CN217279110U - 用于共聚焦内窥镜的光学成像系统以及共聚焦内窥镜 - Google Patents

Abstract

用于共聚焦内窥镜的光学成像系统包括：光源，发出激光；第一光学装置，设置在激光的传播方向上，并且光源位于第一光学装置的焦点处，以使激光透过第一光学装置后均匀射出；分光镜，沿激光光路设置在第一光学装置的下游；第一超透镜光学装置，将均匀射出的激光聚焦在待测样本的焦平面，以及将从待测样本反射的光均匀照射在分光镜上；其中，第一超透镜光学装置包括基底以及设置在基底上的超表面结构，超表面结构包括多个规则排布的纳米结构单元；第二光学装置，用于将由分光镜反射的光聚焦，以形成用以光学成像的光信号。利用带有规则排布的结构单元的超透镜来代替微透镜阵列、针孔阵列转盘和耦合物镜等结构，减小了体积，节省成本。

Description

用于共聚焦内窥镜的光学成像系统以及共聚焦内窥镜

技术领域

本实用新型涉及机械器械技术领域，尤其涉及用于共聚焦内窥镜的光学成像系统以及共聚焦内窥镜。

背景技术

内窥镜可分为工业用内窥镜以及医用内窥镜，其工作的原理主要是用来观察腔体内部，基于内窥镜的成像系统获得腔体内部高清晰图像来了解腔体内的情况。

目前，如在图1的现有技术的内窥镜的原理图中可见，现有的内窥镜大多是光源1发出的光通过二向色镜101后被微透镜阵列103，聚焦在针孔阵列转盘102处，然后通过针孔阵列转盘102的光束被耦合物镜104聚焦后进入光纤束探头107进而照明样本10激发出荧光，成像透镜组105与光电探测器106 依次设置于二向色镜101的荧光回路反射光路上。

内窥镜的微透镜阵列103、针孔阵列转盘102和耦合物镜104等结构，使得整体结构复杂，尺寸较大。

实用新型内容

针对现有技术的上述缺陷，本实用新型提供的一种解决了上述技术问题的用于共聚焦内窥镜的光学成像系统以及共聚焦内窥镜。

为了达到上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

第一方面，提供一种用于共聚焦内窥镜的光学成像系统包括：

光源，发出光；

第一光学装置，设置在光的传播方向上，并且，光源位于第一光学装置的焦点处，以使光透过第一光学装置后均匀射出；

分光镜，沿光路设置在第一光学装置的下游；

第一超透镜光学装置，将均匀射出的光聚焦在待测样本的焦平面，以及将从待测样本反射的光均匀照射到分光镜上；其中，第一超透镜光学装置包括基底以及设置在基底上的超表面结构，超表面结构包括多个规则排布的纳米结构单元；

