CN102697483B - 光驱动双轴光学扫描探针 - Google Patents
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Abstract
一种光驱动双轴光学扫描探针，它包括扫描微镜，微光电系统和硅光学平台，其中扫描微镜包括微驱动器、平面弹簧和可动镜片。微驱动器的输出端与平面弹簧的输入端相连，平面弹簧的输出端与可动镜片的输入端相连；每个器件包括1个可动镜片、4个平面弹簧和4个微驱动器，可动镜片与4个平面弹簧相连，每个平面弹簧与1个微驱动器相连；微光电系统包括单模光纤、自聚焦透镜、2片滤光片和2片光电池；经过微光电系统传输和聚焦的入射光束经扫描微镜偏转90度后垂直入射到成像目标，由成像目标反射回来的光束经扫描微镜偏转90度后由微光电系统收集并传输到外部光学成像系统。
Description
技术领域
本发明涉及一种光驱动双轴光学扫描探针，特别是采用基于光电转换技术的扫描微镜作为光学扫描器件。
背景技术
采用硅微加工技术制造的微型光学扫描器件在光学扫描，光学成像，激光投影等领域有非常重要的应用。特别是在光学内窥成像领域，集成有微型光学扫描器件的成像探针可在人体各种直径的管道(如血管，消化道等)内完成扫描，与外部的光学成像设备相结合，从而获得人体组织二维图像或三维图像。
通常，微型光学扫描器件都采用铝或金导线键合技术在器件表面的焊盘与外部金属导线之间建立稳定可靠的电气连接，从而接收外部电驱动信号以完成扫描工作。金属引线键合工艺存在一定的失效风险。对于某些特殊应用，如上述的光学内窥成像应用，进入人体内的设备需要尽可能地简化设计以提供更佳的可靠性和安全性，并进一步缩小设备的体积。由于微型光学扫描器件用于光学扫描，必然会有激光光束投射到微型光学扫描器件的可动镜片表面，因此提供了采用光电转换技术将入射激光光束的部分能量转换为驱动微型光学扫描器件的电信号的可能性。
本发明提出一种光驱动双轴光学扫描探针，特别是采用基于光电转换技术的光驱动扫描微镜作为光学扫描器件。
发明内容
本发明的目的在于提出一种光驱动双轴光学扫描探针，特别是采用基于光电转换技术的光驱动扫描微镜作为光学扫描器件。
为实现上述目的，本发明采用技术方案是：它包括扫描微镜，微光电系统和硅光学平台，其中扫描微镜包括微驱动器、平面弹簧和可动镜片。
微驱动器的输出端与平面弹簧的输入端相连，平面弹簧的输出端与可动镜片的输入端相连；每个器件包括1个可动镜片、4个平面弹簧和4个微驱动器，可动镜片与4个平面弹簧相连，每个平面弹簧与1个微驱动器相连；微光电系统包括单模光纤、自聚焦透镜、2片滤光片和2片光电池；硅光学平台用于校准和固定微光学系统，并为扫描微镜提供电气连接；经过微光电系统传输和聚焦的入射光束经扫描微镜偏转90度后垂直入射到成像目标，由成像目标反射回来的光束经扫描微镜偏转90度后由微光电系统收集并传输到外部光学成像系统。
所述的微驱动器采用微加工技术制成，基于电热驱动原理，由多层材料，如硅，二氧化硅，金属，金属氧化物等组成，用于将经由微光电系统的光电池转换的外部驱动信号通过双金属片效应转换为机械形变；
所述的平面弹簧采用微加工技术制成，由多层材料，如硅，二氧化硅等组成，用于将微驱动器一端的位移传递给可动镜片；
所述的可动镜片采用微加工技术制成，由多层材料，如硅，二氧化硅等组成；可动镜片的表面镀有高反射率薄膜，用于反射特定波长的入射激光光束；
所述的单模光纤和自聚焦透镜之间采用光学树胶连接；
所述的滤光片为窄带滤光片，用于从入射激光中过滤出2个不同波长的激光，并偏转90度投射在对应的光电池表面；
所述的硅光学平台采用微加工技术制成，表面刻有V型槽用于校准和固定微光电系统，表面有金属线为一端的扫描微镜和另一端的光电池之间建立电气连接。
