采用GRIN透镜的微胶囊内窥成像技术

　　0　引言

　　GRIN透镜一般应用于光纤通讯中.作为光线耦合元件,或者应用于强度型光纤传感器中[1].GRIN透镜同普通透镜的区别在于,GRIN透镜材料不仅能够使沿径向传输的光产生折射,而且其沿径向逐渐减小的折射率分布,能够实现出射光线被平滑且连续的汇聚到一点;其两端为圆柱形平面,直径小,一般为半颗米粒大小,通光效率高,容易加工.尤其是1/4周期长度的GRIN透镜,具有端面聚焦的特性[2].利用GRIN透镜成像,结合CCD技术[3],使成像清晰度较传统技术大大提高.若同时采用无线电微波技术来传送所成的像,能达到随拍随传,进行实时检测,亦可硬盘储存,以便随时调取.这是微光电技术(MEMS)在生物医学工程(BME)中应用的一个典型而有深远意义的范例.

　　1　GRIN成像工作原理

　　1.1　GRIN透镜成像光线分析

　　首先,用矩阵分析法对射入GRIN透镜的光线进行分析,以阐明GRIN透镜如何成像.

　　假设选用的GRIN透镜之径向折射率分布为抛物线型分布,由下式给出[2]

　　式中为聚焦(分布)常数;L为GRIN透镜中子午光线的周期长度;r为GRIN透镜中距轴线的径向距离;n(0)为GRIN透镜轴线上的折射率.

　　如图1所示,光线PA以入射角θ1射到端面AO上,折射后光线在GRIN透镜中沿AB曲线(正弦)传到B,再经过BO′端面折射,沿BC射出.

　　1.1.1　光线方程

　　AO端面的光线折射

　　根据折射定律[2],光线在AO端面发生折射,有

　　式中θ1为入射角;θ′1为折射角;n为A点折射率.

　　由于我们讨论的是GRIN透镜中的近轴光线,故这里近似地用轴线OO′上的折射率n(0)代表n,则有

　　GRIN透镜内部光线传播

　　根据折射率分布[2],有光线传播的曲线(AB)的方程

　　由上式可以看出,GRIN透镜可以对近轴光线成像.

　　l1为物点P离开AO面的距离.

　　当l1一定,即一定时,l1,θ1成正比例变化时,h′2和h′2也成正比例变化,即l′2也不变,这就说明了GRIN透镜可对近轴光实现成像.

　　1.1.2　焦距值和主平面位置

　　如图2所示,焦距值:即θ1=0时,有

　　据以上分析可以了解,对于的GRIN透镜,当从一端面输入一束平行光时,经过GRIN透镜后光线会汇聚在另一端面上.这种端面聚焦的功能是传统曲面透镜所无法实现的.当物离开AO面的距离l1已知时,则可以知道l′2的大小,即可知,像将成在距离BO′面的位置.

　　1.2　自动调焦系统