CN115349806A - 一种基于超透镜的超细光学探头 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于超透镜的超细光学探头，包括前端超透镜，位于超透镜后方的光纤传像束，和连接超透镜和光纤传像束的UV胶层，所述超透镜作为光学探头的成像物镜，其光学参数为：通光口径在0.1‑2mm之间，物方焦距在0.01‑0.5mm之间，放大率在0.5‑5倍之间，物方NA在0.2‑0.6之间，所述超透镜外径为0.2‑1mm，整体厚度为10‑20um，所述超细光学探头直径为0.2mm‑1mm。本发明将超透镜作为光学探头的成像物镜，超透镜具有与超细光学探头匹配的光学参数，超透镜的引入使得光学探头能实现小型化和高成像质量的兼容。
Description
技术领域
本发明属于医疗器械技术领域，具体涉及一种基于超透镜的超细光学探头。
背景技术
胆胰疾病是严重威胁身体健康的一类多发病、常见病，如胆结石、胆管癌、良恶性肝胆管狭窄、梗阻性黄疸、急慢性胆管炎、胆漏、胰管结石、慢性胰腺炎、胰腺良恶性肿瘤等。现有技术中已有经口腔进入的胆胰管直视内镜系统，该系统具有一根包括工作钳道的内窥镜体，可以进入胆胰管，直接进行光学观察。胆胰管镜和胃肠道内窥镜的光学原理一样，都属于宽场照明，效果与人眼观察效果类似，可以看到组织的表面宏观形态，但无法观察到微血管形态等更精细的结构。使用探头式共聚焦内窥镜配合胆胰管镜使用，在胆胰管镜的工作钳道内插入共聚焦探头，就能实现胆胰管表面组织精细结构的实时观察。由于胆胰管内窥镜的工作钳道直径很小，约在1mm左右，这使得共聚焦探头的光学物镜设计面临很大的挑战。
现有技术中适配胆胰管内镜的共聚焦探头主要有两种形态：第一种是使用成像光纤束粘接渐变折射率透镜(自聚焦透镜)，利用渐变折射率透镜的自聚焦特性完成光束的聚焦，从而实现组织表面下一定距离的观察；第二种是直接使用成像光纤束作为光学探头，将成像光纤束表面抛光后直接紧贴组织表面，实现组织表面的观察。
对于第一种使用成像光纤束配合渐变折射率透镜的方案，存在的主要问题有三个：一是渐变折射率透镜本身的固有特点决定了其只有视野中心的光学成像质量能达到设计值，视野边缘的成像质量会严重劣化；二是自聚焦透镜有一定的长度(约5mm左右)，对应了装配自聚焦透镜的光学探头的不可弯曲部，限制了光学探头的观察角度，减少了灵活性，使得胆胰管观察中存在较多的盲区；三是渐变折射率透镜本身无法进行色差校正，在产生荧光的应用里，由于荧光和激发光的波长不同，会产生较大的色差，从而使得图像质量下降。
第二种直接使用光纤束作为探头的方案，存在的主要问题有两个：一是由于没有透镜收集光，探头只能紧贴组织表面观察，探头离开表面时，接收到的光信号强度会大大降低，不能观察到组织表面下一定深度的信息；二是光纤束表面质量容易磨损和脏污，使得探头使用寿命降低。
超透镜是一种利用人造亚波长单元结构在传统介质上进行波前调控的光学器件，是一种二维平面透镜结构。其体积极小，重量轻，易于集成，可实现对入射光振幅、相位、偏振等参量的灵活调控。
基于现有技术中应用于细小孔道内窥镜的光学探头存在的问题，本发明拟设计一种基于超透镜的超细光学探头，该探头外径足够细，可以进入具有细小孔道的内窥镜，例如胆道镜、支气管镜等，从而进入人体，该探头配合共聚焦主机，可以观察到胆胰管、支气管等结构上的细胞形态、血管形态等用传统内窥镜很难观察到的结构，提高胆胰管疾病的诊断准确率和实现对微笑病灶的定位。超透镜具有与超细光学探头匹配的光学参数，超透镜的引入使得光学探头能实现小型化和高成像质量的兼容。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明为解决现有技术中存在的问题采用的技术方案如下：
一种基于超透镜的超细光学探头，包括前端超透镜，位于超透镜后方的光纤传像束，和连接超透镜和光纤传像束的UV胶层，所述超透镜作为光学探头的成像物镜，其光学参数为：通光口径在0.1-2mm之间，物方焦距在0.01-0.5mm之间，放大率在0.5-5倍之间，物方NA在0.2-0.6之间，所述超透镜表面结构确定过程为：通过构建超透镜表面的相位结构，进而生成相位图谱，最后生成超透镜具体的表面结构，所述超透镜外径为0.2-1mm，整体厚度为10-20um，所述超细光学探头直径为0.2mm-1mm。
当超透镜应用在胆胰管探头上时，所述超透镜的光学参数为：通光口径0.5mm，物方焦距20um，像方焦距30um，放大率1倍，物方NA0.4，超透镜外径0.6mm，整体厚度20um。
