CN101444416A - 一种光纤扫描探头及其驱动方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光纤扫描探头及其驱动方法，在一片无逆压电效应的薄导电基片上对称平行粘接有两片镀有电极层的压电陶瓷片，一段末端去掉涂覆层且端面具有合适结构的裸光纤粘接在两片压电陶瓷片中间，并预留合适长度裸光纤作为振动自由端，两片压电陶瓷的电极分别接入驱动信号，驱动信号由锯齿波和正弦波叠加而成，锯齿波使两片压电陶瓷片在同一时刻产生相同的伸长或缩短量，带动光纤端头产生位置的移动完成场扫描动作，正弦波使两对压电陶瓷片产生微小长度差从而产生平行于薄导电基片的微小摆动而使光纤产生振幅较大的共振行为完成行扫描动作。本发明结构简单，有效地减小探头体积。让探头扫描更加稳定，消除成像质量不均匀的情况。

Description

一种光纤扫描探头及其驱动方法

技术领域

本发明属于光学扫描成像技术领域，特别涉及一种光纤扫描探头及其驱动方法。

背景技术

光学成像不仅可以实现对活体组织的无损伤、非侵入、非电离辐射及实时的探测和成像，而且可用于活体生物组织结构分析、特性参数测量及疾病的诊断和治疗，发展势头迅猛。为了更好地观察生物组织结构，光学扫描技术应运而生。比较具有代表性的光学扫描成像技术有光学相干层析成像技术(Optical Coherence Tomography)、共聚焦显微成像、双光子激发荧光成像。光学相干层析成像技术具有成像快速、高分辨率等优良特性，对生物组织研究以及临床应用均具有重要意义。共聚焦显微成像以及双光子激发荧光成像可以用于组织的显微结构成像。为了适应研究以及临床应用上的需求，如在活体内扫描成像以及组织显微结构成像，制作微型化的内窥式扫描探头势在必行。

内窥式扫描探头一般采用光纤传导，原因是光纤具有体积小、操作方便等特点。目前，常用的内窥式扫描探头大多数方案基于微型电机、MEMS技术、电磁以及静电效应设计。但这些设计存在着结构复杂、体积较大、成本较高、成像速度不高等缺点。于是研究者开始关注到压电陶瓷(PZT)，它具有体积小、价格低廉、振动稳定等优点。

1997年MIT OCT小组采用了压电陶瓷管带动光纤振动方法，成功研制了内窥式扫描探头(Boppart SA，Bouma BE，Pitris C et al.Forward-imaging instruments for optical coherence tomography.OptLett 22：1618-1620，1997.)。该设计为首例将PZT应用于扫描探头的方案。但此方案只能实现一维扫描，而且扫描范围较小。但也给研究者设计内窥式光纤扫描探头带来了一条新的思路。

比较具有代表性的是***在2004年用分割电极的压电陶瓷管实现了一种二维内窥式光纤扫描探头的方案(Xiumei Liu，Michael J.Cobb，and Yuchuan Chen，Michael B.Kimmey，Xingde Li.Rapid-scanningforward-imaging miniature endoscope for real-time optical coherencetomography.Opt Lett，29：1763-1765，2004.)，并申请了美国专利(Pub.No.：US2004/0254474)。该探头具有扫描范围大、体积小、成像速度高等优点，但由于扫描方式为二维螺旋状，成像的效果不均匀，内部较外部清晰。

浙江大学现代光学仪器国家重点实验的丁志华等利用光纤悬臂的共振特性，结合光纤悬臂的结构不对称性，研制了应用于光学相干层析(OCT)成像的二维扫描光纤探头(黄刚，丁志华，吴凌.单驱动二维扫描光纤探头研制.CHINESE JOURNAL OF LASERS，VOL.34，No.3，2007)。该设计仅使用了一根PZT就实现了二维扫描的功能，简化了扫描头的结构。但探头的扫描轨迹为利萨如图形，成像的信噪比不是很高对成像的质量会产生较大的影响。

