红外光束定位装置及方法

技术领域

本发明涉及红外光应用技术领域，特别是涉及一种红外光束定位装置及方法。

背景技术

红外线是频率介于微波与可见光之间的电磁波，波长在760nm～1mm之间，它是频率比红光低的不可见光，覆盖室温下物体所发出的热辐射的波段。透过云雾能力比可见光强，在通讯、探测、医疗、军事等方面有广泛的用途。

在医疗应用中，往往由于红外线照射过程中能量的损失，以及照射精准度不够，无法达到预期的效果，导致红外线的应用受限。

发明内容

本发明提供一种红外光束定位装置及方法，用以解决现有技术中红外光束无法精确定位至目标区的缺陷，实现红外光束精准定位至目标区。

本发明提供一种红外光束定位装置，包括红外光源、光束整形模块、聚焦模块、光纤、爬升器和套管，所述红外光源的输出端与所述光束整形模块的输入端连接，所述光束整形模块的输出端与所述聚焦模块的输入端连接，所述聚焦模块的输出端与所述光纤的第一端连接，所述光纤设于所述爬升器的设定坡度角的侧面上，所述光纤的第二端插入所述套管内，所述套管用以引导所述光纤进入目标区。

根据本发明提供的一种红外光束定位装置，所述红外光源为可调频红外光源，所述红外光源输出的红外光束的波长为4.7μm～4.9μm，重频为45kHz，脉宽为2us。

根据本发明提供的一种红外光束定位装置，所述光束整形模块输出的红外光束的光斑直径小于200μm。

根据本发明提供的一种红外光束定位装置，所述聚焦模块输出的红外光束的光斑直径小于等于20μm，功率为0.1mW～1mW。

根据本发明提供的一种红外光束定位装置，所述光纤的内径为10μm，外径为100μm，数值孔径为0.3，有效波段为1.5μm～9.5μm的多模光纤。

根据本发明提供的一种红外光束定位装置，所述设定坡度角小于45°，所述爬升器的高度为300mm。

根据本发明提供的一种红外光束定位装置，还包括头盔，所述套管沿所述头盔的轴线方向插设于所述头盔内。

根据本发明提供的一种红外光束定位装置，所述套管的第一端设有用以卡固所述光纤的卡槽，所述套管的第二端沿所述头盔的轴线方向插入所述头盔内，所述套管的第二端设有用以包埋至目标区的尖端开口。

根据本发明提供的一种红外光束定位装置，所述套管的第二端套设有螺帽，所述螺帽与所述头盔的穿孔封盖适配。

本发明还提供一种红外光束定位方法，包括如下步骤：

通过所述红外光源发射红外光束至所述光束整形模块，所述光束整形模块对红外光束进行光斑整形、准直光束、缩小光斑处理；

将经所述光束整形模块处理后的红外光束传输至所述聚焦模块，所述聚焦模块对接收的红外光束进行聚焦处理后，传输至所述光纤内；

将所述光纤设置于所述爬升器的设定坡度角的侧面上，并插入所述套管内；

通过所述套管将所述光纤的发射端引导至对应的目标区，并通过所述光纤发射的红外光束刺激目标区。

本发明提供的红外光束定位装置及方法，通过红外光源发射特定频率的红外光束至光束整形模块，光束整形模块对红外光束进行光斑整形、准直光束和缩小光斑处理，聚焦模块对光束整形模块处理后的红外光束进行能量汇聚处理，光纤对聚焦模块处理后的红外光束进行传输，并通过套管的引导作用，使红外光束精准发射至目标区，并对目标区进行精准刺激，安全可靠，可以实时监测并进行操作，操作简单，历经时间短。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的红外光束定位装置的结构框示图；

图2是本发明提供的红外光束定位装置中爬升器的结构示意图；

图3是本发明提供的红外光束定位装置中头盔与套管的装配示意图；

图4是本发明提供的红外光束定位方法的流程图。

附图标记：

100、红外光源；200、光束整形模块；300、聚焦模块；400、光纤；500、爬升器；600、套管；610、螺帽；620、尖端开口；700、头盔。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。

在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

下面结合图1至图3描述本发明的红外光束定位装置，包括红外光源100、光束整形模块200、聚焦模块300、光纤400、爬升器500和套管600，所述红外光源100的输出端与所述光束整形模块200的输入端连接，所述光束整形模块200的输出端与所述聚焦模块300的输入端连接，所述聚焦模块300的输出端与所述光纤400的第一端连接，所述光纤400设于所述爬升器500的设定坡度角的侧面上，所述光纤400的第二端插入所述套管600内，所述套管600用以引导所述光纤400进入目标区。

