CN102401995B - 一种内窥镜微型光学探头 - Google Patents
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Abstract
本发明公布了一种内窥镜微型光学探头，包括MEMS微镜、电路板、自聚焦光学组件、定位底板和外壳，其特征在于：所述内窥镜探头采用一体化对称结构设计，将所述MEMS微镜、电路板和自聚焦光学组件按光机电设计要求组装在所述定位底板上形成探头主体，然后通过注塑或浇铸的方式形成探头外壳，与探头主体严实地结合在一起。可在与MEMS微镜镜面相对的外壳上形成有光学窗口，或者外壳材料本身对所使用光透明。本发明采用注塑/浇铸工艺进行探头外壳一次性成型，此结构能保护MEMS微镜免受环境因素影响，能够承受一定振动冲击和随机冲击；密封的探头可在各种液体环境中作业；可实现探头的大批量、小成本加工生产，将实现一次性探头的目的。
Description
技术领域
本发明属于医疗设备技术领域，特别是涉及一种内窥镜微型光学探头。
背景技术
将微机电系统技术（microelectromechanical systems, 简称MEMS）的扫描微镜与光学相干层析成像(Optical Coherence Tomography, OCT)技术相结合，进行内窥镜成像系统开发是专利申请单位的主要开发项目。国际上第一个MEMS－OCT内窥镜探头正是由申请单位研发团队成员之一在2001年研发的，该内窥镜采用电热驱动的一维MEMS扫描微镜，成功展示了活体猪膀胱的二维截面OCT图像。该探头已经取得美国专利（专利号：US7,450244 Full circumferential scanning OCT intravascular imaging probe based on canning MEMS mirror），图1是探头三维设计图，它包括探头基座14、格林透镜12、传输光纤13、进行MEMS微镜电连接的柔性电路板15和MEMS微镜11。探头基座14根据各零部件尺寸进行设计，采用电火花切割加工；传输光纤13前端部分去掉外皮后与格林透镜12采用无间隙组装在探头对应孔槽内；MEMS微镜11与柔性电路板15分别粘接在探头一端带45°斜坡的槽内；最后完成塑料套管16的组装。
从图1可以看出，探头基座不对称结构给加工带来较大困难，不利于探头的批量生产。为实现一次性MEMS－OCT探头的推广，采用图１所示设计方案将受限于研发阶段，采用电火花线切割加工使得加工周期变长，且成本高昂，影响了一次性探头的市场开拓。本发明旨在改进OCT内窥镜探头结构设计，实现探头各零部件的精准组装，并采用注塑成型的生产方式进行探头的批量生产，从而控制生产成本，为一次性MEMS－OCT探头的市场推广打下坚实基础。
发明内容
本发明目的在于针对现有技术的缺陷提供一种采用注塑或浇铸工艺成型的内窥镜微型光学探头。
本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：
一种内窥镜微型光学探头，包括MEMS微镜、电路板、自聚焦光学组件、定位底板和外壳，其特征在于：所述内窥镜探头采用一体化对称结构设计，将所述MEMS微镜、电路板和自聚焦光学组件按光机电设计要求组装在所述定位底板上形成探头主体，然后通过注塑或浇铸的方式形成探头外壳，与探头主体严实地结合在一起。在与MEMS微镜镜面相对的外壳上可以设置有探头窗口。所述窗口为自由曲面与外壳一同注塑成型，具有矫正经由MEMS微镜摆动而形成的光扫描图形的功能。所述窗口也可为矩形或圆形。
