專利名稱：錐形光纖束大范圍高分辨柔性成像方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及微米級成像技術，尤其是涉及一種錐形光纖束大范圍高分辨柔性成像方法及裝置。
背景技術：
光纖是本世紀發展起來的新型功能材料。近二十年來，光纖被廣泛應用于通信和非通信領域。非通信光纖的應用領域相當廣泛，歸納起來，其功能性應用在以下三方面，即傳光、傳像和傳感。光纖的彎曲靈活性和傳輸高亮度冷光的優點，使得它在醫學上有廣泛的應用。
為了能夠大范圍、快速成像，在單根或數根光纖成像的基礎上，又出現了傳像束。柔軟光纖傳像束的制造是先將光纖單絲在盤上有序排成一單片，然后將單片層疊成束。光纖傳像束由成千上萬根光纖絲有序排列而成(即像素光纖)。每根像素光纖有芯子和包層，芯子的折射率比包層高，光線可在它們的界面產生全反射從而被限制在芯子里向前傳播。圖像通過物鏡成像在傳像光纖的端面上，被像素光纖離散化，每個像素傳輸圖像的一個像點；由于像素光纖的相關性，在光纖的另一端，所有像點組成原來的圖像，通過目鏡就可觀察到這幅圖像。傳像光纖這種圖像柔性傳輸特性被有效地用于內窺鏡和潛望鏡，使人類的視覺得到了新的延伸。光纖傳像束可在柔軟彎曲狀態下傳像，實現在危險和人眼無法直接觀察環境下的圖像傳遞。可在強磁場、電場、高溫、高濕、輻射及振動環境下使用。光纖傳像束可連接CCD，將圖像在監視器上顯示。
柔性傳像束主要用于制造各種醫療內窺鏡、工業內窺鏡及內窺監控儀器。柔性傳像束的可撓性強，自由度大，比較容易實現一米以上較長光路的結構需要，與傳統光學透鏡光路比較，其結構簡單、重量輕、不需要復雜的機械結構，被廣泛用于航空、航天、汽車制造、工農業機械、石油化工、電子、建筑、鋼鐵、軍事等諸多領域。傳像束的遠距離傳輸特性，使很多復雜的嚴峻環境下的監視成為現實，如高爐、核反應堆、發電機、火箭尾部以及人體內。在軍事、宇航、工業、醫療等領域大有用武之地。另外，利用它還可以實現遠距離全息成像、窺視，還可與其他裝置配合進行特種攝影及紅外傳像。
傳像束由于其軍事上的敏感性，很多尖端產品國外對我們實行禁運。國內已有單位進行規模化生產。但它的應用還遠遠沒有開發出來。目前傳像束主要應用于平端傳像束的遠距離傳像(數米)，它的像素決定于每根光纖的直徑(幾十至上百微米)，達不到微米級成像的高分辨要求，而且像素之間有盲區，影響了傳像的質量，成像范圍約1-2毫米。
目前錐形光纖主要用于近場掃描顯微鏡的光纖探針，其針尖半徑只有50-100nm，面向的是納米級的成像問題，其精密成像問題，非常微弱信號的提取等問題還沒有得到有效解決。也有錐形光纖束的產品出現，但它的每根光錐，小端為數十微米，大端為上百微米，長度為幾個厘米，主要功能不是傳像，而是光放大及解決光場和CCD端面的耦合問題。
從測量方式來看，表面微觀輪廓的測量可分為接觸式和非接觸式。接觸式很難用于起伏的表面輪廓測量，且易損傷表面。非接觸式測量主要以光學方法為代表，微幾何量測量具有以下特點測量力引起的誤差較大；定位誤差往往較大；溫度引起的誤差小；被測件輪廓影像易受異物的影響；衍射效應的影響大。目前，光切法、干涉法、共焦顯微干涉法等非接觸測量方法已經成為對微小構件精密測量的主要方法。而干涉測量方法在提供的信息量、信息的可靠性以及提取信息的手段方面都存在一些固有的限制；共焦法、近場顯微鏡等要解決自身的精密成像問題，而且信號非常微弱，主要面向的是納米級的成像問題。掃描探針顯微鏡(AFM、STM等)可以做到半接觸式，對表面損傷較小，但它是利用探針與測量物質間的不同作用力來確定他們之間的位置關系，從而獲得微觀結構的表面形貌，是主要面向的是納米級的成像問題，不確定因素多，雜噪信號大；而且是間接成像，要解決探針一樣品相互作用力引起的誤差及圖像的可靠性問題。
