基于环形光束的超细光谱内窥探头

技术领域

本发明专利属于光学检测领域，具体涉及了一种基于环形光束的超细光谱内窥探头。

背景技术

内窥探头集成了计算机技术、光电技术、精密仪器技术，其在生物医学工程领域有着十分广泛的应用，例如工业管道的泄漏物质检测、生物医学中的消化道检测等。从功能角度出发，内窥探头也分为图像检测与光谱检测两种功能，其中光谱检测系统可以通过光谱数据对微小空间中的物质分子进行精密分析，逐渐获得了越来越多专业人士的认可。然而，当前的光谱检测仪器通常尺寸较大，为了实现内窥级别的光谱检测，常使用光纤作为照明光源与信号光的传输介质。然而，光纤式的内窥探头通常只能检测少数几个位置点的光谱信号，无法全面的获取待测样品的光谱信息。

本发明专利根据当前内窥探头检测技术中的不足，提出一种基于环形光束的超细光谱内窥探头，该技术结合了光纤光谱检测技术，计算机图像处理技术与精密仪器技术，使用超连续谱激光作为宽波段照明光源，通过专门的光学元件将光束转换为环形，实现侧向照明，利用光纤传递激发光与信号光，通过光谱仪器检测信号光，由此可以对微小空间实现360度角的侧向光谱检测，帮助人们从分子水平分析微小空间的表征信息，该技术在今后的医疗检验，工业检测等领域具有重要的应用前景。

发明内容

本发明专利的目的是针对现有技术的不足，提出了一种超细光谱内窥探头，这种检测方法使用超细光谱内窥探头来实现微小空间的光谱诊断，在保证该光谱检测系统小型化的前提下还能够360度获取微小空间内的反射光谱，这种光纤光谱检测方法具备检测精度高，探头精细小巧的特征，在医疗和工业等领域具备较好的应用前景。

本发明专利解决其技术问题所采用的技术方案如下：

本发明专利包括超连续谱激光模块、光纤内窥模块以及光谱检测模块，超连续谱激光模块包括超连续谱激光器，分光镜片以及消色差透镜，光纤内窥模块包括多模光纤束、光纤透镜以及锥形光学元件，光谱检测模块包括聚焦透镜、狭缝、准直镜、光栅、光楔、成像镜以及阵列光电探测器，超连续谱激光器输出的光源通过分光镜片反射后，经过消色差透镜聚焦到光纤内窥模块的多模光纤束中的光源光纤中，激光通过光源光纤后出射，通过光纤透镜后准直出射，照射到锥形光学元件上，并向垂直于光纤光轴的平面上360度出射光源，形成环形光束，环形光束照射微小空间中的物体后，发生后向散射以及后向反射，形成信号光，信号光逆向传输，到达到锥形光学元件后反向传输，通过光纤透镜后聚焦到多模光纤束中的探测光纤束中，通过探测光纤束的传输后出射，逆向通过超连续谱激光模块中的消色差透镜后准直输出，透过分光镜片后由光谱检测模块中的聚焦透镜聚焦到狭缝处，通过狭缝后由准直镜准直，准直光线通过光栅实现衍射分光，通过光楔转折一阶衍射光的中心波长光线至光轴，并由成像镜聚焦到阵列光电探测器处，实现光谱检测。

所述超连续谱激光模块包括超连续谱激光器，分光镜片以及消色差透镜，超连续谱激光器出射的激光被分光镜片反射后，进一步的被消色差透镜聚焦，其焦点与光纤内窥模块中的光源光纤入射端面重合。

所述光纤内窥模块包括多模光纤束、光纤透镜以及锥形光学元件组成，多模光纤束中包含一根光源光纤以及N根探测光纤束，光源光纤与探测光纤束的两侧端面平行，光源光纤用于传递超连续谱激光作为照明光，照明光从光源光纤的出射端面出射后，由光纤透镜准直输出，光纤透镜的后焦面与光源光纤的出射端面重合，准直的光线通过锥形光学元件后，向垂直于光纤光轴的平面上360度出射光源，形成环形光束，照射周围的物体，物体的后向散射与反射光线以信号光的形式通过锥形光学元件后，逆向传输，并被光纤透镜聚焦到N根探测光纤束的入射端面处，经过N根探测光纤束的传输后，从其出射端面出射，并透过分光镜片，到达光谱检测模块。

所述光谱检测模块包括聚焦透镜、狭缝、准直镜、光栅、成像镜以及阵列光电探测器，从光纤内窥模块的探测光纤束出射的信号光透过分光镜片，由光谱检测模块的聚焦透镜聚焦到狭缝处，通过狭缝的光线由准直镜准直，聚焦透镜的后焦面、狭缝以及准直镜的前焦面三者重合，准直光线由光栅衍射分光，衍射光线被成像镜聚焦到阵列光电探测器中，阵列光电探测器中有M个光电传感器，将光谱信号转换为M个电信号，定义为数组Spec[M]，M是大于1的整数，在实际检测过程中，光纤内窥模块逐渐深入探测空间内部，在该过程中依次采集不同时刻的光谱数据，定义整个过程采集K次光谱，K是大于1的整数，最后获取的光谱数据定义为数组Speecimg[M,K]，其中Speecimg[1:M,i]表示第i次检测到的光谱数据，i是取值范围为1到K的整数，数组Speecimg[M,K]可在计算机中展现光谱图像形式，供使用者直观获取微小空间内全局光谱信息。

