CN103054544A - 一种双工作模式mems光学探头 - Google Patents

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本发明公布了一种双工作模式MEMS光学探头，包括带有窗口座的探头管壳和设于所述探头管壳内的探头主体，探头主体包括主体基座、带基座的MEMS微镜、与光纤连接的第一透镜组件和第二透镜组件；与外部驱动电路电连接的MEMS微镜固定于所述主体基座前端；第一透镜组件固定与所述主体基座一侧，其通过MEMS微镜的横向偏转实现前向或侧前向扫描光束的前向扫描或侧前向扫描；所述第二透镜组件固定于所述主体基座另一侧，其通过MEMS微镜的横向偏转实现侧向扫描光束的侧向扫描。本发明采用双透镜组件进行探头组装，用一个MEMS微镜便可实现两种工作模式，结合OCT成像系统可用于人体内多种器官的腔道的扫描成像并作出诊断，或用于工业领域和其它检测测量领域。

Description

一种双工作模式MEMS光学探头
技术领域
本发明涉及一种MEMS光学扫描探头，尤其涉及一种双工作模式MEMS光学探头；属于医疗设备或工业检测技术领域，特别是涉及一种MEMS光学扫描探头。 
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。图1为本发明申请人之一的发明专利ZL201110071103低成本内窥镜微型光学探头，其采用MEMS微镜实现了侧向扫描工作, 用于内窥成像时可将其侧面窗口与样品对准进行光学扫描，特别适应于腔道侧壁的扫描诊断。图2为本发明申请人之一的专利201210363551.5一种MEMS光学探头，其采用MEMS微镜实现了前向扫描工作，用于内窥成像时可将其前端窗口贴近样品并进行扫描，特别适应于内脏器官和较隐蔽组织的扫描成像。综合考虑，两种不同工作方式的专利探头均具自己的优势，但均有一定局限性，侧扫光学探头不利于器官组织的扫描，前扫光学探头则不利于腔道侧壁的扫描。本发明为了解决此问题，创造性地提出了一种既能实现前扫，又能实现前扫或者侧前扫的MEMS光学探头。 
发明内容
本发明目的是针对现有技术存在的缺陷提供一种既能实现侧向扫描又能实现前向扫描或侧前向扫描的双工作模式MEMS光学探头；从而更大的扩展了其在内窥成像领域的适用范围，既能实现对组织样品侧壁的侧向扫描，又能实现对人体内脏器官和较隐蔽组织的扫描，可同时实现侧向扫描探头和前向/侧前向扫描探头的功能。同时，本发明探头同样采用MEMS技术且结构基本对称、简单，在不增加额外尺寸的情况下实现了两种工作模式。本发明探头作为医疗设备可用于口腔、耳鼻喉、支气管、关节、膀胱等组织器官的扫描诊断，还可用于腹腔镜手术导航；同时作为工业检测设备也可用于材料检测、表面探伤等工业检测领域。 
本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：一种双工作模式MEMS光学探头，包括带有窗口座的探头管壳和设于所述探头管壳内的探头主体，所述探头主体包括主体基座、带基座的MEMS微镜、与光纤连接的第一透镜组件和第二透镜组件；与外部驱动电路电连接的所述MEMS微镜固定于所述主体基座前端；所述第一透镜组件固定与所述主体基座一侧，其通过所述MEMS微镜的横向偏转实现前向或侧前向扫描光束的前向扫描或侧前向扫描；所述第二透镜组件固定于所述主体基座另一侧，其通过所述MEMS微镜的横向偏转实现侧向扫描光束的侧向扫描。 
进一步的，所述第一透镜组件和第二透镜组件同时采集经MEMS微镜反射回来的样品漫反射光，或者仅有其中一路采集样品漫反射光进入OCT图像处理系统，实现两个样品区域同时成像或者单个样品区域成像。 
