CN103142201B - 一种基于mems的侧前向扫描光学探头及其扫描方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于MEMS的侧前向扫描光学探头及其实现方法，外管内设置有基座和安装在基座上的光纤和透镜，基座前方设置有MEMS微镜A或反射镜A，反射镜B或MEMS微镜B设置于透镜前方，且反射镜B或MEMS微镜B的镜面与透镜轴线成一钝角，所述外管的最前端设置有窗口，所述窗口与外管的轴向方向呈预定角度。本发明所述的MEMS光学扫描探头既能实现对组织样品侧壁的侧向扫描成像，又能实现对人体内脏器官和较隐蔽组织的扫描成像，同时兼顾侧向扫描探头和前向扫描探头的功能，可实现侧前向扫描。

Description

一种基于MEMS的侧前向扫描光学探头及其扫描方法

技术领域

本发明涉及微机电系统的光学及电子电路设计领域，更具体的，涉及一种MEMS光学扫描探头。

背景技术

目前，医疗设备技术领域在进行内窥镜成像系统开发过程中普遍采用的一种方法是将微机电系统技术(microelectromechanicalsystems，简称MEMS)的扫描微镜与光学相干层析成像(OpticalCoherenceTomography，OCT)技术相结合，开发出内窥镜成像系统。

图1为现有技术中公开的一种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,可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为现有技术中公开的一种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，以上两种不同工作方式的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。

基于上述描述，亟需要扩大光学探头的使用范围，需要一种可实现侧前扫的MEMS光学，以满足多种内腔道环境的扫描成像使用。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种MEMS光学扫描探头，该MEMS光学扫描探头同时兼顾侧向扫描探头和前向扫描探头的功能，可实现侧前向扫描，既能实现对组织样品侧壁的侧向扫描成像，又能实现对人体内脏器官和较隐蔽组织的扫描成像。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种基于MEMS的侧前向扫描光学探头,外管内设置有基座和安装在基座上的光纤和透镜，基座前方设置有MEMS微镜B或反射镜A，反射镜B或MEMS微镜A设置于透镜前方，且反射镜B或MEMS微镜A的镜面与透镜轴线成一钝角，所述外管的最前端设置有窗口，所述窗口与外管的轴向方向呈预定角度；

所述基于MEMS的光学探头实现侧前向扫描的扫描方法有如下两种：

(1)经光纤传输进探头的光经透镜聚焦后射向倾斜设置的反射镜B(34b)，经反射镜反射后的光束射向MEMS微镜B(37b)的镜面，通过控制MEMS微镜做单轴或双轴偏转，从而实现透过窗口的光束在探头侧前方进行扫描；

(2)经光纤传输进探头的光经透镜聚焦后射向倾斜设置的MEMS微镜A，通过控制MEMS微镜A做单轴或双轴偏转，光束经偏转和反射后射向反射镜A，再经反射镜A反射改变方向透过窗口在探头侧前方进行扫描。

作为优选，所述反射镜B为多面体反射镜或平面反射镜，所述多面体反射镜或平面反射镜设置于透镜的前方，且其反射镜面与透镜轴线成一钝角，采用权利要求2中的(1)方法实现侧前向扫描。

作为优选，所述反射镜B为MEMS反射镜，由镜面、基底及其连接两者的双金属韧带组成，基底上设置有焊盘，焊盘与驱动电路连接，所述镜面设置于透镜斜前方，通过给驱动臂施加一定电压来控制镜面的偏转角度实现镜面面型调节，其采用权利要求2中的(1)方法实现侧前向扫描。

作为优选，所述反射镜B为级联MEMS反射镜，级联MEMS反射镜包括基底和MEMS微镜C，MEMS微镜C包括外框及其设置于外框内的镜面，外框四侧内壁分别通过驱动臂与基底连接，通过给驱动臂施加一定频率和幅值的电压信号来实现镜面的偏转，边框下面通过双金属韧带与基座连接，通过控制双金属韧带的弯曲程度来控制MEMS微镜C的镜面与水平面成不同的角度，实现镜面倾斜程度和面型的调节，其采用权利要求2中的(1)方法实现侧前向扫描。

