基于GRIN透镜的内窥OCT探头设计

盛守苗,朱永凯,张雪婷

(南京航空航天大学,江苏 南京 210016)



·光电技术与系统·

基于GRIN透镜的内窥OCT探头设计

盛守苗,朱永凯,张雪婷

(南京航空航天大学,江苏 南京 210016)

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°。

OCT探头；ABCD矩阵；Matlab仿真；内窥成像；机械健壮性

1 引 言

OCT是近年来对生物体组织进行无损、高分辨成像的一种新技术[1]。随着OCT技术的兴起,对OCT内窥探头的研究也随之广泛。美国麻省理工学院的Fujjmoto研究小组最先开始进行内窥谱域OCT系统的研究[2]。美国Li Xingde课题组在内窥OCT领域也取得很好的进展,在2000年他们就提出了可以实现活体内窥成像的微型OCT探针[3]。国内的天津大学也进行了内窥探头的研究工作[4-5]。

虽然国内外的研究学者在基于GRIN透镜的内窥探头的开发和研制工作取得了很大的成果,但是还是存在着一些问题。首先,微型探头的反射镜通过手工装配,很难将其精确地固定到预定位置,导致光学探头的工作参数(工作距离和聚焦光斑)很难调整和优化[6]。其次,单模光纤、微型GRIN透镜和微型反射镜仅仅通过胶胶合在一起,缺乏机械健壮性[7]。再次,探头中的光学窗大多使用光学胶,很容易在活体组织中被腐蚀破坏[8]。最后，复杂和精细的工艺使得制作难度增加,并且制作成本很高。针对以上这些情况,本文提出了一种新型的探头设计,增强了探头的机械健壮性,而且制作方便。另外探头的工作参数依赖于单模光纤和GRIN透镜之间的距离,针对这种情况,提出了使用高斯光学的ABCD矩阵来进行验证,并选择合适的工作参数。对于OCT系统，随着成像深度越高,聚焦深度越低的问题,国外研究学者给出了一系列液体变焦探头的设计[9]。但是这种探头的加工工艺十分复杂,成本较高。本文中的探头在考虑成本问题的基础上,采用了在探头出射光的瑞利距离内保持平行出射,探头的平行工作距离可以达到2 mm,有效地解决工作深度小的问题。

2 探头的设计及分析

2.1 结构设计

OCT系统选用的850 nm光源的光强分布类似于高斯分布,因此探头设计中的光路设计都是基于高斯光束问题的分析。由于GRIN透镜体积小、数值孔径高、焦距段、光谱宽、分辨率高等优点,已经成为微小光学中十分重要的微型成像器件。探头内部结构中使用的GRIN透镜的直径为1.8 mm,截距为2.3。单模光纤和GRIN透镜之间的玻璃垫片使得微型GRIN透镜的数值孔径的充分利用。1.2 mm的微型镀膜反射片将GRIN透镜的出射光转折90°从光学天窗出射。光学透镜和微反射镜封装在玻璃套管中,并用胶将玻璃套管固定在不锈钢套管中,在玻璃套管和不锈钢管的重合处就是玻璃天窗,这种玻璃套管的一体化封装增加了天窗的机械健壮性。为了消除柱状玻璃套管所引起的光线散射,在套管内填充与玻璃折射率相同液体。探头的结构图如图1所示。探头由HI1060单模光纤、0.23 mm玻璃垫片和镀膜反射片组成。选定玻璃垫片的长度为0.23 mm时,可以得到2 mm的工作距离和0.4 mm的光斑尺寸。

图1 OCT内窥探头结构示意图Fig.1 Basic structure of OCT endoscopic probe

2.2 理论分析玻璃垫片长度对探头工作参数的影响

探头的工作参数会受到玻璃垫片长度的影响,为了定量的分析这种影响并且结合实际需求来选择合适的工作参数,使用ABCD矩阵对整个探头的光路进行建模。探头的光路图如图2所示。

图2 探头的光路图Fig.2 Optical path of the probe

假设从单模光纤出射的高斯光纤的束腰半径为w0,为了计算方便，假设束腰位置在单模光纤出射端,单模光纤的折射率为n2,单模光纤和GRIN透镜间的气隙长度为L1,自聚焦透镜的长度为L,空气的折射率为n1,自聚焦透镜的中心折射折射率为n0,梯度常数为g。从自聚焦透镜末端出射的束腰半径为w1,自聚焦透镜的出射端到出射束腰w1位置的距离为L2,对于单向前向探头来说L为工作距离。

根据高斯光学中的ABCD传输矩阵[10]的知识,光学系统的总矩阵如下所示：

如果复杂的光学系统由K个折射球面组成构成,那么总传输矩阵可以因式分解为下式：

其中：

(i=1,2,…,k)

式中，Ri和fi′分别是第i面的曲率半径和像方焦距；ni-1和ni分别为第i面和像方介质折射率；di是第i面到第(i+1)面之间的距离。再由文献[11]中得自聚焦透镜的传输矩阵为:

因为空气间隙是起扩束作用,因此焦距可看做无穷远处,自聚焦透镜左右两边的折射矩阵和空气间隙传输矩阵分别为：

因此总传输矩阵为：

(1)