进一步的，所述窗口座设于所述主体基座前端，所述侧向扫描光束和前向或侧前向扫描光束透过所述窗口座分别对样品进行扫描。 
进一步的，所述窗口座采用对工作波长光透明的材料制成或在所述窗口座上形成两个采用平面或曲面窗片进行密封的窗口。 
进一步的，所述MEMS微镜的电连接方式是在所述主体基座上直接形成，或者采用PCB、陶瓷电路板安放于所述主体基座上的相应位置后形成电连接通路。 
进一步的，所述主体基座前端与后端分别设有通过电连接的前端电接口和后端电接口；所述MEMS微镜与所述前端电接口连接。 
进一步的，所述主体基座上下两端分别设有凹槽，所述第一透镜组件和第二透镜组件分别设于所述凹槽内。 
进一步的，所述第一透镜组件和第二透镜组件包括玻璃管外壳，所述玻璃管外壳内设有依次连接的光纤、毛细玻璃管和格林透镜，所述第一透镜组件还包括设于所述格林透镜外端面的三棱镜，所述三棱镜一直角面与所述格林透镜的外端面胶粘连接，所述第二透镜组件的格林透镜的出射端面具有4-8度倒角。 
进一步的，所述第一透镜组件和第二透镜组件采用透镜和光纤在主体基座凹槽内直接形成，第二透镜组件的格林透镜外端面与三棱镜一直角面胶粘连接。 
进一步的，所述MEMS微镜包括边框、双金属驱动臂、微镜 、双金属韧带和带有焊盘的基座，所述边框四侧内壁分别通过所述双金属驱动臂与微镜连接，所述双金属驱动臂与双金属韧带采用电热方式工作，通过给所述双金属驱动臂和双金属韧带施加预定频率的电压信号实现微镜的偏转；所述边框底端通过所述双金属韧带与基座连接；通过控制所述双金属韧带的弯曲程度控制所述微镜的镜面与水平面的角度。 
进一步的，所述双金属驱动臂和与基座连接的双金属韧带是多层具有不同热膨胀系数的材料构成。 
进一步的，所述边框为圆形或方形或多边形结构。 
进一步的，所述探头管壳截面为圆形或多边形，其采用医学兼容的不锈钢或玻璃或有机高分子聚合物制成。 
本发明的有益效果：（1）本发明探头采用双透镜组件进行探头组装，仅用一个MEMS微镜便可实现两种工作模式，结合OCT成像系统可用于人体内多种器官的腔道的扫描成像并作出诊断，使用更加灵活，适应性更强。 
（2）使用MEMS微镜，探头尺寸足够小，可用于医用内窥镜和工业内窥镜。 
（3）采用带基座MEMS微镜，可通过控制双金属韧带来调整整个MEMS微镜与水平面的倾斜角度，从而可实现前扫描转变成侧前向扫描，正侧向扫描转向侧前扫描，即实现了灵活扫描。 
（4）与之前前向扫描探头外径对比，本发明探头主体基座上下左右基本对称，在增加双向扫描功能的同时不增加外形尺寸。 
（5）光学元件可以根据设计要求灵活选用和组装，既可以采用透镜组件的方式进行组装，也可以直接采用光学元件直接在主体基座上进行组装，增加组装灵活性。 
（6）整体结构紧凑简单，主体基座易于生产加工，整体生产成本较低。 
附图说明
图 1现有技术中低成本内窥镜微型光学探头(侧扫)剖视图； 
图中，11-电路板、12-透镜组件、13-侧向窗口 、14-MEMS微镜、15-基座；
图 2 现有技术中MEMS光学探头(前扫/侧前扫)剖视图；
图中，21-光纤、22-电路板、23-透镜组件、24-主体基座、25-外壳、26-MEMS微镜、27-前向窗口；
图 3 本发明MEMS光学探头整体结构示意图；
图中，31-窗口、 32- MEMS微镜 、33-第一透镜组件、34-第二透镜组件、 35-主体基座 、36-探头管壳、 37、38-光纤、39-侧向扫描光束、310-前向/侧前向扫描光束；
图 4 本发明探头整体结构外形图；
图 5本发明探头第一种主体结构三维图；
图中，41- MEMS微镜、42-第一透镜组件、43-前端电接口 、44-第二透镜组件、45-主体基座、46-后端电接口；