本发明的工作原理是这样的：入射激光光束由三种波长不同的激光组成，一种为工作激光，另两种为驱动激光。工作激光可以为单频激光或宽带低相干激光，取决于光学成像设备的要求；驱动激光为单频激光，其波长与微光电系统中2个光电池的不同敏感波长相匹配。入射激光光束通过微光电系统的单模光纤和自聚焦透镜首先投射到微光电系统的第一片滤光片上。第一片滤光片的方向与入射激光的光轴成45度角。第一种波长的驱动激光被第一片滤光片反射90度，垂直投射到第一片光电池上，工作激光和另一种波长的驱动激光从第一 片滤光片透射后投射到微光电系统的第二片滤光片上。第二片滤光片的方向与入射激光的光轴成45度角。第二种波长的驱动激光被第二片滤光片反射90度，垂直投射到第二片光电池上。工作激光从第二片滤光片透射后投射到扫描微镜的可动镜片上。2片光电池接收2种波长的驱动激光，并转换为用于驱动微驱动器的电信号。驱动电信号使微驱动器内的金属或硅加热器产生热量，使微驱动器的温度上升。微驱动器为多层材料构成，不同的材料具有不同的热膨胀系数，因此随着温度上升，微驱动器会发生形变，向热膨胀系数较小的材料一侧弯曲。微驱动器的一端固定在硅片上，另一端通过平面弹簧连接在可动镜片上。在不同幅度电驱动信号的作用下，微驱动器发生不同幅度的形变，使可动镜片振动，完成扫描。
本发明由于采用了上述技术方案，具有如下优点：
1、仅保留一根单模光纤，无需多根金属导线；
2、简化了设备结构，提高了可靠性和安全性。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为入射光束旋转90度示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：如图1所示，它包括扫描微镜1，微光电系统2和硅光学平台3，其中扫描微镜1包括微驱动器1.1、平面弹簧1.2和可动镜片1.3。微驱动器1.1的输出端与平面弹簧1.2的输入端相连，平面弹簧1.2的输出端与可动镜片1.3的输入端相连；每个器件包括1个可动镜片1.3、4个平面弹簧1.2和4个微驱动器1.1，可动镜片1.3与4个平面弹簧1.2相连，每个平面弹簧1.2与1个微驱动器1.1相连；微光电系统2包括单模光纤2.1、自聚焦透镜2.2、2片滤光片2.3和2片光电池2.4；硅光学平台3用于校准和固定微光学系统2，并为扫描微镜1提供电气连接；经过微光电系统2传输和聚焦的入射光束经扫描微镜1偏转90度后垂直入射到成像目标，由成像目标反射回来的光束 经扫描微镜1偏转90度后由微光电系统2收集并传输到外部光学成像系统。
所述的微驱动器1.1采用微加工技术制成，基于电热驱动原理，由多层材料，如硅，二氧化硅，金属，金属氧化物等组成，用于将经由微光电系统2的光电池2.4转换的外部驱动信号通过双金属片效应转换为机械形变；
所述的平面弹簧1.2采用微加工技术制成，由多层材料，如硅，二氧化硅等组成，用于将微驱动器1.1一端的位移传递给可动镜片1.3；
所述的可动镜片1.3采用微加工技术制成，由多层材料，如硅，二氧化硅等组成；可动镜片1.3的中心部分为在二氧化硅基底上沉积的光学薄膜，用于反射特定波长的入射激光光束，并透射不同波长的入射激光光束到光电池2.4上；
所述的单模光纤2.1和自聚焦透镜2.2之间采用光学树胶连接；
所述的滤光片2.3为窄带滤光片，用于从入射激光中过滤出2个不同波长的激光，并偏转90度投射在对应的光电池2.4表面；
所述的硅光学平台3采用微加工技术制成，表面刻有V型槽用于校准和固定微光学系统，表面有金属线为一端的扫描微镜1和另一端的光电池2.4之间建立电气连接。
