CN103257443A - 一种手持式共聚焦光学内窥镜 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种手持式共聚焦光学内窥镜，包括一个透镜管，透镜管内设置有物镜系统，透镜管的一端设置有聚碳酸酯片，另一端连接有金属壳体，特点是金属壳体内设置有一个微扫描反射镜，包括反射镜、用于使反射镜上下翻转的内轴、用于使反射镜左右翻转的外轴、用于驱动内轴旋转的第一组梳状驱动装置和用于驱动外轴旋转的第二组梳状驱动装置，第一组梳状驱动装置包括多个围绕内轴固定不动的定子梳齿和多个围绕内轴可旋转一定角度的转子梳齿，第二组梳状驱动装置包括多个围绕外轴固定不动的定子梳齿和多个围绕外轴可旋转一定角度的转子梳齿，定子梳齿与转子梳齿上下错开间隔分布，优点是减小体积和降低能耗的同时，不会降低光学分辨率和视场大小。

Description

一种手持式共聚焦光学内窥镜

技术领域

本发明涉及一种手持式内窥镜，尤其是涉及一种基于微反射镜的手持式共聚焦光学内窥镜。

背景技术

一种基于激光扫描的共聚焦荧光成像系统，通常包括一个具有微反射镜和物镜的激光共聚焦探头。使用该共聚焦探头，在样品被低相干光源照射后，成像系统通过从样品反射回的光线获取三维样品表层成像，成像深度大约为500μm以下，横向空间分辨率为1μm。通过使用大约100uw级别的光强度，几个微米的空间分辨率是比较容易实现的。因此，上述成像系统对于体内和体外组织结构的成像应用是非常有用的。

目前内窥镜的横截尺寸通常超过5mm ，尤其当对比它们的成像面区域（大概2mm宽），因此应用现有的的针式内窥镜获取图像引导外科手术并不可取。但是制作更小型的内窥镜的一个主要难度是在于设计内窥镜的电子偏转系统，使其能够覆盖足够的扫描体积，同时把内窥镜的直径限制在约小于2mm，这样以尽量减少内窥镜的微创性。由于现有的激光共聚焦探头的微反射镜的频率是固定不可调的，从而使用共聚焦微扫描反射镜探头进行宏观视野成像时，微扫描反射镜的反射区域面积是限制物镜收集光子的唯一可变因素，因此，为了提高物镜收集光子的能力，必须增大微扫描反射镜的反射区域面积，从而驱动力增加，导致能耗增加。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种体积小，能耗少，同时的不会降低光学分辨率和视场大小的手持式共聚焦光学内窥镜。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种手持式共聚焦光学内窥镜，包括一个透镜管，所述的透镜管内设置有物镜系统，所述的透镜管的一端设置有聚碳酸酯片，所述的透镜管的另一端连接有金属壳体，所述的金属壳体内设置有一个微扫描反射镜，所述的微扫描反射镜包括反射镜、用于使反射镜上下翻转的内轴、用于使反射镜左右翻转的外轴、用于驱动所述的内轴旋转的第一组梳状驱动装置和用于驱动所述的外轴旋转的第二组梳状驱动装置，所述的第一组梳状驱动装置包括多个围绕所述的内轴固定不动的定子梳齿和多个围绕所述的内轴可旋转一定角度的转子梳齿，所述的第二组梳状驱动装置包括多个围绕所述的外轴固定不动的定子梳齿和多个围绕所述的外轴可旋转一定角度的转子梳齿，所述的定子梳齿与所述的转子梳齿上下错开间隔分布。

所述的反射镜的外周设置有可旋转的反射镜活动框，所述的内轴设置在所述的反射镜活动框上且位于所述的反射镜的外沿，所述的内轴在所述的第一组梳状驱动装置的驱动下带动所述的反射镜上下翻转，所述的反射镜与所述的反射镜活动框通过内轴一体连接，所述的外轴设置在所述的反射镜活动框外沿且所述的外轴在所述的第二组梳状驱动装置的驱动下带动所述的反射镜与所述的反射镜活动框整体左右翻转。

