發(fā)布時間：2018-08-12 19:29

【摘要】：為了推動掃描式顯微光學成像方法在臨床醫(yī)學應(yīng)用和生物學研究中發(fā)揮更重要的作用,本文圍繞單光纖共振型壓電掃描器研制過程中的關(guān)鍵科學技術(shù)問題展開了深入研究,并系統(tǒng)地論述了該掃描器的原理、方法、技術(shù)和應(yīng)用。突破了單根光纖共振型壓電掃描器的當前開發(fā)制作過程中所具有的試探性和盲目性,研究了該掃描器的運行機制,確定了該掃描器性能的決定因素,為該掃描器的開發(fā)、設(shè)計、制作、評估提供了有效的科學指導依據(jù)。 本文取得的主要研究成果如下： 1)研究了掃描器各部件材料參數(shù)對關(guān)鍵形變參數(shù)和振動參數(shù)的影響,闡明了其間的定量關(guān)系。壓電方管末端位移與壓電片長度的平方成正比；與壓電系數(shù)成正比；與外加電場成正比；與壓電片的寬度和厚度均成負相關(guān)。掃描器懸臂振幅與光纖直徑的平方成反比,與懸臂長度的開方成反比,與彈性模量的開方成反比。 2)采用耦合場數(shù)值仿真模型,研究了掃描器系統(tǒng)的輸入輸出響應(yīng)機制。獲得掃描器一階到四十階模態(tài),確定了振動模態(tài)包括弦振動、懸臂振動、方管扭轉(zhuǎn)、方管振動、和縱向縮放,明確了其中懸臂振動可提供有效光學掃描。獲取結(jié)構(gòu)在正弦激勵下的穩(wěn)態(tài)響應(yīng),獲得了0-14kHz頻譜上前四階諧振頻率的激勵使系統(tǒng)產(chǎn)生的響應(yīng)量。分析掃描器在慣性、阻尼等具有時間后效性因素作用下的行為。獲得了螺旋式掃描的50個運動瞬態(tài)；獲得了李薩如掃描的60個運動瞬態(tài)。 3)掃描器的設(shè)計實現(xiàn)了針對不同需求的個性化定制。面向在體臨床內(nèi)窺應(yīng)用,開發(fā)了低電壓小型化的掃描器,其直徑2mm,驅(qū)動電壓10V峰峰值；面向離體掃描成像應(yīng)用,開發(fā)了具有較高連續(xù)性和均勻性的網(wǎng)格式掃描器件,其具有穩(wěn)定的行掃描速率879Hz和幀速率3Hz；面向非線性光學成像應(yīng)用,開發(fā)了具有較小非線性光學效應(yīng)和較高采集效率的掃描器件,在52mW功率輸出脈寬175fs,封裝后探頭直徑3.5mm,該探頭首創(chuàng)采用小尺寸單根光纖共振型壓電掃描器驅(qū)動350μm直徑光纖獲得大于1mm振動范圍。 總之,本文針對顯微光學成像系統(tǒng)的應(yīng)用需求,開展了單光纖共振型壓電掃描器的理論與實驗研究。討論了掃描器運行機制的關(guān)鍵問題,提出了完整的實施方案,獲得了原型系統(tǒng)并實現(xiàn)了成像應(yīng)用。本文工作為單根光纖共振型壓電掃描器實現(xiàn)更加廣泛的應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。
[Abstract]:In order to promote the more important role of scanning microscopic optical imaging in clinical medical application and biological research, this paper focuses on the key scientific and technological problems in the development of single fiber resonant piezoelectric scanner. The principle, method, technology and application of the scanner are discussed systematically. This paper breaks through the exploration and blindness in the development and manufacture of single fiber optic resonance piezoelectric scanner, studies the operating mechanism of the scanner, determines the determinant factors of the scanner's performance, and designs the scanner. Production and evaluation provide effective scientific guidance. The main research results obtained in this paper are as follows: 1) the effects of material parameters on the key deformation parameters and vibration parameters of the scanners are studied and the quantitative relationship between them is clarified. The displacement at the end of the piezoelectric square tube is proportional to the square of the length of the piezoelectric plate, proportional to the piezoelectric coefficient, proportional to the applied electric field, and negatively related to the width and thickness of the piezoelectric plate. The amplitude of the cantilever of the scanner is inversely proportional to the square of the diameter of the fiber, the length of the cantilever and the modulus of elasticity. 2) the coupled field numerical simulation model is used. The input and output response mechanism of the scanner system is studied. The first to fortieth modes of the scanner are obtained, and the vibration modes including chord vibration, cantilever vibration, square tube torsion, square tube vibration, and longitudinal scaling are determined. It is clear that the cantilever vibration can provide effective optical scanning. The steady-state response of the structure under sinusoidal excitation is obtained, and the response of the system caused by the excitation of the fourth-order resonant frequency of the 0-14kHz spectrum is obtained. The behavior of the scanner under the action of inertia, damping and other factors with time after-effect is analyzed. Fifty motion transients of spiral scanning and 60 motion transients of Lisaru scanning are obtained. 3) the design of scanner realizes individualized customization according to different requirements. For in vivo clinical endoscope application, a low voltage miniaturization scanner with a diameter of 2 mm and a driving voltage of 10 V peak is developed, and a grid scanner with high continuity and uniformity is developed for the application of in vitro scanning imaging. It has stable line scanning rate 879Hz and frame rate 3Hz. For nonlinear optical imaging applications, a scanning device with small nonlinear optical effect and high acquisition efficiency is developed. When the pulse width of 52mW power output is 175 fs and the diameter of the probe is 3.5mm after encapsulation, the probe is the first to drive 350 渭 m diameter optical fiber with a small size single fiber resonant piezoelectric scanner to obtain a larger vibration range than that of 1mm. In conclusion, the theoretical and experimental study of single fiber resonant piezoelectric scanner is carried out to meet the application requirement of micro optical imaging system. The key problems of the scanner operation mechanism are discussed, and a complete implementation scheme is proposed. The prototype system is obtained and the imaging application is realized. The work in this paper provides a basis for the application of a single fiber optic resonance piezoelectric scanner.
【學位授予單位】：華中科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：R318.6

【共引文獻】

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本文編號：2180119