其进一步特征在于：所述定位底板一端固定有L形支撑架，所述L形支撑架角度为45度-60度；所述电路板包括倾斜部分和平直部分，所述倾斜部分固定在所述L形支撑架上，平直部分固定在所述定位底板上，所述电路板外部电连接端实现与外部电路连接，设置于所述定位底板另一端；同时所述MEMS微镜与所述电路板的焊盘对齐后导电粘接或焊接；所述定位底座中部分别固定有两个光学组件支撑架，所述光学组件支撑架上同时起到压紧电路板的作用，其上设置有凹槽；所述自聚焦光学组件卡入两个支撑架凹槽内，同时所述光学组件外壳与靠近MEMS微镜一侧的光学组件支撑架前端面平齐实现定位。
进一步的：所述MEMS微镜由镀有光学涂层的涂层窗口、微镜四周硅框架和底层基底将微镜封装而成，通过驱动控制微镜镜面可在微镜四周硅框架内做各种规则摆动，用于MEMS微镜电连接的焊盘置于底层基底底部呈分散分布。
其进一步特征在于：所述MEMS微镜外形为方形、圆形或者其他多边形。
作为电路板的一种结构形式，所述电路板为一体式电路板，所述MEMS微镜与所述电路板焊盘对齐后导电粘结其倾斜面上，另一端为电路板引出端。
作为电路板的另一种结构形式，所述电路板为分离式电路板，其由内接电路板与外接电路板的引入端通过连接端子连接而成，所述MEMS微镜与所述内接电路板对应焊盘导电连接，所述外接电路板引出端设置于外接电路板尾部。
进一步的：所述自聚焦光学组件包括传输光纤、毛细玻璃管、玻璃管外壳和自聚焦透镜；所述传输光纤套入所述毛细玻璃管内，再与自聚焦透镜一起套入玻璃管外壳中。
所述内窥镜微型光学探头外壳材质为透明塑料或透红外材料。
本发明具有以下优点：
（1） 采用注塑/浇铸工艺进行探头外壳一次性成型，此结构能保护MEMS微镜免受环境因素影响，能够承受一定振动冲击和随机冲击；密封的探头可在各种液体环境中作业；
（2） 可实现探头的大批量、小成本加工生产，将实现一次性探头的目的；
（3） 管壳采用注塑/浇铸成型，管壳厚度可控制在较小范围内，将使探头更加微型化；
（4） 窗口与管壳同时采用注塑/浇铸成型，具有光扫描图形矫正功能的特定曲面窗口可与探头外壳一次成型，无需增加额外光学元件进行探头扫描图形矫正。
（5） 探头采用模块化层式结构设计，MEMS组装与光学组件组装工艺可同时进行，不受前后工艺制约；
（6） 同时可在开放环境中进行组装，大大减少组装难度，简化装配工艺，可实现对MEMS微镜粘结和光学组件组装的精准定位，提高MEMS微镜电连接可靠性和光学校准精度。
附图说明
图 1 为MEMS－OCT旧版探头三维设计；
图中：（11）MEMS微镜；（12）格林透镜；（13）传输光纤；（14）探头基座；（15）柔性电路板；（16）塑料套管。
图2为探头外形图（平面窗口和特定自由曲面窗口）；
图3为探头剖视图；
图4为探头主体结构图；
图5为探头主体结构爆炸图；
图中：（21）光纤连接端；（22）电连接端；（23）窗口；(24)外壳；（25）MEMS微镜；（26）电路板；（27）自聚焦光学组件；（28）定位底板；（29）L形支撑架 ；(30) 电路板外部电连接端。
图6为MEMS微镜示意图；
图7为MEMS微镜主要结构爆炸图；
图中：（61）涂层窗口；（62）光学涂层；（63）微镜四周硅框架；（64）底层基底；（73）镜面；（65）微镜四周硅框架。
图8为圆形MEMS微镜和多边形MEMS微镜示意图；
图9为MEMS电连接电路板(一体式)；
图10为MEMS电连接电路板(分离式)；
图中：（31）内接电路板；（32）外接电路板引入端；（33）外接电路板；（34）一体式电路板。
图11为光学组件结构示意图；
图中：（101）传输光纤；（102）毛细玻璃管；（103）玻璃管外壳；（104）自聚焦透镜。
图12为探头注塑成型过程1；
图13为探头注塑成型过程2；
图14为探头注塑成型过程3；
图中：（111）型腔1；（112）型腔2；（113）探头主体；（114）填充孔；（115）探头。
具体实施方式
（1）内窥镜探头及其结构
OCT技术应用于内窥镜的核心问题在于其内窥探头的微型化，随着MEMS技术的发展，结合MEMS微镜便可实现内窥探头的微型化。
