CN210155426U - 一种显微成像结构、显微镜及显微探头 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及光学显微成像技术领域，尤其涉及一种显微成像结构、显微镜及显微探头，显微成像结构包括扫描器和成像部件，扫描器包括能够调节角度的支撑体，支撑体上设有镜面，镜面包括超薄片和位于超薄片上的光学片，成像部件上电连接有光电检测器；显微探头上包括外部光源和外部透镜；显微镜包括物镜，还可以包括载物台。本方案通过将扫描器的结构进行改进，减少显微成像结构中扫描器的体积和重量。

Description

一种显微成像结构、显微镜及显微探头

技术领域

本实用新型涉及光学显微成像技术领域，尤其涉及一种显微成像结构、显微镜及显微探头。

背景技术

在激光扫描及光电检测领域中，如条码阅读器，激光扫描显微镜和激光雷达(LIDAR)等，往往需要扫描器将光束的方向进行快速改变，投射到被观测物体上，被观测物体的反射光或背向散射光或激发出的发射光经透镜收集后，由光电检测器完成光电转换并最终实现检测。

常用的扫描器有检流计振镜，共振扫描器(例如Cambridge Technology公司和Electro-Optical Products Corp.公司的产品)，多面体(Polygon)扫描器，基于各种驱动原理的微机电系统(Microelectromechnical Systems，MEMS)扫描器等。常用的光电检测器包括光电二极管，光电三极管，光电真空管和固态光电检测器等。这种基于光源-扫描器-透镜(可选)-被观测物体—透镜-扫描器(可选)-光电检测器方案的系统结构对于某些对设备体积要求非常高的应用，如微型激光雷达模块，微型扫描显微镜(包括超紧凑台式扫描显微镜，手持式扫描显微镜，实验动物头戴式扫描显微镜和内窥镜等)等来说，结构过于复杂，体积庞大，并且无法通过缩小全部元件的方法来缩小系统的体积。

并且，上述显微镜系统中通常包括显微成像结构和显微探头，显微成像结构和显微探头均会共用一个扫描器，若通过对扫描器的结构进行优化，减少扫描器中的器件的数量，或者实现将若干功能的光学元件集成到一个扫描器件上，从而能够进一步的减少显微成像结构、显微探头甚至显微镜的体积和重量。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种显微成像结构,以减少显微成像结构中扫描器的体积和重量。

为达到上述目的，本实用新型的技术方案是：一种显微成像结构，包括扫描器和成像部件，扫描器包括能够调节角度的支撑体，支撑体上设有镜面，镜面包括超薄片和位于超薄片上的光学片，成像部件上电连接有光电检测器。

本方案的工作原理和效果为：支撑体用于对镜面进行支撑。由于支撑体能够调节角度，故可改变支撑体上镜面的角度，从而可接收和反射不同角度的光信号，进而实现了扫描。光学片用于将激发光和发射光分开、改变激发光的反射角角度以实现扫描、将非特定波长的激发光滤除的三个作用。光电检测器用于接收通过超薄片和光学片的光信号，并将接收到的光信号转为电信号。成像部件用于接收光电检测器转化的电信号，并将电信号转化为图像显示出来。

本方案通过在支撑体上设置镜面，并且镜面上超薄片和位于超薄片上的光学片，让本方案具有将激发光和发射光分开、改变激发光的反射角角度以实现扫描、将非特定波长的激发光滤除的三个作用，让扫描器件同时具备了三个功能，使得显微成像结构中的扫描器的体积和重量得以减小。

进一步，支撑体围绕同一轴线转动或者支撑体围绕两个轴线转动。由此，当支撑体围绕一个轴线转动时，镜面的角度只能够在一个方向上调节，此时使得本显微成像结构中的扫描器具有一维扫描的功能。当支撑体围绕两个轴线转动时，镜面的角度能够在两个方向上调节，此时使得本显微成像结构中的扫描器具有二维扫描的功能。

