CN102525379B

CN102525379B - 一种提高光学质量的光学探头

Info

Publication number: CN102525379B
Application number: CN2012100391881A
Authority: CN
Inventors: 傅霖来; 王东琳; 严冬梅; 谢会开; 陈巧
Original assignee: WUXI WIO TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: Wuxi Weiwen Semiconductor Technology Co ltd
Priority date: 2012-02-21
Filing date: 2012-02-21
Publication date: 2013-10-16
Anticipated expiration: 2032-02-21
Also published as: CN102525379A

Abstract

本发明公布了一种提高光学质量的光学探头，包括连接件、探头基座、柔性电路板、光学组件、MEMS微镜、探头端盖和窗片，光学组件包括光纤和透镜，光纤端面和透镜两端的端面三个光学端面涂履增透膜或者进行端面倒角。本发明设计的光学探头从光路源头着手，依次对光学探头的光纤、透镜、MEMS微镜和窗片的光学界面进行了设计，且探头基座内表面与MEMS微镜四周框架均涂履有能够吸收红外光的膜层材料，从而有利于光学探头中光学质量的提高；减少了通过各光学界面光的损失；并能减少甚至消除各光学界面对***产生干扰的反射光信号。另外探头基座与探头端盖的机械结构能够保证光路的准直和光学探头的简易组装。

Description

一种提高光学质量的光学探头

技术领域

本发明涉及一种属于医疗设备技术领域，特别是涉及一种提高光学质量的光学探头。

背景技术

将微机电***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***开发是专利申请单位的主要开发项目。国际上第一个MEMS－OCT光学探头正是由申请单位研发团队成员之一在2001年研发的，该光学探头采用电热驱动的一维MEMS扫描微镜，成功展示了活体猪膀胱的二维截面OCT图像。该探头已经取得美国专利（专利号：US7,450244 Full circumferential scanning OCT intravascular imaging probe based on scanning MEMS mirror），图1是探头三维设计图，它包括探头基座14、透镜12、传输光纤13、进行MEMS微镜电连接的柔性电路板15和MEMS微镜11。探头基座根据各零部件尺寸进行设计，采用电火花切割加工；传输光纤前端部分去掉外皮后与格林透镜采用无间隙组装在探头对应孔槽内；MEMS微镜与柔性电路板分别粘接在探头一端带45°斜坡的槽内；最后完成塑料套管16的组装。

内窥成像探头（专利号：2011100711137）对光学零件的组装做了很大改进，将传输光纤21装入毛细玻璃管22扩径后与透镜23组装成具有特定工作距离的组件，再装入探头，减少了探头组装难度。但光学质量却未得到提高，特别是在格林透镜外端面会产生部分光的反射折回，一方面会造成光功率的部分损耗，另一方面会与样品反射回的光形成干涉，从而不仅使得传输至OCT成像***的信号减弱，同时会给***增加不必要的干扰信号。

发明内容

本发明目的在于改进光学探头部分的光学结构设计，优化探头中各个光学界面的光学质量，优化探头的部分结构。从而一方面实现了探头中各光学零部件的精准组装和校准，另一方面减少了探头中的光损耗，使得使用此探头的***能采集较稳定且较强的信号，从而得到较理想结果。

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：

一种提高光学质量的光学探头，包括连接件、探头基座、柔性电路板、光学组件、MEMS微镜、探头端盖和窗片，其特征在于：所述光学组件包括光纤和透镜，所述光纤端面和透镜两端的端面三个光学端面涂履增透膜或者进行端面倒角。

其进一步特征在于：所述探头基座左端为T形槽孔，T形槽狭窄处用于安装光学组件，较宽槽则方便柔性电路板的伸出；探头基座右侧为一个异形孔，探头端盖***与之配合；探头基座内孔各表面均涂履能够吸引红外光的材料；探头端盖左侧具有斜坡槽，用于安放柔性电路板，柔性电路板焊盘区粘结有MEMS微镜；与MEMS微镜正对的探头基座上开有窗口，窗口安装有窗片，所述窗片双面涂履增透膜，或者窗片采用透红外材料加工制作。

当光学组件中的各个光学界面均采用涂履增透膜，光学组件安放于探头基座槽孔中间位置，经光学组件出射的聚焦光束平行探头基座轴线且与MEMS微镜成95度-175度射向MEMS微镜。

