CN107991769B - 二维扫描器件 - Google Patents

Abstract

本发明针对现有的微型探头中的二维扫描器件，功能单一不能进一步减小微型探头的重量和体积的技术问题，提供了一种二维扫描器件，包括驱动器和镜面，驱动器用于根据指令改变镜面的角度，所述镜面包括若干二向色镜，所述二向色镜用于反射激光并可供非线性光学信号穿过，所述驱动器包括若干可供非线性光学信号透射过的镜体，二向色镜分别固定于镜体上。

Description

二维扫描器件

技术领域

本发明涉及光学成像技术领域，具体涉及一种二维扫描器件。

背景技术

将活体样本的行为学与神经功能相结合的研究方法成为近年来神经科学领域的研究热点。为了观测和记录活体样本的大脑皮层中各类神经细胞以及神经环路的活动，传统上，是使用台式双光子显微镜进行观测的，但是这种方式，活体样本(被研究的动物)的头部需要一直被固定，活体样本在实验期间一直处于物理约束和情绪压力(恐惧、未知)下，这样的研究方式，存在不能对在自由活动下的活体样本进行有效研究。

针对上述问题，北京大学在中国专利公开号为CN107049247A的专利文献中公开了一种微型双光子显微成像装置和方法、活体样本行为成像系统，所述微型双光子显微成像装置包括：飞秒脉冲激光器，其用于产生波长为920纳米的激光；飞秒脉冲激光调制器，其用于接收所述飞秒脉冲激光器输出的激光，并预啁啾补偿激光的脉冲展宽至预设值，并输出；微型探头，所述微型探头包括：扫描成像部分，用于接收所述飞秒脉冲激光调制器输出的激光，该激光对活体样本内部的组织进行扫描，以激发所述活体样本产生荧光信号；和激光输出光纤，其用于接收所述扫描成像部分输出的所述荧光信号，并进行输出。所述微型双光子显微成像装置能够在自然生理环境中对自由活动的动物的树突和树突棘活动进行稳定的观测。

上述方案在具体使用过程中，微型探头和固定支架的总重量大约为2.15g(记载于上述文件的说明书0035段)，其微型探头包括微机电扫描仪(MEMS)、物镜、扫描透镜、准直器、二向色镜和采集透镜(详见该文件0071-0077段和该文件的附图1的记载)，其成像原理为，微机电扫描仪(MEMS)用于通过转动改变激光入射角角度的方式将激光(920纳米波长的)对活体样本内部的组织平面进行二维扫描。物镜用于将来自微机电扫描仪的激光会聚到所述活体样本内部，以激发活体样本产生所述荧光信号以及用于输出所述荧光信号。扫描透镜布置在微机电扫描仪和物镜之间的光路上，用于将微机电扫描仪二维扫描所产生的角度变化的激光转化成位置变化的激光。准直器布置在激光输入光纤与微机电扫描仪之间，用于准直来自激光输入光纤输出的激光以及减少不同频率激光之间的色差，以与扫描透镜共同匹配物镜的图像。二向色镜设在扫描透镜和物镜之间，用于将激光和荧光信号分开以及输出荧光信号。

在上述方案中，其微型探头的结构依然有可优化的空间，其重量也能够继续优化，减少在研究过程中活体样本因不适应微型探头的重量，出现异常行为而带来的实验误差。

因此，如果能够将减少上述方案中的器件(光学元件)的数量，或者将实现分别实现若干功能的光学元件，集成到一个器件上，将能够进一步的减小微型探头的体积和重量。现有的微机电扫描仪(MEMS),通常为静电驱动MEMS扫描镜，包括基片、驱动器和反射镜面。一般情况，驱动器决定了扫面镜(扫描器件)的机电属性，镜面决定了扫描镜的光学特性。现有的驱动器通常为平行板电容器，具体的结构为，反射镜面通过弹性扭转梁铰接于基片上，反射镜面与基片之间留有间隙，在反射镜面背面的两侧分别固定有上电容板，在基片上与上电容板相对的位置处固设有与上电容板相对应的下电容板，上电容板与相对应的下电容板构成一个平行板电容器，在通过给下电容板供电，利用静电力，可以调节反射镜面的偏转角度，弹性扭转梁用于在静电力消失后让反射镜面复位。

但是上述二维扫描驱动器件，仅能够通过改变激光的反射角角度实现扫描的功能，存在功能单一，不能进一步减小微型探头的重量和体积的缺陷。

发明内容

本发明针对现有的微型探头中的二维扫描器件，功能单一不能进一步减小微型探头的重量和体积的技术问题，提供了一种二维扫描器件。

本发明提供的基础方案为：二维扫描器件，包括驱动器和镜面，驱动器用于根据指令改变镜面的角度，所述镜面包括若干二向色镜，所述二向色镜用于反射激光并可供非线性光学信号穿过，所述驱动器包括若干可供非线性光学信号透射过的镜体，二向色镜分别固定于镜体上。

