基于分割重组一体化的单微透镜长均匀区的光学系统的制作方法

本发明属于光束整形，具体涉及基于分割重组一体化的单微透镜长均匀区的光学系统。

背景技术：

1、光生物调节疗法(photobiomodulation therapy，pbmt)是一种基于光生物调节(photobiomodulation，pbm)作用的治疗方法。在光生物调节疗法中，红光和近红外光谱中的光被线粒体内膜中包含的细胞色素-c氧化酶分子吸收，刺激atp生成增加和一氧化氮(no)的局部释放，atp是促进细胞内能量分子，一氧化氮是一种负责调节动物血管舒张和循环的信号分子。此流程可产生有益的治疗结果，例如疼痛缓解、炎症控制、免疫调节和促进组织再生。

2、近年来，经颅光生物调节治疗(tpbmt)因其可靠的科学原理、成功的效果、没有副作用并且是无创的而正在得到更多关注。该方法将颅骨外部的低水平能量光导向到大脑内部。光源可以是发光二极管(led)或低水平激光光源，通常在可见光光谱的红或近红外(nir)部分。然而，现有的光源能量分布通常是不均匀的，当这一能量分布不均匀的光束引导进大脑后，由于脑组织的散射和折射效应，将使本身能量分布就不均匀的光被二次恶化，导致最终进入目标病灶区的光束能量分布更加不均匀，影响实际的治疗效果。利用微透镜的均光特性进行光束能量分布均匀化整形已经在投影照明、激光测量、材料加工等领域得到广泛应用，然而现有基于微透镜进行光束能量均匀化的整形方案都是采用多片(两片及以上)实现的，采用多片微透镜进行光束能量分布的均匀化，会使得整个光学系统长度增加，同时，在上述领域内，微透镜整形获得的均匀光束分布实际的作用区域也很小，进能够在焦平面处形成均匀分布的光斑，而当离焦距离较大使，光束均匀性会迅速下降到无法使用的程度。

3、基于此设计一款基于分割和重组一体化的单微透镜设计，实现了长光束均匀化区域的同时，有效缩短了整个光学系统的长度，对tpbmt的光束能量调控具有非常积极的作用。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术存在的不足，提供了基于分割重组一体化的单微透镜长均匀区的光学系统，具体技术方案如下：

2、基于分割重组一体化的单微透镜长均匀区的光学系统，包括光束均匀化球面透镜阵列和长焦深球面准直镜组；

3、其中，光束均匀化球面透镜阵列由若干个球面微透镜组成；

4、长焦深球面准直镜组包括负光焦度双凹透镜、第一正光焦度平凸透镜、第二正光焦度平凸透镜和第三正光焦度平凸透镜；

5、负光焦度双凹透镜、第一正光焦度平凸透镜、光束均匀化球面透镜阵列、第二正光焦度平凸透镜和第三正光焦度平凸透镜在光的传播方向由左向右依次同轴排列。

6、优选的，光束均匀化球面透镜阵列由15×15个球面微透镜组成。

7、优选的，负光焦度双凹透镜、第一正光焦度平凸透镜、第二正光焦度平凸透镜和第三正光焦度平凸透镜为bk7玻璃构件，且其表面镀又有增透膜。

8、优选的，负光焦度双凹透镜、第一正光焦度平凸透镜、第二正光焦度平凸透镜和第三正光焦度平凸透镜沿光的传播方向依次排列的10个镜面的面型、曲率半径及间隔分别为：凹球面、-85.000mm、2.000mm；凹球面、110.000mm、20.123mm；凸球面、80.000mm、10.000mm；平面、无穷、15.19mm；微透镜凸面、-3.000mm、2.000mm；微透镜平面、无穷、19.07mm；凸球面、-85.000mm、10.000mm；平面、无穷、10.12mm；凸球面、-55.000mm、10.000mm；平面、无穷。

9、优选的，光学系统的工作波长为532nm、660nm、808nm、1064nm，焦深为±10mm。

10、优选的，光学系统对高斯光束的均匀化程度在1-90％之间。

11、优选的，光束均匀化球面透镜阵列中每一微透镜均为大小形状相同的平凸透镜，微透镜长度2mm、宽度2mm、中心厚度2mm，透镜均为c-7980玻璃构件。

12、优选的，负光焦度双凹透镜、第一正光焦度平凸透镜、光束均匀化球面透镜阵列、第二正光焦度平凸透镜和第三正光焦度平凸透镜之间的间隔介质为空气。

13、单微透镜长光束的光学系统的应用方法，该应用方法应用于权利要求1-8任一项的光学系统，应用方法包括：

14、光学系统在焦点处和距离焦点±10mm处的实际光斑均匀模拟，初始高斯光束经过本发明的光学系统后被整形成能量分布均匀的平顶高斯光束，且整形后的平顶高斯光束距离焦点±10mm处的能量均匀性在90％-94％之间；

15、光学系统进行了体外培养细胞对于光束均匀化改良的反应的研究，首先通过测定细胞增殖率研究hs27成纤维细胞对810nm的单波长的近红外光在2j/cm2的能量剂量下细胞数量的变化，经过均匀化改良的光束照射区域内，不同位置的细胞呈现出比较一致的增殖率，而未经均匀化改良的光束照射区域内，不同位置的细胞明显具有不同的增殖率，p<0.05，同样的系统在研究细胞产生atp的量时发现类似的现象，试验组的相对细胞atp浓度为1.13±0.03，对照组为1.02±0.18，均一度差异明显p<0.05；

16、光学系统进行了大动物疗效相关基因表达改变与光束均匀化改良的相关性研究，使用中心波长为810nm，频率为40hz的单波长近红外光进行试验照射，使用频次为每天1次，每次20分钟，20分钟后仪器会自动停止，连续使用5天之后间隔两天再次使用，持续一个月后解剖，做冰冻组织切片染色观察，取目标组织海马+基底前脑+额叶/顶叶+枕叶+小脑，利用反转录定量pcr进行试验组和对照组之间对应组织的基因表达差异分析，在选取的9个与线粒体功能改善指证疗效相关的代表性基因中，除了3个基因表达没有明显差别，其它6个基因的表达在发生了明显改变，经基因功能检索显示这些改变均指向线粒体功能修复/改善，此结果为经光均性改良的光治疗设备对于ad有更好的治疗效果提供了分子水平的证据；

17、光学系统的光治疗设备对于ad源性轻度认知障碍及轻度ad患者进行光疗的临床实验，仪器包括经颅及经鼻两组光组件其中经颅光组件经过光均性改良，使用中心波长为810nm，频率为40hz的单波长近红外光进行治疗，使用频次为每天1次，每次20分钟20分钟后仪器会自动停止，连续使用5天之后间隔两天再次使用，对照组除了使用未经光均性改良的光组件外，其余都与试验组相同，临床试验显示，接受3个月的近红外光治疗后，对照组的阿尔茨海默症评估量表-认知量表alzheimer's disease assessment scale-cognitivesubscale，adas-cog总评分减小了3.0分，试验组adas-cog量表总评分平均较基线减小6.3分，有显著的统计学差异，使用adas-cog评分结果证实了经光均性改良的光治疗设备对于ad的更好的治疗效果。

18、与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的光学系统采用了单微透镜阵列对高斯光束的分割和重组进行一体化结构设计，在保证光学系统对高斯光束均匀化性能的同时，又拓展了光束均匀化有效作用长度、缩减了光束能量均匀化光学系统的几何长度，解决了以往多微透镜阵列均匀化无法实现长均匀区的问题。