作为优选，所述反射镜A为MEMS微镜或平面反射镜，水平或倾斜设置于基座前端，采用权利要求2中的(2)方法实现侧前向扫描。

作为优选，所述MEMS微镜A或MEMS微镜B由设置镀有光学涂层的镜面及其分布于四周的硅衬底，两者之间用驱动臂桥接连接，在四周设置边框，在边框下端设置有用于导电连接的焊盘，采用电热驱动。

作为优选，所述MEMS微镜B采用电热驱动、电磁驱动、静电驱动或压电驱动。

作为优选，所述MEMS微镜B通过前级焊盘与基座实现电连接，所述电连接方式为倒装焊接、粘接或打线连接。

作为优选，所述窗口为平面窗口或自由曲面窗口或透镜组窗口。

本发明的有益效果为，由于本发明的窗口设置在外壳的前方，再由反射镜和MEMS微镜的配合，来自OCT系统的光束经光纤传输进入探头，经透镜汇聚后射向反射镜，光束通过反射镜改变方向后射向做二维转动的MEMS微镜，光束形成一光栅后从窗口射向样品，从而该探头结构实现了光束的侧前向扫描，结合OCT成像系统可用于人体内多种器官或腔道的扫描成像和检测，使用灵活，适应性较强。由于反射镜可以采用MEMS反射镜或级联MEMS反射镜，此时，可通过控制双金属韧带或双金属驱动臂来调整反射镜面的前后左右的倾斜程度，不仅有利于探头组装过程中光路的调节，还可以调整探头在样品表面扫描区域的位置。反射镜若采用多面体反射镜，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。由于使用MEMS微镜，探头尺寸足够小，所以可用于医用内窥镜和工业内窥镜。由于该探头整体结构紧凑简单，基座易于生产加工，所以整体生产成本较低。由于窗口为自由曲面，曲面可以矫正畸变，所以具有该种形状的窗口具有矫正畸变功能。

附图说明

图1为现有技术中侧面扫描MEMS光学探头剖视图；

图2为现有技术中前向扫描MEMS光学探头剖视图；

图3为本发明提供的MEMS光学探头三维结构示意图；

图4为本发明提供的带有倾角MEMS反射镜的MEMS光学探头光路原理图；

图5为本发明提供的带有MEMS级联倾角反射镜的MEMS光学探头光路原理图；

图6为本发明提供的采用多面体反射镜的MEMS光学探头结构示意图；

图7为本发明提供的采用平面反射镜的MEMS光学探头结构示意图；

图8为本发明提供的倾角MEMS反射镜的结构示意图；

图9为本发明提供的MEMS级联倾角反射镜的结构示意图；

图10为本发明提供的MEMS微镜打线电连接方式示意图；

图11为本发明提供的MEMS微镜倒装焊接电连接方式示意图；

图12为本发明提供的MEMS微镜的一种实施例的结构示意图；

图13为本发明提供的透镜组件结构示意图。

图中：

11、电路板；12、透镜；13、侧向窗口；14、MEMS微镜；15、基座；21、光纤；22、电路板；23、透镜；24、基座；25、外壳；26、MEMS微镜；27、窗口；31、光纤；32、基座；33、透镜；34a、反射镜A；34b、反射镜B；35、窗口；36、前级焊盘；37a、MEMS微镜A；37b、MEMS微镜B；38、外管；39、后级焊盘；40、光束；41、Y向扫描范围；42、金属丝；43、玻璃管外壳；44、毛细玻璃管；52、多面体反射镜；61、镜面；62、驱动臂；63、基底；631、焊盘；71、基底；72、双金属韧带；73、镜面；74、驱动臂；75、外框；76、MEMS微镜C；901、镜面；902、硅衬底；904、边框；905、焊盘。

