专利名称：锥形光纤束大范围高分辨柔性成像方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及微米级成像技术，尤其是涉及一种锥形光纤束大范围高分辨柔性成像方法及装置。
背景技术：
光纤是本世纪发展起来的新型功能材料。近二十年来，光纤被广泛应用于通信和非通信领域。非通信光纤的应用领域相当广泛，归纳起来，其功能性应用在以下三方面，即传光、传像和传感。光纤的弯曲灵活性和传输高亮度冷光的优点，使得它在医学上有广泛的应用。
为了能够大范围、快速成像，在单根或数根光纤成像的基础上，又出现了传像束。柔软光纤传像束的制造是先将光纤单丝在盘上有序排成一单片，然后将单片层叠成束。光纤传像束由成千上万根光纤丝有序排列而成(即像素光纤)。每根像素光纤有芯子和包层，芯子的折射率比包层高，光线可在它们的界面产生全反射从而被限制在芯子里向前传播。图像通过物镜成像在传像光纤的端面上，被像素光纤离散化，每个像素传输图像的一个像点；由于像素光纤的相关性，在光纤的另一端，所有像点组成原来的图像，通过目镜就可观察到这幅图像。传像光纤这种图像柔性传输特性被有效地用于内窥镜和潜望镜，使人类的视觉得到了新的延伸。光纤传像束可在柔软弯曲状态下传像，实现在危险和人眼无法直接观察环境下的图像传递。可在强磁场、电场、高温、高湿、辐射及振动环境下使用。光纤传像束可连接CCD，将图像在监视器上显示。
柔性传像束主要用于制造各种医疗内窥镜、工业内窥镜及内窥监控仪器。柔性传像束的可挠性强，自由度大，比较容易实现一米以上较长光路的结构需要，与传统光学透镜光路比较，其结构简单、重量轻、不需要复杂的机械结构，被广泛用于航空、航天、汽车制造、工农业机械、石油化工、电子、建筑、钢铁、军事等诸多领域。传像束的远距离传输特性，使很多复杂的严峻环境下的监视成为现实，如高炉、核反应堆、发电机、火箭尾部以及人体内。在军事、宇航、工业、医疗等领域大有用武之地。另外，利用它还可以实现远距离全息成像、窥视，还可与其他装置配合进行特种摄影及红外传像。
传像束由于其军事上的敏感性，很多尖端产品国外对我们实行禁运。国内已有单位进行规模化生产。但它的应用还远远没有开发出来。目前传像束主要应用于平端传像束的远距离传像(数米)，它的像素决定于每根光纤的直径(几十至上百微米)，达不到微米级成像的高分辨要求，而且像素之间有盲区，影响了传像的质量，成像范围约1-2毫米。
目前锥形光纤主要用于近场扫描显微镜的光纤探针，其针尖半径只有50-100nm，面向的是纳米级的成像问题，其精密成像问题，非常微弱信号的提取等问题还没有得到有效解决。也有锥形光纤束的产品出现，但它的每根光锥，小端为数十微米，大端为上百微米，长度为几个厘米，主要功能不是传像，而是光放大及解决光场和CCD端面的耦合问题。
从测量方式来看，表面微观轮廓的测量可分为接触式和非接触式。接触式很难用于起伏的表面轮廓测量，且易损伤表面。非接触式测量主要以光学方法为代表，微几何量测量具有以下特点测量力引起的误差较大；定位误差往往较大；温度引起的误差小；被测件轮廓影像易受异物的影响；衍射效应的影响大。目前，光切法、干涉法、共焦显微干涉法等非接触测量方法已经成为对微小构件精密测量的主要方法。而干涉测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、近场显微镜等要解决自身的精密成像问题，而且信号非常微弱，主要面向的是纳米级的成像问题。扫描探针显微镜(AFM、STM等)可以做到半接触式，对表面损伤较小，但它是利用探针与测量物质间的不同作用力来确定他们之间的位置关系，从而获得微观结构的表面形貌，是主要面向的是纳米级的成像问题，不确定因素多，杂噪信号大；而且是间接成像，要解决探针一样品相互作用力引起的误差及图像的可靠性问题。
纳米技术现在已经得到了迅猛发展，但其过热势头也引起了人们的警觉。目前微米级成像仍然受到广泛需要。将纳米成像技术用到微米成像，从理论方法到信号的有效利用，测量范围、速度都存在很大问题。
发明内容
为了克服背景技术的不足，本发明的目的是提供一种锥形光纤束大范围高分辨柔性成像方法及装置。本系统每个像素分辨率可达1μm，消除了盲区，扫描范围可达几百μm至几十毫米(视实际需求选用不同的扫描器)，高速度(光纤束中有数千甚至上万根光纤，在保证高分辨的前提下，大大提高了扫描速度)，并能适应不同的起伏表面(如放置细胞的凹槽容器)得到清晰的图像。
本发明主要面对广泛需要的微米级成像系统。微机电系统(MEMS)的迅速发展对精密检测技术提出了新的要求。检测技术已经成为了MEMS设计、仿真、制造及质量控制和评价的关键环节之一。由于MEMS具有体积小、集成度高等特点，针对MEMS的微小构件的三维尺寸、三维形貌等的微几何量精密测量，传统的检测技术已不能完全满足需要，研究一种精度高、简单便捷、成本低的检测方法已经成为MEMS发展的迫切需要。各类磁盘衬底、半导体用硅片抛光面、各类精密光学元件，尤其是当前大功率激光器研制的过程中，对各种谐振腔表面及晶体表面的检测，生物医学方面，如细胞自动检测，高密度生物芯片荧光成像等都需要微米级成像仪器。
