用于内窥光学相干层析成像的二维扫描光纤探头制造技术

本发明专利技术公开了一种用于内窥光学相干层析成像的二维扫描光纤探头，该光纤探头基于非对称光纤悬臂结构，能够形成两个独立的、互不影响的正交谐振模；利用包含两个谐振信号分量的单一驱动信号，能同时激发非对称光纤悬臂的两个正交谐振模，形成二维的李萨如扫描图案。提出的基于非对称光纤悬臂结构的二维扫描光纤探头，利用单模光纤、梯度折射率光纤形成透镜光纤，再与梯度折射率透镜组合，实现样品的照明和后向散射光的收集。提出的二维扫描光纤探头利用集成于探头内部的位置敏感探测器，能够实时记录光纤探头出射光在成像横断面内的二维轨迹，实现对扫描位置信息的准确重构。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光学相干层析成像(OCT)技术，尤其涉及一种用于内窥光学相干层析 成像的二维扫描光纤探头。
技术介绍
光学相干层析成像(Optical Coherence Tomography,简称OCT)是一种新兴的生 物医学光学成像技术，能实现对生物组织的结构与生理功能进行非接触、无损伤、高分辨率 成像，在疾病的早期检测和在体活检领域有着广阔的应用前景。 光学相干层析成像技术发展至今，已经形成时域OCT系统、谱域OCT系统和扫频 OCT系统三种型式。早期的时域OCT系统通过轴向机械扫描实现对生物样品的层析成像， 谱域OCT系统和扫频OCT系统无需轴向扫描即可成像，实现了高速高灵敏度的光学相干层 析成像。然而，对于上述三种型式的OCT系统，由于采用的光波段在组织中都只能穿透若干 毫米，无法在体外直接穿透人体对内部组织器官进行层析成像，相比于其他成像技术(如 超声成像、CT成像)，有限的成像深度制约了 OCT技术对人体内部组织器官病变的成像和 诊断。为了消除这一制约因素，只有研发基于OCT系统的内窥技术，才能使OCT技术应用于 人体内部组织器官的高分辨率成像。国外很多科研机构都开展了这方面的研究，如美国哈 佛大学医学院的G. J. Tearney小组采用旋转光学组件构建了能进行360度圆周扫描的探头 系统；Y. T. Pan和J. M. Zara提出基于旋转光耦合器和微机电系统(MEMS)的OCT微型探头； 加州大学Irving分校的Zhongping Chen小组提出基于电致聚合物和光纤束的内窥OCT探 头；加州理工学院的ChanghueiYang提出基于旋转GRIN透镜组的内窥OCT探头；美国哈佛 大学的S. A. Bo卯art首次提出基于压电弯曲驱动器的扫描探头；华盛顿大学的Xingde Li 小组提出基于压电陶瓷管的扫描探头。上述这些方法，都存在其固有的优缺点，如基于旋转 光学组件和光学耦合器的扫描探头，其光能耦合效率比较低，需要进行精确的光学对准，且 探头尺寸比较大；基于MEMS技术的微型探头需要复杂的制造过程，其制造成本和制造难度 都比较高；而基于压电陶瓷管的扫描探头需要很高的电压进行驱动，需要较高的能耗，且应 用在人体中存在一定的安全隐患。因此如何以比较简易的制造工艺，在较低的制造成本和 调节难度的条件下，研制出结构简单紧凑、能耗低、且具有较高的光能利用效率的OCT扫描 探头，就成为OCT探头设计的一大目标。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提供一种用于内窥光学相干层析成像的 二维扫描光纤探头。该二维扫描光纤探头基于非对称光纤悬臂结构，具有两个独立且互不 影响的正交谐振模，利用包含两个信号分量的单一驱动信号同时激发两个正交谐振模，形 成二维的李萨如扫描图案，利用单模光纤、梯度折射率光纤形成透镜光纤(lensed fiber), 再与梯度折射率透镜组合，实现样品的照明和后向散射光的收集，利用集成于探头内部的 位置敏感探测器(PSD)，实时记录光纤探头出射光在成像横断面内的二维扫描轨迹。 本专利技术通过如下技术方案实现一种用于内窥光学相干层析成像的二维扫描光纤 探头，主要由非对称光纤悬臂结构、梯度折射率透镜、二向色膜层、位置敏感探测器、封装外 壳、位置敏感探测器线缆、压电陶瓷双晶片线缆组成；梯度折射率透镜固定在封装外壳的一 端，在梯度折射率透镜的光入射端面镀有二向色膜层，非对称光纤悬臂结构一端固定在封 装外壳的另一端，非对称光纤悬臂结构沿轴向对准二向色膜层，位置敏感探测器靠近二向 色膜层固定在封装外壳的内壁。 进一步地，所述非对称光纤悬臂结构包括压电陶瓷双晶片、第一刚性光纤段、第二 刚性光纤段、透镜光纤组成；透镜光纤固定在压电陶瓷双晶片的上表面，第一刚性光纤段固 定在压电陶瓷双晶片的下表面并与透镜光纤延伸方向一致，第二刚性光纤段固定在透镜光 纤与第一刚性光纤段之间。压电陶瓷双晶片、第一刚性光纤段、第二刚性光纤段，以及透镜 光纤形成非对称光纤悬臂结构。 进一步地，所述透镜光纤由单模光纤和梯度折射率光纤组成；单模光纤和梯度折 射率光纤连接形成透镜光纤，由透镜光纤中的单模光纤输出的激光经梯度折射率光纤准 直，输出到梯度折射率透镜，经梯度折射率透镜聚焦，照射在被测样品上。 与