根据本发明提供的一种红外光束定位装置，所述红外光源100为可调频红外光源100，所述红外光源100输出的红外光束的波长为4.7μm～4.9μm，重频为45kHz，脉宽为2us。可以理解的是，红外光源100可调控红外光束的波长、功率、照射时间等参数。

根据本发明提供的一种红外光束定位装置，所述光束整形模块200输出的红外光束的光斑直径小于200μm。可以理解的是，光束整形模块200包括缩束和准直功能，实现对红外光源100发射的红外光束进行光斑整形、准直光束和缩小光斑，保证整形后的红外光束的光斑直径小于200μm。

根据本发明提供的一种红外光束定位装置，所述聚焦模块300输出的红外光束的光斑直径小于等于20μm，功率为0.1mW～1mW。可以理解的是，聚焦模块300优选聚焦透镜，实现对红外光束的能量汇聚。

根据本发明提供的一种红外光束定位装置，所述光纤400的内径为10μm，外径为100μm，数值孔径为0.3，有效波段为1.5μm～9.5μm的多模光纤400。可以理解的是，经聚焦模块300聚焦处理后的红外光束处理后的红外光束进入光纤400，经光纤400后的出射红外光束的直径略大于10μm，且功率的最大值不高于1mW。

根据本发明提供的一种红外光束定位装置，所述设定坡度角小于45°，所述爬升器500的高度为300mm。可以理解的是，爬升器500设有坡面，坡面的设定坡度角小于45°，爬升器500的高度为300mm，且光纤400固定在坡面上，防止因光纤400自身重力导致的滑落而影响整个装置的运行。

根据本发明提供的一种红外光束定位装置，还包括头盔700，所述套管600沿所述头盔700的轴线方向插设于所述头盔700内。可以理解的是，头盔700用以佩戴在作用对象的头部，头盔700的顶端设有用以穿设套管600的穿孔，穿孔沿头盔700的轴线方向设置，实现套管600的竖直安装，且套管600的第一端裸露在头盔700外侧，套管600的第二端设置在头盔700内。值得说明的是，套管600的材质为对作用对象无害的金属或合金，套管600的内径为450μm，外径为640μm。

根据本发明提供的一种红外光束定位装置，所述套管600的第一端设有用以卡固所述光纤400的卡槽，所述套管600的第二端沿所述头盔700的轴线方向插入所述头盔700内，所述套管600的第二端设有用以包埋至目标区的尖端开口620。可以理解的是，套管600的第一端即裸露在头盔700外侧的一端设有卡槽，实现对光纤400的固定。卡槽的高度与爬升器500的高度相同。套管600的第二端即设置在头盔700内的一端为尖端开口620，引导光纤400进入目标区以及防止光纤400脱落。

根据本发明提供的一种红外光束定位装置，所述套管600的第二端套设有螺帽610，所述螺帽610与所述头盔700的穿孔封盖适配。可以理解的是，螺帽610的尺寸大于穿孔的尺寸，实现对穿孔的封盖遮挡效果，以防止落灰，保护目标区创口。值得说明的是，套管600可带动光纤400在空间中自由活动，且以卡槽为顶点，形成以500mm为母线，高为300mm，底面半径为400mm的圆锥，实现对目标区的大面积刺激，提高改善效果。

下面对本发明提供的红外光束定位方法进行描述，下文描述的红外光束定位方法与上文描述的红外光束定位装置可相互对应参照。

图4示例了一种红外光束定位方法的流程图，如图4所示，该红外光束定位方法包括如下步骤：

通过所述红外光源100发射红外光束至所述光束整形模块200，所述光束整形模块200对红外光束进行光斑整形、准直光束、缩小光斑处理；

将经所述光束整形模块200处理后的红外光束传输至所述聚焦模块300，所述聚焦模块300对接收的红外光束进行聚焦处理后，传输至所述光纤400内；

将所述光纤400设置于所述爬升器500的设定坡度角的侧面上，并插入所述套管600内；

通过所述套管600将所述光纤400的发射端引导至对应的目标区，并通过所述光纤400发射的红外光束刺激目标区。

具体的，通过调频红外光源100发射波长为4.7μm～4.9μm，重频为45kHz，脉宽为2us的红外光束至光束整形模块200；

通过光束整形模块200对初始红外光束进行光斑整形、准直光束、缩小光斑处理，使整形后的红外光束的光斑直径小于200μm；

通过聚焦模块300对整形后的红外光束进行汇能处理，使聚焦处理后的红外光束的光斑直径小于等于20μm，功率为0.1mW～1mW；

通过光纤400对聚焦处理后的红外光束进行传输，光纤400固定在爬升器500的坡面上，最终穿入套管600内，且光纤400的出射端靠近但不裸露在套管600的第二端；

将头盔700配戴至作用对象的头部，并通过套管600将光纤400的出射端引导至目标区，即海马CA3区，对海马CA3a亚区进行刺激10min后，对海马CA3b亚区进行刺激10min，保证两次刺激的红外光束的各参数一致。

