показан). В этом случае зонд 16 также может быть выполнен по з. РФ N 98104238/14 (WO 99/45338, опубл. 10.09.99).

Оптический интерферометр по фиг. 2 содержит источник 1 оптического излучения, линейно поляризованного в первом заданном направлении, оптически связанный с первым портом 17 поляризатора 18. Второй порт 19 поляризатора 18 оптически связан с первым портом 2 светорасщепителя 3, второй порт 4 которого оптически связан с измерительным плечом 5, а третий порт 6 оптически связан с опорным плечом 7. На конце опорного плеча 7 установлено референтное зеркало 8. В измерительном плече 5 установлен переключатель 9 поляризации, обеспечивающий изменение направления поляризации оптического излучения, линейно поляризованного в первом заданном направлении, на второе заданное направление, ортогональное первому, в результате прохождения через него оптического излучения в прямом и обратном направлении. Переключатель 9 может быть установлен в любой части измерительного плеча 5 за светорасщепителем 3, в конкретной реализации по фиг. 1 переключатель 9 установлен в дистальном конце измерительного плеча 5 непосредственно перед исследуемым объектом 10. В опорном плече 7 установлен переключатель 11 поляризации так же, как и переключатель 9, обеспечивающий изменение направления поляризации оптического излучения, линейно поляризованного в первом заданном направлении, на второе заданное направление, ортогональное первому, в результате прохождения через него оптического излучения в прямом и обратном направлении. Переключатель 11 может быть установлен в любой части опорного плеча 7 между светорасщепителем 3 и референтным зеркалом 8, в конкретной реализации по фиг. 1 переключатель 11 установлен в дистальном конце опорного плеча 7 непосредственно перед референтным зеркалом 8. Четвертый порт 12 светорасщепителя 3 оптически связан с первым фотоприемником 13, а третий порт 20 поляризатора 18 оптически связан с вторым фотоприемником 21. Выходы первого и второго фотоприемников 13, 21 соответственно подключены к соответствующим входам дифференциального усилителя 22, выход которого подключен к блоку 14 обработки и индикации. Светорасщепитель 3 так же, как и в оптическом интерферометре по фиг. 1, выполнен поляризационно чувствительным. В конкретной реализации коэффициент расщепления светорасщепителя 3 для оптического излучения, линейно поляризованного в первом заданном направлении, отличен от 3 дБ, а для оптического излучения, линейно поляризованного во втором заданном направлении, равен приблизительно 3 дБ. По меньшей мере одно из плеч оптического интерферометра может содержать сканер 15 по глубине, выполненный с возможностью изменения оптической длины этого плеча по меньшей мере на несколько десятков рабочих длин волн интерферометра. В конкретной реализации, представленной на фиг. 2, сканер 15 размещен в опорном плече 7, а измерительное плечо 5 снабжено зондом 16, размещенным в его дистальном конце.

В оптическом интерферометре по фиг. 2 источник 1, светорасщепитель 3, переключатель 9 поляризации, переключатель 11 поляризации, фотоприемник 13, блок 14, сканер 15 и зонд 16 могут быть выполнены так же, как и в оптическом интерферометре по фиг. 1. Поляризатор 18 может быть выполнен в виде диэлектрического зеркала, в виде поляризационной призмы, в виде клина из анизотропного материала. Поляризатор 18 может быть выполнен оптоволоконным. Фотоприемник 21 может быть выполнен аналогично фотоприемнику 13.

Оптический интерферометр по фиг. 3 содержит источник 23 оптического излучения, оптически связанный с первым 24 портом светорасщепителя 25, второй порт 26 которого оптически связан с измерительным плечом 5. Третий порт 27 светорасщепителя 25 оптически связан с опорным плечом 7, на конце которого установлено референтное зеркало 8. С четвертым портом 28 светорасщепителя 25 оптически связан первый фотоприемник 13, выход которого связан с блоком 14 обработки и индикации.

Светорасщепитель 25 выполнен невзаимным. В общем случае это означает, что коэффициенты передачи светорасщепителя 25 в прямом и обратном направлениях по каждому порту могут различаться.

В оптическом интерферометре по фиг. 3 светорасщепитель 25 выполнен поляризационно нечувствительным и содержит последовательно установленные на оптической оси первую плоскопараллельную пластину 29 с двойным лучепреломлением, которая оптически связана с первым портом 24 светорасщепителя 25, оптически активный элемент 30, элемент Фарадея 31 и вторую плоскопараллельную пластину 32 с двойным лучепреломлением, которая оптически связана с вторым портом 26 светорасщепителя 25. Предпочтительно выполнить первую и вторую плоскопараллельные пластины 29, 32 из одного одноосного кристалла. Оптические оси первой и второй плоскопараллельных пластин 29, 32 ориентированы навстречу друг другу аксиально симметрично относительно оптической оси интерферометра.