具体实施方式

下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

图1为现有技术中侧面扫描MEMS光学探头剖视图。如图1所示，该光学探头包括电路板11、透镜12、侧向窗口13、MEMS微镜14和基座15。电路板11设置在基座15上，电路板11上方安装有透镜12，MEMS微镜14安装在基座15上，并且其位置和透镜12的端部相对。侧向窗口13开设在基座15的侧面。这种结构的MEMS光学探头可以实现侧向扫描工作,内窥成像时可将其侧面窗口13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。并且该MEMS光学探头具有低成本的优点。

图2为现有技术中前向扫描MEMS光学探头剖视图。如图2所示，该MEMS光学探头包括光纤21、电路板22、透镜23、基座24、外壳25、MEMS微镜26和窗口27。外壳25内设置有基座24，基座24上方安装有电路板22，电路板22上方安装有透镜23，透镜23的一端和光纤21相连，另一端安装有反光镜，用于把从透镜23中出来的光反射到MEMS微镜26上，MEMS微镜26安装在基座24右侧倾斜面的焊盘上。窗口27开在外壳25的端部，和MEMS微镜26处于同一侧。该结构的MEMS光学探头采用MEMS微镜26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。

虽然以上两种不同工作方式的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。

图3为本发明提供的MEMS光学探头三维结构示意图。如图3所示，该MEMS光学探头的最外端为外管38，外管38内设置有光纤31、基座32、透镜33、反射镜A34a、反射镜B34b、窗口35、前级焊盘36、MEMS微镜A37a、MEMS微镜B37b和后级焊盘39。基座32的两端分别设置有前级焊盘36和后级焊盘39，MEMS微镜B37b或者反射镜A34a与基座32上的前级焊盘36电连接，前级焊盘36与后级焊盘39通过设置于基座32里层或表层的电引线进行导电连接。基座32设置有凹槽，光纤31与透镜33左右连接，并且均安放于基座32的凹槽内。反射镜B34b或MEMS微镜A37a设置于透镜33前方，且反射镜B34b或MEMS微镜A37a的镜面与透镜33轴线成一钝角。窗口35设置在外管38的最前端，窗口35内安装有窗片，窗口35倾斜设置，与外管38的轴向方向呈一定的角度。

以上所述的基于MEMS的光学探头实现侧前向扫描的扫描方法有如下两种：

(1)经光纤传输进探头的光经透镜聚焦后射向倾斜设置的反射镜B34b，经反射镜反射后的光束射向MEMS微镜B37b的镜面，通过控制MEMS微镜做单轴或双轴偏转，从而实现透过窗口的光束在探头侧前方进行扫描。

(2)经光纤传输进探头的光经透镜聚焦后射向倾斜设置的MEMS微镜A37a，通过控制MEMS微镜A37a做单轴或双轴偏转，光束经偏转和反射后射向反射镜A34a，再经反射镜A34a反射改变方向透过窗口在探头侧前方进行扫描。

作为优选，所述反射镜B34b为多面体反射镜52或平面反射镜，所述多面体反射镜52或平面反射镜设置于透镜33的前方，且其反射镜面与透镜33轴线成一钝角，其采用以上扫描方法中的第(1)种方法实现侧前向扫描。

图6为本发明提供的采用多面体反射镜的MEMS光学探头结构示意图。于本实施例中，为实现光路方向改变,反射镜34选用多面体反射镜52，多面体反射镜52粘接于透镜33的光出射端面上，且其倾斜镜面与透镜33轴线成一钝角。经透镜33汇聚的光束，再经过多面体反射镜52倾斜面反射后，透过面体反射镜52底面射向MEMS微镜B(37b)或反射镜A(34a)。

于本实施例中，MEMS微镜B(37b)或反射镜A(34a)既可水平设置，也可倾斜设置，与多面体反射镜52一同改变光路形成侧前向。

由于多面体反射镜52可直接安装在透镜33上，减少了其它辅助零部件的使用，所以采用多面体反射镜52安装起来比较方便，节省了时间和成本，易操作。

图7为本发明提供的采用平面反射镜的MEMS光学探头结构示意图，与图6所述的实施例不同之处仅在于，把多面体反射镜52改为平面反射镜，底面的为MEMS微镜B(37b)。