所述的转子梳齿的厚度为0.5-50微米，各个所述的转子梳齿之间的距离为0.5-50微米，所述的定子梳齿的厚度为0.5-50微米，各个所述的定子梳齿之间的距离为0.5-50微米。

所述的转子梳齿的厚度为8微米，各个所述的转子梳齿之间的距离为8微米，所述的定子梳齿的厚度为8微米，各个所述的定子梳齿之间的距离为8微米。

所述的反射镜的直径为1024微米。

工作原理：由于电压被施加在定子梳齿上，转子梳齿会经历一个静电扭矩，转子梳齿能够转动的最大旋转角度为5°-4.5°，转子梳齿围绕内轴或外轴做旋转运动时，会有一个剪切力作用于转轴使其扭曲，而剪切力又提供一个机械的复原扭矩来反作用于这种扭曲。旋转了一定角度的转子梳齿受到的静电扭矩完全匹配于转轴机械恢复扭矩时两者之间达到平衡。

在最终的图像中微扫描反射镜的产品尺寸和它的光学偏转角决定图像解析点的数目，并最终决定分辨率。解析点数目为N，在一维扫描下由下式决定：

 其中，

是微扫描反射镜的机械扫描半角，λ是工作波长，D是微扫描反射镜的直径。通过对上述反射镜的机械扫描半角（光学偏转角）的调整，使荧光成像系统中微扫描反射镜工作在一个共振扫描模式下，并有望实现成像效率不完全取决于微扫描反射镜表面区域的面积大小。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明一种手持式共聚焦光学内窥镜，包括一个透镜管，透镜管内设置有物镜，透镜管的一端设置有聚碳酸酯片，透镜管的另一端连接有金属壳体，金属壳体包含一个微扫描反射镜，微扫描反射镜通过物镜和聚碳酸酯片来引导激光束照射组织样本。微扫描反射镜的每组梳齿驱动装置可以分别沿轴旋转。第一组梳齿驱动装置和第二组梳齿驱动装置都包括多个定子梳齿和多个能够围绕相应的内轴或外轴旋转的转子梳齿，转子梳齿带动轴转动，进而带动反射镜转动从而改变反射镜的光学偏转角，使成像效率不完全取决于微扫描反射镜表面区域的面积大小，并且该微扫描反射镜可以在各个方向调动反射镜光学偏转角，可使光学偏转角翻倍叠加或者将荧光光束切换到其他任意方向的光路，因此上述手持式共聚焦光学内窥镜在体积缩小的情况下拥有一个合理的扫描体积，以够提供足够的图像信息。

综上所述，本发明一种手持式共聚焦光学内窥镜，使用激光扫描机制进行宏观的视场成像时，通过梳齿驱动装置带动转轴快速、高扭矩旋转驱动，从而使反射镜旋转一定角度，调整反射镜的机械扫描半角，实现成像效率不完全取决于微扫描反射镜表面区域的面积大小，可实现成像系统效率与微扫描反射镜表面区域的解耦，能耗较少的同时不会降低图像光学分辨率和视场大小，通过这样，可以在不需要大的光束照射的情况下实现大规模的高质量荧光成像，并且样品白化被破坏的风险将大大降低。

附图说明

图1为本发明的手持式共聚焦光学内窥镜的结构示意图；

图2为本发明的微扫描反射镜的结构示意图；

图3为图1的任一组梳齿驱动装置的结构示意图；

图4为本发明的手持式共聚焦光学内窥镜的工作原理图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

本发明一种手持式共聚焦光学内窥镜，如图1所示，包括一个透镜管27，透镜管27内设置有物镜系统18，透镜管27的一端设置有聚碳酸酯片28，透镜管27的另一端连接有金属壳体29，金属壳体29内设置有一个微扫描反射镜14，如图2所示，微扫描反射镜14包括反射镜1、用于使反射镜1上下翻转的内轴2、用于使反射镜1左右翻转的外轴3、用于驱动内轴2旋转的第一组梳状驱动装置4和用于驱动外轴3旋转的第二组梳状驱动装置5，如图3所示，第一组梳状驱动装置4包括多个围绕内轴2固定不动的定子梳齿6和多个围绕内轴2可旋转一定角度的转子梳齿7，第二组梳状驱动装置5包括多个围绕外轴3固定不动的定子梳齿6和多个围绕外轴3可旋转一定角度的转子梳齿7，定子梳齿6与转子梳齿7上下错开间隔分布。