Светорасщепитель 25 включает также первый поляризатор 33, оптически связанный через первое зеркало 34 с первой плоскопараллельной пластиной, поляризатор 35, оптически связанный со второй плоскопараллельной пластиной 32 через второе зеркало 36. Плоскость отражения первого поляризатора 33 параллельна плоскости отражения первого зеркала 34, а плоскость отражения второго поляризатора 35 параллельна плоскости отражения второго зеркала 36. Расстояние D между центрами отражения первого поляризатора 33 и первого зеркала 34, а также между центрами отражения второго поляризатора 35 и второго зеркала 36 определяется соотношением: D = 2dsinβ/|sin2α|, где d - толщина соответствующей плоскопараллельной пластины 29, 32; β - угол двулучепреломления соответствующей плоскопараллельной пластины 29, 32; α - угол между нормалью к плоскости отражения и направлением падения оптического излучения на указанную плоскость (применительно к первому поляризатору 33 и второму поляризатору 35, а также применительно к первому и второму зеркалу 34, 36).

Плоскости отражения первого и второго поляризаторов 33, 35 ориентированы так, что поляризаторы 33, 35 пропускают оптическое излучение, поляризация которого соответствует поляризации обыкновенного оптического излучения, и отражают оптическое излучение, поляризация которого соответствует поляризации необыкновенного оптического излучения.

Второй поляризатор 35 является третьим портом 27 светорасщепителя 25, а первый поляризатор 33 является четвертым портом 28 светорасщепителя 25.

Оптически активный элемент 30 представляет собой плоскопараллельную пластину, выполненную из оптически активного материала, например из кристаллического кварца, киновари и др., и характеризуется тем, что обеспечивает поворот направлений поляризации всех составляющих падающего на него излучения на заданный угол φ, пропорциональный толщине плоскопараллельной пластины, при этом знак угла φ изменятся на противоположный при прямом и обратном прохождении оптического излучения через плоскопараллельную пластину.

Элемент Фарадея 31 предназначен для поворота направлений поляризации всех составляющих падающего на него излучения на заданный угол Φ, знак которого не изменятся при прямом и обратном прохождении оптического излучения через него.

Соотношение углов φ и Φ определяет значение коэффициентов передачи по соответствующим портам светорасщепителя 25 в прямом и обратном направлении.

Для заданных коэффициентов передачи: K₁₂ = 1-K₁₃ = 0,97 и K₂₁ = K₃₄ = 1-K₃₁ = 1-K₂₄ = 0,03 конкретные значения углов φ и Φ могут быть определены из следующих соотношений: φ = 1/2{arccos(K₁₂)^1/2+arccos(1-K₁₂)^1/2} = 45°. Очевидно, что возможны и другие варианты реализации поляризационно нечувствительного светорасщепителя 25.

Так же, как и в оптических интерферометрах по фиг. 1 и 2, по меньшей мере одно из плеч оптического интерферометра по фиг. 3 может содержать сканер 15 по глубине, выполненный с возможностью изменения оптической длины этого плеча по меньшей мере на несколько десятков рабочих длин волн интерферометра. В конкретной реализации, представленной на фиг. 3, сканер 15 размещен в опорном плече 7, а измерительное плечо 5 снабжено зондом 16, размещенным в его дистальном конце.

В оптическом интерферометре по фиг. 3 источник 23 может быть выполнен в виде источника неполяризованного оптического излучения либо в виде источника оптического поляризованного излучения.

Фотоприемник 13, блок 14, сканер 15 и зонд 16 могут быть выполнены так же, как и в оптическом интерферометре по фиг. 1 и по фиг. 2.

Оптический интерферометр по фиг. 4 содержит источник 23 оптического излучения и трехпортовую развязку 37, выполненную в виде циркулятора 38. Первый порт 39 циркулятора 38 оптически связан с источником 23, второй порт 40 циркулятора 38 оптически связан с первым портом 24 светорасщепителя 25, а второй порт 26 светорасщепителя 25 оптически связан с измерительным плечом 5. Третий порт 27 светорасщепителя 25 оптически связан с опорным плечом 7, на конце которого установлено референтное зеркало 8. Четвертый порт 28 светорасщепителя 25 оптически связан с первым фотоприемником 13, а третий порт 41 циркулятора 38 оптически связан со вторым фотоприемником 21. Выходы первого и второго фотоприемников 13, 21 соответственно связаны с блоком 14 обработки и индикации через соединенный с ним дифференциальный усилитель 22, к соответствующим входам которого они подключены.

В оптическом интерферометре по фиг. 4 светорасщепитель 25 выполнен невзаимным и поляризационно нечувствительным и может быть выполнен аналогичным светорасщепителю 25 в оптическом интерферометре по фиг. 3.

В оптическом интерферометре по фиг. 4 светорасщепитель 25 так же, как и в оптическом интерферометре по фиг. 3, содержит последовательно установленные на оптической оси первую плоскопараллельную пластину 29 с двойным лучепреломлением, оптически связанную с первым портом 24 светорасщепителя 25, оптически активный элемент 30, элемент 31 Фарадея и вторую плоскопараллельную пластину 32 с двойным лучепреломлением, оптически связанную с вторым портом 26 светорасщепителя 25. Светорасщепитель 25 включает также первый поляризатор 33, оптически связанный с первой плоскопараллельной пластиной 29 через первое зеркало 34 и второй поляризатор 35, оптически связанный со второй плоскопараллельной пластиной 32 через второе зеркало 36. Второй поляризатор 35 является третьим портом 27 светорасщепителя 25, а первый поляризатор 33 является четвертым портом 28 светорасщепителя 25.

