專利名稱：一種光纖掃描探頭及其驅(qū)動方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光學掃描成像技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種光纖掃描探頭及其 驅(qū)動方法。
背景技術(shù)：
光學成像不僅可以實現(xiàn)對活體組織的無損傷、非侵入、非電離輻射及 實時的探測和成像，而且可用于活體生物組織結(jié)構(gòu)分析、特性參數(shù)測量及 疾病的診斷和治療，發(fā)展勢頭迅猛。為了更好地觀察生物組織結(jié)構(gòu)，光學 掃描技術(shù)應運而生。比較具有代表性的光學掃描成像技術(shù)有光學相干層析
成像技術(shù)(Optical Coherence Tomography),共聚焦顯孩t成像、雙光子激 發(fā)熒光成像。光學相干層析成像技術(shù)具有成像快速、高分辨率等優(yōu)良特性， 對生物組織研究以及臨床應用均具有重要意義。共聚焦顯微成像以及雙光 子激發(fā)熒光成像可以用于組織的顯微結(jié)構(gòu)成像。為了適應研究以及臨床應 用上的需求，如在活體內(nèi)掃描成像以及組織顯微結(jié)構(gòu)成像，制作微型化的 內(nèi)窺式掃描探頭勢在必行。
內(nèi)窺式掃描探頭一般采用光纖傳導，原因是光纖具有體積小、操作方 便等特點。目前，常用的內(nèi)窺式掃描探頭大多數(shù)方案基于微型電機、MEMS 技術(shù)、電磁以及靜電效應設計。但這些設計存在著結(jié)構(gòu)復雜、體積較大、 成本較高、成像速度不高等缺點。于是研究者開始關(guān)注到壓電陶瓷(PZT), 它具有體積小、價格低廉、振動穩(wěn)定等優(yōu)點。
1997年MIT OCT小組采用了壓電陶瓷管帶動光纖振動方法，成功研制 了內(nèi)窺式掃描〗果頭(Boppart SA, Bouma BE, Pitris C et al, Forward—imaging instruments for optical coherence tomography. Opt Lett 22: 1618-1620， 1997.)。該設計為首例將PZT應用于掃描纟果頭的方案。 但此方案只能實現(xiàn)一維掃描，而且掃描范圍較小。但也給研究者設計內(nèi)窺 式光纖掃描探頭帶來了 一條新的思路。
比較具有代表性的是李新德在2004年用分割電極的壓電陶瓷管實現(xiàn) 了一種二維內(nèi)窺式光纖掃描^笨頭的方案(Xiumei Liu， Michael L Cobb, and Yuchuan Chen, Michael B. Kimmey， Xingde Li. Rapid—scanning forward—imaging miniature endoscope for real—time optical coherence tomography. Opt Lett, 29:1763—1765, 2004。)，并申請了美國專利 (Pub. No, :US2004/0254474 )。該探頭具有掃描范圍大、體積小、成l象速度高等優(yōu)點，但由于掃描方式為二維螺旋狀，成像的效果不均勻，內(nèi)部較外 部清晰。
浙江大學現(xiàn)代光學儀器國家重點實驗的丁志華等利用光纖懸臂的共振