在此具体实施例中，反射镜1的外周设置有可旋转的反射镜活动框8，内轴2设置在反射镜活动框8上且位于反射镜1的外沿，内轴2在第一组梳状驱动装置4的驱动下（外部电压输入第一组梳状驱动装置4中产生动力）带动反射镜1上下翻转，反射镜1与反射镜活动框8通过内轴2一体连接，外轴3设置在反射镜活动框8外沿且外轴3在第二组梳状驱动装置5的驱动下（外部电压输入第二组梳状驱动装置5中产生动力）带动反射镜1与反射镜活动框8整体左右翻转。

在此具体实施例中，如图3所示，转子梳齿7能够被旋转，而定子梳齿6能够保持静止，转子梳齿7的厚度为0.5-50微米，各个转子梳齿7之间的距离为0.5-50微米，定子梳齿6的厚度为0.5-50微米，各个定子梳齿6之间的距离为0.5-50微米（转子梳齿7的厚度和定子梳齿6的厚度，以及转子梳齿7相互之间和定子梳齿6相互之间距离选取8微米最佳）。

在此具体实施例中，如图2所示，微扫描反射镜14含有大小约是2.8*2.8平方毫米的基片9，可旋转的反射镜1直径大约为1024微米。反射镜1包括内轴2和外轴3，第一组梳状驱动装置4为内轴2提供快速、高扭矩旋转驱动，第二组梳状驱动装置5为外轴3提供快速、高扭矩旋转驱动。例如，相互交错的第一组梳状驱动装置4和第二组梳状驱动装置5可以沿相应的内轴2和外轴3旋转，第一组梳状驱动装置4的运动可以由基片9上的电极V¹ _inner11和电极V² _inner12的输入电压来驱动，第二组梳状驱动装置5的运动可以由基片9上的电极V¹ _outer13和电极V² _outer14的输入电压来驱动， 在第一组梳状驱动装置4或第二组梳状驱动装置5的任一个电极上施加一个静态电压，则梳状驱动装置单侧偏转；通过在两个梳状驱动装置的任一电极上施加一个静态电压来实现总的光学偏转角翻倍。通过施加静态电压240V分别到内轴2和外轴3上可实现光学偏转角大约在4.5°-5°之间。

在此具体实施例中，如图1所示，手持式内窥镜的设计可以通过对上皮组织肿瘤的快速检测进行筛查和诊断。手持式内窥镜包括连接到金属壳体29的透镜管，物镜系统18被包含在透镜管27内，透镜管27的前端有聚碳酸酯片28，以确保与任何需要被检查的组织样本接触后保证生物安全性。透镜管27最好是由不锈钢管制成。金属壳体29最好是接地的，最好设计成两个分开的部分命名为内壳和外壳，彼此通过弹簧和微型马达连接（图中未显示）。微扫描反射镜14被封装在金属壳体29的内壳中，微扫描反射镜14的驱动是由微型马达驱动。微型马达有助于实现Z方向的聚焦调整，以此实现三维深度敏感成像。

手持式内窥镜的光学和电气接口是彼此分开的，以便组装。电子设备建立在一个灵活的平台上，允许手持式内窥镜可以在电子设备内部环境中不受限制的移动和定位。接触成像系统将固定集成到手持式内窥镜上，以针对组织样本在无运动伪影的情况下成像，从而最大限度的放大手持式内窥镜中微扫描反射镜14的扫描角度的视场领域。

