CN111624688A - 一种基于级联超表面的光纤微型内窥探头 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于级联超表面的光纤微型内窥探头，包括有：有限共轭光学成像系统、光纤传像束，所述有限共轭光学成像系统的输出端与光纤传像束的输入端连接，所述有限共轭光学成像系统包括有一个级联超表面，所述级联超表面包括有若干超表面，分别记为：第一超表面、第二超表面….第n超表面，其中n为正整数，n大于或等于2，相邻的两个超表面之间均设有介质层，所述第一超表面和第n超表面分别设置于有限共轭光学成像系统首端和尾端，所述第n超表面与光纤传像束的输入端间隔预设的距离，且第n超表面与光纤传像束的输入端之间设有介质层。本发明在保证成像质量的同时扩大成像视场，超表面平面化的结构和微小的外径尺寸，减小了内窥探头体积，提高了分辨率。

Description

一种基于级联超表面的光纤微型内窥探头
技术领域
本发明涉及微纳光学技术领域，更具体地，涉及一种基于级联超表面的光纤微型内窥探头。
背景技术
超表面是通过平面化的亚波长结构单元实现对光场的调控。关于超表面的研究近年来不断有新的进展，包括分辨率，数值孔径，像差等方面。申请号为201780031669.9，公布日为2019年1月11日的专利与其文献中所述，公开了用于亚波长分辨率成像的超透镜。申请号为201811431104.2，公布日为2019年5月14日的专利与其文献中所述，公开了一种基于消球差的超构透镜的层析成像方法。超表面其超薄的平面结构和易于光场调控设计的特点，十分有利于和光学器件的集成。而级联超表面是由多个超表面联合组成，关于级联超表面的消单色像差部分也有一些典型的应用方向。申请号为201910470787.0,公布日为2019年8月23日的专利与其文献中所述，公开了一种基于双层介质超表面的光学变焦系统，包括：第一层介质超表面和第二层介质超表面，二者平行排列；当第一层介质超表面和第二层介质超表面的相对旋转角相对初始状态发生改变时，两层介质超表面对应的聚焦焦距发生改变。超表面能实现亚波长分辨率成像，具有极大的设计自由度，且质量和体积小的优势，很大程度上有利于现有光学器件的轻量化和微型化。
内窥镜成像技术是国内外生命科学研究领域重要的工具之一。微型内窥探头是可以深入到人体或动物体腔内，通过成像观察内部结构或病理特征的医疗器械。为保证成像清晰度和对角线视场角广度，内窥成像和传像技术通常需要内窥物镜对目标物体进行成像，然后由光纤传像束进行图像传输。这种光纤内窥镜成像系统的分辨率与光纤传像束的直径和其中包含的单丝直径有关，光纤束单根光纤的直径越小，图像分辨率越高。但受到使用条件限制，光纤束的直径很难提高；受到技术限制，目前单根光纤直径最小为3μm，仅靠光纤传像束难以观测到细胞组织。因此，在光纤传像束前端加一个微型内窥物镜可以很大程度上提高成像分辨率。现有的内窥物镜主要有两种：一种是由多个球面和非球面透镜组合而成，这类微型内窥物镜一方面结构复杂，会增加装配难度和生产成本，另一方面外径尺寸较大，增加患者的痛苦，从而限制了其在一次性医疗内窥镜上的广泛使用；另一种是多个梯度折射率透镜级联或者梯度折射率透镜和平凸透镜组合进行成像，这类微型内窥物镜在尺寸上占有一定优势，但是成像的像差比较大，尤其是成像视场受限。因此目前亟需一种微型化、成像分辨率高，同时保证一定成像视场的微型内窥探头。
现有的光纤内窥探头，如中国专利申请号为200510029661.8，公开日为2006年3月8日的与其文献中所述，其公开了：一种共焦内窥镜微小显微物镜探头，包括：微型显微物镜组、光纤传像束和折射率匹配液，光纤传像束微型显微物镜组之间用折射率匹配液填充，光纤传像束设在微型显微物镜组之前。其不足之处是：微型显微物镜组由八个透镜组成，结构复杂，增加了加工装配难度，其整体直径小于5mm，加上黄铜外包装尺寸增加到7mm左右，不能达到内窥镜微型化的需求。又如中国专利申请号为201410161025.X，申请公布日为2014年7月9日的与其文献中所述，其公开了：光纤显微内窥探头，包括微型显微物镜组及光纤传像束，光纤传像束设在微型显微物镜组之前。其不足之处是：微型显微物镜组包括四个透镜元件，装配难度减少了许多，其透镜直径均小于3mm，加上外包装后尺寸小于3.6mm，在胃肠道等相对较大组织或器官的诊断中具有应用价值，但很难适用于深层、狭小组织或器官的成像检测。又如中国专利申请号为201521087018.6，申请日为2015年12月22日，其公开了一种显微内窥镜系统，其中内窥镜显微探头是由一个非球面透镜和自聚焦透镜组成，加上机械封装后外径尺寸不大于1.5mm，使得探头尺寸进一步缩小，但不足之处在于只能确保光轴中心视场的聚焦性能，离轴视场光学性能受限。
