CN102525384A - 光纤悬臂共振型扫描器的二维栅格式扫描方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光纤悬臂共振型扫描器的二维栅格式扫描方法，包括光纤悬臂，光纤悬臂共振型扫描器和驱动信号，按如下步骤进行：1)通过数值模拟计算，得到扫描器的各阶振动模态和共振频率的仿真值；2)根据各阶振动模态和共振频率的仿真值，进行扫频实验测试并在仿真预测值附近寻找确定实际值的确切位置；3)根据应用场合，选择合适的低阶振动模态，用于在一个方向上进行帧扫描；4)根据对图像像素数目大小的要求，选择合适的高阶振动模态，用于在另一个方向上实现行扫描；5)采用两路正弦信号源，对扫描器在两个方向上同时驱动，从而进行二维栅格式扫描,本发明具有扫描速度快、轨迹均匀、动态稳定性高、所需的驱动信号容易获取等优势。

Description

光纤悬臂共振型扫描器的二维栅格式扫描方法

技术领域

本发明属于光学扫描技术领域，特别涉及到光纤悬臂共振型扫描器的二维栅格式扫描方法。

背景技术

基于微型扫描器件的光学仪器在工业探伤、微位移传感、医疗影像技术等领域具有重要应用前景。常用的光学扫描器件有：光学扫描振镜、微型旋转电机、微光机电***、声光偏转器、多面棱镜转动***等。在现有扫描器件中，光学扫描振镜和多面棱镜转动***体积较大，不能内置于内窥探头之中。微型旋转电机只能进行侧向成像。微光机电***制造工艺复杂，造价昂贵。声光偏转器体积较大，且偏转角度小。

基于光纤悬臂共振的光扫描器结构精简、扫描图像像素数目的大小不受扫描器直径约束、成像结果无蜂巢状网格、柔韧性好，因此获得广泛的关注。已有的光纤悬臂共振扫描结构主要采用四分电极压电陶瓷管进行驱动，它具有体积小、价格低廉、结构精简、无电磁辐射、无摩擦损耗等优点。

采用四分电极压电陶瓷管的光纤悬臂共振型扫描器中，比较具有代表性的是2006年Xingde Li等人用分割电极的压电陶瓷管实现的一种二维内窥式光纤扫描探头的方案(M.T.Myaing，D.J.MacDonald，and X.D.Li，Opt.Lett.31，1076，2006)，该方案申请了美国专利(Pub.No.：US2004/0254474)。该扫描器的驱动方法为：在两个互相垂直的方向上使用由正弦波调制的正弦波信号进行驱动。两个方向上载波和调制波的振幅和频率均相同、而载波相差90度，这样就使得光纤进行螺旋扫描。驱动信号中，载波频率与光纤悬臂共振频率一致，从而激发光纤悬臂共振，利用共振使得扫描范围数百倍的放大。该探头具有扫描范围大、体积小等优点；但该扫描器在驱动控制和成像效果等方面具有不足。第一，扫描器驱动信号的产生需要采用调整信号源，这就提高了成本。第二，由于采用螺旋扫描，像素分布不均匀，中心密集，外周稀疏。因此在结果图像中，随着远离中心位置的距离的增加，图像质量越来越模糊。针对已有光纤悬臂共振型扫描器扫描方法的缺点，本发明提出了一种二维栅格式扫描方法。该扫描方法具有扫描速度快、轨迹均匀、动态稳定性高、所需的驱动信号容易获取等优势。

发明内容

本发明的目的在于克服已有光纤悬臂共振型扫描器的不足，基于光纤悬臂共振型扫描器的结构动力学特性，提供一种二维栅格式扫描方法。该扫描方法具有扫描速度快、轨迹均匀、动态稳定性高、所需的驱动信号容易获取等优势。

本发明的技术特征在于：一种光纤悬臂共振型扫描器的二维栅格式扫描方法，包括光纤悬臂，包裹在光纤悬臂外并实现与光纤悬臂联动的光纤悬臂共振型扫描器，和驱动光纤悬臂共振型扫描器振动的驱动信号，所述光纤悬臂共振型扫描器是能够接收驱动信号并驱动光纤悬臂在共振频率附近进行二维振动的扫描器件，构成二维振动的两个互相垂直的方向上的振动互相独立，其特征在于，按如下步骤进行：