 应用实施例

本发明一种手持式共聚焦光学内窥镜，如图4所示，工作过程具体如下：

从激光二极管15发射线性偏振光束到一个稳态单模偏振的光纤（PM）21中。光线通过PM光纤21后，用准直器22聚焦成1mm直径的光束，为了把光照光线转换到一个圆形偏振光，需要通过一个轴线取向在45°入射偏振角的零级四分之一波长波板23。光线通过固定反射镜17反射后，以22.5°角入射到实施例1的微扫描反射镜14。光线经微扫描反射镜14射出能覆盖整个物镜系统18（包括具有3倍开普勒扩束器19和高数值孔径的非球面物镜20），提供了一个有效数值孔径约0.48的组织样本24。反射光随后被转换成垂直于初始照明偏振方向的线性偏振光，然后使用消除偏振片25和偏移镜26，再通过空间滤波后到光电探测器16。

具有较高值数值孔径的物镜系统18可以在高散射的组织样本24中获得高对比度的光学图像。激光共聚焦系统的分辨率、视场和对比度很大程度上都取决于微扫描反射镜14。即使这样，然而在分辨率和视场之间也要做一个权衡。在最终的图像中微扫描反射镜14的产品尺寸和它的光学偏转角决定图像解析点的数目，并最终决定分辨率。

解析点数目为N，在一维扫描下由下式决定：

    其中，

是微扫描反射镜14的机械扫描半角（光学偏转角），λ是工作波长，D是微扫描反射镜14的直径。

上述激光扫描共聚焦系统可以在3.0帧每秒的情况下提供一个200微米*125微米的视场图像。在影像中解析点的数目（408*255）与微扫描反射镜14的直径和光学扫描角度成比例，正如上式所述。在微扫描反射镜14的最大直径限制范围内，其设定的最大驱动电压和能量消耗由光学偏转角决定。

当然，上述说明并非对本发明的限制，本发明也并不限于上述举例。本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内，作出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种手持式共聚焦光学内窥镜，包括一个透镜管，所述的透镜管内设置有物镜系统，所述的透镜管的一端设置有聚碳酸酯片，所述的透镜管的另一端连接有金属壳体，其特征在于：所述的金属壳体内设置有一个微扫描反射镜，所述的微扫描反射镜包括反射镜、用于使反射镜上下翻转的内轴、用于使反射镜左右翻转的外轴、用于驱动所述的内轴旋转的第一组梳状驱动装置和用于驱动所述的外轴旋转的第二组梳状驱动装置，所述的第一组梳状驱动装置包括多个围绕所述的内轴固定不动的定子梳齿和多个围绕所述的内轴可旋转一定角度的转子梳齿，所述的第二组梳状驱动装置包括多个围绕所述的外轴固定不动的定子梳齿和多个围绕所述的外轴可旋转一定角度的转子梳齿，所述的定子梳齿与所述的转子梳齿上下错开间隔分布。

2.根据权利要求1所述的一种手持式共聚焦光学内窥镜，其特征在于：所述的反射镜的外周设置有可旋转的反射镜活动框，所述的内轴设置在所述的反射镜活动框上且位于所述的反射镜的外沿，所述的内轴在所述的第一组梳状驱动装置的驱动下带动所述的反射镜上下翻转，所述的反射镜与所述的反射镜活动框通过内轴一体连接，所述的外轴设置在所述的反射镜活动框外沿且所述的外轴在所述的第二组梳状驱动装置的驱动下带动所述的反射镜与所述的反射镜活动框整体左右翻转。

3.根据权利要求2所述的一种手持式共聚焦光学内窥镜，其特征在于：所述的转子梳齿的厚度为0.5-50微米，各个所述的转子梳齿之间的距离为0.5-50微米，所述的定子梳齿的厚度为0.5-50微米，各个所述的定子梳齿之间的距离为0.5-50微米。

4.根据权利要求3所述的一种手持式共聚焦光学内窥镜，其特征在于：所述的转子梳齿的厚度为8微米，各个所述的转子梳齿之间的距离为8微米，所述的定子梳齿的厚度为8微米，各个所述的定子梳齿之间的距离为8微米。

5.根据权利要求3所述的一种手持式共聚焦光学内窥镜，其特征在于：所述的反射镜的直径为1024微米。

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