用于荧光共聚焦内窥镜的微型显微物镜研究

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1、分类号学号D201077706学校代码10487密级博士学位论文用于荧光共聚焦内窥镜的微型显微物镜研究学位申请人：杨莉学科专业：光学工程指导教师：付玲教授答辩日期：2016.2.28ADissertationSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofDoctorofPhilosophyinEngineeringDesignofMiniatureObjectivesforFluorescenceConfocalMicroendoscopy

2、Ph.D.Candidate:LiYangMajor:OpticalEngineeringSupervisor:Prof.LingFuHuazhongUniversityofScienceandTechnologyWuhan,Hubei430074,P.R.ChinaFebruary,2016独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其它个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文

3、中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在年解密后适用本授权书。本论文属于不保密□。（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月

4、日华中科技大学博士学位论文*摘要最近，荧光共聚焦内窥镜作为一种新的诊断工具可通过常规内镜的工作通道进入人体进行实时高分辨率成像，医生根据其成像结果选择可疑区域抓取组织进行组织活检，可提高活检成功率。微型显微物镜是荧光共聚焦内窥镜的重要器件，其与光纤束一起作为荧光共聚焦内窥镜的光学探头可通过常规内镜的工作通道进入人体进行成像。微型物镜的成像性能决定了荧光共聚焦内窥镜的成像参数，为了使荧光共聚焦内窥镜能应用于临床诊断，微型显微物镜需满足小尺寸、低像差、高分辨率的成像要求以及常规加工与装配技术的限制。本文先详细描述了微

5、型物镜的设计指标和在常规加工与装配技术下的加工限制，并介绍了微型物镜的设计思路。根据设计指标研究了微型物镜的性能测试方法，并搭建可测试微型物镜性能的光学系统，可测量微型物镜的横向分辨率、MTF（调制传递函数）曲线和色差焦移曲线。根据微型物镜的设计指标和加工限制，本研究用容易实现的五透镜结构设计并加工了三种不同尺寸的微型显微物镜。微型物镜尺寸越小，设计难度越大。为了确定微型物镜的设计思路与方法，本文先用全玻璃球面透镜结构设计并加工完成了外径6mm的微型物镜。为了获得可与常规肠镜配合使用的微型物镜，利用了非球面透镜像

6、差校正的优点，用一片塑料非球面透镜替代一片玻璃球面透镜，解决了尺寸变小像差校正难度增大的问题，设计并加工完成了外径3.5mm的微型物镜。为了获得可与常规胃镜配合使用的微型物镜，选择四片球面透镜和一片非球面透镜组合的结构，并采用光学设计中的全局优化方法对透镜参数进行优化，最终设计并加工完成了外径2.6mm的微型物镜。外径2.6mm微型物镜总长为10.3mm，有利于通过常规胃镜的工作通道进入人体；150μm的工作距离可观察到胃粘膜的胃小凹结构；360μm的视场可观察到足够多的胃小凹结构，方便通过胃小凹的形态进行临床诊

7、断。在常规加工与装配技术条件下获得的三种尺寸的微型物镜成品经测试可分辨分辨率板*基金资助：国家科技支撑计划（2011BAI12B06）和国家自然科学基金（61178077）。I华中科技大学博士学位论文的最小线宽为0.78μm；计算获得微型物镜的像方MTF曲线中MTF数值在167lp/mm处均大于0.5；测得色差焦移极小说明色差得到有效校正，性能测试结果满足荧光共聚焦内窥镜的成像要求。三种微型物镜与荧光共聚焦内窥镜配合对小鼠新鲜器官组织进行成像，可分辨组织的典型结构。包含外径2.6mm微型物镜的荧光共聚焦内窥镜探头

8、，可分辨小鼠大肠组织的隐窝结构和上皮细胞。因为隐窝结构和细胞形态可作为癌症早期诊断的重要依据，因此该微型物镜可作为荧光共聚焦内窥镜的重要器件用于临床研究。针对不同深度组织成像的要求，本文还设计了一种双微型焦点物镜。该微型物镜采用新型透镜结构进行设计，将两个焦距不同但中心厚度相同的透镜各取一半构成一个双焦点透镜，并与准直透镜组合构成了双焦点微型物镜。该微型双焦点物镜外径2.