特性，結(jié)合光纖懸臂的結(jié)構(gòu)不對稱性，研制了應用于光學相干層析(OCT) 成像的二維掃描光纖探頭(黃剛，丁志華，吳凌.單驅(qū)動二維掃描光纖探頭 研制.CHINESE JOURNAL OF LASERS, VOL. 34, No. 3， 2007 )。該設計僅 使用了一根PZT就實現(xiàn)了二維掃描的功能，簡化了掃描頭的結(jié)構(gòu)。但探頭 的掃描軌跡為利薩如圖形，成像的信噪比不是很高對成像的質(zhì)量會產(chǎn)生較 大的影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的針對現(xiàn)有技術(shù)的不足和缺陷，基于PZT的諸多優(yōu)點，而 提供一種光纖掃描探頭及其驅(qū)動方法，本發(fā)明利用一根PZT實現(xiàn)了二維掃 描的功能，這樣光纖掃描探頭的體積更小、結(jié)構(gòu)更為簡單同時掃描范圍大， 成像質(zhì)量高。這些獨具的優(yōu)勢讓其在臨床以及科學研究上具有良好的應用 前景。
一種光纖掃描探頭，其特征在于， 一片無逆壓電效應的薄導電基片內(nèi) 側(cè)對稱平行粘接有兩片鍍有電極層的壓電陶瓷片， 一段末端去掉涂覆層且 端面具有合適結(jié)構(gòu)的棵光纖粘接在兩片壓電陶瓷片中間，并預留0. 5-1. 5cm 長度棵光纖作為振動自由端，該光纖掃描探頭能夠完成二維掃描運動。 所述的薄導電基片可以是金屬片或?qū)щ娞祭w維，其厚度不超過0. 2mm。 所述的兩片鍍有電極層的壓電陶資片，當在電極層上施加電壓后，由于 逆壓電效應的作用，壓電陶乾片將產(chǎn)生長度方向的形變伸長或縮短。 所述的光纖可以是單模光纖、多模光纖或光子晶體光纖。 所述的端面具有合適結(jié)構(gòu)的棵光纖，其端面根據(jù)應用形式的不同，可 以是平端面、半5求形端面、拋物線形端面或錐形端面。
一種光纖掃描探頭的驅(qū)動方法，將光纖掃描探頭上薄導電基片接電源 地線，平行放置的兩片壓電陶資的電極分別接入驅(qū)動信號，驅(qū)動信號由兩 部分信號疊加而成， 一部分為幅值較大、頻率較低的鋸齒波，另一部分為 幅值較小，頻率剛好等于自由端光纖機械共振頻率的雙極性正弦波，驅(qū)動 信號的瞬時值為此兩部分信號瞬時值的和值，兩片壓電陶瓷片的驅(qū)動信號 鋸齒波部分具有相同的幅值和相位，兩片壓電陶瓷片在同 一時刻產(chǎn)生相同 的伸長或縮短量，從而帶動光纖端頭產(chǎn)生位置的移動，構(gòu)成光纖掃描頭的 場掃描動作。兩片壓電陶資片的驅(qū)動信號正弦波部分具有相同的幅值但是 位相剛好相差"，其作用的結(jié)果是使得在兩對壓電陶瓷片產(chǎn)生微小長度差從而產(chǎn)生平行于薄導電基片的微小擺動，由于擺動頻率剛好等于振動自由 端光纖機械共振頻率，因而光纖將產(chǎn)生振幅較大的共振行為，從而構(gòu)成光 纖掃描頭的^"掃描動作。
本發(fā)明具有如下特點
1 、本發(fā)明利用兩片壓電陶瓷片和一片薄導電基片驅(qū)動光纖構(gòu)成光纖二 維掃描探頭，簡化了光纖掃描探頭的結(jié)構(gòu)，能夠極大的縮小光纖掃描探頭 的尺寸，因此可以深入到活體體內(nèi)作為內(nèi)窺探頭使用。
2、 驅(qū)動方法巧妙的利用了光纖的諧振特性形成行掃描，增加了光纖的 行掃描范圍，同時場掃描采用了非諧振的方案，因此掃描過程不存在盲點。
3、 由于掃描軌跡與其他光學成像系統(tǒng)的掃描軌跡基本相同，有利于與 其他成像裝置配合使用。
4、 對檢測光纖無特殊要求，與其他光纖檢測系統(tǒng)耦合方便。
