一种用于单模光纤的成像装置及成像方法与流程

本发明属于光学成像，更具体的说是涉及一种用于单模光纤的成像装置及成像方法。

背景技术：

1、光纤扫描成像技术因体积小、柔性好、分辨率高的特点，在医疗内窥镜、工业检测等领域应用广泛。

2、现有光纤扫描驱动方式主要包括压电驱动、电机驱动和电磁驱动。压电驱动虽响应快，但位移输出量小，难以满足大范围扫描需求，且易受温度影响导致轨迹漂移；电机驱动（如微型步进电机）体积较大，无法适配微创内窥镜等小型化场景，且扫描轨迹多为直线或圆形，覆盖效率低；电磁驱动实现小型化的潜力有限，且多采用简单周期轨迹扫描。

3、现有的单模光纤扫描内窥镜一般采用电磁驱动同时配合螺旋共振扫描或直线往复扫描，然而该种驱动方式和扫描轨迹存在扫描覆盖不均、对不规则腔室适配性差的问题。而且螺旋扫描需持续调整磁场强度以维持螺旋轨迹，易因磁场波动导致成像失真；直线扫描则需多次拼接才能覆盖检测区域，成像效率低。

4、利萨如轨迹通过两路正交周期性信号驱动形成，具有扫描覆盖范围广、像素密度均匀、扫描效率高的特点。磁伸缩材料具有磁场响应速度快、形变可控性强的优势。但其在光纤扫描领域的应用多局限于单一方向驱动，无法直接实现利萨如扫描所需的“x-y双方向独立且协同的周期性形变”。现有技术缺乏针对磁伸缩材料特性设计的双轴驱动结构，难以满足利萨如扫描对轨迹稳定性、扫描范围的需求，限制了单模光纤内窥镜在高精度、大范围成像场景的应用。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种用于单模光纤的成像装置及成像方法，通过双轴磁驱动结构实现单模光纤的利萨如轨迹扫描，提升成像覆盖均匀性与效率。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种用于单模光纤的成像装置，包括固定基座、成像载体、磁伸缩驱动单元和磁场控制单元；所述成像载体设置扫描端和非扫描端，所述非扫描端连接光源与图像采集模块；所述磁伸缩驱动单元设置于所述成像载体外壁上，靠近所述扫描端；所述成像载体与磁伸缩驱动单元设置于固定基座内；所述成像载体的扫描端伸出所述固定基座外；所述磁场控制单元与磁伸缩驱动单元电连接；所述磁伸缩驱动单元包括沿所述成像载体轴向间隔设置的x轴磁伸缩单元与y轴磁伸缩单元；所述磁场控制单元用于控制所述x轴磁伸缩单元与y轴磁伸缩单元产生周期性伸缩形变，带动所述扫描端沿x-y平面形成利萨如轨迹。

4、进一步地，所述成像载体为单模光纤，单模光纤的直径为100μm-150μm。

5、进一步地，所述固定基座材质为非导磁合金。

6、进一步地，所述x轴磁伸缩单元包括x轴磁伸缩片和x轴励磁线圈；所述y轴磁伸缩单元包括y轴磁伸缩片和y轴励磁线圈；所述x轴磁伸缩片和所述y轴磁伸缩片半包围设置于所述成像载体的外壁上，且两者沿所述成像载体周向呈90°设置；所述x轴励磁线圈绕设于所述x轴磁伸缩片和所述成像载体的外围，所述y轴励磁线圈绕设于所述y轴磁伸缩片和所述成像载体的外围；所述磁场控制单元与所述x轴励磁线圈和y轴励磁线圈电连接。

7、进一步地，所述x轴磁伸缩单元还包括x轴永磁体；所述y轴磁伸缩单元还包括y轴永磁体；所述x轴永磁体和所述y轴永磁体分别套设于所述x轴励磁线圈和所述y轴励磁线圈外部，用于为所述x轴励磁线圈和所述y轴励磁线圈提供偏置磁场。

8、进一步地，所述磁场控制单元向所述x轴励磁线圈和所述y轴励磁线圈分别输入不同且成整数比的频率的正弦交流电，使其分别产生周期性变化的x向和y向磁场，使所述x轴磁伸缩片和所述y轴磁伸缩片随磁场变化伸缩做简谐运动。

9、进一步地，所述x轴磁伸缩片与所述y轴磁伸缩片驱动位移为0.1-1mm。

10、进一步地，所述x轴磁伸缩片和所述y轴磁伸缩片的外径≤2mm，长度≤30mm。

11、进一步地，所述成像载体的非扫描端粘接有质量块，位置距非扫描端端部0-5mm。

12、本发明还提供了一种利用如上所述的用于单模光纤的成像装置的成像方法，包括以下步骤：

13、s1.将成像载体的扫描端外壁打磨粗糙，分别将x轴磁伸缩单元、y轴磁伸缩单元间隔固定于成像载体的外壁，且x轴磁伸缩单元、y轴磁伸缩单元之间沿成像载体周向错开；

