CN103411907A - 一种极浅层探测光谱探头 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种极浅层探测光谱探头，包括照明光纤、收集光纤、耦合透镜和外壳，所述照明光纤将光源发出的光导入到耦合透镜内，通过耦合透镜照射到被测物体上形成照明光斑，照射在被测物体上的光线经过耦合透镜的折射进入到收集光纤内，经收集光纤传导至检验仪器中；收集光纤和照明光纤的末端端面打磨加工为一倾斜平面，所述倾斜平面使光束向探头的对称轴方向偏折。本发明使用耦合透镜，配合照明光纤和收集光纤的端面斜角打磨，可以让照明光束和收集光束在光谱探头的末端产生高汇聚、小直径、大角度交叉的重合光斑，从而获得了短穿透深度。对浅层信号拾取高度敏感，可有效避免深层信号的干扰。
Description
技术领域
本发明涉及一种光谱探头，特别涉及一种极浅层探测光谱探头。
背景技术
光纤探头可以在样本表面或者溶液中拾取包含光谱信息的反射信号，拾取的信号被光纤传输到后端的光谱仪中，并由计算机设备进行存储和分析。光纤探头在生物医学和化学检测方面具有广泛的用途。尤其在生物检测方面，由于光纤探头体积小，对被检测物的侵入性和损害性极低，因此可以进行活体测量，使用上非常灵活方便。然而，由于生物组织的分层性和复杂性，拾取的光谱信号经常受到来自其它组织的干扰。比如，在对皮肤表层组织进行光谱检测时，经常会受到更深深度血管组织的光吸收信号的干扰。为了避免这种干扰，很多应用中希望所使用的光谱探头能够只对极浅层信号敏感。此外，一些癌症，比如黑色素瘤，其发展过程是从组织表层开始，能够有效进行极浅表层组织的光谱检测，对癌症的早期诊断是非常有利的。
研究表明，光谱探头的信号穿透深度随着照明光束和收集光束的相对几何关系而改变。具体来说，以下一些因素会影响穿透深度的大小：
1.照明光斑和收集光斑的尺寸，当照明光斑和收集光斑越小则穿透深度越小；
2.照明光斑和收集光斑的重合程度，两者重合程度越高则穿透深度越小；
3.照明光束和收集光束的夹角，两束光夹角越大则穿透深度越小。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的提供一种可以让照明光束和收集光束在光谱探头的末端产生高汇聚、小直径、大角度交叉的重合光斑，从而获得了短穿透深度的极浅层探测光谱探头。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的，一种极浅层探测光谱探头，包括照明光纤、收集光纤、耦合透镜和外壳，所述照明光纤将光源发出的光导入到耦合透镜内，通过耦合透镜照射到被测物体上形成照明光斑，照射在被测物体上的光线经过耦合透镜进入到收集光纤内，经收集光纤传导至检验仪器中；照明光纤、收集光纤和耦合透镜都封装在外壳内且照明光纤和收集光纤位于耦合透镜的同侧。
进一步，所述耦合透镜为玻璃珠，所述外壳为圆柱形外壳，所述玻璃珠的球心位于外壳的对称轴上，该对称轴与圆柱的高平行。
进一步，所述收集光纤、照明光纤分别垂直于玻璃珠直径所在的水平面，该水平面与外壳对称轴垂直。
进一步，所述照明光纤在玻璃珠直径所在水平面上的投影与玻璃珠球心的连线和收集光纤在玻璃珠直径所在水平面上的投影与玻璃珠球心的连线形成的夹角小于100度。
进一步，所述照明光纤的端面为斜面，光束通过该斜面向外壳的对称轴偏折。
进一步，所述收集光纤的端面为斜面，光束通过该斜面向外壳的对称轴偏折。
进一步，所述收集光纤和照明光纤的端面都为斜面；所述斜面使通过该斜面的光束向探头的对称轴方向偏折。
进一步，所述玻璃珠的直径为0.3-3mm，折射率范围为1.4-1.9。
有益技术效果：
1、本发明使用玻璃珠作为耦合透镜，配合照明光纤和收集光纤的端面斜角打磨，可以让照明光束和收集光束在光谱探头的末端产生高汇聚、小直径、大角度交叉的重合光斑，从而获得了短穿透深度；对浅层信号拾取高度敏感，可有效避免深层信号的干扰。
2、照明光纤在玻璃珠直径所在水平面上的投影、玻璃珠的球心和收集光纤在玻璃珠直径所在水平面上的投影三者形成的夹角大小于100度，可有效减小杂散光干扰，获得高信噪比。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：
图1为本发明光谱探头结构图；
图2为本发明光纤结构简图；
图3为光谱探头侧视图；
图4为光谱探头俯视图；