5、 制作方法簡單，成本低廉，利于推廣。


圖1光纖掃描探頭結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2外加Y方向電場探頭形變示意圖。 圖3形變位移量計算示意圖。 圖4外加極性相反電場探頭形變示意圖。 圖5探頭行掃描軌跡圖。 圖6驅(qū)動信號形式示意圖。 圖7光纖探頭二維掃描軌跡示意圖。 圖8驅(qū)動以及^l罙頭整體結(jié)構(gòu)示意圖。
圖9利用光纖掃描^:頭構(gòu)成內(nèi)窺熒光成像系統(tǒng)示意圖。
具體實施例方式
以下結(jié)合實例和附圖對本發(fā)明作進一步說明，但不應以此限制本發(fā)明 的保護范圍。
本發(fā)明可以通過如下的方式實現(xiàn)如圖1所示。
1、 取兩片單面鍍有電極層1的壓電陶瓷片2,利用環(huán)氧樹脂將兩片壓 電陶瓷片無鍍膜面平行粘接在無逆壓電效應的薄導電基片3上，壓電陶瓷 片間距以待用光纖4直徑為準；
2、 一段末端去掉涂覆層且端面具有合適結(jié)構(gòu)的棵光纖4粘接在兩片壓 電陶瓷片2中間，并預留0. 5-1.5cm長度棵光纖4作為振動自由端；
3、 在壓電陶瓷電極面l和薄導電基片3上分別焊接導線作為信號引線， 將光纖掃描探頭一端固定，在驅(qū)動信號作用下另一端能夠完成掃描功能；4、驅(qū)動信號由兩部分信號疊加而成， 一部分為幅值較大、頻率較低的 鋸齒波，另一部分為幅值較小，頻率剛好等于自由端光纖初4成共振頻率的 雙極性正弦波，驅(qū)動信號的瞬時值為此兩部分信號瞬時值的和值。兩片壓 電陶瓷片2的驅(qū)動信號鋸齒波部分具有相同的幅值和相位，兩片壓電陶瓷 片2在同一時刻產(chǎn)生相同的伸長或縮短量，從而帶動光纖4端頭產(chǎn)生位置 的移動，構(gòu)成光纖掃描頭的場掃描動作。兩片壓電陶乾片2的驅(qū)動信號正 弦波部分具有相同的幅值但是位相剛好相差"，其作用的結(jié)果是使得在兩 片壓電陶瓷片2產(chǎn)生微小長度差從而產(chǎn)生平行于薄導電基片3的微小擺動， 由于擺動頻率剛好等于振動自由端光纖4機械共振頻率，因而光纖4將產(chǎn) 生振幅較大的共振行為，從而構(gòu)成光纖掃描頭的行掃描動作。
為說明本發(fā)明的工作原理，定義壓電陶瓷片2長度方向為Z方向，厚 度方向為Y方向，寬度方向為X方向，且4叚設當外電場方向為Y方向負方 向(既電極層l接驅(qū)動電源正極，薄導電基片3接驅(qū)動電源負極)時壓 電陶瓷2產(chǎn)生長度方向(Z方向)的伸長動作。
如圖2a所示，當外加電場方向Y方向時，通過逆壓電效應，壓電陶乾 片2產(chǎn)生Z方向(長度方向)的伸長，由于薄導電基片3不存在逆壓電效 應，在電場下長度不發(fā)生變化，因此整體的作用的結(jié)果是使得整體產(chǎn)生Y 方向(厚度方向)上的凸形彎曲形變。同理，電場方向相反時產(chǎn)生凹形彎 曲形變?nèi)鐖D2b所示。當將其一端固定時，另一端將由于形變而產(chǎn)生位移。
以凸形彎曲形變?yōu)槔湮灰屏靠纱笾鹿浪闳缦掠捎谙啾扰c壓電陶 瓷片2長度/而言壓電陶瓷片2絕對形變量A/較小，因此可將凸形彎曲形變 近似看作直線，如圖3所示，變形前長度Z與變形后長度"A/分別為直角三 角形的直角邊和斜邊，則另 一條直角邊長度為端頭的位移量。
4y"(/十A/)2—/2
其中厶/ = ^乙/，屯為壓電系數(shù)，,為壓電陶瓷片厚度，7為外加電壓。 以PZT5典型參數(shù)為例，假設"50隱，d31=360, , = 0.3誦，7 = 200v，