当光学组件中的光纤部件和自聚焦透镜靠光纤部件端面采用涂履增透膜或者端面倒角，而透镜靠MEMS微镜侧端面采用端面倒角，出射光偏下，光学组件安放于探头基座槽孔偏上位置，经光学组件出射的聚焦光束斜向下且与MEMS微镜成95度-175度射向MEMS微镜。

当光学组件外端面倒角出射光偏上，光学组件安放于探头基座槽孔偏下位置，经光学组件出射的聚焦光束斜向上且与MEMS微镜成95度-175度射向MEMS微镜。

当光学组件外端面倒角出射光偏左或偏右，经光学组件出射的聚焦光束与MEMS微镜镜面成95度-175度射向MEMS微镜。

探头端盖与探头基座的周向定位配合方式是D形横截面实现配合、弹片/弹片夹配合、销钉或者螺钉配合、键/键槽配合中的任一种方式。

前述MEMS微镜包括顶层透光盖片、微镜镜面、微镜四周框架和底层基底；所述MEMS微镜中的顶层透光盖片双面涂履光学增透膜，微镜四周框架上表面涂履能够吸收红外光的材料。

本发明光学探头不仅可应用于内窥镜OCT成像，亦可用于共聚焦成像和双光子等方向的应用。本发明设计的光学探头从光路源头着手，依次对光学探头的光纤、透镜、MEMS微镜和窗片的光学界面进行了设计，并且探头基座内表面与MEMS微镜四周框架均涂履有能够吸收红外的膜层，从而有利于光学探头中光学质量的提高；减少了通过各光学界面光的损失；并能减少甚至消除各光学界面对***产生干扰的反射光信号。并从光路对准和装调入手设计了探头结构，将提高探头中的光路的对准精度，进而提高光学质量；同时能够减少探头组装难度，简化探头组装工艺过程。

附图说明

图 1 为MEMS－OCT旧版探头三维设计；

图中，11、MEMS微镜；12、透镜；13、传输光纤；14、探头基座；15、柔性电路板；16、塑料套管。

图2为现有技术内窥成像探头中的光学组件；

图中，21、传输光纤；22、毛细玻璃管；23、透镜。

图3 为MEMS－OCT成像***示意图；

图中，1、扫描光源；2、参考臂反射镜；3、光电探测器；4、内窥镜探头；5、样品。

图4为含有镀膜光学组件的探头示意图；

图5为镀膜光学组件结构示意图；

图6为出射光束偏下的外端面倒角光学组件探头示意图；

图7为出射光束偏下的外端面倒角光学组件结构示意图；

图8为出射光束偏上的外端面倒角光学组件探头示意图；

图9为出射光束偏上的外端面倒角光学组件结构示意图；

图中，41、连接件；42、探头基座；43、柔性电路板；44、光学组件；45、聚焦光束；46、MEMS微镜；47、探头端盖；48、窗片、51、传输光纤；52、裸光纤；53、毛细玻璃管；54、镀膜光学组件；55、外管。

图10为MEMS微镜结构示意图；

图中，101、光学增透膜涂履层；102、顶层透光盖片；103、微镜镜面；104、微镜四周框架；105、底层基底。

图11为探头端盖与基座D形横截面配合示意图；

图中，111、探头基座；112、球冠状孔；113、D形横截面轴；114、探头端盖。

图12为探头端盖与基座弹片/弹片夹配合示意图；

图中，121、探头基座；122、弹片槽；123、探头端盖；124、弹片夹。

图13为探头端盖与基座销钉或者螺钉配合示意图；

图中，131、探头基座；132、探头基座销钉孔或螺钉孔；133、探头端盖销钉孔或螺钉孔；134、销钉或螺钉；135、探头端盖。

图14为探头端盖与基座键/键槽配合示意图；

图中，141、探头基座；142、键槽；143、键；144、探头端盖。

具体实施方式

如图3所示一种MEMS-OCT成像***，它利用的是迈克尔逊干涉原理。扫频光源1将光分成两路分别输入参考臂反射镜2和样品臂微型内窥镜探头4的两路，都经过反射后的两路光在分束器一个端口产生干涉并由光电探测器(PD)3采集，经过反相傅利叶变换便可得到样品深度信息，扫描深度及深度分辨率与扫频光源有关。样品臂采用可做横向二维扫描的MEMS微镜实现微型内窥镜探头4对样品5的区域扫描，便可实现样品5的三维成像。内窥成像的关键是要实现光学探头的横向快速扫描，这就要求具有能够设计出进入人体狭小腔室的微型内窥镜探头（2-5mm），同时能够获得较多的样品信息并将其稳定的传输给外部OCT成像***。