进一步，光学片为光学镀膜。通过这样的方式，可使光学片更薄更轻，更有利于减少显微成像结构中的扫描器的体积和重量。

进一步，光电检测器位于镜面上。由此实现了将光电检测器集合到镜面上，这样本方案中的镜面不仅具有将激发光和发射光分开、改变激发光的反射角角度以实现扫描、将非特定波长的激发光滤除的三个作用，还具有直接将光信号转化为电信号的作用，无需将光电检测器外置在扫描器的外侧，这样进一步减少了光电检测器、扫描器的空间体积。

进一步，支撑体上设有用于驱动调节支撑体角度的驱动器。驱动器用于驱动支撑体转动，当然驱动器可位于支撑体上直接驱动支撑体转动，驱动器也可位于支撑体的外侧而间接驱动支撑体转动。通过驱动器驱动支撑体转动，从而实现了支撑体角度的调节。

进一步，光学片包括偏振分光片和滤光片。光学片为偏振分光片和滤光片，用于反射S线偏振光并透过P线偏振光。偏振分光片用于反射入射的S线偏振光，经过反射的S线偏振光穿过外部波片后偏振方向旋转一定角度，由被观测物体反射后再次经过扫描器外侧的外部波片后偏振方向再次旋转一定角度后为S线偏振光和P线偏振光(以P线偏振光为主)的混合光，该混合光中只有P线偏振光能够经过偏振分光片之后在经过滤光片的过滤后照射在光电检测器上实现光电转换。由此，通过本方案可对微型激光雷达模块等被观测物体的具有相同波长的反射光和入射光进行扫描。

进一步，光学片包括二向色镜片和滤光片。二向色镜片用于将激发光反射到被观测物体，被观测物体激发的发射光从二向色镜片穿过，滤光片用于滤出剩余的激发光，穿过的滤光片的发射光经过光电检测器从而实现了光电转换。由此，通过本方案实现了微型扫描显微镜等被观测物体的具有不同波长的激发光和发射光的扫描。

进一步，成像部件包括放大电路和计算机。由此，通过放大电路和计算机实现了将光电检测器上的电信号转化为相应的图形并通过计算机显示出来。放大电路和计算机为常见的成像部件。

另外，本实用新型还提供了一种包含有上述显微成像结构中的扫描器的显微探头，包括外部光源和外部透镜。外部光源用于发出激发光，外部透镜用于对光源发出的激发光进行处理使得进入到镜面的光线符合一定的要求。本方案中由于扫描器的体积和重量得到了减小，则使用于本扫描器的显微探头的体积和重量也相应得到了减小。

另外，本实用新型还提供了一种包含有上述显微成像结构和显微探头的显微镜，包括物镜，还可以包括载物台。载物台可用于放置被观测物体。当光线照射到被观测物体上后会被反射回来，反射回来的光线通过物镜照射到镜面上，物镜可使反射回来的光线符合一定要求，例如光波频率等。本方案中由于扫描器的体积和重量得到了减小，则使用于本扫描器的显微镜的体积和重量也在一定程度上得到了减小，便于显微镜的使用、携带。

附图说明

图1为实施例1中显微成像结构中的扫描器的立体图；

图2为实施例1中另一种形状的扫描器的立体图；

图3为微型激光雷达模块等被观测物体的反射光和入射光具有相同波长时的镜面示意图；

图4为微型扫描显微镜等被观测物体的激发光和发射光具有不同波长时的镜面示意图；

图5为实施例1中显微成像结构的示意图；

图6为实施例2中显微探头的结构示意图；

图7为实施例3中显微镜的结构示意图；

图8为实施例4中光电检测器位于支撑体上的扫描器的立体图；

图9为实施例5中微型扫描显微镜的结构示意图；

图10为实施例6中实验动物头戴式扫描显微镜和内窥镜的结构示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细说明：

说明书附图中的附图标记包括：固定框1、支撑体2、超薄片3、滤光片4、转动轴7、外部放大电路和计算机8、光电检测器9、外部波片11、外部透镜12、外部光源13、第一外部透镜15、外部扫描器16、第二外部透镜17、第三外部透镜18、外部载物台21、外部光纤22、外部反射镜23、柱状透镜24。

