用于裂隙光源的側(cè)面發(fā)光塑料光纖散射點(diǎn)設(shè)計(jì)

摘要：設(shè)計(jì)一種側(cè)面發(fā)光塑料光纖表面正四棱錐形微結(jié)構(gòu)散射點(diǎn)，使側(cè)面發(fā)光塑料光纖可用作裂隙燈顯微鏡的裂隙光源，以減小裂隙光源的體積.采用光學(xué)仿真軟件分析光纖上表面（有散射點(diǎn)）和光纖下表面（無散射點(diǎn)）的散射率，當(dāng)塑料光纖直徑為1 mm時(shí)，得到優(yōu)化后的正四棱錐散射點(diǎn)的底邊寬度和深度均為80 μm.仿真結(jié)果表明，光纖下表面散射光的光束發(fā)散角在垂直于光纖方向約為40°，在平行于光纖方向約為110°，經(jīng)過焦距為50 mm的投射鏡會(huì)聚后的光帶寬度約為0.3 mm，可以滿足裂隙燈顯微鏡的要求.

關(guān)鍵詞：裂隙光源； 塑料光纖； 微結(jié)構(gòu)散射點(diǎn)； 側(cè)面發(fā)光塑料光纖

中圖分類號(hào)： O 439文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)： 1000－5013（2023）02－0250－07

Design of Scattering Point of Side－Glowing Plastic Optical Fiber for Slit Light Source

GONG Dongmei1， ZHUANG Xiuxiu2，HONG Xuemei1， ZHUANG Fengjiang1

（1. College of Information Science and Engineering， Huaqiao University， Xiamen 361021， China；

2. Library， Huaqiao University， Quanzhou 362021， China）

Abstract： A kind of regular pyramid microstructure scattering point is designed on the surface of side－glowing plastic optical fiber， so that the side－glowing plastic optical fiber can be used as the slit light source of slit lamp microscope to reduce the volume of slit light source. The optical simulation software is used to analyze the scattering rate of the upper surface （with scattering points） of the optical fiber and the lower surface （without scattering points） of the optical fiber. When the diameter of the plastic optical fiber is 1 mm， the width of the bottom edge and depth of the optimized regular pyramid scattering point are both 80 μm. The simulation results show that the beam divergence angle of the scattered light on the lower surface of the optical fiber is about 40° in the direction perpendicular to the optical fiber and about 110° in the direction parallel to the optical fiber， and the light band width after being converged by the projector with a focal length of 50 mm is about 0.3 mm， which can meet the requirements of slit lamp microscope.

Keywords： slit light source； plastic optical fiber； microstructure scattering point； side－glowing plastic optical fiber

裂隙燈顯微鏡是眼科檢查必不可少的重要儀器，隨著智能化設(shè)備的不斷普及，裂隙燈顯微鏡逐漸向數(shù)碼智能化、結(jié)構(gòu)小型化方向發(fā)展.Shu等［1］將傳統(tǒng)裂隙燈和數(shù)碼相機(jī)結(jié)合成一種多功能裂隙燈生物顯微鏡，可以定量評(píng)估眼表血管直徑、血流速度和血流率，也可以創(chuàng)建無創(chuàng)性微血管灌注圖.隋成華等［2－3］設(shè)計(jì)一套5檔式數(shù)碼裂隙燈顯微鏡光學(xué)系統(tǒng)和具有集光鏡、聚光鏡的科勒照明系統(tǒng).黃幼萍等［4］設(shè)計(jì)一種高性能數(shù)碼裂隙燈顯微鏡前置物鏡.為了便于出診和臨床巡查，手持式裂隙燈應(yīng)運(yùn)而生，并不斷地改進(jìn)優(yōu)化［5－6］.

裂隙燈顯微鏡主要包括光源組件和光學(xué)觀察組件，裂隙光源是裂隙燈的重要組件，上述研究中的裂隙光源由于需要透鏡組件而難以實(shí)現(xiàn)微型化，因此，可采用一種用于裂隙光源的表面微結(jié)構(gòu)側(cè)面發(fā)光塑料光纖，該光纖結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可降低裂隙燈的體積、質(zhì)量和成本.