則
即該光纖掃描〗果頭在200V電壓作用下的位移為1. lmm。 在兩片壓電陶覺片2上接入相同的驅(qū)動電壓，則兩片壓電陶資片2共同作用的結(jié)果與以上分析的一片壓電陶瓷作用結(jié)果相同。
如果驅(qū)動信號為一交變信號，則光纖掃描探頭移動位置將隨驅(qū)動信號
變化而變化。為保證掃描探頭的掃描范圍，通常壓電陶瓷2的長度為幾十 mm,因此其本身的諧振振動頻率通常為幾十到幾百Hz，當驅(qū)動信號頻率高 于諧振頻率時，其本身的振幅將大幅度縮小，因此y方向的位移較適合作 為相對頻率4交^^的場掃描。
如果在兩片壓電陶資上加上極性相反的兩個電場，如一片電極1上加 -Y方向電場，另一片電極1上加+Y方向電場，則兩片壓電陶瓷2中一片會 沿Z方向伸長，另一片沿Z方向縮短。則共同作用的結(jié)果4吏得整體在X方 向(寬度方向)產(chǎn)生彎曲形變。如圖4a、圖4b所示。
如果加在兩片壓電陶乾片2的驅(qū)動信號是具有相同的幅值但是位相剛 好相差"的正弦波，則作用的結(jié)果是使得在兩片壓電陶瓷片2產(chǎn)生隨時間 變化的微小長度差，從而產(chǎn)生平行于薄導電基片3的微小擺動，如果擺動 頻率剛好等于振動自由端光纖4機械共振頻率，光纖4將產(chǎn)生振幅較大的 共振行為，從而構(gòu)成光纖掃描頭的行掃描動作。根據(jù)振動理論，可得振動 自由端光纖的固有頻率f為
式中，L為自由端光纖長度，R為光纖半徑，E為光纖楊氏模量，^為 光纖密度，^由振動模數(shù)以及邊界條件決定為常數(shù)。光纖選定后，由于R、 E以及^也均為常數(shù)，光纖的固有頻率只與長度有關(guān)，可以通過調(diào)節(jié)振動自 由端光纖4長度達到特定的掃描頻率。當驅(qū)動信號的頻率接近光纖固有頻 率時，光纖4處于共振狀態(tài)，振動的振幅將達到最大。由此可以看出，行 掃描的光纖振幅主要取決于頻率是是否準確，而與壓電陶瓷片2的振幅關(guān) 系不大，因此在頻率準確的前提下，壓電陶瓷片2只需要^艮小的驅(qū)動電壓 就能夠使光纖4產(chǎn)生較大的掃描范圍。
仍以以上PZT5材料為例，當驅(qū)動信號幅度為IOV峰峰值時，掃描范圍 即可達500微米以上。實際的掃描圖像如圖5所示。
綜上所述，為使光纖掃描探頭完成二維掃描動作，驅(qū)動信號需要由兩 部分構(gòu)成， 一部分為幅值較大、頻率較低的鋸齒波，作為場掃描，另一部 分為幅值較小，頻率剛好等于自由端光纖機械共振頻率的雙極性正弦波， 作為行掃描，驅(qū)動信號的瞬時值為此兩部分信號瞬時值的和值。
兩片壓電陶資片2的驅(qū)動信號鋸齒波部分具有相同的幅值和相位，兩 片壓電陶乾片2在同一時刻產(chǎn)生相同的伸長或縮短量，從而帶動光纖4端頭產(chǎn)生位置的移動，構(gòu)成光纖掃描頭的場掃描動作。兩片壓電陶瓷片2的 驅(qū)動信號正弦波部分具有相同的幅值但是位相剛好相差兀，其作用的結(jié)果 是使得在兩對壓電陶瓷片2產(chǎn)生微小長度差從而產(chǎn)生平行于薄導電基片的 微小擺動，由于擺動頻率剛好等于振動自由端光纖4機械共振頻率，因而 光纖4將產(chǎn)生振幅較大的共振行為，從而構(gòu)成光纖掃描頭的行掃描動作。 兩個動作合成后的光纖4運動軌跡如圖7所示。 實施例一光纖掃描探頭的制作。步驟如下