納米技術現在已經得到了迅猛發展，但其過熱勢頭也引起了人們的警覺。目前微米級成像仍然受到廣泛需要。將納米成像技術用到微米成像，從理論方法到信號的有效利用，測量范圍、速度都存在很大問題。

發明內容
為了克服背景技術的不足，本發明的目的是提供一種錐形光纖束大范圍高分辨柔性成像方法及裝置。本系統每個像素分辨率可達1μm，消除了盲區，掃描范圍可達幾百μm至幾十毫米(視實際需求選用不同的掃描器)，高速度(光纖束中有數千甚至上萬根光纖，在保證高分辨的前提下，大大提高了掃描速度)，并能適應不同的起伏表面(如放置細胞的凹槽容器)得到清晰的圖像。
本發明主要面對廣泛需要的微米級成像系統。微機電系統(MEMS)的迅速發展對精密檢測技術提出了新的要求。檢測技術已經成為了MEMS設計、仿真、制造及質量控制和評價的關鍵環節之一。由于MEMS具有體積小、集成度高等特點，針對MEMS的微小構件的三維尺寸、三維形貌等的微幾何量精密測量，傳統的檢測技術已不能完全滿足需要，研究一種精度高、簡單便捷、成本低的檢測方法已經成為MEMS發展的迫切需要。各類磁盤襯底、半導體用硅片拋光面、各類精密光學元件，尤其是當前大功率激光器研制的過程中，對各種諧振腔表面及晶體表面的檢測，生物醫學方面，如細胞自動檢測，高密度生物芯片熒光成像等都需要微米級成像儀器。
針對MEMS的微幾何量檢測，集成電路檢測，精密光學元件表面檢測及生物醫學等方面的微米級成像問題的特點，本發明采用柔性錐形光纖束，并配合光、機、電精密檢測技術，發展一種大范圍、高效、快速，高分辨，高清晰、直接成像的柔性化傳像系統，對當今世界優先發展的光子技術，MEMS系統及細胞診斷學具有重要意義。
本發明解決其技術問題所采用的技術方案是一、一種錐形光纖束大范圍高分辨柔性成像方法由半導體激光器發射的1310nm的激光依次進入光環形器，光纖探針，從光纖探針中出射的光垂直照射到被測樣品表面，并通過光纖探針接收被測樣品表面的反射光，進入光環形器，最后進入探測器。根據樣品表面輪廓的高低不同，得到的反射光的強度也不同，進而得到的光電信號也不同，獲取該物體表面信息。
二、一種錐形光纖束大范圍高分辨柔性成像裝置光源經第一透鏡接入光環形器的入口A，光環形器的第一出口B經樣品反射后返回，從光環形器的第二出口經第二透鏡耦合接入探測器，三維掃描器與光環形器的光纖探針相連，計算機分別與探測器和三維掃描器電連接。
本發明與背景技術相比具有的有益效果是本系統每個像素分辨率可達1μm，消除了盲區，掃描范圍可達幾百μm至幾十毫米(視實際需求選用不同的掃描器)，高速度(光纖束中有數千甚至上萬根光纖，在保證高分辨的前提下，大大提高了掃描速度)，并能適應不同的起伏表面(如放置細胞的凹槽容器)得到清晰的圖像。可換上不同的探頭，實現平端無掃描傳像的功能(如醫用內窺鏡)和錐形光纖束掃描功能。


圖1錐形光纖束大范圍高分辨柔性成像方法光路示意圖。
圖2錐形光纖束大范圍高分辨柔性成像方法裝置圖。