本发明的工作原理及优点在于：在使用时，本方案安装于微型探头内，二向色镜用于将激光输入光纤输入的激光(激发激光)反射至预定位置(物镜)，被观测物体激发的非线性光学信号经过物镜后达到二向色镜处，二向色镜让非线性光学信号透射、穿过，被采集透镜接收，从而让微型探头完成对被观测物体的观测。

在上述过程中，本方案中的驱动器可以改变二向色镜的倾角达到改变激光反射角角度的目的，以实现激发激光对被观测物体的扫描。由于驱动器包括若干可供非线性光学信号透射过的镜体，镜体在现有技术中是起到支撑二向色镜的作用，在本方案中，除了起到支撑二向色镜外，还具有根据指令(或者说控制信号)改变二向色镜的倾角，让被观测物体激发的非线性光学信号透射过的功能。

现在是实际应用驱动技术发展，如果没有特定的应用需求，工程师想出一些variants(变种、变形)，然而会被认为根本没有用，也就不会继续发展下去。现有的MEMS二维扫描器的工程师都是电子工程(微加工工艺)或机械工程(结构设计)出身，他们在MEMS二维扫描器的结构设计和工艺实现具备良好的技术能力，尤其是一些从计算机芯片制造转业过来的工程师，他们对MEMS二维扫描器技术的实现和进步起到了巨大的推动作用。

但是他们都缺乏生物医学工程(内窥应用)，光学扫描显微镜(微型光学探头)和神经科学(活动动物头戴式微型多光子显微镜)的相关背景和经验。对于做MEMS二维扫描器的工程师而言，其没有需求和动力去改变现有的MEMS二维扫描器的结构。现在，工程师对MEMS二维扫描器的改进的方向是提高扫描速度。对于工程师和大多数研究人员而言，如果遇见减小微型光学探头的重量和体积的问题，由于MEMS二维扫描器的重量和体积受到芯片制程、反射镜片的材质的影响，现在进一步缩小MEMS二维扫描器的重量和体积的技术非常困难，基本而言已经相当于达到技术瓶颈了，这对工程师而言，微型光学探头的重量和体积也等同于遇见技术瓶颈了(无法基于原有设计进行改进了)。

本发明二维扫描器件，通过在驱动器的表面设置二向色镜，设置可供非线性光学信号透射过的镜体，让本方案通过一个器件实现了现有技术中需要两个器件才能够完成的功能(将激光和非线性光学信号分开、改变激光的反射角角度以实现扫描)，让二维扫描器件同时具备两个功能，达到了减小微型探头内器件的数量，让微型探头能够进一步减小体积和重量。

进一步，所述二向色镜包括超薄片，所述超薄片上镀有二向色薄膜。

通过这样的方式，获得的二向色镜可以更薄更轻，有利于让微型探头能够进一步减小体积和重量。

进一步，所述镜体为环形，二向色镜固定在镜体的表面。

镜体为环形的设计，能够让非线性光学信号更好的透射过，避免对非线性光学信号产生干扰。

进一步，还包括基片，驱动器固定在基片上，所述基片上与二向色镜对应的位置的背面通过深反应离子蚀刻技术蚀刻掏空。

这样的方式，能够让非线性光学信号更好的透射过基片和镜体。

进一步，所述基片的材质为高分子聚合物。

可便于非线性光学信号的采集。

进一步，所述二向色镜的形状为六边形或圆盘形。

可提高对激光的反射效果。

附图说明

图1为本发明二维扫描器件实施例的结构示意图；

图2为图1的另一角度的视图；

图3为采用深反应离子蚀刻的方式生产本发明的正剖图；

图4为本发明应用于微型光学探头实施例的原理图；

图5为图4的结构示意图；

图6为将图4中的装置安装在小鼠上的状态示意图；

图7为本发明应用于微型光学探头与商用内窥镜配合使用时的结构示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细的说明：

说明书附图中的附图标记包括：基片11、驱动器22、二向色镜33、准直透镜10、反射镜20、二向色镜扫描器30、物镜40、聚焦透镜50、激光输入光纤60、激光输出光纤61、外壳70。

实施例基本如附图1、图2所示：二维扫描器件，包括基片11、驱动器22和镜面，驱动器22固定在基片11上，驱动器22用于根据指令改变二向色镜33的角度，所述镜面包括若干二向色镜33，二向色镜33包括超薄片，所述超薄片上镀有二向色薄膜，所述二向色镜33用于反射激光并可供非线性光学信号穿过，所述驱动器22包括若干可供非线性光学信号透射过的镜体，二向色镜33分别固定于镜体上，镜体为环形，二向色镜33固定在镜体的表面，所述基片11的材质为高分子聚合物，所述二向色镜33的形状为圆盘形，在其他实施例中，二向色镜33的形状为六边形。

