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
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
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 机电工程与自动化学院, 上海 200444
2 中国科学院 苏州生物医学工程技术研究所, 江苏 苏州 215000
3 苏州国科医工科技发展(集团)有限公司, 江苏 苏州 215000
4 吉林大学 白求恩第一医院, 吉林 长春 130021
为了精确监测脑血管手术中术野范围内目标血管的流速及流量, 研究了一种基于激光散斑衬比成像(Laser Speckle Contrast Imaging, LSCI)技术的脑血流分析方法, 来确认血管吻合后血流的流通及脑部血流灌注情况。首先, 搭建LSCI系统采集散斑图像, 对它进行改进的时间衬比分析和伪彩色处理, 得到血流速度图像来监测流速变化。其次, 手动选取感兴趣区域的基准点截取感兴趣区域, 对感兴趣区域图像预处理后利用改进的Canny算法提取血管边缘线并计算血管管径。最后, 通过动物实验验证LSCI系统血流速度变化监测和血管管径测量功能的可靠性。实验结果显示: 改进的Canny算法将血管管径测量的相对误差降低到5.1%。基于LSCI技术的脑血流分析方法可监测血流速度变化, 并测量得到血管的有效流通直径, 结合激光多普勒血流仪可以实现术中血流流速及流量的精确监测。
激光技术 激光散斑 血流量 血管管径 时间衬比 laser technique laser speckle blood flow blood vessel diameter time contrast 光学 精密工程
2020, 28(11): 2411
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