作为优选，所述反射镜B34b为MEMS反射镜，MEMS反射镜由镜面61、基底63及其连接两者的双金属韧带62组成，基底63上设置有焊盘631，焊盘631与驱动电路连接，所述镜面61设置于透镜33斜前方，通过给驱动臂62施加一定电压来控制镜面61的偏转角度实现镜面面型调节。

所述MEMS反射镜采用以上扫描方法中的第(1)种方法实现侧前向扫描，具体的，如图4所示。图4为本发明提供的带有倾角MEMS反射镜的MEMS光学探头光路原理图，本发明探头光路原理为，首先来自OCT系统的光束40经光纤31传输进入探头，经透镜33汇聚后射向反射镜A34a，光束40通过反射镜A34a改变方向后射向做二维转动的MEMS微镜A37a，光束40形成一光栅后从窗口35射向样品，从而实现了光束40对样品的扫描。其扫描范围由图中Y向扫描范围41和与纸面垂直的X向扫描范围组成。

作为优选，所述反射镜B34b为级联MEMS反射镜，级联MEMS反射镜包括基底71和MEMS微镜C76，MEMS微镜C76包括外框75及其设置于外框75内的镜面73，外框75四侧内壁分别通过驱动臂74与基底71连接，通过给驱动臂74施加一定频率和幅值的电压信号来实现镜面73的偏转，边框75下面通过双金属韧带72与基座32连接，通过控制双金属韧带72的弯曲程度来控制MEMS微镜C76的镜面73与水平面成不同的角度，实现镜面倾斜程度和面型的调节。

所述级联MEMS反射镜采用以上扫描方法中的第(2)种方法实现侧前向扫描，具体的，如图5所示，图5为本发明提供的带有MEMS级联倾角反射镜的MEMS光学探头光路原理图。本发明探头光路原理为，首先来自OCT系统的光束40经光纤31传输进入探头，经透镜33汇聚后射向MEMS微镜B37b，光束40通过MEMS微镜B37b改变方向后射向做二维转动的反射镜B34b，光束40形成一光栅后从窗口35射向样品，从而实现了光束40对样品的扫描。

作为优选，所述反射镜A34a为MEMS微镜或平面反射镜，水平或倾斜设置于基座前端，其采用以上扫描方法中的第(2)种方法实现侧前向扫描。

其中，所有的MEMS微镜形状自由，可为圆形、矩形或多边形结构。

所述外管38截面可以为多边形或者圆形，材料可以采用医学兼容的不锈钢、玻璃或有机高分子聚合物制作。

本发明中，光纤31透镜33有两种连接方式：一种连接方式为，采用格林透镜、带玻璃尾纤的光纤和玻璃管按光学设计要求组装形成；另一种连接方式为，在基座32上采用格林透镜、光纤或带玻璃尾纤的光纤直接形成。

图8为本发明提供的倾角MEMS反射镜的结构示意图，图9为本发明提供的MEMS级联倾角反射镜的结构示意图。

于本实施例中，为实现光路方向改变，反射镜34采用MEMS反射镜来形成，如图8所示。MEMS反射镜由镜面61、基底63及其连接两者的驱动臂62组成，驱动臂62为双金属驱动臂。所述基底63设置于基座32上平面，基底63上设置有焊盘631，焊盘631与驱动电路连接。所述镜面61设置于透镜33的斜前方，通过给驱动臂62施加一定电压来控制镜面61的偏转角度，不仅有得于在探头组装过程中的光路校正，同时也可以调整探头在样品表面扫描区域的位置。

