《Optics and Lasers in Engineering》：Dynamic coupling stabilization for miniature confocal endoscopy
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波导锥度稳定了微型共聚焦内窥镜中的光纤耦合。
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光场压缩减少了与扫描角度相关的耦合波动。
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波导锥度稳定了微型共聚焦内窥镜中的光纤耦合。
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光场压缩减少了与扫描角度相关的耦合波动。
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分辨的线对频率从每毫米56.99对增加到90.51对。
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每毫米210线对的场均匀性从0.46提高到0.93。
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这种被动锥度不需要逐帧计算或主动控制。
引言
共聚焦显微镜可以阻挡失焦的光线，从而在生物医学和微观研究中实现光学切片和高对比度的三维成像[[1], [2], [3]]。光纤探针和微型扫描仪将这些功能引入了内窥镜仪器[[4], [5], [6]]。技术的进步来自多个方向：结构化照明和微型物镜通过紧凑的探针支持细胞分辨率成像[[7], [8], [9]]；后来的设计扩大了视野范围或简化了远端扫描[[10], [11], [12]]；双轴探针则将成像扩展到了受限的组织部位[[13,14]]。这些发展促进了基于探针的共聚焦激光内窥镜在胃肠道和肺部应用中的发展[[15], [16], [17]]。光线进入光纤系统后，图像质量也可以得到改进：线扫描、光束移动和混合照明增强了切片效果或空间覆盖范围[[18], [19], [20]]，而HiLo和数字共聚焦处理则提高了光学抑制效果或图像恢复能力[[21,22]]。更近期的系统融入了元光学器件、无色差微物镜和衍射重建技术[[23], [24], [25]]。全息重建、选择性激发和高谐波光纤扫描也为图像形成提供了补充方法[[26], [27], [28]]。无透镜光纤尖端成像提供了另一种紧凑的架构[[29]]，探测器材料的进步可能还会提高光电子产率[[30]]。
这些进步也突显了检测前信号传输的重要性。成像光纤束接受特定范围的光束位置和角度，扫描误差可能导致模式失配、耦合损耗和场依赖性响应。探针尺寸、光纤特性和封装决定了这种容忍度[[31], [32], [33]]。MEMS扫描仪实现了紧凑型二维和三维光束操控[[34], [35], [36]]，其运动直接与光纤束的耦合窗口相互作用。采集后的校正可以解决几何畸变问题[[37]]，而当前的光学转换则在光纤注入前进行，以改善光耦合。
在本文中，我们将波导锥度用作光学尺度变换器和静态耦合器。通过减少光束在光纤束输入端的横向扫描位移，锥度改变了MEMS角度与光纤束平面位置的映射关系，使得耦合对扫描角度的变化不那么敏感。我们首先分析了这种耦合机制，然后使用USAF 1951靶标、刀边MTF测量、角度分辨功率和平场图像进行了测试。五种不同锥度比的测试考察了场均匀性、最差场MTF20和通量之间的平衡。第2节描述了光纤耦合机制、MEMS扫描限制和基于图像的扫描指标；第3节介绍了基于波导的光学尺度变换和压缩比分析；第4节报告了成像、MTF和角度分辨功率的测量结果；第5节给出了结论。
部分摘录
近端共聚焦内窥镜成像中的光纤-场耦合机制
在近端光纤共聚焦成像中，图像形成取决于共聚焦点扩散函数以及光束与光纤束引导模式的耦合。即使在亚毫米级的光纤接口处仅有微小的角度偏差，也可能导致模式失配、功率损失和空间不均匀性。因此，光学接口和MEMS扫描动态必须被视为一个耦合系统。共聚焦切片需要共轭的激发和检测光圈。
光束压缩和空间光学变换
波导锥度在MEMS扫描仪和成像光纤束之间实现了被动横向尺度变换。它减少了传递到光纤束孔径的光束位移，同时保持了机械扫描范围。锥度位于MEMS扫描光圈和光纤束之间，将MEMS产生的扫描位移映射为光纤束输入端的较小位移。其一级响应可以通过光偏转角与光纤束平面之间的关系来描述。
扫描成像分辨率的比较研究
USAF 1951图像提供了线对可见性的离散度量，而第4.2节中的刀边测量提供了连续的MTF曲线。图4比较了第5组第4个元素到第6组第6个元素的情况。当所有三个条带分离且平均曲线保留三个峰值及中间最小值时，该元素满足完整图案标准；对于更细的内部元素，则会合并在一起。
结论
微型共聚焦内窥镜需要MEMS扫描场与具有有限位置和角度接收范围的光纤束之间的稳定耦合。波导锥度通过被动横向尺度变换减少了光纤束平面的扫描位移，保持了机械扫描范围，并提供了被动光学耦合。锥度的辅助作用将最高分辨的USAF空间频率从56.99 lp/mm提高到90.51 lp/mm。经过单独的物体平面校准后，场平均MTF20也得到了提高。
术语表
互补金属氧化物半导体（CMOS）
连续波（CW）
边缘扩散函数（ESF）
快速傅里叶变换（FFT）
微机电系统（MEMS）
调制传递函数（MTF）
20%调制传递下的空间频率（MTF20）
场均匀性系数（UC）
二维平场均匀性系数（U2D）
基于MTF20的场均匀性指数（IMTF20）
数值孔径（NA）
光电倍增管（PMT）
点扩散函数（PSF）
角度输出均匀性系数（UP）
CRediT作者贡献声明
王志：撰写－原始草稿、方法论、数据管理、概念化。 张俊伟：可视化、数据分析、形式分析。 穆一宁：撰写－审稿与编辑、项目监督、资金争取。 王赫：资源管理、方法论。 王雪毅：可视化、数据管理。 王一成：验证、软件开发。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能会影响本文所述的工作。
致谢
本工作得到了吉林省科学技术厅国际科学技术合作项目的支持，项目编号为20250205068GH。
作者：王志 | 张俊伟 | 穆一宁 | 王赫 | 王雪毅 | 王一成