1)通过基于Euler-Bernoulli Beam理论计算了悬臂的各阶共振频率，得到光纤悬臂共振型扫描器的各阶振动模态和共振频率的仿真值；

2)根据步骤1)计算得到的各阶振动模态和共振频率的仿真值，进行扫频实验测试并在仿真预测值附近寻找确定实际值的确切位置，寻找确定实际值的方法：为了找到扫描器共振频率，采用正弦信号对扫描器进行驱动并产生共振，将激光耦合到光纤中，用CCD记录光纤末端轨迹。保持驱动信号振幅不变，进行扫频，扫描范围最大时的驱动信号频率确定为共振频率；

3)根据具体应用中，对成像帧速率的要求，来选择帧扫描也即低阶扫描所采用的阶数，用于在一个方向上进行帧扫描；

4)根据具体应用中，对每帧图像的像素的行数的要求，来选择行扫描也即高阶扫描所采用的阶数，用于在另一个方向上实现行扫描；

5)采用两路正弦信号源驱动信号，对扫描器在两个方向上同时驱动，使光纤悬臂产生相应振动，从而进行二维栅格式扫描。

基于Euler-Bernoulli Beam理论计算悬臂的各阶共振频率为：

$f_n=\frac{1}{4\mathrm{\π}}g\frac{r}{L^2}g\sqrt{\frac{Y}{\mathrm{\ρ}}}{{\mathrm{g\μ}}_n}^2$

其中：r为悬臂直径，L为悬臂长度，Y为杨氏模量，ρ为密度。μ为简正值，可根据coshμgcosμ＝-1采用普通数值方法计算。μ有无穷多个数值解，第n阶简正值μn对应n阶共振频率fn。

本发明具有如下特点：

1.由于利用光纤共振频率进行帧扫描，因此扫描频率可以非常高，帧频率可达1kHz以上；

2.通过选择不同的共振模态，可以使同一只扫描器得到不同的扫描成像速度。即，帧频率多档可调；

3.所需驱动信号为标准正弦信号，容易获取；

4.实现栅格式扫描，图像像素分别均匀，扫描稳定性高。

附图说明

图1为二维压电光纤悬臂共振型扫描器结构示意图。

图2为本发明的光纤悬臂进行二维栅格式扫描的示意图。

图3为本发明的有限元数值计算模拟得到的各阶扫描模态的振动模态图。

图4为本发明产生二维栅格式扫描的驱动信号的示意图。

图5为本发明二维栅格式扫描轨迹示意图。

图6为本发明实施例内窥扫描头共振频率分布图。

图7为本发明实施例内窥扫描探头实际产生二维栅格式扫描轨迹图。

图8为本发明实施例光学显微扫描探头实际产生二维栅格式扫描轨迹图。

图9为本发明实施例荧光成像***示意图。

具体实施方法

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。

一种光纤悬臂共振型扫描器的二维栅格式扫描方法，包括光纤悬臂，包裹在光纤悬臂外并实现与光纤悬臂联动的光纤悬臂共振型扫描器，和驱动光纤悬臂共振型扫描器振动的驱动信号，所述光纤悬臂共振型扫描器是能够接收驱动信号并驱动光纤悬臂在共振频率附近进行二维振动的扫描器件，构成二维振动的两个互相垂直的方向上的振动互相独立，其特征在于，按如下步骤进行：

1)通过基于Euler-Bernoulli Beam理论计算了悬臂的各阶共振频率，得到光纤悬臂共振型扫描器的各阶振动模态和共振频率的仿真值；

2)根据步骤1)计算得到的各阶振动模态和共振频率的仿真值，进行扫频实验测试并在仿真预测值附近寻找确定实际值的确切位置，寻找确定实际值的方法：为了找到扫描器共振频率，采用正弦信号对扫描器进行驱动并产生共振，将激光耦合到光纤中，用CCD记录光纤末端轨迹。保持驱动信号振幅不变，进行扫频，扫描范围最大时的驱动信号频率确定为共振频率；