所述超透镜表面结构确定的具体过程为：根据超透镜所需要达到的光学参数，生成超透镜的相位图谱，通过有限元分析软件，计算相位分布，分配相位板的光焦度；并通过电子束曝光和离子反应刻蚀基底，生成超透镜的表面结构。
所述生成超透镜的相位图谱的具体过程如下：
定义目标的相位分布，即根据超透镜所需要达到的光学参数，包括波长、焦距、外径、数值孔径来确定相位分布，球透镜通用相位分布公式如下：
其中，x0和y0表示超透镜中心位置，x，y表示超透镜各点位置，f表示焦距，将所需要的光学参数带入公式即可求得对应超透镜的相位分布图谱。
通过所述有限元分析软件来生成超透镜表面结构的具体过程如下：
在numrical FDTD软件中导入根据公式(1)求得的相位图谱，通过编写脚本确定不同位置的超透镜单元结构尺寸，在得到不同位置超透镜单元结构尺寸后，根据该结果改变介质结构的单元尺寸，按照目标相位分布的要求进行排列，添加相应的FDTD求解器，设置相应的边界条件，添加光源、监视器，检查材料和内存并运行软件，观察输出结果，满足要求即得到超透镜具体表面结构，基于该结构对超透镜进行加工即可。
所述有限元分析软件的输出结果基于同时满足以下两个指标进行判断：第一个指标是超透镜的二维聚焦电场分布，该结果代表了超透镜是否达到了设计中的聚焦能力，衡量指标是聚焦光斑大小，即是否满足聚焦电场的半高全宽在1.01um-3.1um之间；第二个指标是超透镜的电场分布轴向截面图，这个指标表征了超透镜聚焦的焦距是否满足设计要求，即是否满足聚焦焦距为0.01-0.5mm。
本发明具有如下优点：
本发明将超透镜作为光学探头的成像物镜，并公开了超透镜的光学参数和表面结构确定方法，超透镜作为一种新型的光场调控技术，具有明显有别于传统光场调控技术(如透镜)的优势：传统透镜技术，要获得高成像质量就需要消除各种像差，尤其是色差，需要通过具有不同色散系数的材料胶合来实现，从而使得光学结构复杂，尺寸庞大。使用超表面技术来构建超透镜，在功能上类似于衍射光学元件，它们都是用平面结构塑造不同用途的光束。超透镜可以独立地构建表面与光的电磁场分量的联系，这样一来，还能完全控制表面的阻抗响应。这种控制不局限于单一波长，而是通过对超表面的构成要素进行合适的分散设计，可以扩展到一定光谱范围。这些优点远远超出了普通衍射光学元件的能力，利用微结构对光场进行精确调制，实现聚焦，基本可以实现在任意尺寸上达到所需要的焦距。
附图说明
图1为超透镜表面结构示意图；
图2为本发明超细探头结构示意图；
其中：1-超透镜；2-UV胶层；3-光纤传像束。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
一种基于超透镜的超细光学探头，包括前端超透镜1，位于超透镜1后方的光纤传像束3，和连接超透镜和光纤传像束的UV胶层2，超透镜作为光学探头的成像物镜，其光学参数为：通光口径在0.1-2mm之间，物方焦距在0.01-0.5mm之间，放大率在0.5-5倍之间，物方NA在0.2-0.6之间，超透镜表面结构确定过程为：通过构建超透镜表面的相位结构，进而生成相位图谱，最后生成超透镜具体的表面结构，所述超透镜外径为0.2-1mm，整体厚度为10-20um，所述超细光学探头直径为0.2mm-1mm。
当超透镜应用在胆胰管探头上时，超透镜的光学参数为：通光口径0.5mm，物方焦距20um，像方焦距30um，放大率1倍，物方NA0.4，超透镜外径0.6mm，整体厚度20um。
超透镜表面结构确定的具体过程为：根据超透镜所需要达到的光学参数，生成超透镜的相位图谱，通过有限元分析软件，计算相位分布，分配相位板的光焦度；并通过电子束曝光和离子反应刻蚀基底，生成超透镜的表面结构。
生成超透镜的相位图谱的具体过程如下：
定义目标的相位分布，即根据超透镜所需要达到的光学参数，包括波长、焦距、外径、数值孔径来确定相位分布，球透镜通用相位分布公式如下：
其中，x0和y0表示超透镜中心位置，x，y表示超透镜各点位置，f表示焦距，将所需要的光学参数带入公式即可求得对应超透镜的相位分布图谱。
通过所述有限元分析软件来生成超透镜表面结构的具体过程如下：
在numrical FDTD软件中导入根据公式(1)求得的相位图谱，通过编写脚本确定不同位置的超透镜单元结构尺寸，在得到不同位置超透镜单元结构尺寸后，根据该结果改变介质结构的单元尺寸，按照目标相位分布的要求进行排列，添加相应的FDTD求解器，设置相应的边界条件，添加光源、监视器，检查材料和内存并运行软件，观察输出结果，满足要求即得到超透镜具体表面结构，基于该结构对超透镜进行加工即可。
