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摘要

基于非对称光纤悬臂结构的Lissajous扫描光纤探头可实现低电压驱动下的大范围扫描成像. 本文研究了全封装的小型化预标定Lissajous扫描光纤探头. 通过优化设计与数值仿真, 选择了能实现高填充率Lissajous扫描的正交谐振频率, 确定了非对称光纤悬臂的结构参数. 全封装探头在5 mm工作距离处的焦点直径为25 μm, 视场大小达到1.5 mm × 1.5 mm, 总刚性长度和外径分别为35 mm和3.5 mm. 研究了全封装探头扫描轨迹的稳定性、可重复性与扫描成像的旋转稳定性. 结合实验室搭建的50 kHz扫频光学相干层析(OCT)系统, 对硬币和生物组织进行高质量成像, 验证了用于内窥OCT成像的小型化预标定Lissajous扫描光纤探头具有良好的成像性能.

关键词:

Abstract

In this paper we present a miniaturized pre-calibration based forward-viewing Lissajous scanning fiber probe for endoscopic optical coherence tomography (OCT). The probe is based on an asymmetric fiber cantilever driven by the piezoelectric bender to realize the two-dimensional (2D) Lissajous scanning, which can realize a relatively large scanning range under a low driving voltage. A capillary metal tube is mounted at the end of the main fiber to reduce the resonant frequency of the fiber cantilever. The relationship between the filling rate and the side-lobe number of the Lissajous scanning pattern is studied, and a method of selecting the orthogonal resonant frequency of the Lissajous scanning is proposed. Through the numerical simulation by COMSOL software, the structural parameters of the asymmetric fiber cantilever are determined. The orthogonal resonant frequencies of the asymmetric fiber cantilever are 169 Hz and 122 Hz. The lengths of the main imaging fiber, the auxiliary fiber and the metal capillary tube are 15.94 mm, 4.49 mm and 2 mm, respectively. The probe is fully packaged in a metal tube for endoscopic imaging. The focal spot and the working distance are 25 µm and 5 mm, respectively. The field of view is larger than 1.5 mm × 1.5 mm. The total rigid length and the outer diameter of the probe are 35 mm and 3.5 mm, respectively. The stability and repeatability of the Lissajous scanning trajectory, and the imaging stability with the rotation of the probe are investigated and verified. The probe is incorporated into a 50 kHz swept source OCT system. The axial resolution of the endoscopic OCT is 10.3 μm, and the imaging frame rate is 1 FPS (frames per second). The maximum signal-to-noise ratio of the imaging system is 110 dB. The imaging performance of the probe is validated by the 2D en-faceand three-dimensional volumetric OCT imaging of the high scattering sample and the biological tissue. The probe can be used for the endoscopic imaging of the human tooth. From the result we can distinguish the dental enamel, dental essence and the dental calculus. The developed forward-viewing Lissajous scanning fiber probe is expected to be used in dental applications such as early calculus detection.

Keywords:

作者及机构信息

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通信作者:吴彤,wutong@nuaa.edu.cn; 刘友文,ywliu@nuaa.edu.cn

基金项目:中央高校基本科研业务费专项资金(批准号: NS2020067, NJ2020021)和南京航空航天大学空间光电探测与感知工业和信息化部重点实验室开放课题(批准号: NJ2020021-5)资助的课题

Authors and contacts

1.
2.

Corresponding author:Wu Tong,wutong@nuaa.edu.cn; Liu You-Wen,ywliu@nuaa.edu.cn

Funds:Project supported by the Fundamental Research Funds for the Central Universities, China (Grant Nos. NS2020067, NJ2020021) and the Open Project Funds for the Key Laboratory of Space Photoelectric Detection and Perception (Nanjing University of Aeronautics and Astronautics), Ministry of Industry and Information Technology, China (Grant No. NJ2020021-5)

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