3)根据具体应用中，对成像帧速率的要求，来选择帧扫描也即低阶扫描所采用的阶数，用于在一个方向上进行帧扫描；

4)根据具体应用中，对每帧图像的像素的行数的要求，来选择行扫描也即高阶扫描所采用的阶数，用于在另一个方向上实现行扫描；

5)采用两路正弦信号源驱动信号，对扫描器在两个方向上同时驱动，使光纤悬臂产生相应振动，从而进行二维栅格式扫描。

所述的光纤悬臂共振型扫描器，可以是任何能够驱动光纤悬臂在共振频率附近进行二维振动，并且两个互相垂直的方向上的振动互相独立的扫描器件。

光纤悬臂共振型扫描器利用光纤悬臂的共振效应实现扫描功能，当光纤悬臂在两个方向上同时振动时，即实现二维扫描。通过有限元仿真计算以及物理实验测量，我们研究发现，光纤悬臂的共振频率不是仅仅只有一个，而是具有一系列按照一定规律分布的不同的振动模态。在不同的模态振动时，振动频率不同，因此可以利用振动模态的不同来驱使光纤悬臂进行不同频率的扫描。那么，对于可以在两个垂直的方向上各自独立的驱动光纤悬臂进行振动的扫描器件，就能够在两个方向上进行不同频率的共振扫描。

光纤悬臂的总体运动由两个互相垂直方向上运动的矢量和构成。光纤悬臂在两个互相垂直的方向上分别进行不同阶模态的共振。低阶模态共振频率慢，进行帧扫描；高阶模态共振频率快，进行行扫描。因此，光纤悬臂同时在两个互相垂直的方向上实现帧扫描和行扫描，从而实现二维栅格式扫描方式。

采用有限元方法进行数值模拟计算，得到光纤悬臂共振型扫描器的各阶振动模态和共振频率的仿真值。通过扫频实验测试，进一步确定扫描幅度出现的各个峰值位置所处频率为各阶共振模态的共振频率。根据所需的成像帧频率选择低阶模态；再根据帧频率和每帧图像中所需的像素行数选择高阶模态。

采用正弦信号驱动光纤悬臂在两个方向谐振。慢扫描频率在选中的低阶模态的共振频率附近取值，快扫描频率在选中的高阶模态的共振频率附近取值，两者的取值保证快扫描频率为慢扫描频率的整数倍，这个倍数决定了每帧图像所包含像素的行数。慢扫描的每半个正弦周期实现一帧的扫描；快扫描的每半个正弦周期实现一行的扫描。采用同步脉冲触发，使得两个方向上的驱动信号同步开始，以保证两个方向的振动能够匹配。

基于Euler-Bernoulli Beam理论计算悬臂的各阶共振频率为：

$f_n=\frac{1}{4\mathrm{\π}}g\frac{r}{L^2}g\sqrt{\frac{Y}{\mathrm{\ρ}}}{{\mathrm{g\μ}}_n}^2$

其中：r为悬臂直径，L为悬臂长度，Y为杨氏模量，ρ为密度。μ为简正值，可根据coshμgcosμ＝-1采用普通数值方法计算。μ有无穷多个数值解，第n阶简正值μn对应n阶共振频率fn。

具体实施过程如下：

以二维压电光纤悬臂共振型扫描器作为实现二维栅格式扫描的器件。实施例中采用的二维压电光纤悬臂共振型扫描器如图1所示，包括一段光纤1和四片压电陶瓷2，四片压电陶瓷包裹一段光纤，将四片压电陶瓷块的两头粘在光纤周围并露出一段光纤悬臂。

光纤悬臂进行二维栅格式扫描的示意图如图2所示，光纤悬臂一端固定在扫描器上由驱动结构(本实施例中为压电片)激发振动，悬臂另一端为自由端，自由端由于振动产生扫描。可以通过以下方法实现二维栅格式扫描：

1.扫描器具有一系列共振模态，图3显示扫描器的前三阶悬臂共振模态的振型。通过数值模拟计算，获取各阶模态的共振频率。

2.根据有限元计算结果，进行实验测试，在仿真预测值附近寻找确定实际值的确切位置。

3.根据应用场合，选择合适的低阶振动模态，用于在一个方向上进行帧扫描。

4.根据对图像像素数目大小的要求，选择合适的高阶振动模态，用于在另一个方向上实现行扫描。

5.采用两路正弦信号源，对扫描器在两个方向上同时驱动(如图4)，使光纤悬臂进行二维栅格式扫描(如图5)。

实施例一：采用二维栅格式扫描方法的内窥扫描头

通过有限元模拟计算，可以仿真预测光纤悬臂扫描器各阶共振模态所出现的频率。有了仿真预测值，再进行实验测试确定实际值的确切位置。为了找到扫描器共振频率，我们采用正弦信号对扫描器进行驱动并产生共振。632nm激光耦合到光纤中，用CCD(电荷耦合器件)记录光纤末端轨迹。保持驱动信号振幅不变，进行扫频，扫描范围最大时的驱动信号频率确定为共振频率。

