单驱动二维扫描光纤探头研制

研制了应用于光学相干层析(OCT)成像的二维扫描光纤探头。该探头利用光纤悬臂的共振特性,结合光纤悬臂的结构不对称性,使光纤悬臂在正交方向具有不同的共振频率。通过对压电双晶片施加接近于上述两种共振频率的混频信号,就能同时激发光纤悬臂两正交方向上的振动,实现光纤悬臂的单驱动二维扫描。扫描采样率对成像质量至关重要,可通过驱动信号的频率选择和图像采集时间的设定来控制。在光纤悬臂固有频率曲线谐振宽度范围内细调驱动信号频率,可形成不同形状因而不同扫描覆盖率的大振幅李萨如轨迹。为实现扫描图像的正确重建,在扫描探头中引入了二维位置敏感探测器,用于扫描轨迹的同步记录。应用所研制的光纤扫描探头于已建立的光学相干层析系统,开展了典型样品的横断面扫描成像实验,在2 frame/s的采样速率获得了初期的实验结果,验证了方案的可行性。     

非对称光纤悬臂探头的驱动优化研究

研制了一种适用于内窥光学相干层析成像的单驱动非对称光纤悬臂扫描探头,可以利用单一驱动信号来激发非对称光纤悬臂的光纤末端沿李萨茹图形进行二维扫描。但是,正弦驱动信号激发的李萨茹轨迹在均匀性、覆盖率和图案帧频之间的权衡方面存在一定限制,不利于扫描成像的优化。基于非对称光纤悬臂固有的响应特性,提出了振幅调制正弦驱动信号来进行二维扫描轨迹图案的优化,并模拟研究了不同驱动信号下的扫描轨迹,对比评价了各种驱动信号下扫描图案的均匀性和覆盖率,同时进行了对比实验,验证了该方案的可行性。     

手持式牙齿在体谱域光学相干层析成像系统研究

光学相干层析(OCT)是一种高分辨率、高灵敏度、无损伤的断层深度探测方法。搭建了一台手持式谱域光学相干层析(SDOCT)系统,对人体牙齿组织进行成像。介绍了手持式OCT探头设计。该手持式探头利用扫描振镜进行横向扫描,结构简单且十分紧凑,可以稳定地检测活体组织。利用该系统分别对离体牙齿和活体牙齿进行成像。通过实验结果可以清晰地看到活体牙齿的牙釉质、牙本质和釉质本质界面等组织,实现了高分辨率的断层成像。     

光学相干层析显微内窥成像技术研究进展（特邀）

光学相干层析成像（OCT）是一种无创或微创的、可提供组织深度信息的高分辨率可视化实时成像技术,广泛应用于生物医学成像与临床诊断领域。光纤OCT显微内窥成像技术是基于光纤传输和光纤显微内窥成像的OCT技术,除了具有OCT的一般成像优点外,还具有体积小、质量轻、耐腐蚀、电绝缘、抗电磁干扰等特点,尤其适用于对现有其他成像技术无法到达的狭小腔道内的组织病变进行高分辨率检测和早期诊断。随着激光器、探测器和光纤器件制备技术的发展,光纤OCT系统、光纤探头设计和制备都取得了巨大进步,应用场景也得到不断扩展。具体地：光纤OCT系统从时域OCT发展到频域OCT,成像速度和分辨率获得显著提升;光纤OCT内窥成像探头先后历经了光纤-棱镜型、全光纤型及光纤复合型探头三个发展阶段,目前正朝着多功能集成、小型化、一体化的方向发展;光纤内窥OCT的临床应用从呼吸系统和消化系统逐渐拓展到心血管系统。从光纤OCT系统设计、探头设计与制备、内窥成像应用三方面综述近年来光纤OCT显微内窥成像技术的发展现状,重点总结光纤内窥探头的技术发展及其在医学诊断中的应用,最后结合现有前沿技术报道总结展望了未来光纤内窥OCT的发展方向。     

基于高双折射光纤环镜的可调谐光滤波器

为了得到具有全光纤结构和中心波长可调谐的光滤波器,采用3阶高双折射光纤环镜,提出了一种电磁力的悬臂调谐单元构成的新型可调谐光滤波器,对环镜传输过程和悬臂调谐单元原理进行了理论分析,通过控制悬臂调谐单元的输入电流,实现了滤波器通带的调谐。结果表明,该滤波器具有调谐灵活、输出光谱精细等特点,可应用于不同波长光波的选频输出。     

基于高双折射光纤环镜的可调谐光滤波器

为了得到具有全光纤结构和中心波长可调谐的光滤波器,采用3阶高双折射光纤环镜,提出了一种电磁力的悬臂调谐单元构成的新型可调谐光滤波器,对环镜传输过程和悬臂调谐单元原理进行了理论分析,通过控制悬臂调谐单元的输入电流,实现了滤波器通带的调谐。结果表明,该滤波器具有调谐灵活、输出光谱精细等特点,可应用于不同波长光波的选频输出。     

