内窥式二维光纤扫描探头及其驱动方法

基于压电换能器技术设计了一种应用于光学相干层析成像的新型内窥式二维光纤扫描探头,即利用两片压电陶瓷片和一片薄导电基片驱动光纤探头.该探头利用光纤悬臂的共振特性,通过对压电陶瓷施加等于光纤共振频率的混频信号,能同时激发光纤悬臂两正交方向上的振动,可以实现光纤悬臂的二维扫描.建立了理论模型并进行了有限元仿真分析,最后搭建了实验系统,验证并获得了扫描图样.实验结果实现了光纤悬臂的二维扫描,扫描范围达到(500×500)μm,调节驱动信号振幅幅值可以调节扫描范围.实验结果与理论分析和仿真相吻合,验证了方案的可行性.     

新型小型化牙科扫描仪探头的光学系统设计

为解决牙科扫描探头小型化问题,基于结构光三维重建算法,创新性地设计出一种投影与成像共孔径设置的小型化牙科三维扫描仪探头光学系统。系统采用分视场共孔径技术,部分视场用于实现投影功能,另一部分视场用于实现成像功能,投影区域和成像区域存在公共区域。仿真实验给出了在扫描范围为46×35mm2内的系统性能,借助LightTools软件做了照明分析仿真,证明了系统光路的可行性。     

内窥式二维光纤扫描探头及其驱动方法

基于压电换能器技术设计了一种应用于光学相干层析成像的新型内窥式二维光纤扫描探头,即利用两片压电陶瓷片和一片薄导电基片驱动光纤探头.该探头利用光纤悬臂的共振特性,通过对压电陶瓷施加等于光纤共振频率的混频信号,能同时激发光纤悬臂两正交方向上的振动,可以实现光纤悬臂的二维扫描.建立了理论模型并进行了有限元仿真分析,最后搭建了...     

单光纤扫描内窥成像制动技术研究

研究了一种单光纤扫描内窥成像系统,通过直径1 mm的压电陶瓷管驱动单根光纤沿螺旋线扫描并照射目标区域,同时收集散射光来构建图像。光纤扫描运动的精确控制和成像质量息息相关,研究发现光纤由原点出发沿螺旋线扫描结束后,需要回归原点以备下一个扫描成像周期。因光纤回归的时间内无法成像,利用光纤扫描制动控制光纤快速回归原点是提高扫描成像效率的关键。同时光纤回归到原点后的残余振动大小,也对下一扫描周期的成像效果有很大影响,尤其是处于扫描起始段的中心区域。为解决上述问题,建立了单光纤扫描振动的模型,通过力学方程分析其受迫振动过程,提出了一种主动施加合适的制动信号抵消光纤惯性位移的方案,基于有限元分析的光纤制动模拟结果也证实了该主动制动的有效性。最终通过对制动控制信号的优化,光纤扫描成像效率由0.629提高为0.897,提升约1.4倍,同时中心区域的畸变消失,成像质量得到改善。该研究结果在超细多模态内窥镜、OCT以及工业内窥探测等领域都有重要的参考与应用价值。     

基于声学扫描振镜的超声/光声双模态成像技术

超声/光声双模态成像技术因其同时兼具超声的高分辨率结构成像和光声的高对比度功能成像优势,极大地推动了光声成像技术的临床应用推广.传统超声/光声双模态成像技术多基于超声成像所用阵列探头同时收集光声信号,系统结构紧凑且无需图像配准,操作便捷.但该类设备使用阵列探头和多通道数据采集,使得其成本较高;且成像结果易受通道一致性差异影响.本文提出了一种基于声学扫描振镜的超声/光声双模态成像技术,该技术采用单个超声换能器结合一维声学扫描振镜进行快速声束扫描,实现超声/光声双模态成像,是一种小型化、低成本的双模态快速成像技术.本文开展了系列仿体和活体成像研究,实验结果表明:系统有效成像范围为15.6 mm,超声和光声成像B扫描速度分别为1.0 s^–1和0.1 s^–1 (光声成像速度主要受制于脉冲激光器重复频率).基于本文所提技术研究,有助于进一步推动超声/光声双模态成像技术的临床转化和普及;也为基于超声信号检测的多模态成像技术提供了一种低成本、小型化和快速声信号检测的参考方案.     