第二光学装置，用于将由分光镜反射的光聚焦，以形成用以光学成像的光信号。

优选地，光源为单色光或多种波长的复合的复色光。

优选地，用于共聚焦内窥镜的光学成像系统还包括滤光片，滤光片设置在第一光学装置和分光镜之间，并且，用于从经过第一光学装置的光中滤除工作波长之外的光。

优选地，第一光学装置为光学会聚透镜。

优选地，第一光学装置为第二超透镜光线装置，第二超透镜光学装置包括基底以及设置在基底上的超表面结构，超表面结构包括多个规则排布的纳米结构单元。

优选地，用于共聚焦内窥镜的光学成像系统还包括带有小孔的遮光板，带有小孔的遮光板被配置成：阻挡由分光镜反射的光中的非焦面的部分。

优选地，第二光学装置为光学会聚透镜。

优选地，第二光学装置为第三超透镜光学装置，第三超透镜光学装置包括基底以及设置在基底上的超表面结构，超表面结构包括多个规则排布的纳米结构单元。

优选地，纳米结构单元为正六边形，正六边形各顶点和中心位置至少设置有一个纳米结构。

优选地，纳米结构单元为正方形，正方形各顶点和中心位置至少设置有一个纳米结构。

优选地，纳米结构的材料包括氧化钛、氮化硅、熔融石英、氧化铝、氮化镓、磷化镓、非晶硅、晶体硅和氢化非晶硅中的一种。

优选地，纳米结构为亚波长的人工纳米结构。

优选地，纳米结构为偏振相关结构或偏振无关结构。

优选地，偏振相关结构包括纳米鳍或纳米椭圆柱；偏振无关结构包括纳米圆柱或纳米方柱。

优选地，纳米结构与纳米结构之间填充有填充层。

优选地，填充层包括空气填充或者与纳米结构的折射率不同的其他工作波段的材料，其他工作波段的材料为透明或半透明的材料。

优选地，其他工作波段的材料的折射率与偏振相关结构的折射率差值的绝对值大于等于0.5。

优选地，基底为熔融石英、冕牌玻璃、火石玻璃和蓝宝石中的一种。

第二方面，提供一种共聚焦内窥镜，包括：

探头；

如上述的用于共聚焦内窥镜的光学成像系统；

控制器，控制内窥镜探头移动，以使探头扫描待测样本；

探测模块,将光信号转换为电信号进行成像。

优选地，探测模块为单光子雪崩光电二极管。

本实用新型的有益效果是：本实用新型提供的一种用于共聚焦内窥镜的光学成像系统，利用带有规则排布的结构单元的超透镜来代替微透镜阵列、针孔阵列转盘和耦合物镜等结构，简化了结构，减小了体积，节省成本。

为了能更进一步了解本实用新型的特征以及技术内容，请参阅以下有关本实用新型的详细说明与附图，然而附图仅提供参考与说明用，并非用来对本实用新型加以限制。

附图说明

下面结合附图，通过对本实用新型的具体实施方式详细描述，将使本实用新型的技术方案及其它有益效果显而易见。

图1是现有技术的共聚焦内窥镜的光学成像系统的原理图；

图2是本实用新型用于共聚焦内窥镜的光学成像系统的原理图；

图3是本实用新型用于共聚焦内窥镜的光学成像系统的实施例示意图；

图4A是超表面结构为正六边形的示意图；

图4B是超表面结构为正方形的示意图；

图4C是纳米结构中纳米柱示意图；

图4D是纳米结构中纳米鳍示意图。

附图标记：

1、光源；2、第一超透镜；3、滤光片；4、分光镜；5、第二超透镜；6、第三超透镜；7、遮光板；8、探测模块；

9、纳米结构；91、纳米鳍；92、纳米椭圆柱；93、填充层；94、基底；

10、样本；11、焦平面；12、控制器；

101、二向色镜；102、针孔阵列转盘；103、微透镜阵列；104、耦合物镜； 105、成像透镜组；106、光电探测器；107、光纤束探头。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本实用新型。在本实用新型和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

应当理解，尽管在本申请可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本申请范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施方式中的特征可以相互组合。

请参阅图1至图4D，本申请的一个实施例提供一种用于共聚焦内窥镜的光学成像系统，其中利用带有规则排布的结构单元的超透镜来代替微透镜阵列、针孔阵列转盘和耦合物镜等结构，实现系统结构的轻量化以及小型化。

如图2所示，用于共聚焦内窥镜的光学成像系统包括光源1、第一光学装置、分光镜4、第一超透镜光学装置和第二光学装置。

需要说明的是，光源1可以根据需要选取单色光光源，单色光照射在待测样本10时，可以获取到样本10的表面的图像。

光源1还可以选取多种波长复合的复色光光源，由于不同波长的光的焦平面11不同，所以在这种情况下，不仅可以探测样本10的内表面，而且还可以探测到样本10表面下结构的组织学图像。

第一光学装置可以接收光源1射出的光，并将光转化为能够均匀射出的光。

具体地，第一光学装置可为光学会聚透镜。在一个优选的实施例中，第一光学装置可为第二超透镜光学装置，以便进一步降低系统的重量和成本。第二超透镜光学装置设置在光的传播方向上，并且，光源1位于第一光学装置的焦点处，以使光透过第一光学装置后均匀射出。

第二超透镜光学装置可与第一超透镜光学装置，采用相同的结构。进一步地，第一超透镜光学装置包括基底94以及设置在基底94上的超表面结构，超表面结构包括多个规则排布的纳米结构单元。

如图1所示，如传统的内窥镜成像系统中，大多是通过耦合物镜104来聚焦针孔阵列转盘102射出的光束，以使光束进入光纤束探头107，进而照明样本10激发出荧光，荧光被光纤束探头107收集后，再通过耦合物镜104以及针孔阵列转盘102和微透镜阵列103被二向色镜101反射。