针对MEMS的微几何量检测，集成电路检测，精密光学元件表面检测及生物医学等方面的微米级成像问题的特点，本发明采用柔性锥形光纤束，并配合光、机、电精密检测技术，发展一种大范围、高效、快速，高分辨，高清晰、直接成像的柔性化传像系统，对当今世界优先发展的光子技术，MEMS系统及细胞诊断学具有重要意义。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是一、一种锥形光纤束大范围高分辨柔性成像方法由半导体激光器发射的1310nm的激光依次进入光环形器，光纤探针，从光纤探针中出射的光垂直照射到被测样品表面，并通过光纤探针接收被测样品表面的反射光，进入光环形器，最后进入探测器。根据样品表面轮廓的高低不同，得到的反射光的强度也不同，进而得到的光电信号也不同，获取该物体表面信息。
二、一种锥形光纤束大范围高分辨柔性成像装置光源经第一透镜接入光环形器的入口A，光环形器的第一出口B经样品反射后返回，从光环形器的第二出口经第二透镜耦合接入探测器，三维扫描器与光环形器的光纤探针相连，计算机分别与探测器和三维扫描器电连接。
本发明与背景技术相比具有的有益效果是本系统每个像素分辨率可达1μm，消除了盲区，扫描范围可达几百μm至几十毫米(视实际需求选用不同的扫描器)，高速度(光纤束中有数千甚至上万根光纤，在保证高分辨的前提下，大大提高了扫描速度)，并能适应不同的起伏表面(如放置细胞的凹槽容器)得到清晰的图像。可换上不同的探头，实现平端无扫描传像的功能(如医用内窥镜)和锥形光纤束扫描功能。
图1锥形光纤束大范围高分辨柔性成像方法光路示意图。
图2锥形光纤束大范围高分辨柔性成像方法装置图。
图中1、光源，2、光环形器，3、三维扫描器，4、探测器，5、计算机，6、透镜，7、透镜，8、样品。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明如图1所示，由半导体激光器发射的1310nm的激光依次进入光环形器，光纤探针，从光纤探针中出射的光垂直照射到被测样品表面，并通过光纤探针接收被测样品表面的反射光，进入光环形器，最后进入探测器。根据样品表面轮廓的高低不同，得到的反射光的强度也不同，进而得到的光电信号也不同，获取该物体表面信息。
图2是锥形光纤束大范围高分辨柔性成像方法装置图光源1经第一透镜6接入光环形器2的入口A，光环形器2的第一出口B经样品8反射后返回，从光环形器2的第二出口C经第二透镜7耦合接入探测器4，三维扫描器3与光环形器2的光纤探针相连，计算机5分别与探测器4和三维扫描器3电连接。以上器件均可在市场上选购得到。
1)光纤制成锥形，端面直径为1μm，锥角大约45°。解决了常规光纤束分辨率不够的问题。将这样一束锥形光纤组成光纤探头。避开了常规探针采用的单根扫描，提高了扫描速度，光收集效率和分辨率。
2)照明光通过透镜1进入一个光环形器，光沿顺时针方向进入端口B和端口C，从而将光导入探头，再将探头收集的信息经过透镜2耦合进入探测器。光环形器可以防止光线的反射，具有高光隔离度，高方向性，低串扰，低的插入损耗的特点。
3)光纤探头在一个精密三维扫描器上。扫描器一方面控制光纤探头的二维平面扫描，同时精密控制探针和样品之间的最小工作距离。这里的光是高斯光束，探针和样品之间要保持在瑞利判据之内，光场扩散不大。利用光纤信号强弱作为反馈信号，控制z向反馈。
4)探测器采用一个具有极低暗电流的高灵敏度CCD图像传感器。
5)计算机编程软件处理CCD收集的信息，将CCD扫描过程中得到的图像拼接成被测表面的完整图像。该软件具有友好的人机对话界面，控制参数可调节。同时还具有强大的图像处理功能，如图像柔化、锐化；对比度、亮度调整；立体旋转、伪彩色调整等。一方面显示出经处理的样品表面图像，另一方面根据此信息将反馈信号送往扫描器，控制z向自动反馈。
权利要求
1.一种锥形光纤束大范围高分辨柔性成像方法，其特征在于由电源LD激光二极管发射的1310nm的激光依次进入光环形器，光纤探针，进而从光纤探针中出射的光垂直照射到被测样品表面，并通过光纤探针接收被测样品表面的反射光，进入光环形器，最后进入光电二极管。根据样品表面轮廓的高低不同，得到的反射光的强度也不同，进而得到的光电信号也不同，获取该物体表面信息。
2.一种锥形光纤束大范围高分辨柔性成像装置，其特征在于光源(1)经第一透镜(6)接入光环形器(2)的入口A，光环形器(2)的第一出口B经样品(8)反射后返回，从光环形器(2)的第二出口C经第二透镜(7)耦合接入探测器(4)，三维扫描器(3)与光环形器(2)的光纤探针相连，计算机(5)分别与探测器(4)和三维扫描器(3)电连接。
全文摘要
本发明公开了一种锥形光纤束大范围高分辨柔性成像方法及装置，采用柔性锥形光纤束，并配合光、机、电精密检测技术，发展一种大范围、高效、快速，高分辨、高清晰、直接成像的柔性化传像系统。在该传像系统中，每个像素分辨率可达1μm，消除了盲区，扫描范围可达几百μm至几十毫米，高速度，并能适应不同的起伏表面得到清晰的图像。本发明可用于当今世界优先发展的光子技术、MEMS系统及细胞诊断学等领域。
文档编号G01B11/24GK1987417SQ20061015551
公开日2007年6月27日 申请日期2006年12月27日 优先权日2006年12月27日
发明者吴兰, 王世明, 徐向东, 朱韧, 丁志华, 严小青 申请人:浙江大学