光纤Bragg光栅水听器特性及实验研究

论述了光纤Bragg光栅（FBG）水听器探头基元 （FBG）的传感特性,分析了FBG的耦合系数、反射率、反射带宽和栅长对光纤Bragg光栅水听器传感特性的影响.通过改进光纤Bragg光栅水听器探头封装结构,增加了其压力敏感系数.并将实验结果与标准水听器（压电型）比较,标定出光纤Bragg光栅水听器的声压灵敏度；对传感信号进行电路解调,得出了解调结果,结果显示与原始声波信号基本一致.试验表明,在1 kHz~25 kHz的声波检测范围,光纤Bragg光栅水听器响应平坦度好,信号输出稳定,证明文中采取的改进措施是有效的.     

基于傅里叶域的全眼OCT成像技术

为了精确的检测眼部疾病造成的整个眼睛形状和尺寸的变化,需要对全眼深度进行高分辨率成像。光学相干层析(OCT)技术作为一种非接触、无损伤高分辨成像技术成为近年来在眼科临床检测及机理研究的有力工具。然而传统的傅里叶域光学相干断层扫描(FD-OCT)受其成像深度的限制不能实现全眼成像。随着OCT技术的发展,成像深度不断提高,近年来逐步实现了全眼OCT成像,并被成功应用于全眼参数测量的研究中。本文全面介绍了全眼FD-OCT技术的发展和应用,重点阐述了频域OCT(SD-COT)和扫描光源OCT(SS-OCT)的最新发展。研究表明,全眼OCT技术对眼睛病理变化的检测有潜在的临床应用价值,并为研究眼部调节、眼部生长以及生物统计学提供了强有力的成像方法。     

内窥式扫频光源光学相干层析系统的探头设计

利用自聚焦透镜和单模光纤搭建了基于光纤旋转连接器的内窥式扫频光源光学相干层析成像系统.利用Zemax模拟了内窥探头的光学性能,分析了光纤到自聚焦透镜的距离和自聚焦透镜节距对探头性能参量的影响.在综合考虑元器件成本以及成像要求后,选择无需定制,节距为0.24Pitch的自聚焦透镜,确定光纤与自聚焦透镜之间的距离为0.7mm.经实验测得该系统的横向分辨率约为19.5μm,纵向分辨率约为9μm,工作距离约为7mm,成像深度为6.2mm(空气中),与理论值接近.为了验证该系统对生物组织的成像性能,利用该系统对猪食道进行离体成像,重建后的层析图中可以明显地观察到猪肠道的表皮层和固有层.测量系统的各项成像性能参量以及对生物组织的成像性能表明该探头在内窥成像中是可行的.     

光纤共焦扫描显微术用于光盘盘基预刻槽结构的检测

基于共焦扫描差分术,提出了检测不同表面反射率的物体表面表貌的方法,并提出了在光纤共焦扫描成像术中利用边缘判据进行边缘定位的极限尺度。上述思想用于检测光盘盘基预刻槽形结构,在建立的一套光纤共焦扫描成像装置上进行了光盘盘基预刻槽结构的检测,获得了槽宽、槽间距及槽深等实验数据,与槽标准参数相符。     

适合于内窥成像的共路型光学相干层析成像系统

提出了一种采用光纤型迈克耳孙干涉仪进行光程补偿的菲佐型光学相干层析成像(OCT)系统.该系统的传感探头为共路干涉结构,以解决现有内窥光学相干层析成像系统中存在的探头运动导致图像失真、以及更换使用不同探头时需进行色散和偏振态调节等问题.光程补偿和振动干扰实验结果表明,光程补偿方法正确可行,系统对环境干扰不敏感.利用研制的系统对反射镜和近红外卡进行了成像实验,验证了系统的有效性.提出的方法非常适合于内窥成像,并给出了把系统扩展为内窥光学相干层析成像系统的具体实现过程.     