具体使用时：当然在其他的实施例中，还可以选择现有的微机电扫描仪(MEMS)，将其反射镜20面替换为二向色镜33，并在基片11上与二向色镜33对应的位置的背面通过深反应离子蚀刻技术蚀刻掏空(如图3所示)。

现有的二维扫描器件的驱动器22通常来说是采用静电驱动的，在驱动器22这块的设计上本实施例是采用现有的驱动器22设计，具体的可以采用MEMSCAP公司的表面微加工工艺SOIMUMP。该技术为现有技术，在此不再赘述，本申请中，着重描述一下区别点。

第一点，在本实施例中，镜面的选择为二向色镜33(将SOIMUMP工艺中，第二层多晶硅和第二层磷硅玻璃以及第三层多晶硅构成的反射镜20面，替换为镀二向色偏振膜的超薄片)，即现有技术中选择是反射镜20，本实施例中选用的二向色镜33。第二点，关于基片11的透射性，由于在实际使用中，是要求非线性光学信号能完全从二维扫描器透射过，因此基片11的选择尤为重要，二向色镜33的背后为镂空结构(通过深反应离子刻蚀技术，将基片11的背后镂空，设置环形的镜体)，达到了便于非线性光学信号透射的效果。

具体的，在关于基片11的镂空设计上，可以选用已经镂空的基片11作为驱动器22的支撑结构，驱动器22选择环形的驱动器22，在驱动器22的两端设置扭转梁，这样的方式也可以实现便于非线性光学信号透射的效果。在其他实施例中，将现有的微机电扫描仪上的反射镜20替换为二向色镜33后，将微机电扫描仪的晶圆的背面用深反应离子刻蚀技术掏空。

通过上述直接工艺集成的方式，借助于现有技术，能够快速的获得较为成熟的产品。

为了充分说明本方案的效果，本实施例中，还公开了一种采用本方案的微型探头(如图4、图5)，按照光路依次包括：准直透镜10、反射镜20、二向色镜扫描器30(本发明二维扫描器件)、物镜40以及聚焦透镜50，物镜40为非球面透镜，准直透镜10用于准直来自激光输入光纤60输出的激光以及减少不同频率激光之间的色差并输出激光信号至反射镜20。具体的激光输入光纤60为保偏光纤或光子晶体光纤。

反射镜20用于调整准直透镜10输出激光的角度并反射至二向色镜扫描器30，反射镜20包含多片反射镜20，作用为平移光路，材料为光学玻璃或高分子聚合物，透射面有增强透射率的光学镀膜，反射面有增强反射率的光学镀膜；

二向色镜扫描器30用于将激光和非线性光学信号分开以及输出所述非线性光学信号，还用于改变激光的入射角角度让激光对活体样本内部的组织平面进行二维扫描，即二向色扫描镜将激光信号输出至物镜40，物镜40用于将来自二向色镜扫描器30的激光会聚到活体样本内部，以激发活体样本产生非线性光学信号，然后物镜40接收并输入非线性光学信号至二向色扫描器，非线性光学信号从二向色扫描器透射至聚焦透镜50，聚焦透镜50用于有效收集非线性光学信号，其中，激光输入光纤60为多模光纤；

具体的二向色镜扫描器30包括二向色镜33片和不影响非线性光学信号透射的微机电驱动器22，二向色镜33片覆盖于微机电驱动器22上，所述微机电控面可驱使二向色镜33片改变角度；

还包括外壳70，外壳70为高分子聚合物的材料的密封结构，聚焦透镜50、准直透镜10、二向色镜扫描器30、物镜40以及反射镜20均安装于外壳70内。

具体使用时：本实施例的准直透镜10使用的是消色差准直透镜10(#65-286，Edmund Optics Inc.，Barrington，NJ，USA；直径：2mm，等效焦距：3mm，专用近红外光)，能够准直输出激光器并减少飞秒激光器的不同频率分量之间的色差，这样有利于提高传输效率(从激光源到样本高达50％)，光束聚焦和激发效率。当然也可以为消色差设计，设计波长为700nm至1600nm之间的任意2个波长，可以为817nm和1064nm，但不限于这两个波长，材料为光学玻璃或高分子聚合物，表面有增强透射率的光学镀膜，用于超快激光脉冲的准直。

