为研制适用于扫频光学相干断层成像（Swept Source Optical Coherence Tomography，SS-OCT）系统的高性能侧视型全光纤镜头，分析了侧视型光纤镜头的性能影响因素及样品制作方法。对基于梯度折射率（Graded- Index，GRIN）光纤的侧视型全光纤镜头的光学模型进行解析，得出与侧视型全光纤镜头性能相关的特征参数。研究了“单模光纤+无芯光纤+GRIN光纤+转角介质”四段式侧视型镜头各组件长度对其光学聚焦性能的影响，设计各组件的适宜长度范围。最后，制作了外径小至0.5 mm、刚性长度2.75 cm的超小侧视型全光纤镜头样品，通过实验测得镜头的工作距离（0.52 mm）和光斑直径（26.82 μm），与理论分析结果基本一致，并将镜头样品集成于SS-OCT成像系统，获得了清晰的生物组织层析图像。实验结果表明，本文提出的分析方法可用于侧视型全光纤成像镜头结构参数的优化设计。
光学相干断层成像 光纤镜头 梯度折射率光纤 侧视成像 optical coherence tomography optical fiber lens GRIN fiber side-viewing 光学 精密工程
2023, 31(15): 2171
Author Affiliations
Abstract
Institute of Engineering and Computational Mechanics, University of Stuttgart, Pfaffenwaldring 9, 70569 Stuttgart, Germany
Transient dynamical–thermoelastic–optical system simulation is an important expansion of classical ray tracing through rigid, resting lenses because the operating performance of high-precision optical systems can be influenced by dynamical excitations or thermal gradients. In this paper an approach for an integrated optical system simulation using the coupling of elastic multibody system simulations, thermoelastic finite element analysis and gradient-index ray tracing is presented. Transient mechanical rigid body motions and elastic deformations, thermally induced refraction index changes, and thermal elastic deformations can be considered simultaneously in the ray tracing using the presented method. The calculation of the dynamical and thermal disturbances, the data transfer and coupling, and the gradient index ray tracing method are introduced. Finally, the approach is applied on a transient triplet lens optical system and some investigation results are shown.
GRIN ray tracing dn/dT Thermoelastic-optical system Dynamical-optical system Elastic multibody system Finite element methods Inhomogeneous media Transient analysis Journal of the European Optical Society-Rapid Publications
2023, 19(1): 2023006
1 宁波大学 红外材料及器件实验室，浙江 宁波 315211
2 先进红外光电材料与器件浙江省工程研究中心，浙江 宁波 315211
为了丰富当前可用红外材料的种类，满足新一代红外成像光学系统的轻薄化设计需求，充分利用硫系玻璃组分可调和色散参数可选两大特殊优势，开发了新型硫系玻璃材料，并且在同一系统指标要求下，分别对基于传统红外材料和基于新型硫系玻璃设计的红外光学系统进行了性能对比。基于高折射率硫系玻璃的中波双视场红外光学系统，有效实现了去锗化设计，与基于传统红外材料的红外光学系统相比较，光学系统质量减轻了35%，长度减少了15%，透过率提高了10%。基于叠层梯度折射率(gradient refractive index, GRIN)硫系玻璃的共光路、共焦面双波段红外光学系统，在非制冷型中/短波红外成像光学系统中首次实现了胶合透镜的设计，与基于传统红外材料的双波段红外光学系统相比较，光学系统质量减轻了40%，长度减少了30%，透过率提高了15%；在制冷型中/长波红外光学系统中，具有不同折射率差值Δn的GRIN硫系玻璃展现出卓越的色差校正能力，与基于传统红外材料的双波段红外光学系统相比较，光学系统质量减轻了20%，长度减少了20%，透过率提高了18%。设计结果表明，新型硫系玻璃的出现，是对现有红外材料的有益补充，为新一代红外成像光学系统提供了更为丰富的材料选择和更多的设计自由度，是实现轻薄化透射式红外光学系统的重要技术途径。