图 6本发明探头第二种主体结构三维图；
图中，51、54-透镜、52、55-光纤、53-三棱镜；
图 7本发明的两种探头窗口；
图中， 81-前向窗口 、82-窗口座、83-侧向窗口、84-一体式窗口；
图 8本发明MEMS微镜三维结构图；
图中，61-边框、62-双金属驱动臂、63-微镜、64-双金属韧带、65-焊盘、66-基座；
图 9本发明带基座MEMS微镜双金属韧带功能演示；
图中， 71-入射光束1、72-微镜镜面、73-入射光束2；
具体实施方式
图3-7所示，为一种双工作模式MEMS光学探头，包括带有窗口座的探头管壳36和设于所述探头管壳36内的探头主体，所述探头主体包括主体基座35，带基座的MEMS微镜32，与光纤37连接的第一透镜组件33和第二透镜组件34；与外部驱动电路电连接的所述MEMS微镜32固定于所述主体基座35前端；所述第一透镜组件33固定与所述主体基座35一侧，其通过所述MEMS微镜32的横向偏转实现前向或侧前向扫描光束310的前向扫描或侧前向扫描；所述第二透镜组件34固定于所述主体基座35另一侧，其通过所述MEMS微镜32的横向偏转实现侧向扫描光束39的侧向扫描。所述第一透镜组件和第二透镜组件同时采集经MEMS微镜反射回来的样品漫反射光，或者仅有其中一路采集样品漫反射光进入OCT图像处理系统，实现两个样品区域同时成像或者单个样品区域成像。 
其中，所述窗口座设于所述主体基座35前端，所述侧向扫描光束39和前向或侧前向扫描光束310透过所述窗口座分别对样品进行扫描。所述窗口座采用对使用的工作波长光透明的材料制成或在所述窗口座上形成两个采用平面或曲面窗片进行密封的窗口31。所述MEMS微镜32的电连接方式是在所述主体基座35、45上直接形成，或者采用PCB、陶瓷电路板安放于所述主体基座35上的相应位置后形成电连接通路。所述主体基座35前端与后端分别设有通过电连接的前端电接口43和后端电接口46；所述MEMS微镜32与所述前端电接口46连接。所述前端电接口43和后端电接口46之间通过设置于所述主体基座35里层或表层的电引线电连接。所述主体基座35上下两端分别设有凹槽，所述第一透镜组件33和第二透镜组件34分别设于所述凹槽内。 
图8中，MEMS微镜包括边框61、双金属驱动臂62、微镜63 、双金属韧带64和带有焊盘65的基座66，所述边框61四侧内壁分别通过所述双金属驱动臂62与微镜63连接，所述边框61底端通过所述双金属韧带63与基座66连接；所述双金属驱动臂62和与基座66连接的双金属韧带63可以是多层具有不同热膨胀系数的材料构成。 
通过控制所述双金属韧带64的弯曲程度控制所述微镜63的镜面与水平面的角度。因而可以严格控制探头中光扫描的方向，实现前向扫描转向侧前向扫描，正侧向扫描转向侧前向扫描。图9为带基座MEMS微镜双金属韧带功能演示，其中，包括有71第一入射光束71、 微镜镜面 72和第二入射光束73。 
所述双金属驱动臂62结构形式为双S结构或者Z字形结构。所述双金属驱动臂62与双金属韧带64采用电热方式工作，通过给所述双金属驱动臂62和双金属韧带64施加预定频率的电压信号实现微镜63的偏转。所述边框61为圆形或方形或多边形结构等其他结构。所述探头管壳36截面为圆形或多边形，其采用医学兼容的不锈钢或玻璃或有机高分子聚合物制成。 
所述第一透镜组件和第二透镜组件包括玻璃管外壳91，所述玻璃管外壳91内设有依次连接的光纤95、毛细玻璃管94和格林透镜93按光学设计要求组装而成。所述第一透镜组件还包括设于所述格林透镜94外端面的三棱镜92。所述三棱镜92一直角面与所述格林透镜94的外端面胶粘连接。所述第二透镜组件上的格林透镜94的出射端面具有4-8度倒角。 