为了满足与光纤传像束粘合形成的光纤内窥探头配合使用的成像要求，需要平面化的光学元件，减少装配的难度，此外光学元件要保证成像质量的同时，其外径尺寸要小于光纤传像束的直径，这是传统的光学元件难以实现的。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
本发明为克服上述现有技术所述的内窥探头体积大、成像分辨率低，视场范围小，无法观测组织和细胞结构的问题，提供一种基于级联超表面的光纤微型内窥探头。
本发明的首要目的是为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
一种基于级联超表面的光纤微型内窥探头，包括有：有限共轭光学成像系统、光纤传像束，所述有限共轭光学成像系统的输出端与光纤传像束的输入端连接，所述有限共轭光学成像系统包括有一个级联超表面，所述级联超表面包括有若干超表面，分别记为：第一超表面、第二超表面….第n超表面，其中n为正整数，n大于或等于2，相邻的两个超表面之间均设有介质层，所述第一超表面和第n超表面分别设置于有限共轭光学成像系统首端和尾端，所述第n超表面与光纤传像束的输入端间隔预设的距离，且第n超表面与光纤传像束的输入端之间设有介质层。
本方案中，第n超表面和第n-1超表面之间的间距小于5mm，所述第n超表面与光纤传像束的输入端间隔预设的距离小于5mm。
本方案中，第n超表面和第n-1超表面之间的介质层、第n超表面与光纤传像束的输入端之间的介质层均为透明介质层，所述透明介质层的材料包括有：空气、熔融石英、K9玻璃。
本方案中，所述第一超表面、第二超表面….第n超表面的光学有效直径小于光纤传像束直径。
本方案中，所述有限共轭光学成像系统在物空间的数值孔径大于0且小于1.2。
本方案中，有限共轭光学成像系统在像空间的数值孔径与光纤传像束的单根光纤的数值孔径匹配。
本方案中，每个超表面包括有若干的柱状单元结构，所述柱状单元结构为圆柱、方柱、十字形、正六边形、正八边形、环形柱中的一种或多种，每个超表面根据柱状单元结构的特征所对应的相位调制，得到一组柱状单元结构，所述相位调制范围为0-2π。
本方案中，每个超表面相位分布满足的条件关系式为：
Figure BDA0002481103730000031
其中R是超表面的半径，ρ是纳米柱所处径向坐标位置，an是各项系数，其中，各项系数an是通过光线追迹算法，经过迭代优化后得到。
本方案中，通过优化每个超表面相位分布的各项系数an和调整超表面的半径R，能够校正离轴的单色像差，将设定视场范围内的物体进行放大成像。
本方案中，每个超表面均包括若干个纳米柱结构，所述纳米柱结构按相位规则排列，排列方式包括：正方形晶格排列方式和六角晶格排列方式。
本方案中，超表面的纳米柱结构选用材料包括氮化硅、富硅氮化硅、二氧化钛、二氧化硅、氮化镓、硅中的一种或多种。
本方案中，所述的光纤传像束利用全反射原理对光线进行传输，其入射面与有限共轭光学成像系统的后焦平面重合。所述的有限共轭光学系统的像方数值孔径角小于等于光纤传像束的数值孔径角，使得目标图像的光线全部进入光纤。
本方案中，级联超表面的设计波长包含有可见光、近红外波段，根据不同的波长需求，通过选择材料和参数进行级联超表面的设计。
本方案中，所述有限共轭光学成像系统可以针对任意工作距离和任意放大倍率进行设计。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
本发明通过级联超表面构建有限共轭成像系统实现接近衍射极限分辨率的同时，有效的减小有限共轭成像系统的光学有效径尺寸，增加了光学内窥镜的适用范围，减小了患者的不适感。
有限共轭成像系统的设计与光纤传像束各性能参数、技术指标相匹配，提高了成像分辨率。
附图说明
图1为本发明实施提供的基于级联超表面的光纤内窥镜探头的整体结构示意图。
图2为本发明所实施的级联超表面微距成像的光线追迹图；(a)图为级联超表面的光线追迹图，(b)图为级联超表面的点列图。
图3为本发明所实施的级联超表面中的第一超表面(a)和第二超表面(b)的光学显微图和扫描电镜图。
图4为本发明实施提供有限共轭光学成像系统的调制传递函数图。
图5为本发明的级联超表面在可见光波段范围内对1951年M国空军标靶的成像分辨率测试图。