发明内容

本发明的目的针对现有技术的不足和缺陷，基于PZT的诸多优点，而提供一种光纤扫描探头及其驱动方法，本发明利用一根PZT实现了二维扫描的功能，这样光纤扫描探头的体积更小、结构更为简单同时扫描范围大，成像质量高。这些独具的优势让其在临床以及科学研究上具有良好的应用前景。

一种光纤扫描探头，其特征在于，一片无逆压电效应的薄导电基片内侧对称平行粘接有两片镀有电极层的压电陶瓷片，一段末端去掉涂覆层且端面具有合适结构的裸光纤粘接在两片压电陶瓷片中间，并预留0.5-1.5cm长度裸光纤作为振动自由端，该光纤扫描探头能够完成二维扫描运动。

所述的薄导电基片可以是金属片或导电碳纤维，其厚度不超过0.2mm。

所述的两片镀有电极层的压电陶瓷片，当在电极层上施加电压后，由于逆压电效应的作用，压电陶瓷片将产生长度方向的形变伸长或缩短。

所述的光纤可以是单模光纤、多模光纤或光子晶体光纤。

所述的端面具有合适结构的裸光纤，其端面根据应用形式的不同，可以是平端面、半球形端面、抛物线形端面或锥形端面。

一种光纤扫描探头的驱动方法，将光纤扫描探头上薄导电基片接电源地线，平行放置的两片压电陶瓷的电极分别接入驱动信号，驱动信号由两部分信号叠加而成，一部分为幅值较大、频率较低的锯齿波，另一部分为幅值较小，频率刚好等于自由端光纤机械共振频率的双极性正弦波，驱动信号的瞬时值为此两部分信号瞬时值的和值，两片压电陶瓷片的驱动信号锯齿波部分具有相同的幅值和相位，两片压电陶瓷片在同一时刻产生相同的伸长或缩短量，从而带动光纤端头产生位置的移动，构成光纤扫描头的场扫描动作。两片压电陶瓷片的驱动信号正弦波部分具有相同的幅值但是位相刚好相差π，其作用的结果是使得在两对压电陶瓷片产生微小长度差从而产生平行于薄导电基片的微小摆动，由于摆动频率刚好等于振动自由端光纤机械共振频率，因而光纤将产生振幅较大的共振行为，从而构成光纤扫描头的行扫描动作。

本发明具有如下特点：

1、本发明利用两片压电陶瓷片和一片薄导电基片驱动光纤构成光纤二维扫描探头，简化了光纤扫描探头的结构，能够极大的缩小光纤扫描探头的尺寸，因此可以深入到活体体内作为内窥探头使用。