側(cè)面發(fā)光塑料光纖是一種新型光源，具有安全性高、韌性大、尺寸小、形狀多樣、可靠性高、壽命長等特性，可用于發(fā)光織物［7－8］、裝飾照明［9－10］和液晶顯示背光源［11－12］等領(lǐng)域.實(shí)現(xiàn)塑料光纖側(cè)面發(fā)光的方法較多，損傷芯皮結(jié)構(gòu)（表面微結(jié)構(gòu)）法由于設(shè)計(jì)靈活，受到研究者的青睞［13－16］.然而，現(xiàn)有的側(cè)面發(fā)光光纖相關(guān)研究對(duì)發(fā)光光束發(fā)散角沒有嚴(yán)格要求，使其無法直接用作裂隙光源.因此，本文設(shè)計(jì)一種橫向發(fā)散角很小的塑料光纖側(cè)面發(fā)光線光源，可用作裂隙燈顯微鏡的裂隙光源.

1 散射點(diǎn)設(shè)計(jì)原理

1.1 塑料光纖裂隙光源工作原理

傳統(tǒng)裂隙光源和塑料光纖裂隙光源，如圖1所示.傳統(tǒng)裂隙燈顯微鏡系統(tǒng)［17］主要由裂隙光源系統(tǒng)和顯微鏡系統(tǒng)組成，裂隙光源系統(tǒng)主要用于產(chǎn)生片狀光束（裂隙光），其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積較大.將塑料光纖裂隙光源（圖1（b））取代傳統(tǒng)裂隙光源（圖1（a）），塑料光纖位于裂隙控制閘與投射鏡之間.改進(jìn)后的裂隙光源結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積減小.塑料光纖裂隙光源的塑料光纖與白光LED耦合部分是一個(gè)球形錐結(jié)構(gòu)，用于提高白光LED光源的耦合效率，塑料光纖上表面有一列正四棱錐形散射點(diǎn)，光纖內(nèi)傳輸?shù)墓饩€通過散射點(diǎn)散射后，先經(jīng)過光纖自身柱透鏡會(huì)聚，形成片狀光束，然后通過投射鏡二次會(huì)聚，在目標(biāo)面（眼球）得到很窄的光帶.

1.2 散射點(diǎn)結(jié)構(gòu)

正四棱錐形散射點(diǎn)結(jié)構(gòu)和散射光線示意圖，如圖2所示.圖2中：w，d分別為正四棱錐形散射點(diǎn)的底邊寬度和深度；s1，s2為面；r1，r2，t1，t2均為光線.當(dāng)入射到光纖中的光線到達(dá)正四棱錐形散射點(diǎn)的第一個(gè)面s1時(shí)，部分光線（光線r1）滿足全反射條件從光纖下表面散射射出；另一部分光線透過面s1到達(dá)面s2，在面s2，大部分光線（光線t1）透射后，再次進(jìn)入光纖纖芯傳輸；很小一部分光線（光線r2）反射后，從光纖上側(cè)面散射射出.此外，還有一小部分光線（光線t2）透過面s1后，直接從光纖上側(cè)面散射射出.因此，光纖下表面散射光主要由一系列光線r1組成，光纖上表面散射光主要由一系列光線r2，t2組成.

1.3 塑料光纖會(huì)聚光原理

塑料光纖會(huì)聚光原理圖，如圖3所示.圖3中：n1為折射率.

塑料光纖可看作單柱面透鏡，光線在折射率為n1（塑料光纖折射率為1.496）的光纖內(nèi)散射點(diǎn)散射到光纖下側(cè)面射出的過程是一個(gè)會(huì)聚過程，塑料光纖內(nèi)散射光線經(jīng)過光纖表面發(fā)生折射，折射面為單球面透鏡，物方焦距f=（n1R）/（n1-1）≈3R，R為光纖半徑.