折反射周视系统研究进展与展望

折反射周视系统作为近十几年发展起来的一种新型周视视觉实现形式,相比相机旋转扫描、多相机图像拼接和鱼眼镜头大视场成像等常规方法,在小型化、结构灵活性、成本和实时性方面具有优势。本文综述了折反射周视系统的成像模型、系统标定、畸变校正和全视场清晰成像等基本问题研究状况,讨论了折反射周视系统在红外成像和立体视觉领域的扩展应用研究现状,最后总结了目前存在的问题,并提出未来折反射周视成像系统将围绕非单视点成像模型、提高空间分辨力的方法和处理算法实时实现开展研究。     

动态光散射一体化光纤探头的优化设计方法

光纤探头将发射光纤、接收光纤及自聚焦(GRIN)透镜集成为一体,可替代传统动态光散射装置的光路系统,能有效提高空间相干性,但目前尚缺乏光纤探头结构参数的最优设计方法。依据动态光散射光路系统空间相干性的要求,分析了光纤探头的结构参数,给出了优化设计的方法,确定了光纤探头两透镜间距和夹角的最佳取值范围。实验结果表明:光纤探头两透镜夹角为19°,间距为1.5 mm时,可满足光路系统空间相干性的要求,接收信号的信噪比最高,相关函数的截距达到0.83,使用最优拟合累积分析法反演的颗粒平均直径相对误差小于2%。     

二次校准光纤光栅温度传感器

为了提高光纤布拉格光栅(FBG)温度传感器的测温精度,提出了一种新型的光纤布拉格光栅(FBG)温度传感器的封装方法,并采用二次多项式拟合的方式标定该温度传感器。新的封装方法可以消除FBG温度传感器存在的应力交叉敏感,新的标定方式可以极大地提高光纤温度传感器的测温精度。通过对比光纤温度传感器的线性拟合和二次多项式拟合测温结果,表明这种封装方法结合二次多项式标定使得光纤温度传感器具有很好的稳定性和重复性。在0℃~80℃的温度范围内,曲线拟合度在0.9999以上,测温误差不超过0.13℃,能够满足实际工程应用的需求。     

共路径光相干成像系统光纤探头的研究

本文提出了基于楔形光纤以及端面成角度光纤的共路径光相干成像系统探头,实现背向散射信号在其端部的共路径相位干涉,从而获得待测件断面成像信息.首先,建立了共路径光相干成像系统光路及探头相位干涉的理论模型,分析了各光纤探头尺寸与干涉信号强度、系统性能的关系.其次,分别设计出楔形光纤、端面成角光纤探头,开展了共路径光路干涉实验...     

小型化望远式激光共焦扫描显微内窥镜

研制了一种激光共焦扫描显微内窥镜,采用望远式显微内窥光学系统,同时实现长距离的图像中继传输、远心f-theta光学扫描和显微内窥成像功能.二维共焦扫描由双振镜实现,低噪音扫描控制信号由嵌入式系统产生.为实现便携式应用,激光共焦扫描显微内窥镜采用小型化设计方案.首先,体内的显微内窥成像光学系统,外径尺寸为8 mm,工作长度为250.3 mm,可通过标准腹腔镜手术孔进行体内显微内窥成像;其次,采用3 mm通光孔径的小尺寸平面反射镜实现体外共焦扫描,摆动频率为100 Hz,实现快速共焦扫描;最后,激光控制和荧光探测仅通过电缆和光纤与共焦扫描显微内窥镜前端连接,减小了显微内窥镜的前端尺寸和重量.通过实验验证,本系统的成像视场为φ 600 μm,光学分辨率为2.2 μm,可采用手持式或者其他方式工作,进行体内组织的共焦扫描成像,实现微创、在体的荧光显微内窥术.     