OCT技术应用于内窥镜的核心问题在于其内窥光学探头的微型化，随着MEMS技术的发展，结合MEMS微镜便可实现光学探头的微型化。为提高OCT成像***的成像质量，需要对整套OCT成像***进行精密光学设计。特别是光学探头的光路和光学界面设计，以及光学探头结构设计优化。

本发明探头如图4、6、8所示主要结构包括：连接件41探头基座42、柔性电路板43、光学组件44、聚焦光束45、MEMS微镜46、探头端盖47、窗片48、。探头基座42左端为T形槽孔，T形槽狭窄处用于安装光学组件44，较宽槽则方便柔性电路板43的伸出；探头基座42右侧为一个异形孔，探头端盖47***与之配合；探头基座42内孔各表面均涂履能够吸引红外光的材料，有效减少杂散光带来的干扰信号；探头端盖47左侧具有斜坡槽，用于安放柔性电路板43，柔性电路板43焊盘区粘结有MEMS微镜46；与MEMS微镜46正对的探头基座42上开有窗口，用于窗片48安放。窗片48双面涂履增透膜，或者窗片48采用透红外材料加工制作。

从图3可以知道光束由OCT***中迈克尔逊干涉环形器的一端输入至内窥镜探头左端传输光纤，继而通过光学组件射向MEMS微镜，经MEMS微镜反射后透过探头窗片汇聚于窗口上表面0-2mm处。

发明探头中主要光学元器件为光学组件，它是由光纤和透镜组成的具有将传输光束聚焦成一个较小光斑的功能，从而能够实现较强的光束入射至样品里层并经光学组件聚焦后接收较强的样品返回信息。因此光学组件的光路设计尤为重要，它直接影响OCT的成像质量。这里光学组件中主要有三个光学界面：光纤部件端面和透镜两端的两个端面。为减少光学界面的光损失和产生折回干扰信号，光学组件各光学界面可通过涂履增透膜或者进行端面倒角来实现。

光学组件如图5、7、9所示，将传输光纤51一端部分去除外皮的裸光纤52装入毛细玻璃管53中，然后对此部件进行端面涂履增透膜或者倒角后装入外管55的左侧，透镜54一端亦可涂履增透膜或者端面倒角并与光纤部件倒角面平行***外管55合适位置，另一端面可涂履增透膜或者端面倒角。采用此光学组件组装的内窥镜光学探头（如图4、图6、图8所示）可有效地减少光的损失，同时有效阻止反射光折回给OCT成像造成信号干扰。

根据光学组件结构设计的不同，发明探头有多种实现方式：

方式一如图4所示，当光学组件44中的各个光学界面均采用涂履增透膜时，光学组件44安放于探头基座42槽孔中间位置，经光学组件44出射的聚焦光束45平行探头基座轴线射且与MEMS微镜46成一角度（95度-175度）射向MEMS微镜46。

方式二如图6所示，当光学组件44中的光纤部件和透镜靠光纤部件端面采用涂履增透膜或者端面倒角，而透镜靠MEMS微镜46侧端面采用端面倒角，出射光偏下，光学组件44可安放于探头基座42槽孔偏上位置，经光学组件44出射的聚焦光束45斜向下且与MEMS微镜46成一角度（95度-175度）射向MEMS微镜46。

方式三如图8所示，光学组件44外端面倒角出射光偏上，光学组件44安放于探头基座42槽孔偏下位置，经光学组件44出射的聚焦光束45斜向上且与MEMS微镜46成一角度（95度-175度）射向MEMS微镜46。

光学组件外端面倒角出射光偏左或偏右，经光学组件出射的聚焦光束与MEMS微镜镜面成95度-175度射向MEMS微镜。

光学探头中光路经由光学组件聚焦后射向MEMS微镜，如图10所示MEMS微镜由顶层透光盖片102、微镜镜面103、微镜四周框架104和底层基底105组成。其中MEMS微镜中的顶层透光盖片102双面涂履光学增透膜101，根据光学探头对MEMS微镜的设计需求亦可去除此顶层透光盖片。MEMS微镜镜面可通过溅射的方式形成具有较高光反射率的金属膜层，提高光学界面质量。MEMS微镜四周框架104上表面涂履能够吸收红外光的材料，能有效抑制杂散光经框架上表面反射产生的干扰光信号。