由于散射點(diǎn)與光纖下側(cè)面的距離小于3R，故散射點(diǎn)經(jīng)過塑料光纖會(huì)聚后形成虛像位于光纖上方.該虛像的位置是傳統(tǒng)裂隙燈的裂隙控制閘位置，改用塑料光纖裂隙燈光源后，這個(gè)裂隙控制閘位置等價(jià)于降低到光纖上的散射點(diǎn)位置.此外，由于傳統(tǒng)裂隙燈的燈泡位于裂隙控制閘的上方，而塑料光纖的入射光源LED位于塑料光纖同一高度，這進(jìn)一步縮短了裂隙燈光源的高度，極大減小了裂隙燈光源系統(tǒng)的體積.

2 散射點(diǎn)參數(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)塑料光纖正四棱錐形散射點(diǎn)模型，采用TracePro光學(xué)仿真軟件進(jìn)行建模仿真，模型中正四棱錐形散射點(diǎn)位于塑料光纖上表面.改變正四棱錐散射點(diǎn)底邊寬度和深度，可得塑料光纖上表面和下表面的散射率，找到光纖上表面散射率最低，而下表面散射率最高的條件，從而獲得最佳散射點(diǎn)結(jié)構(gòu)參數(shù).塑料光纖基本參數(shù)，如表1所示.

散射點(diǎn)散射率（α）定義為散射光通量（φs）與入射光通量（φi）的比值，即

α=φs/φi.（1）

2.1 散射點(diǎn)位置

光纖上表面和下表面的散射率變化曲線，分別如圖4，5所示.圖4，5中：αu為光纖上表面散射率；αl為光纖下表面散射率.

由圖4可知：光纖上表面散射率隨著底邊寬度和深度的增大而增大；當(dāng)散射點(diǎn)深度為60～100 μm時(shí)，底邊寬度小于20 μm的散射點(diǎn)在光纖上表面的散射率接近于0，上表面幾乎沒有散射光；當(dāng)w=70 μm，d=100 μm時(shí)，光纖上表面散射率達(dá)到最大值4.25×10-4.

由圖5可知：光纖下表面散射率隨著散射點(diǎn)底邊寬度的增大而增大，而隨著散射點(diǎn)深度的增大而減小，這是因?yàn)樯⑸潼c(diǎn)底邊寬度增大，滿足全反射條件的光線r1數(shù)量增多，因而光纖下表面散射率增大，同理，當(dāng)散射點(diǎn)深度增大，滿足全反射條件的光線r1數(shù)量減少，使光纖下表面散射率減?。划?dāng)散射點(diǎn)深度為60～100 μm時(shí)，底邊寬度小于40 μm的散射點(diǎn)在光纖下表面的散射率接近于0，光纖下表面幾乎沒有散射光；當(dāng)w=90 μm，d=60 μm時(shí)，光纖下表面散射率達(dá)到最大值0.02.

由此可知，光纖下表面的散射率最大值約為光纖上表面的散射率最大值的47倍，說明散射點(diǎn)的散射光大部分從光纖下表面射出.因此，當(dāng)采用光纖下表面作為散射光出射面時(shí)，選擇散射點(diǎn)位于光纖上表面是正確的.

2.2 散射點(diǎn)深寬比

散射率比值變化曲線，如圖6所示.圖6中：p為散射率比值，即下表面散射率與總散射率的比值；散射點(diǎn)深度變化范圍為60～100 μm.

由圖6可知：對(duì)于固定的散射點(diǎn)深度，散射率比值隨著散射點(diǎn)底邊寬度的增大而單調(diào)增大；當(dāng)w=d時(shí)，散射率比值接近最大值1，此時(shí)，光纖下表面散射率與總散射率基本相等，即幾乎全部散射光從光纖下表面射出.因此，光纖表面正四棱錐散射點(diǎn)參數(shù)的第1個(gè)優(yōu)化條件是散射點(diǎn)底邊寬度與深度相等（w=d）.

2.3 散射點(diǎn)大小

散射點(diǎn)總散射率（αt，光纖上表面散射率與下表面散射率之和）變化曲線，如圖7所示.