圖中1、光源，2、光環形器，3、三維掃描器，4、探測器，5、計算機，6、透鏡，7、透鏡，8、樣品。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明作進一步的說明如圖1所示，由半導體激光器發射的1310nm的激光依次進入光環形器，光纖探針，從光纖探針中出射的光垂直照射到被測樣品表面，并通過光纖探針接收被測樣品表面的反射光，進入光環形器，最后進入探測器。根據樣品表面輪廓的高低不同，得到的反射光的強度也不同，進而得到的光電信號也不同，獲取該物體表面信息。
圖2是錐形光纖束大范圍高分辨柔性成像方法裝置圖光源1經第一透鏡6接入光環形器2的入口A，光環形器2的第一出口B經樣品8反射后返回，從光環形器2的第二出口C經第二透鏡7耦合接入探測器4，三維掃描器3與光環形器2的光纖探針相連，計算機5分別與探測器4和三維掃描器3電連接。以上器件均可在市場上選購得到。
1)光纖制成錐形，端面直徑為1μm，錐角大約45°。解決了常規光纖束分辨率不夠的問題。將這樣一束錐形光纖組成光纖探頭。避開了常規探針采用的單根掃描，提高了掃描速度，光收集效率和分辨率。
2)照明光通過透鏡1進入一個光環形器，光沿順時針方向進入端口B和端口C，從而將光導入探頭，再將探頭收集的信息經過透鏡2耦合進入探測器。光環形器可以防止光線的反射，具有高光隔離度，高方向性，低串擾，低的插入損耗的特點。
3)光纖探頭在一個精密三維掃描器上。掃描器一方面控制光纖探頭的二維平面掃描，同時精密控制探針和樣品之間的最小工作距離。這里的光是高斯光束，探針和樣品之間要保持在瑞利判據之內，光場擴散不大。利用光纖信號強弱作為反饋信號，控制z向反饋。
4)探測器采用一個具有極低暗電流的高靈敏度CCD圖像傳感器。
5)計算機編程軟件處理CCD收集的信息，將CCD掃描過程中得到的圖像拼接成被測表面的完整圖像。該軟件具有友好的人機對話界面，控制參數可調節。同時還具有強大的圖像處理功能，如圖像柔化、銳化；對比度、亮度調整；立體旋轉、偽彩色調整等。一方面顯示出經處理的樣品表面圖像，另一方面根據此信息將反饋信號送往掃描器，控制z向自動反饋。
權利要求
1.一種錐形光纖束大范圍高分辨柔性成像方法，其特征在于由電源LD激光二極管發射的1310nm的激光依次進入光環形器，光纖探針，進而從光纖探針中出射的光垂直照射到被測樣品表面，并通過光纖探針接收被測樣品表面的反射光，進入光環形器，最后進入光電二極管。根據樣品表面輪廓的高低不同，得到的反射光的強度也不同，進而得到的光電信號也不同，獲取該物體表面信息。
2.一種錐形光纖束大范圍高分辨柔性成像裝置，其特征在于光源(1)經第一透鏡(6)接入光環形器(2)的入口A，光環形器(2)的第一出口B經樣品(8)反射后返回，從光環形器(2)的第二出口C經第二透鏡(7)耦合接入探測器(4)，三維掃描器(3)與光環形器(2)的光纖探針相連，計算機(5)分別與探測器(4)和三維掃描器(3)電連接。
全文摘要
本發明公開了一種錐形光纖束大范圍高分辨柔性成像方法及裝置，采用柔性錐形光纖束，并配合光、機、電精密檢測技術，發展一種大范圍、高效、快速，高分辨、高清晰、直接成像的柔性化傳像系統。在該傳像系統中，每個像素分辨率可達1μm，消除了盲區，掃描范圍可達幾百μm至幾十毫米，高速度，并能適應不同的起伏表面得到清晰的圖像。本發明可用于當今世界優先發展的光子技術、MEMS系統及細胞診斷學等領域。
文檔編號G01B11/24GK1987417SQ20061015551
公開日2007年6月27日 申請日期2006年12月27日 優先權日2006年12月27日
發明者吳蘭, 王世明, 徐向東, 朱韌, 丁志華, 嚴小青 申請人:浙江大學