实施例1

基本如附图1所示：一种显微成像结构，包括扫描器和成像部件。本实施例中的扫描器包括方形的固定框1和截面形状为圆形的支撑体2，支撑体2通过转动轴7转动连接在固定框1的内部。本实施例中的支撑体2的材质为光学玻璃或高分子聚合物或半导体材料或金属或碳纤维或以上任意材料的混合物，支撑体2上设有镜面，镜面包括超薄片3和位于超薄片3上的光学片，本实施例中的超薄片3的材质为光学玻璃或高分子聚合物或半导体材料或以上任意材料的混合物，超薄片3的材质在390nm至1720nm范围中的任意波长范围内具有50％以上透射率，超薄片3通过键合的方式固定在支撑体2上。本实施例中结合图3所示，本实施例中的扫描器可用于微型激光雷达模块，当用于微型激光雷达模块等被观测物体的反射光和入射光具有相同波长时，本实施例中的光学片为光学薄膜，光学片采用偏振分光片和滤光片4，本实施例中偏振分光片为偏振分光薄膜，滤光片4为滤光薄膜，滤光薄膜、偏振分光薄膜依次镀在超薄片3上。当然光学片也可为其他材质制成，如玻璃材质制成等，光学片也可通过其他方式固定在超薄片3上，如卡接等。偏振分光片位于滤光片4上，偏振分光片用于反射入射的S线偏振光，经过反射的S线偏振光穿过外部波片后偏振方向旋转一定角度，由被观测物体反射后再次经过外部波片后偏振方向再次旋转一定角度后为S线偏振光和P线偏振光(以P线偏振光为主)的混合光，该混合光中只有P线偏振光能够经过位于超薄片3上的偏振分光片之后再经过滤光片4的过滤后照射在位于扫描器外侧的光电检测器上而实现光电转换。本实施例中的支撑体2远离超薄片3的侧面上设有使光信号通过的通道，这样使得相应的光信号能够通过支撑体2照射在扫描器外侧的光电检测器上。

本实施例中结合图4所示，本实施例中的扫描器可用于微型扫描显微镜，当用于微型扫描显微镜等被观测物体的激发光和发射光具有不同波长时，光学片采用二向色镜片和滤光片4，本实施例中的光学片为镀在超薄片3上的光学薄膜，二向色镜片为二向色镜薄膜，滤光片4为滤光薄膜，滤光薄膜和二向色镜薄膜依次镀在超薄片3上，当然光学片也可为其他材质制成，如玻璃材质制成等。二向色镜片位于滤光片4上，二向色镜片用于将激发光反射到被观测物体，被观测物体激发的发射光从二向色镜片穿过，滤光片4用于滤出剩余的激发光，穿过的滤光片4的发射光经过扫描器外侧的光电检测器9从而实现了光电转换。

支撑体2的底部设有用于驱动支撑体2旋转的驱动件。当然驱动件可位于支撑体2上直接驱动支撑体2转动，驱动件也可位于支撑体2的外侧而间接驱动支撑体2转动。本实施例中采用的是驱动件直接位于支撑体2上驱动支撑体2转动，具体的，驱动件为驱动器，驱动器通过键合的方式固定在支撑体2上，本实施例中的驱动器为平行板电容器，具体的，支撑体2远离镜面的一侧的两端上固定有第一电容板，在固定框1内侧壁上与第一电容板相对的位置处通过键合的方式固定有与第一电容板相对的第二电容板，第一电容板与第二电容板之间构成一个平行板电容器，第一电容板和第二电容板均与转动轴7平行，再通过给第二电容板供电，利用静电力的大小，可以调节支撑体2的偏转角度。由此，驱动器位于支撑体2上，通过驱动器可对支撑体2的角度进行调整，驱动器不必安装在其他地方，减少了驱动器的空间占用，使得扫描器体积得以减小。由此，本实施例通过支撑体2的转动，从而实现了镜面方向围绕转动轴7进行旋转，进而实现了扫描。