图5为光学仿真图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的，如图1所示一种极浅层探测光谱探头，包括照明光纤1、收集光纤2、耦合透镜3和外壳5，所述照明光纤1将光源发出的光导入到耦合透镜3内，通过耦合透镜3照射到被测物体上形成照明光斑，照射在被测物体4上的光线经过耦合透镜3的折射进入到收集光纤2，经收集光纤2传导至检验仪器中；由于光路的可逆特性，为了便于理解和分析，经常把收集光纤2收集到的光反向逆推，这样得到的光束分布及光斑分别称为收集光束和收集光斑。照明光纤1、收集光纤2和耦合透镜3都封装在外壳5内且照明光纤1和收集光纤2位于耦合透镜3的同侧。本实施例中，外壳4为圆柱形外壳，选用304不锈钢制作，表面黑色氧化以降低反射，外径2.3mm，可以通过常用的内窥镜附件通道。内径2mm，用以容纳2mm的耦合透镜。
所述耦合透镜3为玻璃珠，所述玻璃珠的直径为0.3-3mm，折射率范围为1.4-1.9。玻璃珠的球心位于外壳5的对称轴上，该对称轴与圆柱的高平行。收集光纤2、照明光纤1分别垂直于玻璃珠直径所在的水平面，该水平面与外壳的对称轴垂直。玻璃珠为正球形，容易加工，结构简单。本实施例中，玻璃珠选用直径为2mm的蓝宝石玻璃珠，折射率为1.77，蓝宝石具有很高的硬度，所以探头底部的蓝宝石玻璃珠直接暴露也不容易磨损。
如图2、3所示，本发明中的收集光纤2的末端端面经过打磨形成斜面或者照明光纤1的末端端面经过打磨形成斜面或者收集光纤2和照明光纤1的末端端面同时经过打磨形成斜面，所述斜面使通过该斜面的光束向探头的对称轴方向偏折。作为优选，本实施例选择第三种结构。倾斜面与打磨之前的原端面（和光纤的对称轴垂直）的夹角越大，则光束的偏折角度越大。本实施例中照明光纤和收集光纤各为一根0.2mm直径的石英玻璃光纤，端面做5度斜角打磨（即光纤末端端面和打磨之前的原端面平面的夹角为5度）。
如图4所示，所述照明光纤1在玻璃珠直径所在水平面上的投影与玻璃珠球心的连线和收集光纤2在玻璃珠直径所在水平面上的投影与玻璃珠球心的连线形成的夹角小于100度。作为优选，该水平面与外壳的对称轴垂直。本实施例中取60度。装配时，照明光纤到外壳对称轴的距离与收集光纤到外壳对称轴的距离相等，最为优选本实施例中选择0.65mm。当然本发明的照明光纤到外壳对称轴的距离与收集光纤到外壳对称轴的距离也可以不相等。
光学仿真结果：如图5所示，照明光束和收集光束在探头的最低点达到高度重合，光斑的重合情况如图四所示。两束光重合时的夹角θ约为37.5度。此外，同侧安装方式的干扰杂散光比对称安装方式低一个数量级。
样品测试结果：按照上述参数制作的探头，穿透深度约为150微米，且在样品散射系数和各向异性系数改变时基本保持恒定。
本发明使用玻璃珠作为耦合透镜3，配合照明光纤1和收集光纤2的端面斜角打磨，可以让照明光束和收集光束在光谱探头的末端产生高汇聚、小直径、大角度交叉的重合光斑，从而获得了短穿透深度。对浅层信号拾取高度敏感，可有效避免深层信号的干扰。玻璃珠为正球形，容易加工，结构简单。简单的结构配合照明光纤盒收集光纤的同侧安装，可有效减小杂散光干扰，获得高信噪比。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (8)
1.一种极浅层探测光谱探头，其特征在于：包括照明光纤、收集光纤、耦合透镜和外壳，所述照明光纤将光源发出的光导入到耦合透镜内，通过耦合透镜照射到被测物体上形成照明光斑，照射在被测物体上的光线经过耦合透镜进入到收集光纤内，经收集光纤传导至检验仪器中；照明光纤、收集光纤和耦合透镜都封装在外壳内且照明光纤和收集光纤位于耦合透镜的同侧。
2.根据权利要求1所述的极浅层探测光谱探头，其特征在于：所述耦合透镜为玻璃珠，所述外壳为圆柱形外壳，所述玻璃珠的球心位于外壳的对称轴上，该对称轴与圆柱的高平行。
3.根据权利要求2所述的极浅层探测光谱探头，其特征在于：所述收集光纤、照明光纤分别垂直于玻璃珠直径所在的水平面，该水平面与外壳对称轴垂直。
4.根据权利要求3所述的极浅层探测光谱探头，其特征在于：所述照明光纤在玻璃珠直径所在水平面上的投影与玻璃珠球心的连线和收集光纤在玻璃珠直径所在水平面上的投影与玻璃珠球心的连线形成的夹角小于100度。
5.根据权利要求4所述的极浅层探测光谱探头，其特征在于：所述照明光纤的端面为斜面，光束通过该斜面向外壳的对称轴偏折。
6.根据权利要求4所述的极浅层探测光谱探头，其特征在于：所述收集光纤的端面为斜面，光束通过该斜面向外壳的对称轴偏折。
7.根据权利要求4所述的极浅层探测光谱探头，其特征在于：所述收集光纤和照明光纤的端面都为斜面；所述斜面使通过该斜面的光束向探头的对称轴方向偏折。
8.根据权利要求5-7任意一项所述的极浅层探测光谱探头，其特征在于：所述玻璃珠的直径为0.3-3mm，折射率范围为1.4-1.9。
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