高折射率 梯度折射率(GRIN) 双波段 硫系玻璃 共口径 红外光学系统 high refractive index gradient refractive index (GRIN) chalcogenide glass dual-band common path infrared optical system 红外与激光工程
2023, 52(5): 20230102
上海大学机电工程与自动化学院精密机械系，上海 200444
基于超小自聚焦（GRIN）光纤探头的干涉条纹对比度，研究了GRIN光纤探头对F-P干涉信号的影响。利用高斯光束分析超小GRIN光纤探头干涉条纹对比度理论公式，建立相应的测试实验系统。实验结果表明：聚焦光斑直径为15 µm的超小GRIN光纤探头，在腔长为600~1350 µm范围内，条纹对比度可以保持在0.8以上。而单模光纤探头的条纹对比度如果要保持在0.8，腔长范围仅为130~530 µm。因此，所研制的超小GIRN光纤探头可有效提高F-P干涉仪在大腔长时的干涉条纹对比度，为超小GRIN光纤探头在较长初始腔长或大动态范围的应用研究中提供了理论依据。
F-P干涉仪 超小GRIN光纤探头 高斯光束 条纹对比度 激光与光电子学进展
2023, 60(1): 0106002
光学 精密工程
2022, 30(17): 2067
研究一种MEMS膜片与超小GRIN光纤镜头相结合的MEMS光纤声传感器，以及基于扫频OCT （Swept Source Optical Coherence Tomography，SS-OCT）解调系统的MEMS光纤声传感器性能测试方法。在进行建模分析的基础上，设计并研究MEMS膜片与超小GRIN光纤镜头相结合的MEMS光纤声传感器的制作工艺，搭建基于SS-OCT的声振测量系统，通过开展单频声信号、混频声信号、频率响应、声压灵敏度和系统稳定性测量实验，进行传感器的性能测试与标定。结果显示，所研究的MEMS光纤声传感器样品的频响范围为50 Hz~4.5 kHz，在频率为300 Hz时传感器声压灵敏度21.63 nm/Pa，信噪比（SNR）为44.1 dB，线性度为98.97%，重复性标准偏差为0.003。结果表明所研究的MEMS光纤声传感器可行，而且利用SS-OCT解调系统可对其传感性能进行有效测量。
超小GRIN光纤镜头 MEMS 光纤声传感器 SS-OCT ultra-small GRIN fiber lens MEMS optical fiber acoustic sensor SS-OCT 光学 精密工程
2022, 30(12): 1406
1 上海大学精密机械工程系, 上海 200444
2 近地面探测技术重点实验室, 江苏 无锡 214035
采用高精度纳米位移台作为被测振动体目标,研究基于超小自聚焦(GRIN)光纤探头的扫频光学相干层析成像(SS-OCT)测振技术。解析基于超小GRIN光纤探头的集成化SS-OCT工作性能,理论上该系统可测振动的最大峰峰值达12.5 mm,最大频率达25 kHz。搭建相应的测振实验系统,并进行微小振动的测试及分析。结果显示,设置纳米位移台振动峰峰值范围1 nm~5 μm、频率范围1~200 Hz,该集成化SS-OCT测振系统可测出频率1 Hz、峰峰值6 nm及以上的微小振动。对振幅为25 nm、频率为10Hz的单频正弦振动信号,系统的重复性实验标准偏差为0.003。结果表明,基于超小GRIN光纤探头的集成化SS-OCT系统具有测量微小振动的可行性,为进一步研究其在微小振动和位移等精确测量领域的应用提供了实验基础。
成像系统 扫频光学相干层析成像技术 超小自聚焦光纤探头 微小振动测量 低相干干涉 光学学报
2021, 41(15): 1511002
1 上海大学 精密机械工程系, 上海 200072
2 近地面探测技术重点实验室, 江苏 无锡 214035
梯度折射率(Gradient-index,GRIN)光纤探头是一种全光纤型超小光学镜头, 在心血管等狭小空间组织内窥影像检测中具有广阔的应用前景。但其发展一直缺少系统的理论体系。本文讨论探头设计、制作和性能测试等方面的关键问题。基于GRIN光纤探头聚焦性能的特征参数, 对解析设计方法与数值仿真设计方法进行比较分析。针对超小GRIN光纤探头的制作难题, 研究一种光纤熔接和切割的高精度一体化集成装置, 描述GRIN光纤探头的制作方法。此外, 分析了超小GRIN光纤探头聚焦性能检测的方法及装置。本文为超小GRIN光纤探头的设计、制作及性能测试提供了一个方法体系。
光学相干层析 微小光学探头 自聚焦光纤镜头 GRIN光纤探头 光纤熔接与切割 optical coherence tomography(OCT) ultra-small optical probe self-focusing optical fiber lens GRIN optical fiber probe fiber welding and cutting
南京理工大学 电子工程与光电技术学院, 南京 210094