结合图2所示，结合图2所示，本实施例中的镜面的形状和支撑体2的形状还可为长方体的形状，当然，只要镜面的形状和支撑体2的形状为多边形或圆形或椭圆形等任意轴对称形状均可，由于支撑体2和镜面均为轴对称的形状，因此镜面和支撑体2的重量分布比较均匀，便于对支撑体2进行旋转，避免出现支撑体2重量分布不均匀而造成的支撑体2的旋转出现误差。

另外，支撑体2上设有容纳槽，光学片和超薄片3位于容纳槽中，由此，容纳槽用于容纳光学片和超薄片3，这样通过设置容纳槽，一方面可使光学片和超薄片3安装在支撑体2上的位置更加精准，另一方面，由于光学片和超薄片3位于容纳槽中，光学片和超薄片3在支撑体2上不会凸出，从而进一步减少了支撑体2、光学片和超薄片3三者的体积之和，进而更进一步的减少了微型探头的体积和重量。

结合图5所示，本实施例中的成像部件包括外部放大电路和计算机8，外部放大电路和计算机8电连接在位于扫描器外侧的光电检测器9上，这样当光电检测器9接收到光信号后，会将光信号转化为电信号并传输到外部放大电路和计算机8上，通过外部放大电路和计算机8显示出来。

实施例2

结合图6所示，一种包含有实施例1中的扫描器的显微探头，包括外部光源13和外部透镜12。外部光源13用于发出激发光，外部透镜12用于对光源发出的激发光进行处理使得进入到镜面的光线符合一定的要求。本方案中由于扫描器的体积和重量得到了减小，则使用本扫描器的显微探头的体积和重量也得到了减小。

实施例3

结合图3和图7所示，本实施例中涉及一种显微镜，具体有实施例1中的显微成像结构和实施例2中的显微探头组成，包括外部波片11，外部光源13发出的S线偏振光经过外部透镜12准直后，由偏振分光片反射，再由外部波片11改变线偏振光的偏振方向，经过被检测物体反射后再次穿过外部波片11使大部分反射光的偏振方向为P方向，偏振分光片反射S线偏振光并透过P线偏振光，最终P线偏振光穿过超薄片3和滤光片4以及支撑体2上的通道照射到位于扫描器外界的光电检测器9转换为电信号，最后送至外部放大电路和计算机8进行处理。

实施例4

本实施例在实施例1-3的基础上进一步改进，结合图8所示，本实施例中扫描器的光电检测器9位于镜面上，光电检测器9位于超薄片3和支撑体2之间，本实施例中的光电检测器9通过键合的方式固定在支撑体2上，光电检测器9包括光电二极管或光电三极管或光电倍增管或电荷耦合器件或金属半导体氧化物器件，其中光电二极管包括雪崩光电二极管和雪崩光电二极管阵列。由此本实施例实现了将光电检测器9集合到镜面上，这样本方案中的镜面不仅具有将激发光和发射光分开、改变激发光的反射角角度以实现扫描、将非特定波长的激发光滤除的三个作用，还具有直接将光信号转化为电信号的作用，无需将光电检测器9外置在扫描器的外侧，这样进一步减少了光电检测器、扫描器的空间体积。

另外，本实施例中的固定框1的外侧也可转动连接有转动轴，固定框1上也设有驱动器，驱动器的设置方式与位于支撑体2上的驱动器的设置方式相同，固定框1外侧的转动轴的轴线方向垂直于转动轴7的轴线方向，这样一方面支撑体2可在固定框内转动，固定框1还可带动支撑体2向另一方向转动，由此实现了支撑体2的两个不同方向的转动，实现了二维扫描。对于一维扫描和二维扫描的选择根据实际需求进行选择。

容易理解，由于本实施例中的扫描器的结构得到了改变，则所涉及的相应的显微成像结构、显微探头和显微镜的结构组成也进行了相应的改变，那么使用本实施例中的扫描器的结构的显微成像结构、显微探头和显微镜均落入到本方案的保护范围内。