2、驱动方法巧妙的利用了光纤的谐振特性形成行扫描，增加了光纤的行扫描范围，同时场扫描采用了非谐振的方案，因此扫描过程不存在盲点。

3、由于扫描轨迹与其他光学成像***的扫描轨迹基本相同，有利于与其他成像装置配合使用。

4、对检测光纤无特殊要求，与其他光纤检测***耦合方便。

5、制作方法简单，成本低廉，利于推广。

附图说明

图1光纤扫描探头结构示意图。

图2外加Y方向电场探头形变示意图。

图3形变位移量计算示意图。

图4外加极性相反电场探头形变示意图。

图5探头行扫描轨迹图。

图6驱动信号形式示意图。

图7光纤探头二维扫描轨迹示意图。

图8驱动以及探头整体结构示意图。

图9利用光纤扫描探头构成内窥荧光成像***示意图。

具体实施方式

以下结合实例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

本发明可以通过如下的方式实现：如图1所示。

1、取两片单面镀有电极层1的压电陶瓷片2，利用环氧树脂将两片压电陶瓷片无镀膜面平行粘接在无逆压电效应的薄导电基片3上，压电陶瓷片间距以待用光纤4直径为准；

2、一段末端去掉涂覆层且端面具有合适结构的裸光纤4粘接在两片压电陶瓷片2中间，并预留0.5-1.5cm长度裸光纤4作为振动自由端；

3、在压电陶瓷电极面1和薄导电基片3上分别焊接导线作为信号引线，将光纤扫描探头一端固定，在驱动信号作用下另一端能够完成扫描功能；

4、驱动信号由两部分信号叠加而成，一部分为幅值较大、频率较低的锯齿波，另一部分为幅值较小，频率刚好等于自由端光纤机械共振频率的双极性正弦波，驱动信号的瞬时值为此两部分信号瞬时值的和值。两片压电陶瓷片2的驱动信号锯齿波部分具有相同的幅值和相位，两片压电陶瓷片2在同一时刻产生相同的伸长或缩短量，从而带动光纤4端头产生位置的移动，构成光纤扫描头的场扫描动作。两片压电陶瓷片2的驱动信号正弦波部分具有相同的幅值但是位相刚好相差π，其作用的结果是使得在两片压电陶瓷片2产生微小长度差从而产生平行于薄导电基片3的微小摆动，由于摆动频率刚好等于振动自由端光纤4机械共振频率，因而光纤4将产生振幅较大的共振行为，从而构成光纤扫描头的行扫描动作。

为说明本发明的工作原理，定义压电陶瓷片2长度方向为Z方向，厚度方向为Y方向，宽度方向为X方向，且假设当外电场方向为Y方向负方向(既：电极层1接驱动电源正极，薄导电基片3接驱动电源负极)时压电陶瓷2产生长度方向(Z方向)的伸长动作。

如图2a所示，当外加电场方向Y方向时，通过逆压电效应，压电陶瓷片2产生Z方向(长度方向)的伸长，由于薄导电基片3不存在逆压电效应，在电场下长度不发生变化，因此整体的作用的结果是使得整体产生Y方向(厚度方向)上的凸形弯曲形变。同理，电场方向相反时产生凹形弯曲形变如图2b所示。当将其一端固定时，另一端将由于形变而产生位移。

以凸形弯曲形变为例，其位移量可大致估算如下：由于相比与压电陶瓷片2长度l而言压电陶瓷片2绝对形变量Δl较小，因此可将凸形弯曲形变近似看作直线，如图3所示，变形前长度l与变形后长度l+Δl分别为直角三角形的直角边和斜边，则另一条直角边长度为端头的位移量。

$\mathrm{\Δy}=\sqrt{{(l+\mathrm{\Δl})}^2-l^2}$

其中 $\mathrm{\Δl}=d_{31}\frac{V}{t}l,$ d₃₁为压电系数，t为压电陶瓷片厚度，V为外加电压。

以PZT5典型参数为例，假设l＝50mm，d₃₁＝360，t＝0.3mm，V＝200V，则

$\mathrm{\Δl}=d_{31}\frac{V}{t}l=12\mathrm{\μm}$

$\mathrm{\Δy}=\sqrt{{(l+\mathrm{\Δl})}^2-l^2}=1.1\mathrm{mm}$

即该光纤扫描探头在200V电压作用下的位移为1.1mm。

在两片压电陶瓷片2上接入相同的驱动电压，则两片压电陶瓷片2共同作用的结果与以上分析的一片压电陶瓷作用结果相同。

如果驱动信号为一交变信号，则光纤扫描探头移动位置将随驱动信号变化而变化。为保证扫描探头的扫描范围，通常压电陶瓷2的长度为几十mm，因此其本身的谐振振动频率通常为几十到几百Hz，当驱动信号频率高于谐振频率时，其本身的振幅将大幅度缩小，因此y方向的位移较适合作为相对频率较低的场扫描。

如果在两片压电陶瓷上加上极性相反的两个电场，如一片电极1上加-Y方向电场，另一片电极1上加+Y方向电场，则两片压电陶瓷2中一片会沿Z方向伸长，另一片沿Z方向缩短。则共同作用的结果使得整体在X方向(宽度方向)产生弯曲形变。如图4a、图4b所示。