本实施例的红外光束定位装置可以应用于改善学习记忆力，下面以红外光束定位装置改善学习记忆力进行详细说明。基于本发明提供的一种红外光束定位方法对12只6-8周龄的雄性C57小鼠的实验如下：

随机选取生理状态(如大小、体重等)相近的6-8周龄C57小鼠共12只，分为两组，分别为control组、treat组。采用脑立体定位仪结合小鼠脑图谱对全体小鼠进行开颅及包埋套管等脑手术操作，完成光纤的位置确定。其中control组不进行任何辐照刺激，仅作为对照组，Traet组分别给予4.8μm的红外光束照射，轮番对小鼠海马CA3区进行辐照刺激，每侧共计10min。

辐照结束后，分别对每只动物进行Y迷宫。其中，Y迷宫实验中共有3个臂，起始臂为臂一，其他臂为臂二，新异臂为臂三，三臂内在环境的区别仅在于臂内侧面视觉线索，以帮助小鼠通过调动视觉线索的记忆，进一步识别出哪个为新臂。将小鼠从起始臂(臂一)放入，遮挡新异臂(臂三)，任其自由探索起始臂(臂一)及其他臂(臂二)10min，探索结束后，将小鼠放回笼内饲养，小鼠在自由探索过程中应注意用酒精清理迷宫，以消除气味对实验结果的影响。等学习阶段过去1小时后，打开被挡住的新异臂(臂三)，将小鼠从起始臂(臂一)放入，任其自由探索5min，记录这期间小鼠进入新异臂(臂三)与进入全部探索时间的比例。求各组小鼠的平均值，结果计为均值±标准误，根据数据作图分析进入所有臂时间的比值。Y迷宫结果发现海马脑区CA3区的红外刺激能够促使小鼠提升进入新异臂三的时间占总时间的比重，即海马脑区CA3区的红外刺激通过改善小鼠记忆能力促使其能够识别出臂三为新异臂，并进一步提升探索臂三的相对时间，表明特定参数的红外刺激特定脑区对小鼠学习记忆能力具有显著改善效应。

上述实验结束之后，进一步对小鼠进行新物识别检测。将小鼠从实验箱中心位置放入实验箱中自由探索10min，结束后采用用酒精擦拭实验箱，以避免气味对实验结果的影响。相隔24小时之后，在实验箱内放置两个形状一样(圆形木块)的物体A和B，两个物体距离箱臂至少5cm，以保证小鼠可以自由穿过，并将小鼠头朝箱臂放入实验箱中自由探索10min。最后将A、B两个物体中的A换为新物体C(方形木块)，放在原来A所在的位置。将小鼠头朝箱臂从同一个位置放入箱内，再次任其自由探索10min。记录小鼠探索的辨别系数。其计算方法为接触(包括嗅和触碰)新物体的时间为T1，探索旧物体的时间为T2，则小鼠总的探索时间T＝T1+T2。定义绝对辨识度为E，则E＝T1-T2。定义鉴别系数为D，则D＝E/T。求各组小鼠的平均值，结果计为均值±标准误，统计结果并作图。新物识别结果发现海马脑区CA3区的红外刺激能够促使小鼠鉴别系数升高，提示小鼠对新异物体的识别得到提升，表明CA3区红外刺激对小鼠记忆能力的改善促使其能够更好的识别出方形木块为环境中的新异物体，并加大对其的探索接触时间，最终提升鉴别系数值。路径探索图表明，与对照组小鼠相比，CA3区红外刺激组小鼠对新异形状木块(方形)的探索接触显著增多。

通过对上述两个行为学指标的统计分析，可以发现与对照组(未有红外刺激)的小鼠，给予特定参数的红外光刺激组小鼠对于新异臂与新异物体的探索比例及时间显著增加，针对海马CA3区的特定参数红外辐照刺激对小鼠的认知功能，尤其是学习记忆能力具有一定程度的促进与改善作用。

本发明提供的红外光束定位装置及方法，通过红外光源发射特定频率的红外光束至光束整形模块，光束整形模块对红外光束进行光斑整形、准直光束和缩小光斑处理，聚焦模块对光束整形模块处理后的红外光束进行能量汇聚处理，光纤对聚焦模块处理后的红外光束进行传输，并通过套管的引导作用，使红外光束发射至目标区，并对目标区进行精准刺激，定位精准，安全可靠，可以实时监测并进行操作，操作简单，历经时间短。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围中。