CN100335927C - 成像光纤束与扫描光学系统耦合的光学系统 - Google Patents

Abstract

一种成像光纤束与扫描光学系统耦合的光学系统，属于光学技术领域。本发明包括：X轴扫描镜、Y轴扫描镜、望远镜系统、扫描耦合透镜系统、成像光纤束和折射率匹配液，望远镜系统设在X轴扫描镜之后、Y轴扫描镜之前，扫描耦合透镜系统设在Y轴扫描镜之后，扫描耦合透镜系统与成像光纤束之间用折射率匹配液填充，成像光纤束设在扫描耦合透镜系统之后；所述的望远镜系统，其放大率与扫描耦合透镜系统的入瞳大小、Y轴扫描镜的有效面积和望远镜系统的出瞳相匹配；所述的扫描耦合透镜系统，其入瞳大小与Y轴扫面镜的有效面积匹配。本发明能使共聚焦显微镜与内窥镜结合，实现活体、实时高分辨率的成像。

Description

成像光纤束与扫描光学系统耦合的光学系统

技术领域

本发明涉及的是一种系统光学技术领域的，具体地说，是一种成像光纤束与扫描光学系统耦合的光学系统。

背景技术

目前，共聚焦系统由于其成像清晰、连续片层扫描及图像重组、多标记技术、活体观察及获得数量化信息等，成像对比度和分辨率都很高，在医学各个领域广泛应用，发挥了极大的作用。但是该系统在观察组织时，必须取出人体内部器官组成，然后进行成像和分析，这既增加了病人的痛苦，也延长了诊断周期，故不能在临床上得以普及。这一局限性促进了光纤共聚焦显微镜的发展。光纤在共聚焦显微镜的物镜以及其余系统之间产生了一个灵活的连接形式，它允许系统极大的进入组织内部，因此可以实现活体共聚焦成像。成像光纤束与扫描光学系统耦合的光学系统是共聚焦内窥镜成像系统中的关键技术之一，这个系统要求将共聚焦的激光光束经扫描耦合到光纤束的单根光纤中。

经对现有技术的文献检索发现，中国专利公开号为1191611，公开日为1998年08月26日，该专利自述为：“一个梯度折射率(梯度折射率)透镜将单根光纤镜片发射出的光线耦合进入光纤束，或直接进入诸如医疗照明装置的照明装置的输入口。单根光纤镜片提供具有高数值孔径的高强度光束。梯度折射率透镜的入口面邻近放置在位于光纤近场以内的光纤的出口孔，从而接受的光束具有基本均匀的横截面，而不是像梯度折射率透镜放置在光纤的远场内是高斯型的横截面。梯度折射率透镜的出口面邻近放置在光纤束或照明装置的输入口。这样，梯度折射率透镜有效地将光纤出口孔成像在作为输入口的光纤束的输入孔。梯度折射率透镜的光学特征，包括其长度及折射率的径向变化，被选择成能将光纤输出光线的数值孔径降低至适用于照明装置的值。文中对一个应用梯度折射率透镜的光学耦合器以及一个完整光学系统进行了描述，该光学系统包括光源、用以将光线耦合进入光纤的偏轴耦合器、梯度折射率透镜和一个内窥镜。还描述了一个用于固定单根光纤和梯度折射率透镜，有利于与光纤束或输入口连接的机械壳体”。其不足之处是：1.只用单根光纤照明光纤束，起到照明的作用。2.这个光学系统对像差没有任何要求，也没有进行任何像差的修正，所以只能用于一般的照明系统，不能用到其它要求光学系统成像质量较高的任何光学系统中。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种成像光纤束与扫描光学系统耦合的光学系统，使其能使共聚焦显微镜与内窥镜结合，实现活体、实时高分辨率的成像。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：X轴扫描镜、Y轴扫描镜、望远镜系统、扫描耦合透镜系统、成像光纤束和折射率匹配液，望远镜系统设在X轴扫描镜之后、Y轴扫描镜之前，扫描耦合透镜系统设在Y轴扫描镜之后，扫描耦合透镜系统与成像光纤束之间用折射率匹配液填充，成像光纤束设在扫描耦合透镜系统之后；所述的望远镜系统，其放大率与扫描耦合透镜系统的入瞳大小、Y轴扫描镜的有效面积和望远镜系统的出瞳相匹配；所述的扫描耦合透镜系统，其入瞳大小与Y轴扫面镜的有效面积匹配，扫描耦合透镜系统与成像光纤束的单根光纤的接收数值孔径相匹配，扫描耦合透镜系统在成像空间中必须远心、且在衍射极限下成像。

所述的望远镜系统包括：第一消色差透镜组、第二消色差透镜组，第一消色差透镜组的焦距是40mm，第二消色差透镜组的焦距是50mm，第一消色差透镜组设在第二消色差透镜组的前面。