反射镜34也可以采用级联MEMS反射镜来形成，如图9所示。级联MEMS反射镜则将MEMS反射镜的镜面61替换成另一微镜，将更有利于光路的调节和扫描区域的定位。

具体的，级联反射镜包括基底71和微镜，微镜包括外框75及其设置于外框75内的镜面73，外框75四侧内壁分别通过驱动臂74与基底71连接。驱动臂74为双金属驱动臂。通过给驱动臂74施加一定频率和幅值的电压信号来实现微镜的偏转。边框75下面通过双金属韧带72与基座32连接，通过控制双金属韧带72的弯曲程度来控制微镜镜面73与水平面成不同的角度，可严格控制探头中光扫描的方向。所述外框75形状自由，可为圆形、矩形或多边形结构。

于本实施例中，所述双金属韧带72可以是双层或多层材料构成的层状结构。

以上所述MEMS反射镜的驱动臂62和级联MEMS反射镜的驱动臂74结构形式可以为双S结构，也可以为Z字形结构。两者均采用电热方式工作，给驱动臂施加一定频率的电压信号便可实现微镜的偏转。

其中，所述光纤与透镜单独或者形成组件后，再安装于基座上。MEMS微镜37的电连接形式可以有在基座32上直接形成，或者采用PCB、陶瓷电路板安放于基座相应槽内后形成电连接通路。所述微镜和MEMS微镜采用电热驱动、电磁驱动、静电驱动或压电驱动。

图10为本发明提供的MEMS微镜打线电连接方式示意图。如图10所示，MEMS微镜A37a或MEMS微镜B37b通过多条金属丝42与基座32的前级焊盘36相固定连接。

图11为本发明提供的MEMS微镜倒装焊接电连接方式示意图。如图11所示，MEMS微镜A37a或MEMS微镜B37b直接倒装焊接在基座32的前级焊盘36上，与之相固定连接。

于本实施例中，作为另一种优选方案，所述MEMS微镜A37a或MEMS微镜B37b也可以直接粘接在基座32上设置的前级焊盘36上。

图12为本发明提供的MEMS微镜的一种实施例的结构示意图。如图12所示，所述MEMS微镜A(37a)或MEMS微镜B(37b)由设置镀有光学涂层的镜面(901)及其分布于四周的硅衬底(902)，两者之间用驱动臂(74)桥接连接，在四周设置边框(904)，在边框(904)下端设置有用于导电连接的焊盘(905)，采用电热驱动。

以下详细介绍第一种实施例中探头的组装方式。探头所采用的光纤31、透镜33和多面体反射镜52既可单独设置于基座32上，也可形成组件后再设置于基座32凹槽内。图13为本发明提供的透镜组件结构示意图。如图13所示，透镜组件由传输光纤31与毛细玻璃管44组装好扩大直径后，再与透镜33按光路设计要求组装在玻璃管外壳43中，再将多面体反射镜52一直角面与透镜33的外端面进行胶粘连接形成透镜组件。

第一种实施例中探头的组装方式与第一种实施例中探头的组装方式相同，唯一不同之处在于，多面体反射镜52换为MEMS反射镜或级联MEMS反射镜。

于本实施例中，作为一种优选方案，前级焊盘36可以为水平设置，MEMS微镜37水平设置在前级焊盘36上。

于本实施例中，作为另一种优选方案，前级焊盘36也可以倾斜设置，MEMS微镜37倾斜设置在前级焊盘36上。

所述窗口35为自由曲面，具有该种形状的窗口具有矫正畸变功能。于本实施例中，作为一种优选方案，窗口35也可为平面。所述窗口35由玻璃或透镜有机材料制作，也可采用对所使用工作波长光透明的材料制作。优选方案，窗口35也可为透镜组窗口。

于本实施例中，所述外管横截面为多边形、D形、椭圆形或圆形。

以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于MEMS的侧前向扫描光学探头,其特征在于；外管(38)内设置有基座(32)和安装在基座上的光纤(31)和透镜(33)，基座(32)前方设置有MEMS微镜B(37b)或反射镜A(34a)，反射镜B(34b)或MEMS微镜A(37a)设置于透镜(33)前方，且反射镜B(34b)或MEMS微镜A(37a)的镜面与透镜(33)轴线成一钝角，所述外管(38)的最前端设置有窗口(35)，所述窗口(35)与外管(38)的轴向方向呈预定角度；