基于GRIN透镜的内窥OCT探头设计

提出一种用于在体活检的光谱 OCT 内窥探头的设计方案,能够实现对生物组织器官深度信息的在体内快速动态实时扫描成像,在临床医学领域具有广阔的应用前景。文中对探头的设计进行了理论分析,对探头的加工和测试进行了系统的阐述。针对传统的 GRIN 探头设计,本文探头的设计提高了光学质量和机械健壮性。对于 OCT 探头的成像质量依赖于单模光纤和 GRIN 透镜之间的距离（玻璃垫片长度）,进行了建模和验证。实验得出将玻璃垫片长度控制在0．2 mm 左右,探头可以达到2 cm 左右的工作距离,工作距离范围内探头的远场光束发散角为0．0175°。     

用于皮肤荧光光谱检测的光纤探头设计

为了提高皮肤荧光光谱的收集效率,对用于皮肤组织荧光光谱检测的光纤探头设计进行了重点研究。通过建立人体皮肤组织光学模型,并利用Monte Carlo方法模拟光在光纤探头及皮肤组织中的传播过程,研究光纤数量、光纤芯径、数值孔径、入射光纤与收集光纤近边缘距离、光纤探头与皮肤的距离等光纤探头各特性参数对荧光光谱检测的影响;设计、制作了一种光纤探头,应用于人体皮肤晚期糖基化终末(AGE)产物荧光光谱检测中,分析检测效果,并进行模拟与实验的对比研究。结果表明,较之于常规光纤探头,根据Monte Carlo模拟进行设计的光纤探头,荧光光谱检测性能有明显改进,且模拟与实验结果有一致的变化趋势,验证了通过Monte Carlo模拟进行光纤探头设计的可行性。光纤探头特性参数对皮肤荧光光谱检测有着显著影响,针对不同检测目的,设计特定的光纤探头,能够改善基于荧光光谱检测的医疗设备的性能。     

航空发动机用高温光纤传感探头研制技术

介绍了一种实用化的航空发动机用高温光纤传感探头研制技术。从理论上对光纤传感探头的结构进行了分析，并结合实际经验，成功地研制出航空发动机用光纤传感探头。该探头实现了在航空发动机内部高温、高灰尘环境中长时间稳定工作，在航空发动机上实现了整级叶片振幅及平衡位置变化等振动参数的在线实时测量。     

近红外光谱光纤探头的创新设计用于骨关节炎的原位检测

创新设计了一款操作灵活、方便、适于生物医学原位检测的反射式近红外（NIR）光纤探头,通过将自聚焦透镜耦合到NIR光纤探头的顶端,并对探头结构、光纤排布进行全新设计,使光纤探头具有更高的测量精度和收集效率。通过耦合傅里叶变换近红外光谱仪对蔗糖样本进行NIR光谱采集,发现该反射式NIR光纤探头具有高效便捷的特点以及较高的光谱重复性和信噪比。采用该光纤探头对犬膝关节股骨端关节软骨进行NIR光谱离体原位检测,这些光谱数据经一阶导数2次多项式21点Savitzky-Golay平滑预处理后再进行主成分分析和Fisher判别分析。模型初始案例和交互验证案例正确识别率分别为97.62%、90.47%,样本预测集的识别率达96.43%,证明了采用该NIR光纤探头进行NIR光谱原位检测的有效性及骨关节炎识别的可行性,可为骨关节炎的临床诊断奠定实验基础。     

Distributed fiber-optic stress-location measurement by arbitrary shaping of optical coherence function

A functional distributed fiber-optic stress-location measurement technique by arbitrary shaping of the optical coherence function has been demonstrated. The technique measures the distribution or location of stress-induced polarization mode coupling in a polarization-maintaining fiber by manipulating the optical coherence function. The location of applied stress is given by optical path difference between the two polarization modes, which is determined by the synthesis of the coherence function. Three types of coherence function-a scanning peak, a scanning low-sidelobe peak, and a standing triangle-have been synthesized experimentally and used for stress locating. When using the coherence function of scanning peak, the coherence peak is slid to scan over the measurement range by a phase modulation to obtain the stress distribution; when using the triangular coherence function, the detection range is set within a linear slope of the triangle so that the stress location is directly converted into the value of the coherence degree.     