在本示例中，第一超透镜光学装置，将均匀射出的光聚焦在待测样本10 的焦平面11，以及将从接收待测样本10反射的光均匀照射到分光镜4上。可以利用第一超透镜光学装置的阵列结构单元将收集的待测样本10反射光均匀的射向分光镜4。分光镜4可以将部分的反射光进一步反射。

需要说明的是，第二光学装置可为光学会聚透镜。在一个优选的实施例中，第二光学装置可为第三超透镜光学装置，以便进一步降低系统的重量和成本。第三超透镜光学装置可与第一超透镜光学装置，采用相同的结构。第二光学装置用于将由分光镜4反射的光聚焦于光电探测模块，以形成用以光学成像的光信号。

还需要说明的是，分光镜4沿光光路设置在第一光学装置的下游，具体地，分光镜4设置在第一光学装置和第一超透镜光学装置之间。分光镜4将光反射至第二光学装置。

在本实施例中，通过第一光学装置、第一超透镜光学装置以及第二光学装置对光源1发出的光进行处理和调制，利用超透镜的纳米结构单元可以实现微透镜阵列、针孔阵列转盘和耦合物镜所需要的功能，减少了组件，节省了成本和体积。

在其中一个实施例中，用于共聚焦内窥镜的光学成像系统还包括滤光片3，滤光片3设置在第一光学装置和分光镜4之间，并且，用于从经过第一光学装置的光中滤除工作波长之外的光。

具体地，滤光片3还可以根据需要设置在光源1与第一光学装置之间，用于从光源1的光中滤除工作波长之外的光。

在本实施例中，用于共聚焦内窥镜的光学成像系统的滤光片3可以滤除非工作波长之外的光，以在后续光学成像时，阻止工作波长之外的光影响光学成像。

在其中一个实施例中，用于共聚焦内窥镜的光学成像系统还包括带有小孔的遮光板7，带有小孔的遮光板7被配置成：阻挡由分光镜4反射的光中的非焦面的部分。

遮光板7置于第二光学装置形成的反射光聚焦位置，聚焦后的反射光透过遮光板7上的小孔到达探测模块8，遮光板7可以阻止非焦面的信号，防止焦点模糊，进一步优化光信号。

在本实施例中，通过第二光学装置来聚焦反射光，以使反射光被聚焦至遮光板7的小孔处，避免焦点模糊，相较于其他的成像透镜结构来说，超透镜具有轻、薄、成本低的特点，可减小用于共聚焦内窥镜的光学成像系统的体积和成本。

在上述各实施例中，所提及的超透镜均可以包括如下结构。

超透镜包括基底94以及设置在基底94上的超表面结构。

超表面结构可为一层亚波长的人工纳米结构膜。

超表面结构包括多个结构单元，结构单元可以根据需要阵列排布，以便光束照射在第一超透镜光学装置时，能够均匀射出。

其中，结构单元为正六边形或正方形。

需要说明的是，阵列的结构单元可以根据需要全部采用正方形或正六边形，也可以采用正方形或正六边形交错的排布，还可以采用一个区域是正方形，另一个区域是正六边形的方式来形成阵列结构。应当理解，实际产品可能因超透镜形状的限制，在超透镜边缘有纳米结构9的缺失，使其不满足完整的六边形或正方形。

图4A的结构单元为正六边形时，正六边形各顶点和中心位置至少设置有一个纳米结构9。

具体地，结构单元包括一个中枢纳米结构9，其周围环绕着个与其距离相等的周边纳米结构9，各周边纳米结构9圆周均布，组成正六边形，也可理解为多个纳米结构9组成的正三角形互相组合。

图4B的结构单元为正方形时，正方形各顶点和中心位置至少设置有一个纳米结构9。

具体地，结构单元包括一个中枢纳米结构9，其周围环绕着个与其距离相等的周边纳米结构9，组成正方形。

还需要说明的是，纳米结构9在不同波长下所需的相位，可在纳米结构9 数据库中查找相位最接近的纳米结构9。

纳米结构9可为全介质结构，在工作波段具有高透过率，可选的材料包括：氧化钛、氮化硅、熔融石英、氧化铝、氮化镓、磷化镓、非晶硅、晶体硅和氢化非晶硅等。

纳米结构9为亚波长的人工纳米结构。

纳米结构9为偏振相关结构或偏振无关结构。

其中，纳米结构9可为偏振相关的结构，如纳米鳍91和纳米椭圆柱92 等结构，此类结构对入射光施加一个几何相位。纳米结构9也可以是偏正无关结构，如纳米圆柱和纳米方柱等结构，此类结构对入射光施加一个传播相位。