14、s2.将成像载体的非扫描端与磁伸缩驱动单元均固定于固定基座内，确保x轴磁伸缩单元与y轴磁伸缩单元之间无接触、无磁场干扰；

15、s3.将x轴磁伸缩单元的x轴励磁线圈与y轴磁伸缩单元的y轴励磁线圈分别与磁场控制单元的输出端电连接，成像载体的非扫描端连接光源与图像采集模块，完成成像装置的组装；

16、s4.将s3中的成像装置放置于待成像的位置；

17、s5.启动磁场控制单元，以驱动x轴磁伸缩单元与y轴磁伸缩单元，产生周期性伸缩形变，带动成像载体的扫描端沿x-y平面形成利萨如轨迹。

18、本发明的有益效果在于：

19、本发明采用磁致伸缩材料作为驱动元件，无机械磨损，使用寿命长，响应速度快，形变可控性强。

20、通过x轴磁伸缩单元和y轴磁伸缩单元分别输入频率不同且频率成整数比的正弦交流电，可直接稳定实现利萨如轨迹扫描，相比传统螺旋扫描和直线扫描，成像覆盖更均匀、成像效率更高。

21、x轴磁伸缩片与y轴磁伸缩片驱动位移可达0.1-1mm，能够提升利萨如轨迹覆盖密度，适配大视场成像需求。

22、可通过调节x轴励磁线圈和y轴励磁线圈的电流幅度改变扫描范围，扫描频率可通过磁场频率调节，能够适配不同检测场景，适用范围广。

23、装置体积小，可适配微创内窥镜，且成像载体兼容现有光学检测系统；非扫描端设置质量块形成非对称光纤悬臂，使x/y轴谐振频率解耦，提高扫描稳定性和成像质量。

1.一种用于单模光纤的成像装置，其特征在于，包括固定基座（1）、成像载体（2）、磁伸缩驱动单元（3）和磁场控制单元；

2.根据权利要求1所述的用于单模光纤的成像装置，其特征在于，所述成像载体（2）为单模光纤，单模光纤的直径为100μm-150μm。

3.根据权利要求1所述的用于单模光纤的成像装置，其特征在于，所述固定基座（1）材质为非导磁合金。

4.根据权利要求1所述的用于单模光纤的成像装置，其特征在于，所述x轴磁伸缩单元（31）包括x轴磁伸缩片（311）和x轴励磁线圈（312）；所述y轴磁伸缩单元（32）包括y轴磁伸缩片（321）和y轴励磁线圈（322）；所述x轴磁伸缩片（311）和所述y轴磁伸缩片（321）半包围设置于所述成像载体（2）的外壁上，且两者沿所述成像载体（2）周向呈90°设置；所述x轴励磁线圈（312）绕设于所述x轴磁伸缩片（311）和所述成像载体（2）的外围，所述y轴励磁线圈（322）绕设于所述y轴磁伸缩片（321）和所述成像载体（2）的外围；所述磁场控制单元与所述x轴励磁线圈（312）和y轴励磁线圈（322）电连接。

5.根据权利要求4所述的用于单模光纤的成像装置，其特征在于，所述x轴磁伸缩单元（31）还包括x轴永磁体（313）；所述y轴磁伸缩单元（32）还包括y轴永磁体（323）；所述x轴永磁体（313）和所述y轴永磁体（323）分别套设于所述x轴励磁线圈（312）和所述y轴励磁线圈（322）外部，用于为所述x轴励磁线圈（312）和所述y轴励磁线圈（322）提供偏置磁场。

6.根据权利要求4所述的用于单模光纤的成像装置，其特征在于，所述磁场控制单元向所述x轴励磁线圈（312）和所述y轴励磁线圈（322）分别输入频率不同且频率成整数比的正弦交流电，使其分别产生周期性变化的x向和y向磁场，使所述x轴磁伸缩片（311）和所述y轴磁伸缩片（321）随磁场变化伸缩做简谐运动。

7.根据权利要求4所述的用于单模光纤的成像装置，其特征在于，所述x轴磁伸缩片（311）与所述y轴磁伸缩片（321）驱动位移为0.1-1mm。

8.根据权利要求4所述的用于单模光纤的成像装置，其特征在于，所述x轴磁伸缩片（311）和所述y轴磁伸缩片（321）的外径≤2mm，长度≤30mm。

9.根据权利要求1所述的用于单模光纤的成像装置，其特征在于，所述成像载体（2）的非扫描端（22）粘接有质量块（23），位置距非扫描端端部0-5mm。

10.一种利用如权利要求1-9任一项所述的用于单模光纤的成像装置的成像方法，其特征在于，包括以下步骤：