本发明专利的有益效果：

通过本发明专利的方法，使用锥形光学元件，将准直的光线转换成环形光束，360度照射周边物体，并使用光纤作为传输照明光与信号光的介质，以超连续谱激光作为高相干性光源，同时实现了大范围以及宽波段的内窥检测，通过该方法可以在微小空间中完整的获取全局光谱信息，有利于精确的对物体内部的物质分子进行量化分析。

附图说明

图1为使用锥形反射镜的超细光谱内窥探头示意图。

图2为使用锥形反射镜的光纤内窥模块示意图。

图3为使用锥形透镜的超细光谱内窥探头示意图。

图4为使用锥形透镜的光纤内窥模块示意图。

具体实施方式

为了使公众能够更加清楚地理解本发明专利的技术实质和有益效果，申请人将在下面以实施例的方式作详细说明，但是对实施例的描述均不是对本发明专利方案的限制，任何依据本发明专利构思所作出的仅仅为形式上的而非实质性的等效变换都应视为本发明专利的技术方案范畴。

实施例1：

下面结合附图1、附图2与实施例1对本发明专利作进一步说明。

如附图1所示，本发明专利包括超连续谱激光模块、光纤内窥模块以及光谱检测模块，超连续谱激光模块包括超连续谱激光器1，偏振分光棱镜2以及消色差透镜3，光纤内窥模块包括多模光纤束4、光纤透镜5以及锥形反射镜6，光谱检测模块包括聚焦透镜7、狭缝8、准直透镜9、光栅10、光楔11、成像透镜12以及阵列光电探测器13，超连续谱激光器1输出的光源通过偏振分光棱镜2反射后，经过消色差透镜3聚焦到光纤内窥模块的多模光纤束4中的光源光纤中，激光通过光源光纤后出射，通过光纤透镜5后准直出射，照射到锥形反射镜6上，并向垂直于光纤光轴的平面上360度出射光源，形成环形光束，环形光束照射微小空间中的物体后，发生后向散射以及后向反射，形成信号光，信号光逆向传输，到达到锥形反射镜6后反向传输，通过光纤透镜5后聚焦到多模光纤束中的探测光纤束中，通过探测光纤束的传输后出射，逆向通过超连续谱激光模块中的消色差透镜3后准直输出，透过偏振分光棱镜2后由光谱检测模块中的聚焦透镜7聚焦到狭缝8处，通过狭缝8后由准直透镜9准直，准直光线通过光栅10实现衍射分光，通过光楔11转折一阶衍射光的中心波长光线至光轴，并由成像透镜12聚焦到阵列光电探测器13处，实现光谱检测。

如附图1所示，所述超连续谱激光模块包括超连续谱激光器1，偏振分光棱镜2以及消色差透镜3，超连续谱激光器1出射的偏振激光被偏振分光棱镜2反射后，进一步的被消色差透镜3聚焦，其焦点与光纤内窥模块中的光源光纤入射端面重合。

如附图2所示，所述光纤内窥模块包括多模光纤束1、光纤透镜2以及锥形反射镜3组成，多模光纤束中包含一根光源光纤1-1以及两根探测光纤束分别为探测光纤束1-2和探测光纤束1-3，光源光纤1-1与探测光纤束1-2、探测光纤束1-3的两侧端面平行，光源光纤1-1用于传递超连续谱激光作为照明光，照明光从光源光纤1-1的出射端面出射后，由光纤透镜2准直输出，光纤透镜2的后焦面与光源光纤1-1的出射端面重合，准直的光线通过锥形反射镜3后，向垂直于光纤光轴的平面上360度出射光源，形成环形光束，照射周围的物体，物体的后向散射与反射光线以信号光的形式通过锥形反射镜3后，逆向传输，并被光纤透镜2聚焦到两根探测光纤束1-2与探测光纤束1-3的入射端面处，经过两根探测光纤束的传输后，从其出射端面出射，并透过偏振分光棱镜，到达光谱检测模块。