利用自聚焦透镜和单模光纤搭建了基于光纤旋转连接器的内窥式扫频光源光学相干层析成像系统.利用Zemax模拟了内窥探头的光学性能, 分析了光纤到自聚焦透镜的距离和自聚焦透镜节距对探头性能参量的影响.在综合考虑元器件成本以及成像要求后, 选择无需定制, 节距为0.24 Pitch的自聚焦透镜, 确定光纤与自聚焦透镜之间的距离为0.7 mm.经实验测得该系统的横向分辨率约为19.5 μm, 纵向分辨率约为9 μm, 工作距离约为7 mm, 成像深度为6.2 mm(空气中), 与理论值接近.为了验证该系统对生物组织的成像性能, 利用该系统对猪食道进行离体成像, 重建后的层析图中可以明显地观察到猪肠道的表皮层和固有层.测量系统的各项成像性能参量以及对生物组织的成像性能表明该探头在内窥成像中是可行的.
光学相干层析成像 扫频光源 干涉 内窥成像 横向分辨率 工作距离 成像深度 纵向分辨率 自聚焦透镜 Optical coherence tomography Swept light source Interference Endoscopic imaging Lateral resolution Working distance Imaging depth Axial resolution Grin lens
1 Key Laboratory of Optoelectronic Devices and Systems of Guangdong Province, College of Optoelectronic Engineering,Shenzhen University, Shenzhen 518060, China
2 Department of Bioengineering, Clemson University, CU-MUSC Bioengineering Program, Charleston 29425, USA
With the rapid development of life sciences, there is an increasing demand for intravital fluorescence imaging of small animals. However, large dimensions and limited working distances of objective lenses in traditional fluorescence microscopes have limited their imaging applications mostly to superficial tissues. To overcome these disadvantages, researchers have developed the graded-index (GRIN) probes with small diameters for imaging internal organs of small animals in a minimally invasive fashion. However, dynamic imaging based on GRIN lens has not been studied extensively. Here, this paper presented a fluorescence endoscopic imaging system based on GRIN lenses using one-photon and two-photon excitation. GRIN lenses with 1.15 mm diameter and 7.65 mm length were used in the system. The images were acquired by a compact laser scanning imaging system with a resonant galvo-mirror system to scan the laser beam and a photomultiplier tube (PMT) to detect fluorescence signals. Experimental results showed that this system using two-photon excitation could implement dynamic fluorescence microendoscopic imaging and monitor the movement of blood flow beneath the skin in anesthetized mice while producing images with higher contrast and signal to noise ratio (SNR) than those using one photon excitation. It would be a useful tool for studying biological processes of small animals or plants in vivo.
one-photon excitation one-photon excitation two-photon excitation two-photon excitation graded-index (GRIN) lens graded-index (GRIN) lens fluorescence micorendoscopy fluorescence micorendoscopy dynamic imaging dynamic imaging Frontiers of Optoelectronics
2015, 8(2): 177