图6为本发明的基于级联超表面的光纤内窥镜探头对生物细胞的成像图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
实施例1
在具体实施过程中，所述的基于级联超表面的有限共轭光学成像系统的实施参数为：物空间数值孔径为0.4，全视场直径为125μm，物距为200μm，像空间数值孔径为0.1，放大倍数为4；孔径光阑设置在第一超表面的前表面；
图1展示的是实施的一例基于级联超表面的光纤内窥探头的整体结构示意图；级联超表面由第一超表面，介质衬底和第二超表面组成，目标物体依次经过第一超表面、介质衬底和第二超表面的光学振幅和相位调制，最终成像在光纤传像束端面，再由光纤传像束传输到后方显微系统中。
更具体的，第一超表面的光学有效直径小于200μm，第二超表面的光学有效直径小于400μm，并且第一超表面和第二超表面的光学有效直径均小于光纤传像束的直径。
更具体的，第一超表面和第二超表面之间间距小于1mm，第二超表面和光纤传像束之间间距小于2mm。
更具体的，选取第一超表面和第二超表面之间介质为熔融石英，第二超表面和光纤传像束之间介质为空气。
在具体实施过程中，为了满足上述有限共轭成像系统的需求，选取主光线波长为525nm，使用光线追击的方法优化了级联超表面的两层介质超表面的相位分布。具体采用的相位公式如下：
Figure BDA0002481103730000051
其中，R是超表面的半径，ρ是纳米柱所处径向坐标位置，an是各项系数。
通过光线追迹算法和迭代优化后得到的级联超表面中第一超表面和第二超表面的各项系数an。优化后的各项系数如表1所示：
表1an优化相位调制分布结果表
多项式系数 a1 a2 a3 a4 a5
第一超表面 -158.595 2.101 -0.295 0.094 -0.022
第二超表面 -407.591 38.358 13.388 -8.387 5.407
图2为本发明所实施的级联超表面微距成像的光线追迹图；(a)图为级联超表面的光线追迹图，(b)图为级联超表面的点列图。从图中可知，级联超表面在全视场范围内的光斑半径都小于艾里斑半径，这种方案极大的改善像质，在设计的成像范围内实现了单色像差的完全消除。
在具体实施过程中，选定第一超表面和第二超表面的纳米柱材料为氮化硅，其在主光线波长下的折射率为2；
更具体的，选定第一超表面和第二超表面的纳米柱结构单元的几何形状为圆柱体。
更具体的，选定第一超表面和第二超表面的纳米柱单元结构的周期排列方式为四角晶格，
更具体的，选定第一超表面的周期晶格常数以及柱状结构高度分别为400nm和610nm，第二超表面的周期晶格常数以及柱状结构高度分别为360nm和600nm，根据每种柱状结构所对应的相位调制，得到一组具有较高透射效率的柱状单元结构，同时满足相位调制范围覆盖0到2π。
在具体实施过程中，我们利用电子束曝光和等离子体刻蚀等工艺制备了级联超表面样品用于实验验证。图3中(a)为本发明的级联超表面中的第一超表面光学显微图和扫描电镜图，图3中(b)为本发明的级联超表面中的第二超表面光学显微图和扫描电镜图，示例中展示的是基于几何相位原理的正方晶格的纳米柱结构。
更具体的，制备的级联超表面中第一超表面和第二超表面的光学偏心保证在1μm以内。
图4是本发明实施所提供有限共轭光学成像系统的调制传递函数图。调制传递函数表征光学系统在不同空间频率传递对比能力。横轴表示空间频率，纵轴表示调制传递因子MTF。从图中可见该系统各视场的MTF曲线接近光学衍射极限。
在具体实施过程中，为了进一步展示所制备的级联超表面的成像性能，图5为本发明实施的级联超表面在可见光波段范围内对1951年M国空军标靶的成像分辨率测试图，共有6幅图，分别对应430、480、525、580、633、680波长。图中可以分辨第九组第三个单元，其对应线对642lp/mm，线宽为0.78μm。图中标尺为2μm。本发明实施的级联超表面成像分辨率接近光学衍射极限0.8μm(0.61λ/NA)。
在具体实施过程中，根据所述有限共轭光学系统的性能参数，特选取有效直径为500μm、单丝直径为8μm的光纤传像束。其长度可以自由定制，满足各种应用需求。该光线传像束按六边形排列，其传像束的极限分辨率为72lp/mm。光纤传像束的数值孔径为0.2大于所述有限共轭光学系统像方数值孔径0.1，符合光纤的全反射定理，故入射的光束可以完全进入光线传像束，与所述有限共轭光学系统相适配。