对于内窥检测这一应用，所需的扫描器要求体积较小，体积小才能够容易的进入生物体内。采用一只直径约2mm的压电光纤悬臂共振型扫描器实现二维栅格式扫描方法。被测扫描器中，悬臂采用单模光纤，直径125μm、长16mm。单模光纤是光纤悬臂共振型扫描器中光纤悬臂材料的常用选择，为了降低光纤硬度以获得较大扫描范围，这里的单模光纤被去除了涂层。为了研究不同阶振动模态下的特性，保持驱动信号20V峰峰值进行扫频。通过调整驱动信号频率，可以有效的选择扫描器的共振模态。在有限元模型预测的各阶共振频率附近，出现了扫描范围的峰值。前十阶悬臂振动模态的扫描范围可以清楚地被CCD记录。这前十阶共振频率跨越较大范围，从400Hz到100kHz，如图6所示。

如果在一个方向上取一阶模态共振，与之垂直的另一个方向取十阶模态共振。帧扫描(即慢扫描)频率在一阶共振频率附近取值378Hz，行扫描(即快扫描)频率在十阶共振频率附近取值116.802kHz。慢扫描的每半个正弦周期实现一帧的扫描；快扫描的每半个正弦周期实现一行的扫描。那么，扫描的帧频率可达756Hz，每帧像素行数可达309行。

为了直观的显示扫描轨迹，将激光耦合到光纤中，用CCD记录光纤末端轨迹。选择较低的行扫描频率，这样每帧扫描中，行扫描轨迹之间就可以被清楚的分开。帧扫描(即慢扫描)频率在一阶共振频率附近取值378Hz，行扫描(即快扫描)频率在四阶共振频率附近取值12.474kHz。那么，扫描的帧频率为756Hz，每帧33行(如图7所示)。

实施例二：采用二维栅格式扫描方法的光学显微扫描头

对于光学显微成像扫描，可以采用较大尺寸扫描器，这样可以得到较大范围的扫描范围。在实验所用的二维压电光纤悬臂共振型扫描器中，光纤悬臂采用带涂层的单模光纤，直径250μm、长85mm。去除了涂层的裸纤非常脆弱，在悬臂较长时很容易折断，因此该扫描器中光纤悬臂保留了涂层。由于光纤保留了涂层，这使得光纤硬度较裸纤更大，因此共振频率较高。根据数值模拟计算，该扫描器前十阶共振模态的扫描频率分别为：

为了直观的显示扫描轨迹，帧扫描(即慢扫描)频率在一阶共振频率附近取值，行扫描(即快扫描)频率在四阶共振频率附近取值。那么帧扫描就在9.5Hz左右，行扫描就在350Hz左右。尽量要让两者之间为整数倍，这样得到的轨迹会比较稳定。取帧频率9Hz，行频率351Hz。每个帧周期有39个行周期。对于成像，每半个周期就是一帧。每半个帧周期里有19.5个行周期，每个行周期有两行。因此每帧39行。用CCD记录的该扫描器的栅格式扫描轨迹如图8。在实际运用中，可以选取更高阶的共振作为帧扫描，这样可以得到更快的帧速率；还可以选取更高阶的共振作为行扫描，这样可以得到更大的像素行数。

实施例三：采用二维栅格式扫描方法的荧光成像***

采用二维栅格式扫描方法的荧光成像***的示意图如图9所示：

1.将压电光纤悬臂共振型扫描器和自聚焦透镜固定在硬质管内构成成像探头。

2.压电光纤悬臂共振型扫描器被驱动进行二维栅格式扫描。

3.探头外有保护层，保护安置***与探头之间连接部分的光纤和压电振子的电极线。保护层选用聚四氟乙烯管。聚四氟乙烯管具有优良的耐腐蚀性能和良好的刚性，并能耐冲击、振动和扭曲的特性。