简化为：

(2)

假设从单模光纤入射时的复参数为q0,从自聚焦透镜出射时的复参数为q1,高斯光束的复参数q(z)定义为:

其中，z为高斯光束到束腰位置的距离；λ为光源波长；w为束腰半径。根据高斯光束中的复参数q满足ABCD定律有：

(3)

其中，q0是高斯光束从单模光纤入射面处的复参数,前面已经假定了入射光线的束腰在单模光纤的出射面上,因此有：

(4)

(5)

根据式(1)、(2)、(3)、(4)得到工作距离L:

(6)

(7)

实验室用的光源中心波长λ为850 nm,空气折射率n1=1,选用的单模光纤型号为HI1060,纤芯折射率n2为1.4676,GRIN透镜型号为SLW180,直径为1.8 mm,截距为0.23,中心折射率n0为1.4681,GRIN透镜的长度L为2 mm。将数值代入式(6)、(7)可以画出探头的工作距离以及光斑大小和空气间隙L1之间的关系图3所示。

图3 气隙与工作距离和光斑大小关系曲线Fig.3 The relational curve graph of air gap and working distance and focus size

由图可知,工作距离和聚焦光斑都随着间隙的增大而减小,然而探头的工作期望值越大越好,而聚焦光斑越小越好,即工作距离越大,横向分辨率越低。鉴于这种关系,间隙的大小取0.2 mm左右最佳。

3 工艺加工

探头制作工艺包括以下几部分：光纤头制作、准直器制作、准直调节、45°角实现和整体封装。准直器制作工艺采用了高精度的玻璃套管,减少了人工调试工作量。整体封装过程中使用了第二根开窗玻璃套管,增加了光学窗的机械健壮性。光纤头制作：将剥线钳剥去光纤尾纤包层,套上毛细管,点胶固化。用研磨机和研磨纸将端面抛光打磨成8°角(可以有效减小回波),在200×端面仪下检测纤芯是否有划痕损伤,确认无损伤后在端面镀膜处理；准直器制作：通过高精度套管将GRIN透镜和光纤头预装配,保证二者之间的轴向角度偏差和偏轴距离的要求,然后利用定位仪,调节毛细管对轴向间距进行调整(由上节可知间距为0.2 mm),并点胶固定。最后将玻璃套管装入SS套管(夹持器)；准直调节和45°角调节：准直调节关键在于控制截距,让准直光的束腰落在特定的位置。固定好准直器,将镀膜反射镜贴附在45°研磨的玻璃圆柱体上,使得光纤转折90°射出；整体封装：将前面的SS套管和玻璃圆柱体同时装入第二根玻璃套管中,然后将玻璃套管转入开窗的不锈钢套管内,用胶固定。

4 探头测试

4.1 探头工作距离和准直测试

根据理论设计,我们制作的探头实物图如图4所示,探头的总长为3.7 cm,直径0.5 cm。探头微观图如图5所示。

对探头的工作距离和准直测试时,按图6测试方案来进行。

图6 探头测试方案示意图Fig.6 The testing scheme of probe

光源信号进入内窥探头,出射至线阵CCD,我们通过调节微位移平台来改变工作距离d,并观察信号所占像素点宽度来判断准直性能。当工作距离d分别为1 cm、2 cm、3 cm和6 cm时,线阵CCD上探测的光强信号如图7所示。

图7 CCD测试结果Fig.7 The testing result of CCD camera

5 结 论

本文提出了生物医学成像中的内窥探头的结构设计,提高了探头光学窗的机械健壮性并减小了玻璃套筒的光学色散。从理论上验证了探头的结构参数和工作距离与聚焦光斑之间的距离的关系并进行了具体实验验证,这有利于对探头工作参数的确定,为探头的设计提供了理论依据。另外在实验过程中也发现了一些问题,例如探头缺少微机电一体化,因此不易实现二维成像。因此设计开发微型、实现快速扫描、精度高的内窥探头成像技术,是目前OCT研究的一大热点。

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Design of endoscopic OCT probe based on GRIN lens

SHENG Shou-miao,ZHU Yong-kai,ZHANG Xue-ting

(Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 210016,China)

A design of OCT endoscopic probe for tissue biopsy is proposed,and this probe can be used for real time imaging of tissue profile based on tissue depth information,so it has broad prospect in clinical application.The design of probe was theoretically analyzed,and then the process and measurement of the probe were elaborated in detail.Compared with the traditional probe,the proposed probe can improve the optical quality and machine robust.The principle that the image quality depends on the distance between single mode fiber and GRIN lens was modeled and verified.The experimental results show that,when the length of glass spacer is about 0.2 mm,the working distance of the probe reaches about 2 cm and its divergence angle of far field is 0.0175°.

OCT probe;ABCDmatrix;Matlab simulation;endoscopic imaging;machine robust

1001-5078(2015)06-0678-05

机械制造系统工程国家重点实验室开放基金(No.sklms201309);江苏省科技支撑项目(No.BE2013605)资助。

盛守苗(1989-),男,硕士,主要研究方向为内窥OCT探头设计及系统控制采集系统。E-mail:shengshm1989@163.com

2014-09-05

0734

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2015.06.016