技术介绍
相比，本专利技术具有如下技术效果 1、通过向扫描光纤悬臂引入刚性光纤段，形成非对称光纤悬臂结构，使成像光纤 具有两个独立的、互不影响的正交谐振模。相比传统的单光纤扫描结构，光纤谐振从一维谐 振扩展至二维谐振，扩展了成像维度。同时采用的非对称光纤悬臂结构，具有体积小、结构 紧凑、制造工艺简单的优点。 2、通过使压电陶瓷双晶片的驱动信号包含对应于非对称光纤悬臂结构的两个正 交谐振模的两个分量信号，此单一驱动信号可同时激发非对称光纤悬臂结构在两个正交方 向上谐振，实现成像光纤的二维扫描；相比于传统的基于压电陶瓷管的驱动信号，驱动电压 从几十伏特降低至几伏特，减少了能耗，提高了安全性，驱动信号从两路减少为一路，从而 简化了驱动电路的复杂度。 3、通过引入透镜光纤对成像光纤中的激光进行准直，经过梯度折射率透镜对准直 后的激光进行聚焦，由于二维扫描是对平行光束进行扫描，相比于传统的单光纤点光源成 像扫描方式，避免了对轴外点成像时出现的渐晕现象，可以提高轴外点成像的光能利用率， 进而提高系统总体的信噪比。 4、通过位置敏感探测器实时记录二维扫描轨迹的位置信号，从而实现对样品扫描 位置信息的准确重构。同时，在传统扫描光纤成像中，由于光纤成像易受环境干扰的影响而 导致产生位置信息的假信号，由位置敏感探测器反馈的位置信号能缓解这种假信号对成像 带来的错误影响，保证了成像精度，提高了光纤型成像探头系统的抗干扰能力。附图说明 图1是本专利技术的结构示意图； 图2是非对称光纤悬臂结构示意图； 图3是透镜光纤的结构及梯度折射率透镜组合光路的示意图； 图中1、非对称光纤悬臂结构，2、梯度折射率透镜，3、二向色膜层，4、位置敏感探 测器，5、封装外壳，6、位置敏感探测器线缆，7、压电陶瓷双晶片线缆，8、压电陶瓷双晶片，9、4刚性光纤段，10、刚性光纤段，11、透镜光纤，12、单模光纤，13、梯度折射率光纤，14、被测样 具体实施例方式下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步的说明，本专利技术的目的和效果将变得更 加明显。 如图l所示，本专利技术用于内窥光学相干层析成像的二维扫描光纤探头包括非对 称光纤悬臂结构1、梯度折射率透镜2、二向色膜层3、位置敏感探测器4、封装外壳5、位置敏 感探测器线缆6、压电陶瓷双晶片线缆7。其中梯度折射率透镜2的光入射端面镀有二向色 膜层3，非对称光纤悬臂结构1在振动中发出的激光，一部分通过二向色膜层3的反射打在 位置敏感探测器4上，非对称光纤悬臂结构1、梯度折射率透镜2、二向色膜层3、位置敏感探 测器4都封装在封装外壳5中，用于提供反馈位置信号的位置敏感探测器线缆6和提供压 电陶瓷双晶片驱动信号的压电陶瓷双晶片线缆7通过封装外壳5的后端口连至扫描探头外 部。 位置敏感探测器4光敏面能够探测可见光波段的光点位置，用于OCT系统中的典 型光波段为800nm和1300nm波段的低相干光。二向色膜层3能够反射600n本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于内窥光学相干层析成像的二维扫描光纤探头，其特征在于：它主要由非对称光纤悬臂结构（１）、梯度折射率透镜（２）、二向色膜层（３）、位置敏感探测器（４）、封装外壳（５）、位置敏感探测器线缆（６）、压电陶瓷双晶片线缆（７）组成。梯度折射率透镜（２）固定在封装外壳（５）的一端，在梯度折射率透镜（２）的光入射端面镀有二向色膜层（３），非对称光纤悬臂结构（１）一端固定在封装外壳（５）的另一端，非对称光纤悬臂结构（１）沿轴向对准二向色膜层（３），位置敏感探测器（４）靠近二向色膜层（３）固定在封装外壳（５）的内壁。

【技术特征摘要】
一种用于内窥光学相干层析成像的二维扫描光纤探头，其特征在于它主要由非对称光纤悬臂结构(1)、梯度折射率透镜(2)、二向色膜层(3)、位置敏感探测器(4)、封装外壳(5)、位置敏感探测器线缆(6)、压电陶瓷双晶片线缆(7)组成。梯度折射率透镜(2)固定在封装外壳(5)的一端，在梯度折射率透镜(2)的光入射端面镀有二向色膜层(3)，非对称光纤悬臂结构(1)一端固定在封装外壳(5)的另一端，非对称光纤悬臂结构(1)沿轴向对准二向色膜层(3)，位置敏感探测器(4)靠近二向色膜层(3)固定在封装外壳(5)的内壁。2. 根据权利要求1所述的用于内窥光学相干层析成像的二维扫描光纤探头，其特征在 于所述非对称光纤悬臂结构(1)包括压电陶瓷双晶片(8)、第一刚性光纤段(9)、第二刚性 光纤段(1...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁志华，吴彤，陈明惠，王凯，孟婕，王玲，徐磊，王川，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：86[中国|杭州]