所述基于MEMS的光学探头实现侧前向扫描的扫描方法有如下两种：

(1)经光纤(31)传输进探头的光经透镜(33)聚焦后射向倾斜设置的反射镜B(34b)，经反射镜B(34b)反射后的光束射向MEMS微镜B(37b)的镜面(901)，通过控制MEMS微镜B(37b)做单轴或双轴偏转，透过窗口(35)的光束在探头侧前方扫描；

(2)经光纤(31)传输进探头的光经透镜(33)聚焦后射向倾斜设置的MEMS微镜A(37a)，通过控制MEMS微镜A(37a)做单轴或双轴偏转，光束经偏转和反射后射向反射镜A(34a)，再经反射镜A(34a)反射改变方向透过窗口(35)在探头侧前方进行扫描；

所述反射镜B(34b)为MEMS反射镜，由镜面(61)、基底(63)及其连接两者的多层结构韧带(62)组成，基底(63)上设置有焊盘(631)，焊盘(631)与驱动电路连接，所述镜面(61)设置于透镜(33)斜前方，多层结构韧带(62)采用电热驱动，通过给多层结构韧带(62)施加一定电压来控制镜面(61)的偏转角度实现镜面面型调节。

2.根据权利要求1所述的基于MEMS的侧前向扫描光学探头，采用权利要求1中的(1)方法实现侧前向扫描，其特征在于：所述反射镜B(34b)为多面体反射镜(52)或平面反射镜，所述多面体反射镜(52)或平面反射镜设置于透镜(33)的前方，且其反射镜面与透镜(33)轴线成一钝角。

3.根据权利要求1所述的基于MEMS的侧前向扫描光学探头，采用权利要求1中的(1)方法实现侧前向扫描，其特征在于：所述反射镜B(34b)为级联MEMS反射镜，级联MEMS反射镜包括基底(71)和MEMS微镜C(76)，MEMS微镜C(76)包括外框(75)及其设置于外框(75)内的镜面(73)，外框(75)四侧内壁分别通过驱动臂(74)与基底(71)连接，通过给驱动臂(74)施加一定频率和幅值的电压信号来实现镜面(73)的偏转，边框(75)下面通过多层结构韧带(62)与基座(32)连接，通过控制多层结构韧带(62)的弯曲程度来控制MEMS微镜C(76)的镜面(73)与水平面成不同的角度，实现镜面倾斜程度和面型的调节。

4.根据权利要求1所述的基于MEMS的侧前向扫描光学探头，采用权利要求1中的(2)方法实现侧前向扫描，其特征在于：所述反射镜A(34a)为MEMS微镜或平面反射镜，水平或倾斜设置于基座前端。

5.根据权利要求1所述的基于MEMS的侧前向扫描光学探头，其特征在于：所述MEMS微镜A(37a)或MEMS微镜B(37b)由设置镀有光学涂层的镜面(901)及其分布于四周的硅衬底(902)组成，两者之间用驱动臂(74)桥接连接，在四周设置边框(904)，在边框(904)下端设置有用于导电连接的焊盘(905)，驱动臂(74)为双层或多层材料结构，采用电热驱动。

6.根据权利要求1所述的基于MEMS的侧前向扫描光学探头，其特征在于：所述MEMS微镜A(37a)或MEMS微镜B(37b)采用电热驱动、电磁驱动、静电驱动或压电驱动。

7.根据权利要求1所述的基于MEMS的侧前向扫描光学探头，其特征在于：所述MEMS微镜B(37b)通过前级焊盘(36)与基座(32)实现电连接，所述电连接方式为倒装焊接、粘接或打线连接。

8.根据权利要求1所述的基于MEMS的侧前向扫描光学探头，其特征在于：所述窗口(35)为平面窗口或自由曲面窗口或透镜组窗口。