所述的扫描耦合透镜系统包括：第一透镜元件、第二透镜元件、第三透镜元件、第四透镜元件、第五透镜元件，第一透镜元件设在Y轴扫描镜之后，第二透镜元件设在第一透镜元件之后，第三透镜元件设在第二透镜元件之后、第四透镜元件之前，第五透镜元件设在第四透镜元件之后。

所述的扫描耦合透镜系统，其在成像空间的数值孔径为0.3。

所述的第一透镜元件的折射率为1.72，具有负光焦度；所述的第二透镜元件的折射率为1.55，具有正光焦度；所述的第三透镜元件的折射率是1.55，具有正光焦度；所述的第四透镜元件折射率为1.55，具有负光焦度；所述的第五透镜元件是渐变折射率透镜，具有正光焦度。

为了节省成本第三透镜元件、第四透镜元件、第五透镜元件可以利用标准的透镜元件，这在市场上是可以买到的。

扫描耦合透镜系统在成像空间中必须远心，以满足在所有光场范围内主光线平行于光轴。在本发明中，将一束平行光线经X轴扫描镜扫描的光线，用望远镜系统耦合到Y轴扫描镜。因为X轴扫描镜和Y轴扫描镜都只产生一个方向的扫描，而且X轴扫描镜和Y轴扫描镜是分离的且大小不同，所以采用无限远的望远镜系统耦合X轴扫描镜和Y轴扫描镜，以使X轴扫描镜成像在Y轴扫描镜上，X轴扫描镜和Y轴扫描镜必须相应设在望远镜的前后焦点位置。扫描耦合透镜系统的入瞳大小与Y轴扫描镜的有效面积匹配，完成X轴扫描镜和Y轴扫描镜间的光学耦合，并进入扫描耦合透镜系统。扫描耦合透镜系统用来耦合Y轴扫描镜入射光进入成像光纤束中的每一根光纤。扫描耦合透镜系统的入瞳位于Y轴扫描镜，入瞳大小与Y轴扫面镜的大小匹配。扫描耦合透镜系统包括：第一透镜元件、第二透镜元件、第三透镜元件、第四透镜元件、第五透镜元件，当平行光线由Y轴扫描镜进入扫描耦合透镜系统时，首先进入第一透镜元件，第一透镜元件将光线会聚并进入第二透镜元件，第二透镜元件继续会聚此光线，并对入射光线进行了压缩，并在第二透镜元件后聚焦成一点；第三透镜元件将会聚的光线准直，使进入第四透镜元件光线的入射角压缩，成为平行光束，此平行光束经第五透镜元件会聚成只有几个微米的光斑且数值孔径与成像光纤束的单根光纤的接收数值孔径相匹配，使扫描耦合透镜系统每次只能照明一根光纤以达到可能的最高耦合效率。扫描耦合透镜系统在所有光场范围内主光线平行于光轴。满足这个条件，使会聚光正常入射在光纤束中的每一根光纤上。

本发明将扫描后的光线耦合到成像光纤束中的单根的光纤中，而且每次只照亮一根光纤。本发明提供一种在整个视场上Strehal比(Strehal比是指：有像差的点图像的衍射图案中峰值强度与无像差的点图像的衍射图案中峰值强度之比)近似等于或大于0.95的光学装置，极大地修正了系统像差，大大提高了成像质量。本发明可以大量采用标准的光学透镜元件和组件，降低了制作成本。本发明的扫描耦合透镜系统工作在衍射极限下，大大提高了光束的耦合效率。

附图说明

图1是本发明望远镜系统的结构示意图。

图2是本发明扫描镜耦合系统的结构示意图。

具体实施方式

如图1、2所示，本发明包括：X轴扫描镜1、Y轴扫描镜2、望远镜系统3、扫描耦合透镜系统4、成像光纤束12和折射率匹配液13，所述的望远镜系统3包括：第一消色差透镜组5、第二消色差透镜组6，第一消色差透镜组5的焦距是40mm，第二消色差透镜组6的焦距是50mm，第一消色差透镜组5设在第二消色差透镜组6的前面；所述的扫描耦合透镜系统4包括：第一透镜元件7、第二透镜元件8、第三透镜元件9、第四透镜元件10、第五透镜元件11，第一透镜元件7设在Y轴扫描镜2之后95mm，第二透镜元件8设在第一透镜元件7之后13.97mm，第三透镜元件9设在第二透镜元件8之后134.02mm、第四透镜元件10之前27.55mm，第五透镜元件11设在第四透镜元件10之后10.1mm；望远镜系统3设在X轴扫描镜1之后40mm、Y轴扫描镜2之前48.78mm，扫描耦合透镜系统4设在Y轴扫描镜2之后95mm，扫描耦合透镜系统4与成像光纤束12之间用折射率匹配液13填充，成像光纤束12设在扫描耦合透镜系统4之后10.27mm处。