光纤Bragg光栅水听器探头的特性及实验研究

论述了FBG水听器探头基元——光纤Bragg光栅(FBG)的传感特性,分析了FBG的耦合系数、反射率、反射带宽和栅长对FBG水听器传感特性的影响。通过改进FBG水听器探头封装结构,增加了其压力敏感系数。并将实验结果与标准水听器(压电型)比较,标定出FBG的声压灵敏度,在1～25KHz的声波检测范围,其响应平坦度好、信号输出稳定,改进措施是有效的。     

共路径光相干成像系统光纤探头的研究

本文提出了基于楔形光纤以及端面成角度光纤的共路径光相干成像系统探头,实现背向散射信号在其端部的共路径相位干涉,从而获得待测件断面成像信息.首先,建立了共路径光相干成像系统光路及探头相位干涉的理论模型,分析了各光纤探头尺寸与干涉信号强度、系统性能的关系.其次,分别设计出楔形光纤、端面成角光纤探头,开展了共路径光路干涉实验,搭建了工作波长为1 550 nm的共路径光路测试系统.然后,根据不同待测样品的散射率,设计并研制了不同角度的楔形光纤探头,分析了不同尺寸的光纤探头对系统性能的影响,针对不同样品开展了固定探头探测实验.实验结果表明,楔形光纤端部可直接对输出光聚焦,照射在被测样品上,且其端面成一定角度时,可调节输出分光比,实现对参考信号的调节,提高了系统信噪比.为进一步开展共路径光相干成像系统的研究奠定了基础.     

基于光纤光栅滤波的新型光纤瓦斯传感系统

根据比尔-朗伯定律, 设计了一种用于检测瓦斯气体浓度的新型光纤瓦斯传感系统。该系统利用光纤布拉格光栅优良的窄带滤波特性来产生差分吸收测量所需的窄谱光信号, 具有光路全光纤化、结构简单的特点。采用非球面光纤准直器构成光纤瓦斯传感探头, 提高了探头的光学稳定性, 进一步提高了测量灵敏度和测量稳定性。实验数据及结果表明, 系统具有良好的稳定性, 其测量灵敏度可达0.01%的体积分数, 测量范围大于5%的体积分数。     

电能表自动化检定压接端子温升监测系统

提出了一种基于双套管结构光纤光栅封装探头形式,研究了基于该封装探头形式下光纤光栅测量温度的同时屏蔽外力影响;在电能表压接触头上布置双套管结构光纤光栅测温探头,通过光缆及光学分路器将传感器连接,并通过主光缆接到控制室的光纤光栅解调仪上,再通过监控软件对信息进行处理,从而构建了电能表压接温度监测系统;研究表明该系统不仅满足强电磁场环境下对温度监测实时性和精确性的要求,还可以屏蔽外部应力对温度监测的影响;温度监控软件对实时的温度信息处理,可以实现温度的图形显示、列表显示,超温时的报警显示等功能。     

双探头三维表面轮廓测量系统

提出了一种将原子力显微(AFM)探头与位置敏感探测器测距探头相结合的双探头三维表面轮廓测量新方法, 可在获取样品表面轮廓的同时, 测定样品局部形貌。搭建了双探头三维表面轮廓测量系统, 阐述了系统的工作原理, 并对其结构组成包括双探头、步进扫描台和计算机控制平台进行了说明。用2000 line/mm的光栅进行了扫描实验, 对系统的测量范围进行了标定。以外径8 mm、内径4 mm的金属垫圈为样品, 进行了整体三维表面轮廓与局部表面形貌测量实验, 给出了垫圈表面图和局部三维形貌图。结果表明, 该系统能满足不同尺寸和材质的样品的测量要求, 即可实现对样品轮廓的大范围扫描测量, 又可对样品局部进行高精度形貌测量。