实施例5

结合图9所示，本实施例中，还公开了一种采用实施例4中的显微成像结构和显微探头的微型扫描显微镜，包括外部载物台21和外部透镜12(物镜)，显微探头中包括外部光源13、第一外部透镜15、外部扫描器16、第二外部透镜17、第三外部透镜18，被观测物体放置于外部载物台21上，外部光源13发出的激发光经过第一外部透镜15准直后由外部扫描器16进行X方向扫描，再经过第二外部透镜17和第三外部透镜18组成的透镜对照射到作为扫描振镜的二向色镜片上反射并进行Y方向扫描，二维扫描光束由外部透镜12聚焦在被检测物体中，被检测物体中激发的发射光(如单光子荧光或非线性光学信号)被外部透镜12收集后，穿过扫描振镜的二向色镜片、滤光片4、超薄片3照射到位于镜面上的光电检测器9转换为电信号，最后送至外部放大电路和计算机8进行处理。

实施例6

结合图10所示，本实施例中，还公开了线扫描实验动物头戴式扫描显微镜和内窥镜，包括显微探头和显微成像结构，本实施例中的光电检测器9位于镜面上，显微探头中包括外部光源、外部光纤22、外部反射镜23和外部柱状透镜24，外部光源发出的激发光由外部光纤22传入，经过外部反射镜23反射并准直，经过外部柱状透镜24聚焦成线状焦点照射在作为一维扫描振镜的二向色镜片上，反射并进行扫描，一维扫描光束由外部透镜12(为外部高色散物镜)聚焦在被检测物体中形成扫描线，被检测物体中激发的发射光(如单光子荧光或非线性光学信号)被外部高色散物镜收集后，穿过一维扫描振镜的二向色镜片、滤光片4、超薄片3聚焦在镜面上的光电检测器9上并转换为电信号，最后送至外部放大电路和计算机8进行处理。在线扫描应用中，光电检测器9为二维光电检测器件，二维扫描振镜为MEMS扫描器件。由于被检测物体中激发的发射光(如单光子荧光或非线性光学信号)的波长比激发光短，通过外部高色散物镜的发射光的焦距小于激发光，因此通过选择合适的材料和参数可以使焦点发出的发射光经过外部高色散物镜的聚焦后再次聚焦在光电检测器9上。

以上所述的仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以作出若干变形、组合和改进，这些也应该视为本实用新型的保护范围，这些都不会影响本实用新型实施的效果和专利的实用性。本实用新型所省略描述的技术、形状、构造部分均为公知技术。

Claims (10)

1.一种显微成像结构，包括扫描器和成像部件，其特征在于：所述扫描器包括能够调节角度的支撑体，所述支撑体上设有镜面，所述镜面包括超薄片和位于超薄片上的光学片，所述成像部件上电连接有光电检测器。

2.根据权利要求1所述的一种显微成像结构，其特征在于：所述支撑体围绕同一轴线转动或者支撑体围绕两个轴线转动。

3.根据权利要求1所述的一种显微成像结构，其特征在于：所述光学片为光学镀膜。

4.根据权利要求1所述的一种显微成像结构，其特征在于：所述光电检测器位于镜面上。

5.根据权利要求1所述的一种显微成像结构，其特征在于：所述支撑体上设有用于驱动调节支撑体角度的驱动器。

6.根据权利要求1所述的一种显微成像结构，其特征在于：所述光学片包括偏振分光片和滤光片。

7.根据权利要求1所述的一种显微成像结构，其特征在于：所述光学片包括二向色镜片和滤光片。

8.根据权利要求1-7任一所述的一种显微成像结构，其特征在于：所述成像部件包括放大电路和计算机。

9.一种包含有权利要求1所述的扫描器的显微探头，其特征在于：还包括外部光源和外部透镜。

10.一种包含有权利要求8中的成像结构和权利要求9中的显微探头的显微镜，其特征在于：包括物镜，还可以包括载物台。

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