为保证光学组件聚焦光束准确射向MEMS微镜中心，用于MEMS微镜安放的探头端盖与用于组装光学组件的探头基座的配合方式可以有以下几种方式：方式一，探头基座111右侧加工横截面为球冠状孔112，探头端盖***段加工成D形横截面轴113，探头端盖114***后即可实现两者的周向定位。方式二，探头基座121右侧圆孔壁上加工若干弹片槽122，探头端盖123***轴四周分布若干弹片夹124，探头端盖***后弹片夹与探头基座弹片槽卡紧实现两者的周向定位。方式三，探头基座131右侧壁上开有销钉孔或螺钉孔132，探头端盖135右侧合适位置亦开有同样大小的销钉孔或螺钉孔134，探头端盖***基座调整至两销钉孔或螺钉孔重合时，***销钉或拧上螺钉133可实现两者的周向定位。方式四，探头基座141右侧圆孔下部为一个键槽142，探头端盖***段留有与之配合的键143，探头端盖144***即可实现两者的周向定位。

Claims

1.一种提高光学质量的光学探头，包括连接件、探头基座、柔性电路板、光学组件、MEMS微镜、探头端盖和窗片，其特征在于：所述光学组件包括传输光纤、毛细玻璃管、玻璃管外壳和透镜；传输光纤套入毛细玻璃管内，再与透镜一起套入玻璃管外壳中形成光学组件；所述光纤端面和透镜两端的端面三个光学端面涂履增透膜或者进行端面倒角。

2.根据权利要求1所述的一种提高光学质量的光学探头，其特征在于：所述探头基座左端为T形槽孔，T形槽狭窄处用于安装光学组件，较宽槽则方便柔性电路板的伸出；探头基座右侧为一个异形孔，探头端盖***与之配合；探头基座内孔各表面均涂履能够吸收红外光的材料；探头端盖左侧具有斜坡槽，用于安放柔性电路板，柔性电路板焊盘区粘结有MEMS微镜；与MEMS微镜正对的探头基座上开有窗口，窗口安装有窗片，所述窗片双面涂履增透膜，或者窗片采用透红外材料加工制作。

3.根据权利要求2所述的一种提高光学质量的光学探头，其特征在于：光学组件中的各个光学界面均采用涂履增透膜，光学组件安放于探头基座槽孔中间位置，经光学组件出射的聚焦光束平行探头基座轴线且与MEMS微镜镜面成95度-175度射向MEMS微镜。

4.根据权利要求2所述的一种提高光学质量的光学探头，其特征在于：光学组件中的光纤部件和透镜靠光纤部件端面采用涂履增透膜或者端面倒角，而透镜靠MEMS微镜侧端面采用端面倒角，出射光偏下，光学组件安放于探头基座槽孔偏上位置，经光学组件出射的聚焦光束斜向下且与MEMS微镜成95度-175度射向MEMS微镜。

5.根据权利要求1所述的一种提高光学质量的光学探头，其特征在于：光学组件的透镜靠MEMS微镜侧外端面倒角出射光偏上，光学组件安放于探头基座槽孔偏下位置，经光学组件出射的聚焦光束斜向上且与MEMS微镜镜面成95度-175度射向MEMS微镜。

6.根据权利要求1所述的一种提高光学质量的光学探头，其特征在于：光学组件的透镜靠MEMS微镜侧外端面倒角出射光偏左或偏右，经光学组件出射的聚焦光束与MEMS微镜镜面成95度-175度射向MEMS微镜。

7.根据权利要求1或2所述的一种提高光学质量的光学探头，其特征在于：探头端盖与探头基座的周向定位配合方式是D形横截面实现配合、弹片/弹片夹配合、销钉或者螺钉配合、键/键槽配合中的任一种方式。

8.根据权利要求1-6中任一项所述的一种提高光学质量的光学探头，其特征在于：所述MEMS微镜包括顶层透光盖片、微镜镜面、微镜四周框架和底层基底；所述MEMS微镜中的顶层透光盖片双面涂履光学增透膜，微镜四周框架上表面涂履能够吸收红外光的材料。