如附图1所示，所述光谱检测模块包括聚焦透镜7、狭缝8、准直透镜9、光栅10、光楔11、成像透镜12以及阵列光电探测器13，从光纤内窥模块的探测光纤束出射的信号光透过偏振分光棱镜2，由光谱检测模块的聚焦透镜7聚焦到狭缝8处，通过狭缝8的光线由准直透镜9准直，聚焦透镜7的后焦面、狭缝8以及准直透镜9的前焦面三者重合，准直光线由光栅10衍射分光，衍射的一阶光谱光线通过光楔11后转折角度，中心波长调整至光轴位置，衍射光线被成像透镜12聚焦到阵列光电探测器13中，阵列光电探测器13中有M个光电传感器，将光谱信号转换为M个电信号，定义为数组Spec[M]，M是大于1的整数，在实际检测过程中，光纤内窥模块逐渐深入探测空间内部，在该过程中依次采集不同时刻的光谱数据，定义整个过程采集K次光谱，K是大于1的整数，最后获取的光谱数据定义为数组Speecimg[M,K]，其中Speecimg[1:M,i]表示第i次检测到的光谱数据，i是取值范围为1到K的整数，数组Speecimg[M,K]可在计算机中展现光谱图像形式，供使用者直观获取微小空间内全局光谱信息。

实施例2：

下面结合附图3、附图4与实施例2对本发明专利作进一步说明。

如附图3所示，本发明专利包括超连续谱激光模块、光纤内窥模块以及光谱检测模块，超连续谱激光模块包括超连续谱激光器1，偏振分光棱镜2以及消色差透镜3，光纤内窥模块包括多模光纤束4、光纤透镜5以及锥形透镜6，光谱检测模块包括聚焦透镜7、狭缝8、准直透镜9、光栅10、光楔11、成像透镜12以及阵列光电探测器13，超连续谱激光器1输出的光源通过偏振分光棱镜2反射后，经过消色差透镜3聚焦到光纤内窥模块的多模光纤束4中的光源光纤中，激光通过光源光纤后出射，通过光纤透镜5后准直出射，照射到锥形透镜6上，并向垂直于光纤光轴的平面上360度出射光源，形成环形光束，环形光束照射微小空间中的物体后，发生后向散射以及后向反射，形成信号光，信号光逆向传输，到达到锥形透镜6后反向传输，通过光纤透镜5后聚焦到多模光纤束中的探测光纤束中，通过探测光纤束的传输后出射，逆向通过超连续谱激光模块中的消色差透镜3后准直输出，透过偏振分光棱镜2后由光谱检测模块中的聚焦透镜7聚焦到狭缝8处，通过狭缝8后由准直透镜9准直，准直光线通过光栅10实现衍射分光，通过光楔11转折一阶衍射光的中心波长光线至光轴，并由成像透镜12聚焦到阵列光电探测器13处，实现光谱检测。

如附图3所示，所述超连续谱激光模块包括超连续谱激光器1，偏振分光棱镜2以及消色差透镜3，超连续谱激光器1出射的偏振激光被偏振分光棱镜2反射后，进一步的被消色差透镜3聚焦，其焦点与光纤内窥模块中的光源光纤入射端面重合。

如附图4所示，所述光纤内窥模块包括多模光纤束1、光纤透镜2以及锥形透镜3组成，多模光纤束中包含一根光源光纤1-1以及两根探测光纤束分别为探测光纤束1-2和探测光纤束1-3，光源光纤1-1与探测光纤束1-2、探测光纤束1-3的两侧端面平行，光源光纤1-1用于传递超连续谱激光作为照明光，照明光从光源光纤1-1的出射端面出射后，由光纤透镜2准直输出，光纤透镜2的后焦面与光源光纤1-1的出射端面重合，准直的光线通过锥形透镜3后，向垂直于光纤光轴的平面上360度出射光源，形成环形光束，照射周围的物体，物体的后向散射与反射光线以信号光的形式通过锥形透镜3后，逆向传输，并被光纤透镜2聚焦到两根探测光纤束1-2与探测光纤束1-3的入射端面处，经过两根探测光纤束的传输后，从其出射端面出射，并透过偏振分光棱镜，到达光谱检测模块。

如附图3所示，所述光谱检测模块包括聚焦透镜7、狭缝8、准直透镜9、光栅10、光楔11、成像透镜12以及阵列光电探测器13，从光纤内窥模块的探测光纤束出射的信号光透过偏振分光棱镜2，由光谱检测模块的聚焦透镜7聚焦到狭缝8处，通过狭缝8的光线由准直透镜9准直，聚焦透镜7的后焦面、狭缝8以及准直透镜9的前焦面三者重合，准直光线由光栅10衍射分光，衍射的一阶光谱光线通过光楔11后转折角度，中心波长调整至光轴位置，衍射光线被成像透镜12聚焦到阵列光电探测器13中，阵列光电探测器13中有M个光电传感器，将光谱信号转换为M个电信号，定义为数组Spec[M]，M是大于1的整数，在实际检测过程中，光纤内窥模块逐渐深入探测空间内部，在该过程中依次采集不同时刻的光谱数据，定义整个过程采集K次光谱，K是大于1的整数，最后获取的光谱数据定义为数组Speecimg[M,K]，其中Speecimg[1:M,i]表示第i次检测到的光谱数据，i是取值范围为1到K的整数，数组Speecimg[M,K]可在计算机中展现光谱图像形式，供使用者直观获取微小空间内全局光谱信息。