物镜40为非球面透镜，二向色镜扫描器30的直径为0.8mm，封装尺寸为9×9mm2，第一谐振频率为不超过6kHz，其最大光学扫描角度为±10度,支持帧大小为256×256和最大视场为130×130μm 2的40Hz成像,以实现视频速率图像采集。具体的是，用二向色镜33替换了现有微机电扫描仪上的反射镜20片。

在又一实施例中，物镜40为非球面透镜，二向色镜扫描器30的直径为1mm，封装尺寸为5×5mm2，第一谐振频率为28kHz，其最大光学扫描角度为±15度,支持帧大小为512×512最大视场为400x400um2的50Hz成像,以实现视频速率图像采集。(我们自己的指标)具体的是，用二向色镜33替换了现有微机电扫描仪上的反射镜20片。在又一实施例中，物镜40为消色差设计波长为700nm至1600nm之间的任意2个波长，通常为817nm和1064nm，但不限于这两个波长，材料为光学玻璃或高分子聚合物，表面有增强透射率的光学镀膜，结构可以为传统的折射透镜，梯度折射率透镜或具有曲面外形的梯度折射率透镜，用于将入射的超快激光聚焦在外部样品中，激发出非线性光学信号，并以落射式检测的方式收集发射光信号。

在再一实施例中，聚焦透镜50为消色差设计，设计波长为350nm至700nm之间的任意2个波长，通常为408nm和633nm，但不限于这两个波长，材料为光学玻璃或高分子聚合物，表面有增强透射率的光学镀膜，用于将接收到的非线性光学信号聚焦并耦合入收集光纤。

具体的激光输入光纤60为光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber)或保偏光纤,设计波长为700nm至1600nm之间的任意波长，材料为光学玻璃，石英，塑料或高分子聚合物，用于传输外部激发光源产生的超快激光脉冲。

二向色镜扫描器30为双片单轴结构或单片双轴结构，镜片为二向色镜33片，二向色镜33片材料为光学玻璃或高分子聚合物，用于反射波长为700nm-1600nm的超快激光脉冲并透射波长为350nm-700nm的发射光信号。

物镜40为消色差设计，设计波长为700nm至1600nm之间的任意2个波长，通常为817nm和1064nm，但不限于这两个波长，材料为光学玻璃或高分子聚合物，表面有增强透射率的光学镀膜，结构可以为传统的折射透镜，梯度折射率透镜或具有曲面外形的梯度折射率透镜，用于将入射的超快激光聚焦在活体样本(或者人体)表面，激发出非线性光学信号。

反射镜20呈45度放置，用于将超快激光脉冲(激光信号)反射90度至二向色镜扫描器30。

本实施例中，最终的外壳70(即整个微型光学探头)的体积小于5mm*5mm*5mm，重量约为1.76g，小于商用内窥镜的外径(9mm-11mm)，与商用内镜可直接配合使用。且结合使用方便，此外，对商用内镜的视野遮挡很小。另，本实施例中聚焦透镜50将非线性光学信号反馈至外部光电成像设备中，外部光电成像设备由多个光电倍增管检测器，多片二向色镜33，多片滤光片和多片聚焦透镜50组成，用于接受收集光纤所传输的发射光信号并完成光电转换供计算机处理。在与商用内窥镜配合使用时，由于激光输入光纤60和激光输出光纤61是需要尽可能是缩小安装体积，其激光输入光纤60和激光输出光纤61在微型光学探头上的位置十分接近，因此在本实施例中设置了多个反射镜20(如图7所示)，用于调节光路，以方便与商用内窥镜配合使用。

具体使用时，可以将本发明安装于小鼠的头顶(如图6所示)。当然在其他实施例中，也可以安装于其他动物的头顶上，如狨猴、小兔等。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (5)

1.二维扫描器件，用于观测和记录活体样本的大脑皮层中各类神经细胞以及神经环路的活动，包括驱动器和镜面，驱动器用于根据指令改变镜面的角度，其特征在于：所述镜面包括若干二向色镜，所述二向色镜用于反射激光并可供非线性光学信号穿过，所述二向色镜包括超薄片，所述超薄片上镀有二向色薄膜，所述驱动器包括若干可供非线性光学信号透射过的镜体，二向色镜分别固定于镜体上，所述驱动器采用静电驱动。

2.根据权利要求1所述的二维扫描器件，其特征在于：所述镜体为环形，二向色镜固定在镜体的表面。

3.根据权利要求1所述的二维扫描器件，其特征在于：还包括基片，驱动器固定在基片上，所述基片上与二向色镜对应的位置的背面通过深反应离子蚀刻技术蚀刻掏空。

4.根据权利要求3所述的二维扫描器件，其特征在于：所述基片的材质为高分子聚合物。

5.根据权利要求1所述的二维扫描器件，其特征在于：所述二向色镜的形状为六边形或圆盘形。

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