本发明的工作原理是这样的：入射激光光束由三种波长不同的激光组成，一种为工作激光，另两种为驱动激光。工作激光可以为单频激光或宽带低相干激光，取决于光学成像设备的要求；驱动激光为单频激光，其波长与微光电系统2中2个光电池2.4的不同敏感波长相匹配。入射激光光束通过微光电系统2的单模光纤2.1和自聚焦透镜2.2首先投射到微光电系统2的第一片滤光片2.3上。第一片滤光片2.3的方向与入射激光的光轴成45度角。第一种波长的驱动激光被第一片滤光片2.3反射90度，垂直投射到第一片光电池2.4上，工作激光和另一种波长的驱动激光从第一片滤光片2.3透射后投射到微光电系统2的第二片滤光片2.3上。第二片滤光片2.3的方向与入射激光的光轴成45度角。第二种波长的驱动激光被第二片滤光片2.3反射90度，垂直投射到第二片光电池2.4上。工作激光从第二片滤光片2.4透射后投射到扫描微镜1的可动镜片1.3上。2片光电池2.4 接收2种波长的驱动激光，并转换为用于驱动微驱动器1.1的电信号。驱动电信号使微驱动器1.1内的金属或硅加热器产生热量，使微驱动器1.1的温度上升。微驱动器1.1为多层材料构成，不同的材料具有不同的热膨胀系数，因此随着温度上升，微驱动器1.1会发生形变，向热膨胀系数较小的材料一侧弯曲。微驱动器1.1的一端固定在硅片上，另一端通过平面弹簧1.2连接在可动镜片1.3上。在不同幅度电驱动信号的作用下，微驱动器1.1发生不同幅度的形变，使可动镜片1.3振动，完成扫描。
本发明所述的可动镜片的机械偏转角度为(0-45)度。
本发明所述的光电池的敏感波长为(300-1550)纳米。
Claims (9)
1.一种光驱动双轴光学扫描探针，其特征在于：它包括扫描微镜，微光电系统和硅光学平台，其中扫描微镜包括微驱动器、平面弹簧和可动镜片；微驱动器的输出端与平面弹簧的输入端相连，平面弹簧的输出端与可动镜片的输入端相连；每个扫描微镜包括1个可动镜片、4个平面弹簧和4个微驱动器，可动镜片与4个平面弹簧相连，每个平面弹簧与1个微驱动器相连；微光电系统包括单模光纤、自聚焦透镜、2片滤光片和2片光电池；所述的滤光片为窄带滤光片，用于从入射激光中过滤出2个不同波长的激光，并偏转90度投射在对应的光电池表面；2片光电池接收2种波长的驱动激光，并转换为用于驱动微驱动器的电信号；硅光学平台表面有金属线为一端的扫描微镜和另一端的光电池之间建立电气连接；硅光学平台用于校准和固定微光电系统，并为扫描微镜提供电气连接。
2.如权利要求1所述的一种光驱动双轴光学扫描探针，其特征在于：所述的微驱动器采用微加工技术制成，基于电热驱动原理，由多层材料组成，其中多层材料包括硅，二氧化硅，金属，金属氧化物。
3.如权利要求1所述的一种光驱动双轴光学扫描探针，其特征在于：所述的可动镜片的机械偏转角度为0-45度。
4.如权利要求1所述的一种光驱动双轴光学扫描探针，其特征在于：所述的平面弹簧采用微加工技术制成，由多层材料组成，其中多层材料包括硅，二氧化硅。
5.如权利要求1所述的一种光驱动双轴光学扫描探针，其特征在于：所述的可动镜片采用微加工技术制成，由多层材料组成，其中多层材料包括硅，二氧化硅，金属，金属氧化物，一面镀有高反射率镀层。
6.如权利要求1所述的一种光驱动双轴光学扫描探针，其特征在于：所述的光电池的敏感波长为300-1550纳米。
7.如权利要求1所述的一种光驱动双轴光学扫描探针，其特征在于：所述的硅光学平台采用微加工技术制成，表面刻有V型槽，表面有金属线为一端的扫描微镜和另一端的光电池之间建立电气连接。
8.如权利要求1所述的一种光驱动双轴光学扫描探针，其特征在于：所述的滤光片与入射激光的光轴夹角为40-50度。
9.如权利要求1所述的一种光驱动双轴光学扫描探针，其特征在于：所述的扫描微镜与入射激光的光轴夹角为40-50度。
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