如果加在两片压电陶瓷片2的驱动信号是具有相同的幅值但是位相刚好相差π的正弦波，则作用的结果是使得在两片压电陶瓷片2产生随时间变化的微小长度差，从而产生平行于薄导电基片3的微小摆动，如果摆动频率刚好等于振动自由端光纤4机械共振频率，光纤4将产生振幅较大的共振行为，从而构成光纤扫描头的行扫描动作。根据振动理论，可得振动自由端光纤的固有频率f为：

$f=\frac{\mathrm{\β}}{4\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{E}{\mathrm{\ρ}}}\left(\frac{R}{L^2}\right)$

式中，L为自由端光纤长度，R为光纤半径，E为光纤杨氏模量，ρ为光纤密度，β由振动模数以及边界条件决定为常数。光纤选定后，由于R、E以及ρ也均为常数，光纤的固有频率只与长度有关，可以通过调节振动自由端光纤4长度达到特定的扫描频率。当驱动信号的频率接近光纤固有频率时，光纤4处于共振状态，振动的振幅将达到最大。由此可以看出，行扫描的光纤振幅主要取决于频率是是否准确，而与压电陶瓷片2的振幅关系不大，因此在频率准确的前提下，压电陶瓷片2只需要很小的驱动电压就能够使光纤4产生较大的扫描范围。

仍以以上PZT5材料为例，当驱动信号幅度为10V峰峰值时，扫描范围即可达500微米以上。实际的扫描图像如图5所示。

综上所述，为使光纤扫描探头完成二维扫描动作，驱动信号需要由两部分构成，一部分为幅值较大、频率较低的锯齿波，作为场扫描，另一部分为幅值较小，频率刚好等于自由端光纤机械共振频率的双极性正弦波，作为行扫描，驱动信号的瞬时值为此两部分信号瞬时值的和值。

两片压电陶瓷片2的驱动信号锯齿波部分具有相同的幅值和相位，两片压电陶瓷片2在同一时刻产生相同的伸长或缩短量，从而带动光纤4端头产生位置的移动，构成光纤扫描头的场扫描动作。两片压电陶瓷片2的驱动信号正弦波部分具有相同的幅值但是位相刚好相差π，其作用的结果是使得在两对压电陶瓷片2产生微小长度差从而产生平行于薄导电基片的微小摆动，由于摆动频率刚好等于振动自由端光纤4机械共振频率，因而光纤4将产生振幅较大的共振行为，从而构成光纤扫描头的行扫描动作。两个动作合成后的光纤4运动轨迹如图7所示。

实施例一：光纤扫描探头的制作。步骤如下

1、取单面镀有电极层1的长度为50mm、宽度0.2mm、厚度0.2mm的压电陶瓷片2两片，取厚度长度53毫米、宽度0.6mm、厚度为0.1mm的薄铜片3一片，利用环氧树脂将两片压电陶瓷片2平行粘接在铜片3上，压电陶瓷片2一端与铜片3端头平齐，两片压电陶瓷片2间距为0.2mm。

2、将一段单模光纤末端去掉30～40mm涂覆层露出裸光纤4，利用光纤切割刀将光纤端面切割平整，将光纤4置于两片压电陶瓷片间空隙处，并预留10mm长度(共振频率约为1KHz)作为振动自由端，利用环氧树脂将光纤4牢固粘接在两片压电陶瓷片2间空隙处。

3、在压电陶瓷电极层1面和铜片3上分别焊接导线作为信号引线，将无光纤一端固定。

4、将铜片3上信号引线接信号地线，两片压电陶瓷片引线分别接入驱动电源5如图6所示形式的驱动信号，驱动信号由两部分信号叠加而成，一部分为幅值为0～200V、频率为4Hz、上升时间与下降时间比率为9:1的锯齿波，另一部分为峰峰值10V，频率1KHz的双极性正弦波，驱动信号的瞬时值为此两部分信号瞬时值的和值。