По меньшей мере одно из плеч оптического интерферометра может содержать сканер 15 по глубине, выполненный с возможностью изменения оптической длины этого плеча по меньшей мере на несколько десятков рабочих длин волн интерферометра. В конкретной реализации, представленной на фиг. 3, сканер 15 размещен в опорном плече 7, а измерительное плечо 5 снабжено зондом 16, размещенным в его дистальном конце.

В оптическом интерферометре по фиг. 4 источник 23 выполнен аналогичным источнику 23 в оптическом интерферометре по фиг. 3.

Фотоприемники 13, 21, блок 14, сканер 15 и зонд 16 могут быть выполнены так же, как и в оптическом интерферометре по фиг. 2.

Оптический интерферометр по фиг. 5 содержит источник 1 линейно поляризованного излучения, оптически связанный с первым портом 42 светорасщепителя 43, второй порт 44, которого оптически связан с измерительным плечом 5. Третий порт 45 светорасщепителя 43 оптически связан с опорным плечом 7, на конце которого установлено референтное зеркало 8. С четвертым портом 46 светорасщепителя 43 оптически связан первый фотоприемник 13, выход которого связан с блоком 14 обработки и индикации.

В оптическом интерферометре по фиг. 5 светорасщепитель 43 выполнен невзаимным и поляризационно чувствительным и включает два переключателя 47 и 48 поляризации, каждый из которых обеспечивает изменение направления поляризации оптического излучения, линейно поляризованного в первом заданном направлении, на второе заданное направление, ортогональное первому, в результате прохождения оптического излучения через соответствующий переключатель 47 и 48 в прямом и обратном направлении. В конкретной реализации по фиг. 5 переключатель 47 является вторым портом 44 светорасщепителя 43, а переключатель 48 является третьим портом 45 светорасщепителя 43.

Источник 1 выполнен аналогичным источнику 1 в оптическом интерферометре по фиг. 1.

Фотоприемник 13, блок 14, сканер 15 и зонд 16 могут быть выполнены так же, как и в оптическом интерферометре по фиг. 1, по фиг. 2, по фиг. 3 и по фиг. 4.

Оптический интерферометр по фиг. 6 содержит источник 1 линейно поляризованного излучения и трехпортовую развязку 37, выполненную в виде поляризатора 18. Первый порт 17 поляризатора 18 оптически связан с источником 1, второй порт 19 поляризатора 18 оптически связан с первым портом 42 светорасщепителя 43, а второй порт 44 светорасщепителя 43 оптически связан с измерительным плечом 5. Третий порт 45 светорасщепителя 43 оптически связан с опорным плечом 7, на конце которого установлено референтное зеркало 8. Четвертый порт 46 светорасщепителя 43 оптически связан с первым фотоприемником 13, а третий порт 20 поляризатора 18 оптически связан с вторым фотоприемником 21. Выходы первого и второго фотоприемников 13, 21 соответственно связаны с блоком 14 обработки и индикации через соединенный с ним дифференциальный усилитель 22, к соответствующим входам которого они подключены. В оптическом интерферометре по фиг. 6 светорасщепитель 43 так же, как и в оптическом интерферометре по фиг. 5, выполнен невзаимным и поляризационно чувствительным и включает два переключателя 47 и 48 поляризации, каждый из которых обеспечивает изменение направления поляризации оптического излучения, линейно поляризованного в первом заданном направлении, на второе заданное направление, ортогональное первому, в результате прохождения оптического излучения через соответствующий переключатель 47 и 48 в прямом и обратном направлении. При этом переключатель 47 является вторым портом 44 светорасщепителя 43, а переключатель 48 является третьим портом 45 светорасщепителя 43.

В оптическом интерферометре по фиг. 6 источник 1 выполнен аналогичным источнику 1 в оптическом интерферометре по фиг. 1, 2.

Фотоприемники 13, 21, блок 14, сканер 15 и зонд 16 могут быть выполнены так же, как и в оптическом интерферометре по фиг. 1, 2, 3, 4, 5.

Фиг. 7 иллюстрирует зависимости отношения сигнал/шум от коэффициента расщепления расщепителя в разработанных вариантах оптического интерферометра. Кривая (1) иллюстрирует указанную зависимость для оптического интерферометра, в котором реализован балансный прием, а кривая (2) - для оптического интерферометра с одним фотоприемником. Значения отнормированы относительно значений сигнал/шум оптимально настроенной схемы стандартного интерферометра Майкельсона, использующего 3 дБ светорасщепитель. Указанные зависимости приведены для следующих параметров оптического интерферометра:
мощность оптического излучения источника P = 5 мВт;
частота приема F = 1 МГц;
центральная длина волны источника f = 1,3 мкм;
ширина полосы источника - 50 нм;
эффективное сопротивление нагрузки приема R = 400 кОм;
рабочая температура T = 300 К.

Оптический интерферометр по фиг. 1 работает следующим образом.

