[發明專利]一種基于虛像相控陣列的精細光譜編碼的并行成像探頭

有效

• 申請號: 202011194532.5
• 申請日: 2020-10-30
• 公開（公告）號: CN112493969B
• 公開（公告）日: 2022-03-11
• 發明（設計）人: 丁志華;章程;邱建榕
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: A61B1/00
• 分類號: A61B1/00;A61B1/05;A61B1/07
• 代理公司: 杭州君度專利代理事務所(特殊普通合伙) 33240
• 代理人: 楊舟濤

1.一種基于虛像相控陣列的精細光譜編碼的并行成像探頭，其特征在于：由旋轉的照明探頭和固定的收集通道組成；

所述的旋轉的 照明探頭用于將光源發出的寬光譜的白光進行空間編碼，并在樣品空間的一維方向上形成光譜梳，再通過外部的電機驅動使照明探頭繞著探頭的軸線旋轉，形成二維的圓形視場；

所述的固定的收集通道用于將從樣品散射或反射回的光收集并傳導到精細光譜探測裝置進行檢測成像；

所述的照明探頭，由線照明光纖、色散元件VIPA(5)、二號自聚焦透鏡GRIN2(6)、保護套管(7)和旋轉鋼絲繩組成；線照明光纖由單模光纖SMF(1)、空氣隙(2)、一號自聚焦光纖/透鏡GRIN1(3)和柱透鏡(4)組成；

所述的單模光纖SMF(1)與一號自聚焦光纖/透鏡GRIN1(3)之間有一段空氣隙(2)，使單模光纖SMF(1)的光束放大至充滿一號自聚焦光纖/透鏡GRIN1(3)的有效口徑；所述的一號自聚焦光纖/透鏡GRIN1(3)用于形成準直光，具有足夠大的口徑，以減小發散角；所述的柱透鏡(4)用于將準直光聚焦至色散元件VIPA(5)的后反射面以實現色散元件VIPA(5)的線照明，具有合適的焦距，以匹配探頭的視場角FOV；線照明光在垂直方向的發散角與色散元件VIPA(5)的自由光譜角匹配；所述的色散元件VIPA(5)為前表面和后表面鍍有高反膜的光學平行平板，其中前表面的下邊緣開有透光窗口，以允許照明光進入；所述的色散元件VIPA(5)的傾斜角為0～5度；所述的二號自聚焦透鏡GRIN2(6)用于聚焦色散元件VIPA(5)的輸出光，并在其焦平面上形成線視場；線視場上每個有效像素點對應于光譜域上互不重疊的光學頻率梳；所述的旋轉鋼絲繩用于傳遞力矩，使照明探頭在外部電機的驅動下整體旋轉，并且形成二維的圓形視場；所述的由單模光纖SMF(1)、空氣隙(2)、一號自聚焦光纖/透鏡GRIN1(3)和柱透鏡(4)組成的線照明光纖、色散元件VIPA(5)、二號自聚焦透鏡GRIN2(6)都固定設置在保護套管(7)內；

線照明光纖中，在一號自聚焦光纖/透鏡GRIN1(3)與二號自聚焦透鏡GRIN2(6)之間加入一段空氣隙和無芯光纖NCF，以實現斜照明設計；所述的GRIN1、NCF的端面被加工成具有一定角度斜面，使光束的主軸產生一定的平移；主軸的平移量被設置為光束的半徑，最終產生具有兩倍增益的視場角。

2.根據權利要求1所述的一種基于虛像相控陣列的精細光譜編碼的并行成像探頭，其特征在于：具有兩套線照明光纖，所述的色散元件VIPA(5)與線照明光纖垂直，所述的色散元件VIPA(5)上邊緣和下邊緣處同時開有透明窗口；所述的兩套線照明光纖具有互不重疊的輸入光譜，并且采用斜照明設計；其中上方光纖的光束往斜下方入射，形成視場的下半部分；下方光纖的光束往斜上方入射，形成視場的上半部分； 二號自聚焦透鏡GRIN2(6)的后端面研磨成楔形，將焦平面處的視場往遠離軸線的方向平移，使視場的一端剛好位于探頭的軸線處。

3.根據權利要求1所述的一種基于虛像相控陣列的精細光譜編碼的并行成像探頭，其特征在于：所述的收集通道，由多模光纖陣列組成，這些多模光纖包在照明探頭的外圍，并在外圍的圓周上均勻分布；收集通道用于收集樣品散射或反射回來的探測光，其視場大于照明探頭的視場。

4.根據權利要求1所述的一種基于虛像相控陣列的精細光譜編碼的并行成像探頭，其特征在于：所述的精細光譜探測裝置，其為正交色散光譜儀，由準直透鏡、柱面聚焦透鏡、虛像相控陣列、光柵、聚焦透鏡、高速面陣CCD或CMOS組成；

探測光經準直透鏡和柱面聚焦透鏡，入射到一個虛像相控陣列，進行空間域上的第一級分光，再入射到的光柵，在正交空間方向上進行第二級分光；虛像相控陣列的自由光譜范圍大于光柵的光譜分辨率；經前后兩級分光器件正交分光后的干涉光譜，經聚焦透鏡成像，采用高速面陣CCD或CMOS進行并行探測；最后這些光譜信號傳入計算機，并在計算機中實施算法處理重建樣品圖像；所述的虛像相控陣列的光譜分辨率高于光柵，虛像相控陣列的自由光譜范圍窄于光柵。