1、 取單面鍍有電極層1的長度為50mm、寬度0. 2mm、厚度0. 2mm的壓 電陶瓷片2兩片，取厚度長度53毫米、寬度0. 6mm、厚度為0. lmm的薄銅 片3—片，利用環(huán)氧樹脂將兩片壓電陶瓷片2平行粘接在銅片3上，壓電 陶瓷片2—端與銅片3端頭平齊，兩片壓電陶瓷片2間距為0. 2mm。
2、 將一段單模光纖末端去掉30 ~ 40腿涂覆層露出棵光纖4，利用光纖 切割刀將光纖端面切割平整，將光纖4置于兩片壓電陶瓷片間空隙處，并 預留10mm長度(共振頻率約為lKHz)作為振動自由端，利用環(huán)氧樹脂將 光纖4牢固粘接在兩片壓電陶瓷片2間空隙處。
3、 在壓電陶瓷電極層1面和銅片3上分別焊接導線作為信號引線，將 無光纖一端固定。
4、 將銅片3上信號引線接信號地線，兩片壓電陶瓷片引線分別接入驅(qū) 動電源5如圖6所示形式的驅(qū)動信號，驅(qū)動信號由兩部分信號疊加而成， 一部分為幅值為0~ 200V、頻率為4Hz、上升時間與下降時間比率為9:1的 鋸齒波，另一部分為峰峰值10V，頻率lKHz的雙極性正弦波，驅(qū)動信號的 瞬時值為此兩部分信號瞬時值的和值。
5、 兩片壓電陶資片2的驅(qū)動信號鋸齒波部分具有相同的幅值和相位， 兩片壓電陶乾片2在同一時刻產(chǎn)生相同的伸長或縮短量，從而帶動光纖4 端頭產(chǎn)生4Hz、范圍約l.lmm的移動，構(gòu)成光纖掃描頭的場掃描動作。兩 片壓電陶瓷片2的驅(qū)動信號正弦波部分具有相同的幅值但是位相剛好相差 "，其作用的結(jié)果是使得在兩對壓電陶瓷片2產(chǎn)生微小長度差從而產(chǎn)生平 行于薄導電基片的微小擺動。由于擺動頻率(lKHz)剛好等于振動自由端 光纖4機械共振頻率(lKHz ),光纖4將產(chǎn)生振幅約為500微米的振動，從 而構(gòu)成光纖掃描頭的行掃描動作。
實施例二利用光纖掃描探頭構(gòu)成內(nèi)窺熒光成像系統(tǒng)。內(nèi)窺熒光成像 系統(tǒng)示意圖如圖9所示。
1、如實施例一步驟制作好光纖掃描探頭后，將其套入一直徑為2腿不 銹鋼管6內(nèi)，不銹鋼管6 —端預先安裝一個微凸透鏡7用于對光纖出射光的聚焦以及熒光的收集。
2、 調(diào)整光纖掃描探頭在不銹鋼管6內(nèi)的位置，使光纖軸心與透鏡7光 軸重合，并調(diào)整光纖4與透鏡7至合適距離后用環(huán)氧樹脂8將光纖探頭的 引線端與不銹鋼管6粘接在一起。
3、 將光纖及探頭的信號引線套入橡膠護套9后從不銹鋼管6的另一頭 引出，利用環(huán)氧樹脂8將橡膠護套9與不銹鋼管6粘接在一起，并保證密 封良好。
4、 激發(fā)光源10發(fā)出的光被二向色鏡11反射后經(jīng)過耦合透鏡12耦合 入光纖4中，激發(fā)光從光纖掃描探頭出射后經(jīng)過^:透鏡7聚焦在待測的熒 光染色樣品13上并激發(fā)樣品13發(fā)出熒光，熒光通過微透鏡7收集并耦合 入光纖掃描探頭的光纖4中，經(jīng)過光纖4傳輸后通過透鏡12準直穿過二向 色鏡11照射在光電倍增管14上。
5、 驅(qū)動電源5驅(qū)動光纖掃描探頭實現(xiàn)二維掃描，同時驅(qū)動電源5將驅(qū) 動信號送入圖像處理系統(tǒng)15。
6、 圖像處理系統(tǒng)15將光電倍增管14記錄下的熒光強度與驅(qū)動電源5 的掃描信號一一對應，即構(gòu)成完整的掃描圖像。
7、 將封裝后光纖掃描探頭插入到生物體內(nèi)即可進行內(nèi)窺熒光成像。
權(quán)利要求