Оптическое излучение, линейно поляризованное в первом заданном направлении, от источника 1 поступает на светорасщепитель 3. Поскольку коэффициент передачи светорасщепителя 3 для этого оптического излучения отличен от 3 дБ и составляет:
K₁₂ = 0,97 и K₁₃ = 0,03
то 97% мощности оптического излучения источника 1 через светорасщепитель 3 поступает в измерительное плечо 5, а 3% мощности оптического излучения источника 1 поступает в опорное плечо 7. Зонд 16 фокусирует излучение на исследуемом объекте 10 и обеспечивает сканирование оптического излучения по исследуемой поверхности по заданному закону, после чего осуществляет обратный ввод рассеянного исследуемым объектом 10 оптического излучения в измерительное плечо 5. При этом оптическое излучение сначала в прямом, затем в обратном направлении проходит через переключатель 9 поляризации, в результате чего направление поляризации оптического излучения изменяется на ортогональное. Оптическое излучение, поступившее в опорное плечо 7, проходит через сканер 15, переключатель 11 поляризации и отражается референтным зеркалом 8 к светорасщепителю 3. При этом направление поляризации оптического излучения, прошедшего в прямом и обратном направлении через переключатель 11 поляризации, также изменяется на ортогональное. Оптическое излучение, рассеянное исследуемым объектом 10 и линейно поляризованное во втором заданном направлении, поступает на светорасщепитель 3, где интерферирует с оптическим излучением, отраженным референтным зеркалом 8, также линейно поляризованным во втором заданном направлении. Поскольку светорасщепитель 3 выполнен поляризационно чувствительным, то для этого оптического излучения K₂₁ ≠ K₁₂, K₃₁ ≠ K₁₃ и K₃₄ ≠ K₁₂. Например, для оптического излучения, линейно поляризованного во втором заданном направлении, коэффициенты передачи могут быть следующими: K₂₁ = K₃₄ = 0,03; K₂₄ = K₃₁ = 0,97. В этом случае на источник 1 возвращается 97% мощности оптического излучения, поступившей в опорное плечо 7, что с учетом заданного коэффициента передачи K₁₃ = 0,03 составляет 3% мощности источника 1. При этом уровень мощности в опорном плече 7 близок к значению, при котором обеспечивается максимальное соотношение сигнал/шум.

Это иллюстрируется зависимостью (2) на фиг. 7.

Сканер 15 обеспечивает изменение разности оптических длин плеч измерительного 5 и опорного 7 плеч оптического интерферометра с постоянной скоростью V по меньшей мере на несколько десятков рабочих длин волн источника 1. При изменении разности оптических длин плеч 5, 7 с помощью сканера 15 происходит интерференционная модуляция интенсивности на частоте Допплера f = 2V/ λ, где λ - рабочая длина волны источника 1, смешанного оптического излучения на выходе светорасщепителя 3. Закон интерференционной модуляции соответствует изменению интенсивности оптического излучения, обратно рассеянного исследуемым объектом 10 с различных его глубин. Первый фотоприемник 13 обеспечивает преобразование смешанного оптического излучения с выхода светорасщепителя 3 в электрический сигнал, который поступает в блок 14 обработки и индикации. Полосовой фильтр блока 14 осуществляет выделение сигнала на частоте Допплера. После усиления сигнал поступает на амплитудный детектор, который выделяет сигнал, пропорциональный огибающей этого сигнала. Выделенный амплитудным детектором блока 14 сигнал пропорционален сигналу интерференционной модуляции интенсивности смешанного оптического излучения. Аналого-цифровой преобразователь блока 14 осуществляет преобразование сигнала с выхода амплитудного детектора в цифровую форму. Компьютер блока 14 обеспечивает получение изображения путем отображения на дисплее интенсивности цифрового сигнала (указанное отображение может быть реализовано, например, по кн. H.E.Burdick. Digital imaging: Theory and Applications, 304 pp. Me Graw Hill, 1997). Поскольку цифровой сигнал соответствует изменению интенсивности оптического излучения, обратно рассеянного исследуемым объектом 10 с различных его глубин, то полученное на дисплее изображение соответствует изображению исследуемого объекта 10.

Оптический интерферометр по фиг. 2 работает следующим образом. Оптическое излучение, линейно поляризованное в первом заданном направлении, от источника 1 поступает на первый порт 17 поляризатора 18. Взаимная ориентация направления поляризации оптического излучения от источника 1 и поляризатора 18 такова, что оптическое излучение от источника 1 проходит без потерь на второй порт 19 поляризатора 18 и затем на первый порт 2 светорасщепителя 3. Коэффициент расщепления светорасщепителя 3 для оптического излучения, линейно поляризованного в первом заданном направлении, отличен от 3 дБ и в конкретной реализации составляет K₁₂ = 0,95 и K₁₃ = 0,05, поэтому 95% мощности оптического излучения источника 1 через светорасщепитель 3 поступает в измерительное плечо 5, а 5% мощности оптического излучения источника 1 поступает в опорное плечо 7. Светорасщепитель 3 осуществляет формирование интерференционного сигнала аналогично тому, как это происходит в оптическом интерферометре по фиг. 1. Отличие заключается лишь в том, что для оптического излучения, линейно поляризованного во втором заданном направлении, в конкретной реализации коэффициент расщепления светорасщепителя 3 равен 3 дБ. В соответствии с этим коэффициентом расщепления светорасщепителя 3 50% мощности оптического излучения, отраженного референтным зеркалом 8, т.е. 25% мощности источника 1, через первый порт 2 светорасщепителя 3 поступает на второй порт 19 поляризатора 18. Это оптическое излучение линейно поляризовано во втором заданном направлении, поэтому оно проходит на третий порт 20 поляризатора 18 к второму фотоприемнику 21 и не проходит к источнику 1. 50% мощности оптического излучения, отраженного референтным зеркалом 8, т.е. 25% мощности источника 1, через четвертый порт 12 светорасщепителя 3 поступает на первый фотоприемник 13. Как видно, коэффициент расщепления светорасщепителя 3 для оптического излучения, поляризованного во втором заданном направлении, выбран таким, что выравнивания мощности, подводимой к первому и второму фотоприемникам 13 и 21, практически не требуется. В то же время, коэффициент расщепления светорасщепителя 3 для оптического излучения, поляризованного в первом заданном направлении, выбран исходя из условия обеспечения оптимального соотношения сигнал/шум, что иллюстрируется зависимостью (1) на фиг. 7. Дифференциальный усилитель 22 осуществляет сложение информативных интерференционных сигналов и вычитание избыточных шумов источника оптического излучения. Дальнейшая работа оптического интерферометра по фиг. 2 осуществляется так же, как и оптического интерферометра по фиг. 1.