利用纳米结构9的偏振相关的结构，可以通过偏振使得通过第一超透镜2 光学装置光均匀照射，此外，第一光学装置利用纳米结构9的偏振相关的结构实现透过其的光均匀照射；第二光学装置利用纳米结构9的偏振相关的结构实现透过其的光线聚焦。

需要说明的是，纳米椭圆柱92可包括正纳米柱状结构、负纳米柱状结构、中空纳米柱状结构、拓扑纳米柱状结构中的任意一种或多种。

如图4C和4D所示，本实施例中，纳米结构9与纳米结构9之间填充有填充层93。填充层93用以间隔两个纳米结构9。

其中，填充层93包括空气填充或者与纳米结构9的折射率不同的其他工作波段的材料，其他工作波段的材料为透明或半透明的材料。

其他工作波段的材料的折射率与偏振相关结构的折射率差值的绝对值大于等于0.5。

如图3所示，在本申请的第二方面中提供一种共聚焦内窥镜，其具有上述光学成像系统。下面，以一个具体的实施例来示例性说明本申请的共聚焦内窥镜，可以理解的是，该实施例仅用于说明，而并非用于限制根据本申请的共聚焦内窥镜。

用于共聚焦内窥镜的光学成像系统的内窥镜包括：控制器12、光源1、第一超透镜2、第二超透镜5、第三超透镜6、滤光片3、分光镜4、带有小孔的遮光板7和探测模块8。

控制器12，可以通过控制内窥镜探头在X，Y和Z三个方向的移动来控制待测样本10上的扫描位置。

光源1，用以发出光。

第一超透镜2，设置在光的传播方向上，位于第一超透镜2的焦点处，以使光源1发出的光均匀照出。

滤光片3，用以消除工作波长以外的光，具体地，滤光片3是过滤均匀照出的光，去除非工作光，留下高纯度的工作光。

分光镜4，将一部分光透射，一部分光反射。

第二超透镜5，作为耦合物镜，其一方面用于聚焦透射的入射光于待测样本10表面，另一方面将待测样本10表面反射后的光均匀照射到分光镜4上。

第三超透镜6，经分光镜4折射后的反射光聚焦于探测模块8。

遮光板7，用于聚焦的反射光经过遮光板7上的小孔，以便阻止非焦面的信号，防止焦点模糊。

探测模块8，将光信号转换为电信号进行成像，实现待测样本10的内窥观察。在此，探测模块优选为单光子雪崩光电二极管，但是，当然也可以使用其他的电子器件，只要其实现探测模块所要达到的目的即可。

工作原理：

光源1发出的射光经过第一超透镜2后均匀照出，后经过窄带滤波片过滤掉工作波长以外的杂光，输出高纯度光，光经过分光镜4时一部分透射，透射的光被第二超透镜5聚焦到待测样本10处，其中，待测样本10位于第二超透镜5的焦平面11处的射光被反射，而后经过第二超透镜5回到分光镜4表面，其中，部分光被反射到第三超透镜6上，第三超透镜6将反射的光聚焦到探测模块8，探测模块8将光信号转化为电信号后进行成像。

重复上述动作，通过控制器12控制内窥镜探头在待测样本10内部三维扫描，形成一幅完整的待测样本10图像。

其中，当光源1选取的是单色光时，内窥镜探头得到的是完整的样本10 内表面图像。

当光源1选取的是多种波长复合的复色光时，不同波长的焦平面11不同，内窥镜探头不仅可以探测到内表面，还可以探测到待测样本10表面下的结构组织图像。

以上，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (19)

1.一种用于共聚焦内窥镜的光学成像系统，其特征在于，包括：

光源，发出光；

第一光学装置，设置在所述光的传播方向上，并且，所述光源位于第一光学装置的焦点处，以使所述光透过所述第一光学装置后均匀射出；

分光镜，沿光路设置在所述第一光学装置的下游；

第一超透镜光学装置，将均匀射出的所述光聚焦在待测样本的焦平面，以及将从待测样本反射的光均匀照射到所述分光镜上；其中，所述第一超透镜光学装置包括基底以及设置在基底上的超表面结构，所述超表面结构包括多个规则排布的纳米结构单元；