有限元分析软件的输出结果基于同时满足以下两个指标进行判断：第一个指标是超透镜的二维聚焦电场分布，该结果代表了超透镜是否达到了设计中的聚焦能力，衡量指标是聚焦光斑大小，即是否满足聚焦电场的半高全宽在1.01um-3.1um之间；第二个指标是超透镜的电场分布轴向截面图，这个指标表征了超透镜聚焦的焦距是否满足设计要求，即是否满足聚焦焦距为0.01-0.5mm。
本发明实施的关键技术点如下：
1、使用超透镜来作为光学探头透镜组；
2、构建超透镜表面的相位结构，生成相位图谱；
3、生成超透镜具体的表面结构；
4、选择材料和工艺进行加工超透镜；
5、将超透镜与光学探头进行组装。
如图1-2所示，基于本发明技术方案得到的一种可以适配胆胰管内窥镜的超细探头，其外径为0.6mm，通光孔径0.5mm，放大倍率为1，视场为500um，数值孔径为0.4，物方焦距为20um，物镜的厚度仅为50um；若使用传统的渐变折射率透镜，物镜的厚度一般都大于1mm，且视场边缘的成像质量远逊于视场中心的成像质量。
本发明的保护范围并不限于上述的实施例，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的范围和精神。倘若这些改动和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围内，则本发明的意图也包含这些改动和变形在内。
Claims (6)
1.一种基于超透镜的超细光学探头，其特征在于：包括前端超透镜，位于超透镜后方的光纤传像束，和连接超透镜和光纤传像束的UV胶层，所述超透镜作为光学探头的成像物镜，其光学参数为：通光口径在0.1-2mm之间，物方焦距在0.01-0.5mm之间，放大率在0.5-5倍之间，物方NA在0.2-0.6之间，所述超透镜表面结构确定过程为：通过构建超透镜表面的相位结构，进而生成相位图谱，最后生成超透镜具体的表面结构，所述超透镜外径为0.2-1mm，整体厚度为10-20um，所述超细光学探头直径为0.2mm-1mm。
2.如权利要求1所述的一种基于超透镜的超细光学探头，其特征在于：当超透镜应用在胆胰管探头上时，所述超透镜的光学参数为：通光口径0.5mm，物方焦距20um，像方焦距30um，放大率1倍，物方NA0.4，超透镜外径0.6mm，整体厚度20um。
3.如权利要求1所述的一种基于超透镜的超细光学探头，其特征在于，所述超透镜的表面结构确定的具体过程为：根据超透镜所需要达到的光学参数，生成超透镜的相位图谱，通过有限元分析软件，计算相位分布，分配相位板的光焦度；并通过电子束曝光和离子反应刻蚀基底，生成超透镜的表面结构。
4.如权利要求3所述的一种基于超透镜的超细光学探头，其特征在于，所述生成超透镜的相位图谱的具体过程如下：
定义目标的相位分布，即根据超透镜所需要达到的光学参数，包括波长、焦距、外径、数值孔径来确定相位分布，球透镜通用相位分布公式如下：
其中，x0和y0表示超透镜中心位置，x，y表示超透镜各点位置，f表示焦距，将所需要的光学参数带入公式求得对应超透镜的相位分布图谱。
5.如权利要求4所述的一种基于超透镜的超细光学探头，其特征在于，通过所述有限元分析软件来生成超透镜表面结构的具体过程如下：
在numrical FDTD软件中导入根据公式(1)求得的相位图谱，通过编写脚本确定不同位置的超透镜单元结构尺寸，在得到不同位置超透镜单元结构尺寸后，根据该结果改变介质结构的单元尺寸，按照目标相位分布的要求进行排列，添加相应的FDTD求解器，设置相应的边界条件，添加光源、监视器，检查材料和内存，并运行软件，观察输出结果，满足要求即得到超透镜具体表面结构，然后基于该结构对超透镜进行加工。
6.如权利要求5所述的一种基于超透镜的超细光学探头，其特征在于：所述有限元分析软件的输出结果是否满足要求，基于是否同时满足以下两个指标进行判断：第一个指标是超透镜的二维聚焦电场分布，该结果代表了超透镜是否达到了设计中的聚焦能力，衡量指标是聚焦光斑大小，即是否满足聚焦电场的半高全宽在1.01um-3.1um之间；第二个指标是超透镜的电场分布轴向截面图，该指标表征了超透镜聚焦的焦距是否满足设计要求，即是否满足聚焦焦距为0.01-0.5mm。
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