Таким образом, балансный прием, реализованный в оптическом интерферометре по фиг. 2, обеспечивает эффективное использование мощности источника 1 при оптимальном соотношении сигнал/шум, а также защиту источника 1 от оптического излучения, прошедшего в обратном направлении через светорасщепитель 3.

Работа оптического интерферометра по фиг. 3 показана для случая, когда источник 23 выполнен в виде источника неполяризованного излучения.

Неполяризованное оптическое излучение от источника 23 поступает на первый порт 24 светорасщепителя 25, который обеспечивает передачу этого оптического излучения в измерительное и опорное плечи 5, 7 в соответствии с заданным коэффициентом расщепления. Это происходит следующим образом.

Светорасщепитель 25 выполнен невзаимным и поляризационно нечувствительным. Для определенности рассмотрим ситуацию, когда коэффициенты расщепления светорасщепителя 25 в прямом и обратном направлениях отличны от 3 дБ, при этом коэффициенты передачи по соответствующим портам светорасщепителя 25 равны:
K₁₂ = 0,97; K₁₃ = 1-K₁₂ = 0,03;
K₂₁ = K₃₄ = 0,03; K₂₄ = K₃₁ = 0,97.

При этом в конкретной реализации использованы плоскопараллельные пластины 29, 32 одинаковой толщины d и с равными углами двулучепреломления β.
Первая плоскопараллельная пластина 29 с двойным лучепреломлением осуществляет разделение оптического излучения на ортогонально и линейно поляризованные обыкновенное и необыкновенное оптические излучения. Первая плоскопараллельная пластина 29 пропускает без изменений обыкновенное оптическое излучение на оптически активный элемент 30 и одновременно осуществляет параллельное смещение необыкновенного оптического излучения на величину h = d•sinβ. Направление указанного смещения определяется взаимной ориентацией оптических осей первой плоскопараллельной пластины 29 и оптического интерферометра. Смещенное на указанную величину необыкновенное оптическое излучение проходит на оптически активный элемент 30. Оптически активный элемент 30 осуществляет поворот направлений поляризации обыкновенного и необыкновенного излучений на заданный угол φ, который, как было показано выше, для заданного коэффициента расщепления светорасщепителя 25 составляет приблизительно (-35)^o. После этого обыкновенное и необыкновенное излучения поступают на элемент Фарадея 31. Элемент Фарадея 31 обеспечивает поворот направлений поляризации обыкновенного и необыкновенного излучений на заданный угол Φ, значение которого не равно значению угла φ, при этом в конкретной реализации при прохождении оптического излучения в прямом направлении знак угла Φ противоположен знаку угла φ. В рассматриваемой реализации угол Φ равен 45^o. В этом случае направление поляризации оптического излучения после прохождения через элемент Фарадея 31 отлично от направления поляризации обыкновенного оптического излучения на выходе первой плоскопараллельной пластины 29 на некоторый угол γ, равный 10^o. Поэтому вторая плоскопараллельная пластина 32 с двойным лучепреломлением осуществляет разделение этого оптического излучения на ортогонально и линейно поляризованные обыкновенное и необыкновенное оптические излучения. Обыкновенное оптическое излучение без изменений проходит через вторую плоскопараллельную пластину 32 в измерительное плечо 5. Одновременно плоскопараллельная пластина 32 осуществляет параллельное смещение необыкновенного оптического излучения на величину h = d•sinβ в направлении, противоположном относительно направления смещения, осуществляемого первой плоскопараллельной пластиной 29, поскольку оптические оси первой и второй плоскопараллельных пластин 29, 32 ориентированы навстречу друг другу и аксиально симметрично относительно оптической оси оптического интерферометра. Смещенное на указанную величину необыкновенное оптическое излучение проходит на второе зеркало 36. Второе зеркало 36 отражает это оптическое излучение на второй поляризатор 35, который направляет его в опорное плечо 7. В то же время необыкновенное оптическое излучение, пройдя через оптически активный элемент 30 и элемент Фарадея 31, также поступает на вторую плоскопараллельную пластину 32. При этом направление поляризации этого оптического излучения также отлично от направления поляризации необыкновенного оптического излучения на выходе первой плоскопараллельной пластины 29 на угол γ, равный 10^o. Вторая плоскопараллельная пластина 32 осуществляет разделение этого оптического излучения на ортогонально и линейно поляризованные обыкновенное и необыкновенное излучения. Обыкновенное оптическое излучение без изменений проходит через второй поляризатор 35 на третий порт 27 светорасщепителя 25, где смешивается с необыкновенным оптическим излучением, отраженным вторым зеркалом 36. Необыкновенное оптическое излучение смещается плоскопараллельной пластиной 32 на указанную выше величину h и далее поступает на второй порт 26 светорасщепителя 25, где смешивается с обыкновенным оптическим излучением.