探头结构设计有侧向扫描和前向扫描两种模式，本专利主要用于侧向扫描。探头整体外形如图2所示，包括光纤连接端21、电连接端22、窗口23、外壳24，采用完全密封结构，既起到保护MEMS微镜免受环境因素影响的作用，还将MEMS微镜内外层的电连接进行绝缘保护，同时能保证探头内各零部件之间连接更牢固，使探头具有一定的抗冲击、减轻随机振动的能力。为MEMS微镜提供光扫描的传输光纤和提供电驱动的电连接线一起从探头尾部引出；经光纤传输的入射光与MEMS微镜成一定角度入射在做面扫描的MEMS微镜上，为保证出射光经过探头窗口时不发生散射，探头窗口表面为平面结构。探头窗口还可以设计成具有光扫描图形矫正功能的特定曲面窗口，可与探头外壳一次成型，无需增加额外光学元件进行探头扫描图形矫正。所述窗口也可以为方形或圆形。
探头结构如图3所示，它主要由MEMS微镜25、电路板26、自聚焦光学组件27、定位底板28和外壳24组成。内窥镜探头采用简化的一体化对称结构设计，将MEMS微镜25、电路板26和自聚焦光学组件27按光机电设计要求组装在定位底板上形成探头主体，然后通过注塑或浇铸的方式形成探头外壳24，与探头主体严实地结合在一起。
探头的主要部分为探头主体，如图4和图5所示，其最底层为定位底板28，成一定角度（45度到60度）的L形支撑架29固定在所述定位底板28右端孔槽处，其固定可通过过盈配合将L形支撑架29底部凸起插入定位底座28对应凹槽内，亦可通过点焊固定；提供MEMS微镜25驱动控制电连接的电路板26倾斜部分粘在L形支撑架29上，另外平直部分粘结在定位底板28上，电路板外部电连接端30实现与外部电路连接，安放于底座左侧尾部；同时MEMS微镜25与电路板26的焊盘对齐后实行导电粘接；两个光学组件支撑架29分别插入定位底板28中前部和中后部两处定位槽中固定，亦可通过点焊固定，同时起到压紧电路板26的作用；自聚焦光学组件27插入两个光学组件支撑架29凹槽内，同时自聚焦光学组件27外壳与右侧光学组件支撑架29前端面平齐。
（2）发明探头组成
该微型探头主要部件包括MEMS微镜、用于MEMS电连接的电路板和光学组件，MEMS微镜采用我司另一发明“一种微机电系统微镜封装”（已受理）的全封闭三明治结构的MEMS微镜，其结构如图6和图7所示，它主要由镀有光学涂层61的涂层窗口62、微镜四周硅框架63和底层基底64将微镜封装而成，通过驱动控制微镜镜面65可在微镜四周硅框架63内做各种规则摆动，用于MEMS微镜电连接的焊盘置于底层基底64底部呈分散分布。
另外，MEMS微镜的外形不局限于方形，亦可采用圆形或其他多边形结构，在有效面积不变的情况下，可进一步缩小MEMS微镜的尺寸，有利于探头尺寸的进一步缩小。
用于MEMS电连接的电路板可为柔性或硬性印刷电路板，也可为陶瓷或玻璃烧结而成的电路板，亦可为用于普通IC工艺的电连接器；根据需要可将其设计成两种结构形式，如图8和图9所示，图9为一体式电路板34，MEMS微镜25与电路板焊盘对齐后导电粘结其倾斜面上，另一端为电路板外部电连接端30，特点是结构简单，需要弯曲可优先考虑选择柔性印刷电路板；图10为分离式电路板，其由内接电路板31与外接电路板33的引入端32通过连接端子连接而成，MEMS微镜25与内接电路板31对应焊盘导电连接，电路板外部电连接端30设置于外接电路板33尾部，采用分离式的优点在于与MEMS粘结的焊盘可设置于硬性电路板上，有利于MEMS导电粘接，同时可将MEMS粘好后做为单个模块组件直接使用。
光学组件由传输光纤101与毛细玻璃管102组装好扩大直径后，再与自聚焦透镜104在玻璃管外壳103中组装而成（如图11所示），采用该探头结构，既可以保证光束入射在MEMS微镜中心，又保证了聚焦光束在穿过圆柱探头窗口后拥有较长的聚焦距离（0~2.5mm）。由于进一步微型化的MEMS微镜尺寸和电路板，圆柱形内窥镜探头的外径将缩小到3毫米以下，以便能够插入大多数医用内窥镜的切片检查通道来直接使用，从而降低产品的成本。