所述的扫描耦合透镜系统4在衍射极限下成像，其耦合效率是最高的。

所述的第一透镜元件7的折射率为1.72，具有负光焦度。所述的第二透镜元件8的折射率为1.55，具有正光焦度。所述的第三透镜元件9的折射率是1.55，具有正光焦度。所述的第四透镜元件10折射率为1.55，具有负光焦度。所述的第五透镜元件11是渐变折射率透镜，具有正光焦度。为了节省成本第三透镜元件9、第四透镜元件10、第五透镜元件11可以利用标准的透镜元件，这在市场上是可以买到的。

所述的望远镜系统3，其放大率与扫描耦合透镜系统4的入瞳大小、Y轴扫描镜2的有效面积和望远镜系统的出瞳相匹配。

所述的扫描耦合透镜系统4，其入瞳大小与Y轴扫面镜2的有效面积匹配。

所述的扫描耦合透镜系统4，其在成像空间的数值孔径为0.3，与成像光纤束12的单根光纤的接收数值孔径相匹配。

所述的扫描耦合透镜系统4在成像空间中必须远心，以满足在所有光场范围内主光线平行于光轴。

Claims (9)

1.一种成像光纤束与扫描光学系统耦合的光学系统，包括：扫描耦合透镜系统(4)、成像光纤束(12)和折射率匹配液(13)，其特征在于，还包括：X轴扫描镜(1)、Y轴扫描镜(2)、望远镜系统(3)，望远镜系统(3)设在X轴扫描镜(1)之后、Y轴扫描镜(2)之前，扫描耦合透镜系统(4)设在Y轴扫描镜(2)之后，扫描耦合透镜系统(4)与成像光纤束(12)之间用折射率匹配液(13)填充，成像光纤束(12)设在扫描耦合透镜系统(4)之后；所述的望远镜系统(3)，其放大率与扫描耦合透镜系统(4)的入瞳大小、Y轴扫描镜(2)的有效面积和望远镜系统(3)的出瞳相匹配；所述的扫描耦合透镜系统(4)，其入瞳大小与Y轴扫面镜(2)的有效面积匹配，扫描耦合透镜系统(4)与成像光纤束(12)的单根光纤的接收数值孔径相匹配，扫描耦合透镜系统(4)在成像空间中必须远心、且在衍射极限下成像。

2.根据权利要求1所述的成像光纤束与扫描光学系统耦合的光学系统，其特征是，所述的望远镜系统(3)包括：第一消色差透镜组(5)、第二消色差透镜组(6)，第一消色差透镜组(5)的焦距是40mm，第二消色差透镜组(6)的焦距是50mm，第一消色差透镜组(5)设在第二消色差透镜组(6)的前面。

3.根据权利要求1所述的成像光纤束与扫描光学系统耦合的光学系统，其特征是，所述的扫描耦合透镜系统(4)包括：第一透镜元件(7)、第二透镜元件(8)、第三透镜元件(9)、第四透镜元件(10)、第五透镜元件(11)，第一透镜元件(7)设在Y轴扫描镜(2)之后，第二透镜元件(8)设在第一透镜元件(7)之后，第三透镜元件(9)设在第二透镜元件(8)之后、第四透镜元件(10)之前，第五透镜元件(11)设在第四透镜元件(10)之后。

4.根据权利要求3所述的成像光纤束与扫描光学系统耦合的光学系统，其特征是，所述的扫描耦合透镜系统(4)包括：第一透镜元件(7)、第二透镜元件(8)、第三透镜元件(9)、第四透镜元件(10)、第五透镜元件(11)，第一透镜元件(7)设在Y轴扫描镜(2)之后95mm，第二透镜元件(8)设在第一透镜元件(7)之后13.97mm，第三透镜元件(9)设在第二透镜元件(8)之后134.02mm、第四透镜元件(10)之前27.55mm，第五透镜元件(11)设在第四透镜元件(10)之后10.1mm。

5.根据权利要求1所述的成像光纤束与扫描光学系统耦合的光学系统，其特征是，所述的望远镜系统(3)设在X轴扫描镜(1)之后40mm、Y轴扫描镜(2)之前48.78mm。

6.根据权利要求1所述的成像光纤束与扫描光学系统耦合的光学系统，其特征是，所述的扫描耦合透镜系统(4)设在Y轴扫描镜(2)之后95mm。

7.根据权利要求1或3所述的成像光纤束与扫描光学系统耦合的光学系统，其特征是，所述的扫描耦合透镜系统(4)，其在成像空间的数值孔径为0.3。

8.根据权利要求3所述的成像光纤束与扫描光学系统耦合的光学系统，其特征是，所述的第一透镜元件(7)的折射率为1.72，具有负光焦度；所述的第二透镜元件(8)的折射率为1.55，具有正光焦度；所述的第三透镜元件(9)的折射率是1.55，具有正光焦度；所述的第四透镜元件(10)折射率为1.55，具有负光焦度；所述的第五透镜元件(11)是渐变折射率透镜，具有正光焦度。

9.根据权利要求3所述的成像光纤束与扫描光学系统耦合的光学系统，其特征是，所述的第三透镜元件(9)、第四透镜元件(10)、第五透镜元件(11)是标准的透镜元件。

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