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。 

Claims (13)

1. 一种双工作模式MEMS光学探头，包括带有窗口座的探头管壳和设于所述探头管壳内的探头主体，其特征在于，所述探头主体包括主体基座、带基座的MEMS微镜、与光纤连接的第一透镜组件和第二透镜组件；与外部驱动电路电连接的所述MEMS微镜固定于所述主体基座前端；所述第一透镜组件固定与所述主体基座一侧，其通过所述MEMS微镜的横向偏转实现前向或侧前向扫描光束的前向扫描或侧前向扫描；所述第二透镜组件固定于所述主体基座另一侧，其通过所述MEMS微镜的横向偏转实现侧向扫描光束的侧向扫描。
2.如权利要求1所述的一种双工作模式MEMS光学探头，其特征在于，所述第一透镜组件和第二透镜组件同时采集经MEMS微镜反射回来的样品漫反射光，或者仅有其中一路采集样品漫反射光进入OCT图像处理系统。
3.如权利要求1所述的一种双工作模式MEMS光学探头，其特征在于，所述窗口座设于所述主体基座前端，所述侧向扫描光束和前向或侧前向扫描光束透过所述窗口座分别对样品进行扫描。
4.如权利要求1或3所述的一种双工作模式MEMS光学探头，其特征在于，所述窗口座采用对工作波长光透明的材料制成或在所述窗口座上形成两个采用平面或曲面窗片进行密封的窗口。
5.如权利要求4所述的一种双工作模式MEMS光学探头，其特征在于，所述MEMS微镜的电连接方式是在所述主体基座上直接形成，或者采用PCB、陶瓷电路板安放于所述主体基座上的相应位置后形成电连接通路。
6.如权利要求1或5所述的一种双工作模式MEMS光学探头，其特征在于，所述主体基座前端与后端分别设有通过电连接的前端电接口和后端电接口；所述MEMS微镜与所述前端电接口连接。
7.如权利要求6所述的一种双工作模式MEMS光学探头，其特征在于，所述主体基座上下两端分别设有凹槽，所述第一透镜组件和第二透镜组件分别设于所述凹槽内。
8.如权利要求7所述的一种双工作模式MEMS光学探头，其特征在于，所述第一透镜组件和第二透镜组件包括玻璃管外壳，所述玻璃管外壳内设有依次连接的光纤、毛细玻璃管和格林透镜，所述第一透镜组件还包括设于所述格林透镜外端面的三棱镜，所述三棱镜一直角面与所述格林透镜的外端面胶粘连接，所述第二透镜组件的格林透镜的出射端面具有4-8度倒角。
9.如权利要求8所述的一种双工作模式MEMS光学探头，其特征在于，所述第一透镜组件和第二透镜组件采用透镜和光纤在主体基座凹槽内直接形成，第二透镜组件的格林透镜外端面与三棱镜一直角面胶粘连接。
10.如权利要求6所述的一种双工作模式MEMS光学探头，其特征在于，所述MEMS微镜包括边框、双金属驱动臂、微镜 、双金属韧带和带有焊盘的基座，所述边框四侧内壁分别通过所述双金属驱动臂与微镜连接，所述双金属驱动臂与双金属韧带采用电热方式工作，通过给所述双金属驱动臂和双金属韧带施加预定频率的电压信号实现微镜的偏转；所述边框底端通过所述双金属韧带与基座连接；通过控制所述双金属韧带的弯曲程度控制所述微镜的镜面与水平面的角度。
11.如权利要求10所述的一种双工作模式MEMS光学探头，其特征在于，所述双金属驱动臂和所述双金属韧带是多层具有不同热膨胀系数的材料构成。
12.如权利要求10所述的一种双工作模式MEMS光学探头，其特征在于，所述边框为圆形或方形或多边形结构。
13.如权利要求1所述的一种双工作模式MEMS光学探头，其特征在于，所述探头管壳截面为圆形或多边形，其采用医学兼容的不锈钢或玻璃或有机高分子聚合物制成。
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