Оптическое излучение, рассеянное исследуемым объектом 10, поступает на светорасщепитель 25, где интерферирует с оптическим излучением, отраженным референтным зеркалом 8. При этом оптическое излучение, рассеянное исследуемым объектом 10, поступает через второй порт 26 на вторую плоскопараллельную пластину 32, которая осуществляет разделение этого оптического излучения на ортогонально и линейно поляризованные обыкновенное и необыкновенное оптические излучения. Обыкновенное оптическое излучение без изменений проходит через вторую плоскопараллельную пластину 32 на элемент Фарадея 31. Вторая плоскопараллельная пластина 32 осуществляет параллельное смещение необыкновенного оптического излучения на величину h = d•sinβ, после чего необыкновенное оптическое излучение проходит на элемент Фарадея 31. Элемент Фарадея 31 обеспечивает поворот направлений поляризации обыкновенного и необыкновенного излучений на заданный угол Φ, равный приблизительно (-35)^o, т. е. указанный поворот осуществляется в том же направлении, что и при прохождении оптических излучений через элемент Фарадея 31 в прямом направлении. Затем обыкновенное и необыкновенное оптические излучения поступают на оптически активный элемент 30. Оптически активный элемент 30 осуществляет поворот направлений поляризации обыкновенного и необыкновенного излучений на угол (-φ), равный (-45)^o, т.е. при обратном прохождении оптического излучения через оптически активный элемент 30 знак угла φ изменяется на противоположный. Поэтому направления поляризации оптических излучений, поступающих на первую плоскопараллельную пластину 29 в обратном направлении, отличны от направлений поляризаций обыкновенного и необыкновенного оптических излучений на выходе второй плоскопараллельной пластины 32 на некоторый угол δ, который не равен углу γ, приобретенному обыкновенным и необыкновенным излучениями при прохождении через оптически активный элемент 30 и элемент Фарадея 31 в прямом направлении. Легко видеть, что угол δ равен (-80)^o. Первая плоскопараллельная пластина 29 осуществляет разделение оптического излучения на ортогонально и линейно поляризованные обыкновенное и необыкновенное излучения. Обыкновенное оптическое излучение без изменений проходит через первый порт 24 светорасщепителя 25 к источнику 23. Необыкновенное оптическое излучение смещается на указанную выше величину, после чего проходит на первое зеркало 34. Первое зеркало 34 отражает это оптическое излучение на первый поляризатор 33, который направляет его на первый фотоприемник 13. Одновременно первая плоскопараллельная пластина 29 осуществляет разделение оптического излучения на ортогонально и линейно поляризованные обыкновенное и необыкновенное излучения. Обыкновенное оптическое излучение проходит без изменений через первый поляризатор 33 на первый фотоприемник 13, где оно смешивается с необыкновенным оптическим излучением, отраженным первым зеркалом 34. Необыкновенное оптическое излучение смещается на указанную выше величину, после чего проходит к источнику 23, где смешивается с обыкновенным оптическим излучением.

В остальном работа оптического интерферометра по фиг. 3 аналогична работе оптического интерферометра по фиг. 1.

При выполнении источника 23 в виде источника поляризованного излучения работа оптического интерферометра аналогична описанному выше случаю.

Работа оптического интерферометра по фиг. 4 показана для случая, когда источник 23 выполнен в виде источника неполяризованного излучения.

Неполяризованное оптическое излучение от источника 23 поступает на светорасщепитель 25, который выполнен аналогично светорасщепителю 25 в оптическом интерферометре по фиг. 3. Работа светорасщепителя 25 в этом оптическом интерферометре аналогична работе светорасщепителя 25 в оптическом интерферометре по фиг. 3. В этом оптическом интерферометре реализована балансная схема приема, поэтому оптическое излучение, прошедшее в обратном направлении на первый порт 24 светорасщепителя 25, поступает на второй порт 40 циркулятора 38. Это оптическое излучение проходит через третий порт 41 на второй фотоприемник 21 и не проходит к источнику 23. В остальном работа оптического интерферометра по фиг. 4 аналогична работе оптического интерферометра по фиг. 2.

Таким образом, балансный прием, реализованный в оптическом интерферометре по фиг. 4, обеспечивает эффективное использование мощности источника 23 при оптимальном соотношении сигнал/шум, а также защиту источника 23 от оптического излучения, прошедшего в обратном направлении через светорасщепитель 25.