1、一種光纖掃描探頭，其特征在于在一片無逆壓電效應的薄導電基片上對稱平行粘接有兩片鍍有電極層的壓電陶瓷片，一段末端去掉涂覆層且端面具有合適結(jié)構(gòu)的裸光纖粘接在兩片壓電陶瓷片中間，并預留0.5-1.5cm長度裸光纖作為振動自由端。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的光纖掃描探頭，其特征在于所述的薄導電 基片為金屬片或?qū)щ娞祭w維，其厚度不超過O. 2隨。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖掃描探頭，其特征在于所述的兩片鍍 有電極層的壓電陶瓷片，當在電極層上施加電壓后，壓電陶瓷片將產(chǎn)生長度 方向的形變伸長或縮短。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的光纖掃描探頭，其特征在于所述的光纖為 單模光纖、多模光纖或光子晶體光纖。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖掃描探頭，其特征在于所述的端面具 有合適結(jié)構(gòu)的棵光纖，棵光纖端面為平端面、半球形端面、拋物線形端面 或錐形端面。
6、 一種光纖掃描探頭的驅(qū)動方法，其特征在于將根據(jù)權(quán)利要求l-6 之一所述的光纖掃描探頭上薄導電基片接電源地線，平行放置的兩片壓電 陶瓷的電極分別接入驅(qū)動信號，驅(qū)動信號由鋸齒波和雙極性正弦波兩部分 信號疊加而成，驅(qū)動信號的瞬時值為此兩部分信號瞬時值的和值；兩片壓電陶瓷片的驅(qū)動信號鋸齒波部分具有相同的幅值和相位，兩片壓電陶瓷片 在同一時刻產(chǎn)生相同的伸長或縮短量，從而帶動光纖端頭產(chǎn)生位置的移動， 構(gòu)成光纖掃描頭的場掃描動作；兩片壓電陶瓷片的驅(qū)動信號正弦波部分具 有相同的幅值但是位相剛好相差冗，使得在兩對壓電陶資片產(chǎn)生微小長度 差從而產(chǎn)生平行于薄導電基片的微小擺動，由于擺動頻率剛好等于振動自 由端光纖機械共振頻率，光纖將產(chǎn)生振幅較大的共振行為，從而構(gòu)成光纖 掃描頭的行掃描動作。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種光纖掃描探頭及其驅(qū)動方法，在一片無逆壓電效應的薄導電基片上對稱平行粘接有兩片鍍有電極層的壓電陶瓷片，一段末端去掉涂覆層且端面具有合適結(jié)構(gòu)的裸光纖粘接在兩片壓電陶瓷片中間，并預留合適長度裸光纖作為振動自由端，兩片壓電陶瓷的電極分別接入驅(qū)動信號，驅(qū)動信號由鋸齒波和正弦波疊加而成，鋸齒波使兩片壓電陶瓷片在同一時刻產(chǎn)生相同的伸長或縮短量，帶動光纖端頭產(chǎn)生位置的移動完成場掃描動作，正弦波使兩對壓電陶瓷片產(chǎn)生微小長度差從而產(chǎn)生平行于薄導電基片的微小擺動而使光纖產(chǎn)生振幅較大的共振行為完成行掃描動作。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，有效地減小探頭體積。讓探頭掃描更加穩(wěn)定，消除成像質(zhì)量不均勻的情況。
文檔編號A61B1/07GK101444416SQ20081023741
公開日2009年6月3日 申請日期2008年12月26日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月26日
發(fā)明者玲 付, 劉志海, 曾紹群, 駱清銘 申請人:華中科技大學