在具体实施过程中，为了进一步展示设计的基于级联超表面的光纤内窥探头在内窥成像方面的应用，我们以睡莲细胞标本为例，利用本发明的光纤内窥探头测试得到睡莲细胞，如图6所示。同时，我们也分别与传统基于平凸透镜的内窥探头，以及基于折射率渐变透镜的内窥探头进行成像对比。从图6中可知，相比于传统光纤内窥探头，基于级联超表面的光纤内窥探头能分辨出睡莲细胞更多细节。
综上所述，本发明实施的基于级联超表面的光纤内窥探头仅包括一个结构紧凑的级联超表面光学元件，平面化的结构降低了装配难度，同时也减少了外径尺寸，方便通过狭小的管道和器官进行检测。另外，本发明实施的基于级联超表面的光纤内窥探头分辨率高，可实现细胞水平的组织成像，很大程度上有望应用于光纤内窥镜系统。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种基于级联超表面的光纤微型内窥探头，其特征在于，包括有：有限共轭光学成像系统、光纤传像束，所述有限共轭光学成像系统的输出端与光纤传像束的输入端连接，所述有限共轭光学成像系统包括有一个级联超表面，所述级联超表面包括有若干超表面，分别记为：第一超表面、第二超表面….第n超表面，其中n为正整数，n大于或等于2，相邻的两个超表面之间均设有介质层，所述第一超表面和第n超表面分别设置于有限共轭光学成像系统首端和尾端，所述第n超表面与光纤传像束的输入端间隔预设的距离，且第n超表面与光纤传像束的输入端之间设有介质层。
2.根据权利要求1所述的一种基于级联超表面的光纤微型内窥探头，其特征在于，第n超表面和第n-1超表面之间的间距小于5mm，所述第n超表面与光纤传像束的输入端间隔预设的距离小于5mm。
3.根据权利要求1所述的一种基于级联超表面的光纤微型内窥探头，其特征在于，第n超表面和第n-1超表面之间的介质层、第n超表面与光纤传像束的输入端之间的介质层均为透明介质层，所述透明介质层的材料包括有：空气、熔融石英、K9玻璃。
4.根据权利要求1所述的一种基于级联超表面的光纤微型内窥探头，其特征在于，所述第一超表面、第二超表面….第n超表面的光学有效直径小于光纤传像束直径。
5.根据权利要求1所述的一种基于级联超表面的光纤微型内窥探头，其特征在于，所述有限共轭光学成像系统在物空间的数值孔径大于0且小于1.2。
6.根据权利要求1所述的一种基于级联超表面的光纤微型内窥探头，其特征在于，有限共轭光学成像系统在像空间的数值孔径与光纤传像束的单根光纤的数值孔径匹配。
7.根据权利要求1所述的一种基于级联超表面的光纤微型内窥探头，其特征在于，每个超表面包括有若干的柱状单元结构，所述柱状单元结构为圆柱、方柱、十字形、正六边形、正八边形、环形柱中的一种或多种，每个超表面根据柱状单元结构的特征所对应的相位调制，得到一组柱状单元结构，所述相位调制范围为0-2π。
8.根据权利要求7所述的一种基于级联超表面的光纤微型内窥探头，其特征在于，每个超表面相位分布满足的条件关系式为：
Figure FDA0002481103720000021
其中R是超表面的半径，ρ是纳米柱所处径向坐标位置，an是各项系数，其中，各项系数an是通过光线追迹算法，经过迭代优化后得到。
9.根据权利要求8所述的一种基于级联超表面的光纤微型内窥探头，其特征在于，通过优化每个超表面相位分布的各项系数an和调整超表面的半径R，能够校正离轴的单色像差，将设定视场范围内的物体进行放大成像。
10.根据权利要求1所述的一种基于级联超表面的光纤微型内窥探头，其特征在于，每个超表面均包括若干个纳米柱结构，所述纳米柱结构按相位规则排列，排列方式包括：正方形晶格排列方式和六角晶格排列方式。
11.根据权利要求10所述的一种基于级联超表面的光纤微型内窥探头，其特征在于，超表面的纳米柱结构选用材料包括氮化硅、富硅氮化硅、二氧化钛、二氧化硅、氮化镓、硅中的一种或多种。
12.根据权利要求1所述的一种基于级联超表面的光纤微型内窥探头，其特征在于，所述的光纤传像束利用全反射原理对光线进行传输，其入射面与有限共轭光学成像系统的后焦平面重合。所述的有限共轭光学系统的像方数值孔径角小于等于光纤传像束的数值孔径角，使得目标图像的光线全部进入光纤。
13.根据权利要求1所述的一种基于级联超表面的光纤微型内窥探头，其特征在于，级联超表面的设计波长包含有可见光、近红外波段，根据不同的波长需求，通过选择材料和参数进行级联超表面的设计。
14.根据权利要求1所述的一种基于级联超表面的光纤微型内窥探头，其特征在于，所述有限共轭光学成像系统可以针对任意工作距离和任意放大倍率进行设计。
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