Работа оптического интерферометра по фиг. 5 аналогична работе оптического интерферометра по фиг. 1, а работа оптического интерферометра по фиг. 6 аналогична работе оптического интерферометра по фиг. 2, поскольку переключатели 47, 48 поляризации, входящие в состав светорасщепителя 43, выполняют ту же функцию, что и переключатели 9, 11 поляризации, включенные, соответственно, в измерительное и опорное плечи 5, 7 оптического интерферометра.

Формула изобретения

1. Оптический интерферометр, содержащий источник оптического излучения, линейно поляризованного в первом заданном направлении, оптически связанный с первым портом светорасщепителя, второй порт которого оптически связан с измерительным плечом, а третий порт оптически связан с опорным плечом, на конце которого установлено референтное зеркало, а также оптически связанный с четвертым портом светорасщепителя первый фотоприемник, выход которого связан с блоком обработки и индикации, при этом коэффициент расщепления светорасщепителя для оптического излучения, линейно поляризованного в первом заданном направлении, отличен от 3 дБ, отличающийся тем, что в него дополнительно введены два переключателя поляризации, каждый из которых обеспечивает изменение направления поляризации оптического излучения, линейно поляризованного в первом заданном направлении, на второе заданное направление, ортогональное первому, в результате прохождения оптического излучения через упомянутый переключатель поляризации в прямом и обратном направлении, при этом один из переключателей поляризации установлен в измерительном плече за светорасщепителем, а другой переключатель поляризации установлен в опорном плече между светорасщепителем и референтным зеркалом, при этом светорасщепитель выполнен поляризационно чувствительным.

2. Оптический интерферометр по п.1, отличающийся тем, что коэффициент расщепления светорасщепителя для оптического излучения, линейно поляризованного во втором заданном направлении, отличен от 3 дБ.

3. Оптический интерферометр по п.1, отличающийся тем, что источник оптического излучения, линейно поляризованного в первом заданном направлении, оптически связан с первым портом светорасщепителя через дополнительно введенный в оптический интерферометр поляризатора, при этом первый порт поляризатора оптически связан с источником оптического излучения, второй порт поляризатора оптически связан с первым портом светорасщепителя, третий порт поляризатора оптически связан с дополнительно введенным вторым фотоприемником, а выходы первого и второго фотоприемников связаны с блоком обработки и индикации через соединенный с ним дополнительно введенный дифференциальный усилитель, к соответствующим входам которого они подключены.

4. Оптический интерферометр по п.3, отличающийся тем, что коэффициент расщепления светорасщепителя для оптического излучения, линейно поляризованного во втором заданном направлении, равен приблизительно 3 дБ.

5. Оптический интерферометр по п.1, или 2, или 3, или 4, отличающийся тем, что по меньшей мере один из упомянутых переключателей поляризации выполнен в виде элемента Фарадея.

6. Оптический интерферометр по п.1, или 2, или 3, или 4, отличающийся тем, что по меньшей мере один из переключателей поляризации выполнен в виде четвертьволновой пластины.

7. Оптический интерферометр по п.1, или 2, или 3, или 4, или 5, или 6, отличающийся тем, что по меньшей мере одно из плеч оптического интерферометра содержит сканер по глубине, выполненный с возможностью изменения оптической длины этого плеча по меньшей мере на несколько десятков рабочих длин волн интерферометра.

8. Оптический интерферометр по п.1, или 2, или 3, или 4, или 5, или 6, или 7, отличающийся тем, что измерительное плечо оптического интерферометра снабжено зондом, размещенным в его дистальном конце.

9. Оптический интерферометр по п.8, отличающийся тем, что часть измерительного плеча интерферометра, включающая зонд, выполнена оптоволоконной.

10. Оптический интерферометр по п.9, отличающийся тем, что первый переключатель поляризации размещен в дистальном конце оптоволоконного зонда.

11. Оптический интерферометр по п.1, или 2, или 3, или 4, или 5, или 6, или 7, или 8, или 9, или 10, отличающийся тем, что измерительное и опорное плечи оптического интерферометра выполнены оптоволоконными.

12. Оптический интерферометр по п.1, или 2, или 3, или 4, или 5, или 6, или 7, или 8, или 9, или 10, или 11, отличающийся тем, что светорасщепитель выполнен оптоволоконным.

13. Оптический интерферометр по п.11 или 12, отличающийся тем, что по меньшей мере одно из плеч интерферометра включает контроллер поляризации.

14. Оптический интерферометр по п.11 или 12, отличающийся тем, что оптическое волокно выполнено анизотропным.

15. Оптический интерферометр по п.8, или 9, или 10, или 11, или 12, или 13, или 14, отличающийся тем, что он входит в состав устройства для оптической когерентной томографии, при этом источник линейно поляризованного оптического излучения выполнен низкокогерентным, а зонд включает поперечный сканер.

16. Оптический интерферометр, содержащий источник оптического излучения, оптически связанный с первым портом светорасщепителя, второй порт которого оптически связан с измерительным плечом, при этом третий порт светорасщепителя оптически связан с опорным плечом, на конце которого установлено референтное зеркало, а также оптически связанный с четвертым портом светорасщепителя первый фотоприемник, выход которого связан с блоком обработки и индикации, отличающийся тем, что светорасщепитель выполнен невзаимным.