第二光学装置，用于将由所述分光镜反射的光聚焦，以形成用以光学成像的光信号。

2.根据权利要求1所述的用于共聚焦内窥镜的光学成像系统，其特征在于，所述光源为单色光或多种波长的复合的复色光。

3.根据权利要求1所述的用于共聚焦内窥镜的光学成像系统，其特征在于，所述用于共聚焦内窥镜的光学成像系统还包括滤光片，所述滤光片设置在所述第一光学装置和所述分光镜之间，并且，用于从经过所述第一光学装置的光中滤除工作波长之外的光。

4.根据权利要求1所述的用于共聚焦内窥镜的光学成像系统，其特征在于，所述第一光学装置为光学会聚透镜。

5.根据权利要求1所述的用于共聚焦内窥镜的光学成像系统，其特征在于，所述第一光学装置为第二超透镜光学装置，所述第二超透镜光学装置包括基底以及设置在基底上的超表面结构，所述超表面结构包括多个规则排布的纳米结构单元。

6.根据权利要求1所述的用于共聚焦内窥镜的光学成像系统，其特征在于，所述用于共聚焦内窥镜的光学成像系统还包括：带有小孔的遮光板，所述带有小孔的遮光板被配置成：阻挡由所述分光镜反射的光中的非焦面的部分。

7.根据权利要求1所述的用于共聚焦内窥镜的光学成像系统，其特征在于，所述第二光学装置为光学会聚透镜。

8.根据权利要求1所述的用于共聚焦内窥镜的光学成像系统，其特征在于，所述第二光学装置为第三超透镜光学装置，所述第三超透镜光学装置包括基底以及设置在基底上的超表面结构，所述超表面结构包括多个规则排布的纳米结构单元。

9.根据权利要求1-7中任一项所述的用于共聚焦内窥镜的光学成像系统，其特征在于，所述纳米结构单元为正六边形，所述正六边形各顶点和中心位置至少设置有一个所述纳米结构。

10.根据权利要求1-7中任一项所述的用于共聚焦内窥镜的光学成像系统，其特征在于，所述纳米结构单元为正方形，所述正方形各顶点和中心位置至少设置有一个所述纳米结构。

11.根据权利要求1所述的用于共聚焦内窥镜的光学成像系统，其特征在于，所述纳米结构的材料包括氧化钛、氮化硅、熔融石英、氧化铝、氮化镓、磷化镓、非晶硅、晶体硅和氢化非晶硅中的一种。

12.根据权利要求11所述的用于共聚焦内窥镜的光学成像系统，其特征在于，所述纳米结构为偏振相关结构或偏振无关结构。

13.根据权利要求12所述的用于共聚焦内窥镜的光学成像系统，其特征在于，所述偏振相关结构包括纳米鳍或纳米椭圆柱；所述偏振无关结构包括纳米圆柱或纳米方柱。

14.根据权利要求13所述的用于共聚焦内窥镜的光学成像系统，其特征在于，所述纳米结构与所述纳米结构之间填充有填充层。

15.根据权利要求14所述的用于共聚焦内窥镜的光学成像系统，其特征在于，所述填充层包括空气填充或者与所述纳米结构的折射率不同的其他工作波段的材料，所述其他工作波段的材料为透明或半透明的材料。

16.根据权利要求15所述的用于共聚焦内窥镜的光学成像系统，其特征在于，所述其他工作波段的材料的折射率与所述偏振相关结构的折射率差值的绝对值大于等于0.5。

17.根据权利要求1所述的用于共聚焦内窥镜的光学成像系统，其特征在于，所述基底为熔融石英、冕牌玻璃、火石玻璃和蓝宝石中的一种。

18.一种共聚焦内窥镜，其特征在于，包括：

探头；

如权利要求1-17中任一项所述的用于共聚焦内窥镜的光学成像系统；

控制器，控制所述内窥镜探头移动，以使所述探头扫描待测样本；

探测模块,将光信号转换为电信号进行成像。

19.根据权利要求18所述的共聚焦内窥镜，其特征在于，所述探测模块为单光子雪崩光电二极管。

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