探头对共聚焦内窥成像系统层析能力的影响

　　0　引言

　　共聚焦显微系统[1-3]的最大优点是可以有效抑制来自扫描点附件的杂散光对像点的影响,从而获得比常规显微系统高的对比度,以及通过扫描能够获取样品不同深度的信息.由于这一显著特点,它在材料、生物医学等领域的应用前景非常巨大.特别是随着性能优良的光纤,超细、高分辨率的光纤传像束,高灵敏度的光电探测器和精密微光机电系统的出现,共聚焦显微成像技术得到了更加广泛的发展.目前,国外很多研究机构都在致力于研究、开发系统结构简单,操作简便,功能齐全,具有临床使用价值的共聚焦内窥显微成像系统[4-6],期望通过这种新型的器件可以对人体内部管状器官的早期癌变进行诊断,例如食道癌、胃癌、结肠癌和子宫癌等.由于现在对体内管状器官的常规检测设备是内窥镜,该新型器件作为内窥镜的一个辅助设备,必须通过内窥镜的活检通道进行活体检测.这对探头的成像能力和传输媒介的性能提出更高的要求,而且探头的几何尺寸取决于活检通道的大小.

　　本文介绍了一种基于单模光纤的共聚焦内窥成像系统,重点分析了探头对系统轴向成像能力的影响,并且通过测量平面反射镜沿探头物镜组光轴方向移动时反射信号的强度,获得系统在不同物镜组合下的轴向光强分布,利用实验结果来证明系统的理论模型是否可行,以便为设计实用的共聚焦内窥成像系统提供参考.

　　1　理论分析

　　基于单模光纤的共聚焦内窥成像系统光路结构如图1.

　　设点光源位于位置(o-x0y0)处,经透镜(Lens0)准值后变成平行光束,由物镜(Lens1)会聚在单模光纤的左端面(o-x1y1),则照明光斑在单模光纤左端面的分布为

　　式中p(ξ,η)是照明系统的出瞳函数,d是照明系统出瞳面与单模光纤左端面之间的距离,k是波矢常量.

　　根据光波导的耦合理论[8],如果假定单模光纤的基模e是高斯型的分布,照明光在单模光纤右端面的出射光场就可以写成

　　式中(x1,y1)和(x2,y2)分别表示单模光纤左、右端面的空间坐标,l是单模光纤长度,β为照明光在单模光纤中的传播常量.

　　单模光纤的右端固定在一个二维扫描器(图1未示出)上,扫描器使单模光纤端面在垂直物镜(Lens2,Lens3)构成的探头光轴面内快速移动,而且确保单模光纤右端面的不同空间位置都满足近轴条件,则在单模光纤传出的照明光经过探头形成的照明点附件的光场为

　　式中p1是探头的出瞳函数,M1是探头成像系统的横向放大率,f3是探头出瞳与理想会聚照明点的间距,z3表示在探头光轴上偏离理想会聚点的离焦量.