17. Оптический интерферометр по п.16, отличающийся тем, что источник оптического излучения оптически связан с первым портом светорасщепителя через дополнительно введенную в оптический интерферометр трехпортовую развязку, при этом первый порт трехпортовой развязки оптически связан с источником оптического излучения, второй порт трехпортовой развязки оптически связан с первым портом светорасщепителя, третий порт трехпортовой развязки оптически связан с дополнительно введенным вторым фотоприемником, а выходы первого и второго фотоприемников связаны с блоком обработки и индикации через соединенный с ним дополнительно введенный дифференциальный усилитель, к соответствующим входам которого они подключены.

18. Оптический интерферометр по п.16 или 17, отличающийся тем, что светорасщепитель выполнен поляризационно нечувствительным.

19. Оптический интерферометр по п.18, отличающийся тем, что светорасщепитель содержит последовательно установленные на оптической оси первую плоскопараллельную пластину с двойным лучепреломлением, оптически связанную с первым портом светорасщепителя, оптически активный элемент, элемент Фарадея и вторую плоскопараллельную пластину с двойным лучепреломлением, оптически связанную с вторым портом светорасщепителя, а также первый поляризатор, оптически связанный с первой плоскопараллельной пластиной с двойным лучепреломлением через первое зеркало, второй поляризатор, оптически связанный со второй плоскопараллельной пластиной с двойным лучепреломлением через второе зеркало, при этом второй поляризатор является третьим портом светорасщепителя, первый поляризатор является четвертым портом светорасщепителя, а оптические оси первой и второй плоскопараллельных пластин ориентированы навстречу друг другу аксиально симметрично относительно оптической оси интерферометра.

20. Оптический интерферометр по п.18 или 19, отличающийся тем, что развязка выполнена в виде циркулятора.

21. Оптический интерферометр по п.16 или 17, отличающийся тем, что источник оптического излучения выполнен в виде источника поляризованного оптического излучения, а светорасщепитель выполнен поляризационно чувствительным.

22. Оптический интерферометр по п.21, отличающийся тем, что светорасщепитель дополнительно включает два переключателя поляризации, каждый из которых обеспечивает изменение направления поляризации оптического излучения, линейно поляризованного в первом заданном направлении, на второе заданное направление, ортогональное первому, в результате прохождения оптического излучения через соответствующий переключатель поляризации в прямом и обратном направлении, при этом один из переключателей поляризации является вторым портом светорасщепителя, а другой переключатель поляризации является третьим портом светорасщепителя.

23. Оптический интерферометр по п.21 или 22, отличающийся тем, что развязка выполнена в виде поляризатора.

24. Оптический интерферометр по п.22 или 23, отличающийся тем, что по меньшей мере один из упомянутых переключателей поляризации выполнен в виде элемента Фарадея.

25. Оптический интерферометр по п.22 или 23, отличающийся тем, что по меньшей мере один из переключателей поляризации выполнен в виде четвертьволновой пластины.

26. Оптический интерферометр по п.16, или 17, или 18, или 19, или 20, или 21, или 22, или 23, или 24, или 25, отличающийся тем, что по меньшей мере одно из плеч оптического интерферометра содержит сканер по глубине, выполненный с возможностью изменения оптической длины этого плеча по меньшей мере на несколько десятков рабочих длин волн интерферометра.

27. Оптический интерферометр по п.16, или 17, или 18, или 19, или 20, или 21, или 22, или 23, или 24, или 25, или 26, отличающийся тем, что измерительное плечо оптического интерферометра снабжено зондом, размещенным в его дистальном конце.

28. Оптический интерферометр по п.27, отличающийся тем, что часть измерительного плеча интерферометра, включающая зонд, выполнена оптоволоконной.

29. Оптический интерферометр по п.16, или 17, или 18, или 19, или 20, или 21, или 22, или 23, или 24, или 25, или 26, или 27, или 28, отличающийся тем, что измерительное и опорное плечи оптического интерферометра выполнены оптоволоконными.

30. Оптический интерферометр по п.16, или 17, или 18, или 19, или 20, или 21, или 22, или 23, или 24, или 25, или 26, или 27, или 28, или 29, отличающийся тем, что светорасщепитель выполнен оптоволоконным.

31. Оптический интерферометр по п.29 или 30, отличающийся тем, что по меньшей мере одно из плеч интерферометра включает контроллер поляризации.

32. Оптический интерферометр по п.29 или 30, отличающийся тем, что оптическое волокно выполнено анизотропным.

33. Оптический интерферометр по п.27, или 28, или 29, или 30, или 31, или 32, отличающийся тем, что он входит в состав устройства для оптической когерентной томографии, при этом источник линейно поляризованного оптического излучения выполнен низкокогерентным, а зонд включает поперечный сканер.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7

PC4A - Регистрация договора об уступке патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение

Прежний патентообладатель:
Геликонов Валентин Михайлович,
Геликонов Григорий Валентинович,
Сергеев Александр Михайлович,
Фельдштейн Феликс Исаакович,
Куранов Роман Владимирович

(73) Патентообладатель:
Геликонов Валентин Михайлович

(73) Патентообладатель:
Геликонов Григорий Валентинович

(73) Патентообладатель:
Сергеев Александр Михайлович

Договор № РД0024709 зарегистрирован 26.07.2007

Извещение опубликовано: 10.09.2007        БИ: 25/2007