（3）探头外壳加工制作
该发明探头外壳的成型可通过注塑或浇铸成型，其原理过程如图12、图13和图14所示，本发明探头基座结构对称，塑料探头基座成型模具可由型腔1 111、型腔2 112 和注塑/浇铸孔填充孔114组成；将组装好的探头主体113置于型腔1 111与型腔2 112组成的型腔之中并定位，将填料从填充孔114填充至型腔内间隙处，即可形成探头外壳并且与底座牢固连接在一起。将型腔1 111和型腔2 112分开和后处理便可得到图13所示探头115。
发明探头外壳材质选择上，可以选用透明塑料（包括PC塑料、有机玻璃）、透红外材料。PC 中文名称叫聚碳酸酯。它是一种新型的热塑性塑料，透明的度达90％，被誉为是透明金属。它刚硬而具有韧性，具有较高的冲击强度，高度的尺寸稳定性和范围很宽的使用温度、良好的电绝缘性能及耐热性和无毒性，可以通过注射 、挤出成型。可作医疗用途的杯、筒、瓶以及牙科器械。药品容器和手术器械，甚至还可用作人工肾、人工肺等人工脏器。PC材料成型多样化且透明，正好满足探头外壳的加工需要。
Claims (9)
1.一种内窥镜微型光学探头，包括MEMS微镜、电路板、自聚焦光学组件、定位底板和外壳，其特征在于：所述内窥镜探头采用一体化对称结构设计，将所述MEMS微镜、电路板和自聚焦光学组件按光机电设计要求组装在所述定位底板上形成探头主体，然后通过注塑或浇铸的方式形成探头外壳，与探头主体严实地结合在一起；所述MEMS微镜由镀有光学涂层的涂层窗口、微镜四周硅框架和底层基底将微镜封装而成，通过驱动控制微镜镜面可在微镜四周硅框架内做各种规则摆动，用于MEMS微镜电连接的焊盘置于底层基底底部呈分散分布；所述外壳材质为对所使用光透明的材料。
2.根据权利要求1所述的内窥镜微型光学探头，其特征在于：所述定位底板一端固定有L形支撑架，所述L形支撑架角度为45度-60度；所述电路板包括倾斜部分和平直部分，所述倾斜部分固定在所述L形支撑架上，平直部分固定在所述定位底板上，所述电路板外部电连接端实现与外部电路连接，设置于所述定位底板另一端；同时所述MEMS微镜与所述电路板的焊盘对齐后导电粘接或焊接；所述定位底板中部分别固定有两个光学组件支撑架，所述光学组件支撑架同时起到压紧电路板的作用，其上设置有凹槽；所述自聚焦光学组件卡入两个支撑架凹槽内，同时所述光学组件外壳与靠近MEMS微镜一侧的光学组件支撑架前端面平齐实现定位。
3.根据权利要求1所述的内窥镜微型光学探头，其特征在于：所述MEMS微镜外形为方形、圆形或者其他多边形。
4.根据权利要求2所述的内窥镜微型光学探头，其特征在于：所述电路板为一体式电路板，所述MEMS微镜与所述电路板焊盘对齐后导电粘结其倾斜面上，另一端为电路板引出端。
5.根据权利要求2所述的内窥镜微型光学探头，其特征在于：所述电路板为分离式电路板，其由内接电路板与外接电路板的引入端通过连接端子连接而成，所述MEMS微镜与所述内接电路板对应焊盘导电连接，所述外接电路板引出端设置于外接电路板尾部。
6.根据权利要求1所述的内窥镜微型光学探头，其特征在于：所述自聚焦光学组件包括传输光纤、毛细玻璃管、玻璃管外壳和自聚焦透镜；所述传输光纤套入所述毛细玻璃管内，再与自聚焦透镜一起套入玻璃管外壳中。
7.根据权利要求1所述的内窥镜微型光学探头，其特征在于：在与所述MEMS微镜镜面相对的外壳上具有光学窗口。
8.根据权利要求7所述的内窥镜微型光学探头，其特征在于：所述窗口为自由曲面与外壳一同注塑成型，具有矫正经由MEMS微镜摆动而形成的光扫描图形的功能。
9.根据权利要求7所述的内窥镜微型光学探头，其特征在于：所述窗口为矩形或圆形。
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