5、两片压电陶瓷片2的驱动信号锯齿波部分具有相同的幅值和相位，两片压电陶瓷片2在同一时刻产生相同的伸长或缩短量，从而带动光纤4端头产生4Hz、范围约1.1mm的移动，构成光纤扫描头的场扫描动作。两片压电陶瓷片2的驱动信号正弦波部分具有相同的幅值但是位相刚好相差π，其作用的结果是使得在两对压电陶瓷片2产生微小长度差从而产生平行于薄导电基片的微小摆动。由于摆动频率(1KHz)刚好等于振动自由端光纤4机械共振频率(1KHz)，光纤4将产生振幅约为500微米的振动，从而构成光纤扫描头的行扫描动作。

实施例二：利用光纤扫描探头构成内窥荧光成像***。内窥荧光成像***示意图如图9所示。

1、如实施例一步骤制作好光纤扫描探头后，将其套入一直径为2mm不锈钢管6内，不锈钢管6一端预先安装一个微凸透镜7用于对光纤出射光的聚焦以及荧光的收集。

2、调整光纤扫描探头在不锈钢管6内的位置，使光纤轴心与透镜7光轴重合，并调整光纤4与透镜7至合适距离后用环氧树脂8将光纤探头的引线端与不锈钢管6粘接在一起。

3、将光纤及探头的信号引线套入橡胶护套9后从不锈钢管6的另一头引出，利用环氧树脂8将橡胶护套9与不锈钢管6粘接在一起，并保证密封良好。

4、激发光源10发出的光被二向色镜11反射后经过耦合透镜12耦合入光纤4中，激发光从光纤扫描探头出射后经过微透镜7聚焦在待测的荧光染色样品13上并激发样品13发出荧光，荧光通过微透镜7收集并耦合入光纤扫描探头的光纤4中，经过光纤4传输后通过透镜12准直穿过二向色镜11照射在光电倍增管14上。

5、驱动电源5驱动光纤扫描探头实现二维扫描，同时驱动电源5将驱动信号送入图像处理***15。

6、图像处理***15将光电倍增管14记录下的荧光强度与驱动电源5的扫描信号一一对应，即构成完整的扫描图像。

7、将封装后光纤扫描探头***到生物体内即可进行内窥荧光成像。

Claims (6)

1、一种光纤扫描探头，其特征在于：在一片无逆压电效应的薄导电基片上对称平行粘接有两片镀有电极层的压电陶瓷片，一段末端去掉涂覆层且端面具有合适结构的裸光纤粘接在两片压电陶瓷片中间，并预留0.5-1.5cm长度裸光纤作为振动自由端。

2、根据权利要求1所述的光纤扫描探头，其特征在于：所述的薄导电基片为金属片或导电碳纤维，其厚度不超过0.2mm。

3、根据权利要求1所述的光纤扫描探头，其特征在于：所述的两片镀有电极层的压电陶瓷片，当在电极层上施加电压后，压电陶瓷片将产生长度方向的形变：伸长或缩短。

4、根据权利要求1所述的光纤扫描探头，其特征在于：所述的光纤为单模光纤、多模光纤或光子晶体光纤。

5、根据权利要求1所述的光纤扫描探头，其特征在于：所述的端面具有合适结构的裸光纤，裸光纤端面为平端面、半球形端面、抛物线形端面或锥形端面。

6、一种光纤扫描探头的驱动方法，其特征在于：将根据权利要求1-6之一所述的光纤扫描探头上薄导电基片接电源地线，平行放置的两片压电陶瓷的电极分别接入驱动信号，驱动信号由锯齿波和双极性正弦波两部分信号叠加而成，驱动信号的瞬时值为此两部分信号瞬时值的和值；两片压电陶瓷片的驱动信号锯齿波部分具有相同的幅值和相位，两片压电陶瓷片在同一时刻产生相同的伸长或缩短量，从而带动光纤端头产生位置的移动，构成光纤扫描头的场扫描动作；两片压电陶瓷片的驱动信号正弦波部分具有相同的幅值但是位相刚好相差π，使得在两对压电陶瓷片产生微小长度差从而产生平行于薄导电基片的微小摆动，由于摆动频率刚好等于振动自由端光纤机械共振频率，光纤将产生振幅较大的共振行为，从而构成光纤扫描头的行扫描动作。

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