由圖7可知：該曲線與圖5基本相同，說明散射點(diǎn)總散射率近似等于下表面散射率；散射點(diǎn)總散射率隨著散射點(diǎn)底邊寬度的增大而增大，而隨著散射點(diǎn)深度的增大而減小.因此，當(dāng)散射點(diǎn)深度不變時(shí)，增大散射點(diǎn)寬度可以使散射點(diǎn)總散射率增大.

根據(jù)光纖傳輸原理，經(jīng)過傳輸長度（L）后的光通量φo=φiexp（-L），為損耗系數(shù).由于損耗系數(shù)正比于散射點(diǎn)總散射率，光纖內(nèi)傳輸?shù)墓馔侩S散射點(diǎn)總散射率的增大而呈現(xiàn)指數(shù)衰減，影響散射點(diǎn)陣列的散射光強(qiáng)度均勻性，所以散射點(diǎn)總散射率不宜過大.

如果在裂隙燈發(fā)光光纖表面設(shè)置100個(gè)散射點(diǎn)，并使光纖末端的光通量不低于入射端的一半，則單個(gè)散射點(diǎn)的總散射率應(yīng)低于0.006 8，根據(jù)第一優(yōu)化條件w=d，并由圖7曲線進(jìn)一步優(yōu)化，得到第2個(gè)優(yōu)化條件，即w=d=80 μm.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 散射光極坐標(biāo)Iso坎德拉圖

在仿真實(shí)驗(yàn)中，在光纖底部放置平行于水平面的檢測(cè)板，通過檢測(cè)板上的極坐標(biāo)Iso坎德拉圖分析塑料光纖下表面散射光線的角度分布.

極坐標(biāo)Iso坎德拉圖展示的是球坐標(biāo)極軸上的球極角和方位角，該圖把一個(gè)半球映射到一個(gè)平面上，光線角分布以極坐標(biāo)的格式顯示，球坐標(biāo)中心在散射點(diǎn)正下方的光纖軸線上，極軸通過散射點(diǎn)中心.在極軸上觀察，極坐標(biāo)的極就是圖的中心的一個(gè)點(diǎn)；極軸上的球極角為間隔10°的一組圓環(huán)（0°～90°）；方位角為間隔15°的一組徑向直線組成（0°～360°），0°方位角指向光纖入射光方向.

固定散射點(diǎn)深度（d=80 μm），散射點(diǎn)寬度從40 μm變化到90 μm，可得光纖下表面散射光的極坐標(biāo)Iso坎德拉圖，如圖8所示.圖8中：I為輻（射）強(qiáng)度.

由圖8可知：w=40 μm的極坐標(biāo)Iso坎德拉圖只有一條散射光線位于球極角84°，方位角355°（圖8（a）），此時(shí)光纖下表面幾乎無散射光；隨著散射點(diǎn)寬度逐漸增大至50，60，70，80，90 μm，光纖下表面散射光線數(shù)量相應(yīng)增加至5，327，1 395，2 677，3 929（圖8（b）～8（f））；隨著散射點(diǎn)寬度增大，散射光線集中區(qū)域中心從球極角65°左右逐漸移動(dòng)到40°左右（圖8（c）～8（f）），即散射光線逐漸向光纖下表面法線靠近，同時(shí)，散射光線集中區(qū)域的方位角保持在160°～200°，說明光纖下表面散射光在垂直于光纖方向的光束發(fā)散角約為40°.

因此，當(dāng)選擇w=d=80 μm時(shí)（圖8（e）），光纖下表面散射光的光束發(fā)散角在垂直于光纖方向約為40°，在平行于光纖方向約為110°.

3.2 散射光的投射光斑圖和照度分布曲線

當(dāng)w=d=80 μm時(shí)，單一散射點(diǎn)在光纖下表面的散射光經(jīng)過投射鏡后，可得目標(biāo)面光斑圖和照度分布曲線，如圖9所示.圖9中：X，Y為坐標(biāo)軸；E為照度.

采用的投射鏡焦距為50 mm，目標(biāo)面與投射鏡的距離為100 mm.LED光源采用5 W大功率LED燈珠，結(jié)合球形錐結(jié)構(gòu)塑料光纖端頭，使LED耦合到光纖的導(dǎo)光效率約為27%（仿真結(jié)果），忽略光纖吸收損耗，兩端輸入的光纖內(nèi)光功率約為2.7 W.

