非对称光纤悬臂探头的驱动优化研究

　　1　引　　言

　　光学相干层析成像(OCT)作为一种无损伤高分辨实时成像技术,目前得到了迅速的发展[1,2],并在眼科、皮肤科等方面得到了广泛的应用[3~5]。OCT具有高空间分辨率[6],但其成像深度受组织吸收和散射的影响只能达到2 mm左右。为此,需要将OCT与内窥技术有机结合,以缓解成像深度的制约[7]。高速扫描的微型探头是内窥OCT技术的关键。利用微电机系统(MEMS)[8~10]是实现扫描成像的重要潜在关键,但需要较高的制造工艺。基于光纤谐振特性和压电陶瓷驱动,可以实现光纤末端的振频扫描,也是实现内窥OCT成像的有效手段[11,12]。本课题组最近报道了一种单驱动非对称悬臂光纤扫描探头[13],该探头利用单一驱动信号来实现二维扫描。但是,这种探头的扫描图案为李萨茹图形,在均匀性、覆盖率和图案帧频的权衡方面存在一定的限制,因而影响成像质量的进一步提高。因此,需要开展扫描轨迹的优化研究。

　　事实上,Jureller等[14]针对多光子荧光成像,已经开展了扫描优化方面的相关工作。他们发现随机驱动信号相比于光栅驱动信号来说,其扫描轨迹具有更好的均匀性和更快的扫描速度。而对于非对称光纤悬臂扫描探头扫描方式来说,由于需要考虑到非对称光纤悬臂的谐振工作特性,随机驱动信号下的扫描图案将不再均匀,但一定也存在某种驱动信号形式,可以优化相应的扫描轨迹。本文基于驱动信号开展了针对非对称光纤悬臂的扫描图案的优化研究。

　　2　非对称光纤悬臂扫描探头原理

　　图1(b)为光纤悬臂扫描探头的结构示意图。其中PB为压电双晶片,PR为凸出杆,SR为固定杆,FC为光纤悬臂。固定杆SR以与z平面(双晶片平面)成45°的方向将光纤悬臂与凸出杆PR固定在B点,A点为光纤悬臂与压电双晶片交接处。由于A,B两点对应的光纤悬臂长度和受力角度的不同导致了光纤悬臂扫描探头拥有两个正交振动方向(x,y)上不同的谐振频率(fx, fy),当输入包含这两个频率正弦信号的驱动信号驱动压电双晶片时,fx频率的正弦信号所对应的驱动力F1以及fy对应的驱动力F2会激发非对称光纤悬臂末端沿李萨茹图形方式进行二维扫描。

　　鉴于非对称光纤悬臂扫描探头的谐振工作特征,在确定驱动信号与扫描位移信号之间关系时,需要引入非对称光纤悬臂的频率响应特性。不妨假定非对称光纤悬臂的频率响应函数为Qi(f),则对应于驱动信号Vi(t)下的光纤末端位移Di(t)可表示为

　　3　扫描图案的评价方法

　　扫描图像信息由时序采样信号构成,假定时序采样频率为fs,整幅图像对应的总采样数为n,则扫描图案的帧频为fi= fs/n。受衍射极限的影响,扫描轨迹图案上的采样点为一定大小的光斑,光斑的尺寸与OCT系统横向分辨率对应,不妨假定为10μm。通过计算扫描区域上被光斑覆盖的面积可以得到覆盖率为