4.不锈钢毛细管加工切割作为探头壁。

5.在光纤的非扫描端，采用633nm氦氖激光器作为扫描的照明光源，激光由一个10×、0.25NA的物镜耦合到单模光纤中。

6.通过半透半反镜分离反射信号，并采用光电倍增管采集。

7.将封装后的光纤扫描探头***到生物体内即可进行内窥荧光成像。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种光纤悬臂共振型扫描器的二维栅格式扫描方法，包括光纤悬臂，包裹在光纤悬臂外并实现与光纤悬臂联动的光纤悬臂共振型扫描器，和驱动光纤悬臂共振型扫描器振动的驱动信号，所述光纤悬臂共振型扫描器是能够接收驱动信号并驱动光纤悬臂在共振频率附近进行二维振动的扫描器件，构成二维振动的两个互相垂直的方向上的振动互相独立，其特征在于，按如下步骤进行：

1)通过基于Euler-Bernoulli Beam理论计算了悬臂的各阶共振频率，得到光纤悬臂共振型扫描器的各阶振动模态和共振频率的仿真值；

2)根据步骤1)计算得到的各阶振动模态和共振频率的仿真值，进行扫频实验测试并在仿真预测值附近寻找确定实际值的确切位置，寻找确定实际值的方法：为了找到扫描器共振频率，采用正弦信号对扫描器进行驱动并产生共振，将激光耦合到光纤中，用CCD记录光纤末端轨迹。保持驱动信号振幅不变，进行扫频，扫描范围最大时的驱动信号频率确定为共振频率；

3)根据具体应用中，对成像帧速率的要求，来选择帧扫描也即低阶扫描所采用的阶数，用于在一个方向上进行帧扫描；

4)根据具体应用中，对每帧图像的像素的行数的要求，来选择行扫描也即高阶扫描所采用的阶数，用于在另一个方向上实现行扫描；

5)采用两路正弦信号源驱动信号，对扫描器在两个方向上同时驱动，使光纤悬臂产生相应振动，从而进行二维栅格式扫描。

2.根据权利要求1所述的光纤悬臂共振型扫描器的二维栅格式扫描方法，其特征在于：所述光纤悬臂的总体运动由两个互相垂直方向上运动的矢量和构成；光纤悬臂在两个互相垂直的方向上分别进行不同阶模态的共振；低阶模态共振频率慢，进行帧扫描，高阶模态共振频率快，进行行扫描，光纤悬臂同时在两个互相垂直的方向上实现帧扫描和行扫描，实现二维栅格式扫描。

3.根据权利要求1所述的光纤悬臂共振型扫描器的二维栅格式扫描方法，其特征在于：采用有限元方法进行数值模拟计算，得到光纤悬臂共振型扫描器的各阶振动模态和共振频率的仿真值；通过扫频实验测试，进一步确定扫描幅度出现的各个峰值位置所处频率为各阶共振模态的共振频率；根据所需的成像帧频率选择低阶模态；再根据帧频率和每帧图像中所需的像素行数选择高阶模态。

4.根据权利要求1所述的光纤悬臂共振型扫描器的二维栅格式扫描方法，其特征在于：采用正弦信号驱动光纤悬臂在两个方向谐振；慢扫描频率在选中的低阶模态的共振频率附近取值，快扫描频率在选中的高阶模态的共振频率附近取值，两者的取值保证快扫描频率为慢扫描频率的整数倍，这个倍数决定了每帧图像所包含像素的行数；慢扫描的每半个正弦周期实现一帧的扫描；快扫描的每半个正弦周期实现一行的扫描；采用同步脉冲触发，使得两个方向上的驱动信号同步开始，以保证两个方向的振动能够匹配。

5.根据权利要求1所述的光纤悬臂共振型扫描器的二维栅格式扫描方法，其特征在于：基于Euler-Bernoulli Beam理论计算悬臂的各阶共振频率为：

$f_n=\frac{1}{4\mathrm{\π}}g\frac{r}{L^2}g\sqrt{\frac{Y}{\mathrm{\ρ}}}{{\mathrm{g\μ}}_n}^2$

其中：r为悬臂直径，L为悬臂长度，Y为杨氏模量，ρ为密度。μ为简正值，可根据coshμgcosμ＝-1采用普通数值方法计算。μ有无穷多个数值解，第n阶简正值μn对应n阶共振频率fn。

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