由圖9可知：目標(biāo)面的光斑呈現(xiàn)長條狀，光斑長度方向?yàn)楣饫w軸線方向，光斑照度半高寬根據(jù)仿真照度數(shù)據(jù)表顯示為0.3 mm左右；光斑圖在1.2 mm×0.2 mm面積內(nèi)均勻性優(yōu)于80%，最大照度值為414 lx，平均照度值為366 lx.將多個(gè)散射點(diǎn)在光纖軸線方向上順序排列，可得到滿足裂隙燈顯微鏡要求的長條光帶.

散射點(diǎn)間距1 mm的5個(gè)散射點(diǎn)散射光經(jīng)投射鏡投射到目標(biāo)面，其目標(biāo)面光斑圖和照度分布曲線，如圖10所示.由圖10可知：在長度5 mm范圍內(nèi)，照度均勻度能滿足80%的要求.若要獲得14 mm最大光斑長度，則需要至少14個(gè)正四棱錐散射點(diǎn)，由于受電腦內(nèi)存限制，沒有進(jìn)行模擬仿真.

3.3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

采用熱壓印工藝［18］在塑料光纖表面制作正四棱錐形散射點(diǎn)，w=d=80 μm，塑料光纖端頭做成球形錐結(jié)構(gòu)，LED光源采用5 W大功率LED燈珠，2顆LED燈珠從光纖兩頭照射光纖.

光纖通光后，光纖上表面和下表面的散射點(diǎn)亮度及其亮度分布曲線，如圖11所示.由圖11可知：下表面觀察到的散射點(diǎn)亮度遠(yuǎn)高于上表面的亮度，驗(yàn)證了節(jié)3.1的理論分析結(jié)論.

單個(gè)散射點(diǎn)的下表面散射光經(jīng)投射鏡投射到目標(biāo)面上的實(shí)驗(yàn)光斑圖，如圖12所示.

由圖12，9可知：兩者的光斑長度和寬度基本一致，而光斑形狀有較大差別，這是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)制作的散射點(diǎn)不是理想的正四棱錐形狀，改變了散射光的方向所致.

4 結(jié)束語

對(duì)塑料光纖表面正四棱錐形微結(jié)構(gòu)散射點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，證明散射點(diǎn)分布于光纖上表面的側(cè)面發(fā)光光纖作為裂隙燈光源時(shí)，極大減小裂隙燈光源系統(tǒng)的體積.仿真結(jié)果表明，光纖下表面的散射率最大值約為光纖上表面的散射率最大值的47倍，光纖總散射率近似等于下表面散射率；光纖表面正四棱錐散射點(diǎn)結(jié)構(gòu)參數(shù)的第1個(gè)優(yōu)化條件是底邊寬度與深度相等，增大散射點(diǎn)尺寸可以使散射光強(qiáng)度增加，因此，散射點(diǎn)結(jié)構(gòu)參數(shù)的第2個(gè)優(yōu)化條件是增大底邊寬度與深度.當(dāng)塑料光纖直徑為1 mm時(shí)，得到優(yōu)化后的正四棱錐散射點(diǎn)的底邊寬度和深度均為80 μm；光纖下表面散射光的光束發(fā)散角在垂直于光纖方向約為40°，在平行于光纖方向約為110°，經(jīng)過焦距為50 mm的投射鏡會(huì)聚后的光帶寬度約為0.3 mm，可以滿足裂隙燈顯微鏡的要求.

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（責(zé)任編輯：" 錢筠 英文審校： 吳逢鐵）

收稿日期： 2022－05－29

通信作者： 龔冬梅（1968－），女，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，主要從事光電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)的研究.E－mail：dmgong@hqu.edu.cn.

基金項(xiàng)目： 福建省科技計(jì)劃高校產(chǎn)學(xué)合作重大項(xiàng)目（2016H6016）； 華僑大學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)與管理改革課題（612－5042 1036）