梯度折射率光纤探针的光学特征参数

解析梯度折射率(GRIN)光纤探针的光学特征参数,用于光学相干层析技术(OCT)探头超小型化的研究。在概述由单模光纤、无芯光纤和GRIN光纤镜头构成的GRIN光纤探针模型的基础上,定义GRIN光纤探针的工作距离和聚焦光斑尺寸等光学特征参数,并用高斯光束复参数矩阵变换的方法推导探针光学特征参数的数学表达式,提出了探针光学特征参数的验证方法。结果显示,当无芯光纤和GRIN光纤镜头长度分别为0.48mm和0.17mm时,理论计算的工作距离和聚焦光斑尺寸分别为1.05mm和28.2μm;实验测得的工作距离和聚焦光斑尺寸分别为1.0mm和28μm。理论计算与实测结果吻合,验证了GRIN光纤探针光学特征参数及其解析方法的有效性。     

采用频域光延迟线的光学相干层析成像

频域光延迟线是一种光学扫描结构,其基本组成是一个衍射光栅、一个透镜和一个扫描镜.把频域光延迟线应用到光学相干层析成像系统中,可以使参考臂扫描速率至少达到数m/s以上,从而实现视频速率的图像获取.从几何光学的角度分析了频域光延迟线的工作原理,分析结果表明在扫描角很小的情况下,入射光的光程或相位变化频率与扫描角频率有较好的线性关系.基于这一结构的光学相干层析成像的结果证明可以避免活体生物组织位移引入的图像模糊.另外,还提出了一种基于微执行器的新扫描装置.     

用数据处理的方法消除扫速不稳对OCT图像的影响

建立了一个光纤结构的扫描延时的光学相关层析成像(OCT)系统。扫描平台速度不稳会影响成像质量。介绍了用付立叶变换方法将采样信号转换到频域处理的过程中,合理选择信号频域分布的质心位置和频带宽度等参数,可消除由于扫速不稳造成的图像失真。     

Design, Fabrication, and Assembly of an Optical Biosensor Probe Package for OCT (Optical Coherence Tomography) Application

A miniaturized optical bioprobe package is developed using a 3-D micromirror and is tested for bio-imaging application. A silicon optical bench is designed and micromachined to assemble the fiber, lens, and the 3-D micromirror device. A 45$^circ$ angle trench is used to place the micromirror to achieve larger scanning range. Trace lines are formed on the optical bench and are connected to silicon micromirror using solder. A GRIN lens with lower numerical aperture has been used to focus the optical beam onto the micromirror. The bioprobe is packaged and is tested in a time domain optical coherence tomography (OCT) setup and optical image is obtained for plant tissue.      

无机械扫描谱域光学相干层析术研究

为提高光学相干层析术(OCT)系统成像速度,借助成像光谱仪,以钨灯为非相干光源,采用柱面镜聚焦,搭建了迈克耳孙干涉仪结构的无扫描装置谱域OCT系统。介绍了系统结构和工作原理,对待测样品进行了层析成像实验,分析了系统的成像特性,利用中值滤波的方法消除背景噪声,获得了样品的二维层析图像,与点扫描光纤型OCT的成像速度进行了比较。研究表明,无扫描装置谱域OCT系统在8mm宽度范围成像时,其数据采集速度比传统点扫描方式约快2个数量级。     

屈光介质中谱域光学相干层析成像的重构

在屈光介质中,由于光线的折射以及光程与实际物理距离的错配,使得光学相干层析(OCT)成像存在重构误差。将几何光学中光线追迹的方法应用于光纤型谱域光学相干层析成像系统所成图像的重构误差矫正,在理论上推导了屈光介质所成层析图像与其真实物理结构的映射关系。实验中,将提出的方法应用于玻璃毛细管和人眼眼前节图像的重构误差矫正,在矫正后的图像中玻璃毛细管的剖面结构得到了准确的还原,所测人眼的眼角膜厚度、前房深度和宽度、眼角膜前后表面以及晶状体前表面的曲率半径等各种参数都符合模型眼给出的参考值。该方法能够使光学相干层析成像系统应用于具有任意多层折射界面的屈光介质,包括由透镜组组成的复杂光学系统等的成像。     

全光纤光学相干层析系统用于人造指纹的识别

目前商用指纹识别系统由于仅依赖于手指表面二 维图像的脊模式和细节特征进行识别,对人造 指纹有极大的安全漏洞。本文提出一种利用光学相干层析(OCT)技术识别 人造指纹的方法。在分析OCT系统原理及皮肤光学特性的基础上,使用研制的全光纤OCT系 统分别对 人体手指以及被商用指纹识别系统识别通过的人造指模进行成像,获得了二者的二维OCT图 像和对应的一 维信号,同时获得人造指模的三维OCT图像,通过对比分析二者深度方向 上的微结构信息 以及光学特性可以准确地识别出人造指模。实验结果表明,OCT技术不仅可以用于指纹的防 伪,有效地提高生物特征识别系统的安全性能,而且还具有用于指纹识别的潜力。