CN110623636A - 三维扫描微型光学探头 - Google Patents
三维扫描微型光学探头 Download PDFInfo
- Publication number
- CN110623636A CN110623636A CN201810654878.5A CN201810654878A CN110623636A CN 110623636 A CN110623636 A CN 110623636A CN 201810654878 A CN201810654878 A CN 201810654878A CN 110623636 A CN110623636 A CN 110623636A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- dichroic mirror
- laser
- lens
- scanner
- micro
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 title claims abstract description 90
- 239000000523 sample Substances 0.000 title claims abstract description 73
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims abstract description 41
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 claims abstract description 27
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 claims abstract description 19
- 230000010287 polarization Effects 0.000 claims abstract description 15
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 20
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 15
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 13
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims description 12
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 claims description 11
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 10
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims description 10
- 239000005304 optical glass Substances 0.000 claims description 10
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 9
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- 230000004075 alteration Effects 0.000 claims description 7
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 7
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 claims description 6
- 230000002708 enhancing effect Effects 0.000 claims description 6
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 6
- 239000004038 photonic crystal Substances 0.000 claims description 5
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims description 4
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 claims description 4
- 230000010354 integration Effects 0.000 claims description 3
- 239000002861 polymer material Substances 0.000 claims description 3
- 238000007789 sealing Methods 0.000 claims description 3
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 claims description 3
- 238000002310 reflectometry Methods 0.000 claims description 2
- 238000012634 optical imaging Methods 0.000 abstract description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 18
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 10
- 241001465754 Metazoa Species 0.000 description 8
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 8
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 6
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 5
- 238000002834 transmittance Methods 0.000 description 5
- 239000007850 fluorescent dye Substances 0.000 description 4
- 238000001069 Raman spectroscopy Methods 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 3
- 238000002610 neuroimaging Methods 0.000 description 3
- 230000006399 behavior Effects 0.000 description 2
- 210000004556 brain Anatomy 0.000 description 2
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 description 2
- 238000000708 deep reactive-ion etching Methods 0.000 description 2
- 210000001787 dendrite Anatomy 0.000 description 2
- 229910021420 polycrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 229920005591 polysilicon Polymers 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 206010000117 Abnormal behaviour Diseases 0.000 description 1
- 241000283973 Oryctolagus cuniculus Species 0.000 description 1
- 238000010171 animal model Methods 0.000 description 1
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 1
- 239000012472 biological sample Substances 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000002996 emotional effect Effects 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 241001515942 marmosets Species 0.000 description 1
- 238000011089 mechanical engineering Methods 0.000 description 1
- 238000010327 methods by industry Methods 0.000 description 1
- 238000005459 micromachining Methods 0.000 description 1
- 238000000386 microscopy Methods 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 1
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Classifications
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
- A61B5/0033—Features or image-related aspects of imaging apparatus classified in A61B5/00, e.g. for MRI, optical tomography or impedance tomography apparatus; arrangements of imaging apparatus in a room
- A61B5/004—Features or image-related aspects of imaging apparatus classified in A61B5/00, e.g. for MRI, optical tomography or impedance tomography apparatus; arrangements of imaging apparatus in a room adapted for image acquisition of a particular organ or body part
- A61B5/0042—Features or image-related aspects of imaging apparatus classified in A61B5/00, e.g. for MRI, optical tomography or impedance tomography apparatus; arrangements of imaging apparatus in a room adapted for image acquisition of a particular organ or body part for the brain
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
- A61B5/0059—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons using light, e.g. diagnosis by transillumination, diascopy, fluorescence
- A61B5/0062—Arrangements for scanning
- A61B5/0064—Body surface scanning
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
- A61B5/0059—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons using light, e.g. diagnosis by transillumination, diascopy, fluorescence
- A61B5/0071—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons using light, e.g. diagnosis by transillumination, diascopy, fluorescence by measuring fluorescence emission
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
- G02B26/08—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light
- G02B26/10—Scanning systems
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B2503/00—Evaluating a particular growth phase or type of persons or animals
- A61B2503/40—Animals
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B2562/00—Details of sensors; Constructional details of sensor housings or probes; Accessories for sensors
- A61B2562/02—Details of sensors specially adapted for in-vivo measurements
- A61B2562/0233—Special features of optical sensors or probes classified in A61B5/00
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B2576/00—Medical imaging apparatus involving image processing or analysis
- A61B2576/02—Medical imaging apparatus involving image processing or analysis specially adapted for a particular organ or body part
- A61B2576/026—Medical imaging apparatus involving image processing or analysis specially adapted for a particular organ or body part for the brain
Landscapes
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Surgery (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Biomedical Technology (AREA)
- Heart & Thoracic Surgery (AREA)
- Medical Informatics (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Biophysics (AREA)
- Animal Behavior & Ethology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Public Health (AREA)
- Veterinary Medicine (AREA)
- Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
- Radiology & Medical Imaging (AREA)
- Neurology (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Microscoopes, Condenser (AREA)
- Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)
Abstract
本发明涉及光学成像技术领域，本发明针对现有的微型探头存在成像速度慢等技术问题，提供了一种三维扫描微型光学探头，包括：准直透镜，用于准直来自激光输入光纤输出的激光；二向色镜扫描器，用于将不同偏振态的激光和非线性光学信号分开，还用于改变激光的入射角角度；物镜，用于将来自二向色镜扫描器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；聚焦透镜，用于激光聚焦；波片，用于改变激光的偏振方向；垂直二向色镜扫描器，用于进行远端Z轴扫描以实现三维成像；收集透镜，用于收集非线性光学信号并输入激光输出光纤。
Description
技术领域
本发明涉及光学成像技术领域，具体涉及一种三维扫描微型光学探头。
背景技术
为了在实验动物上进行高分辨率的神经科学研究，通常采用多光子显微镜作为无创光学脑成像的技术。一般来说，在使用台式多光子显微镜时，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都是处于物理约束和情绪压力(恐惧、未知)下，对于活体样本在自由活动的情况下的行为不能进行有效的研究。
为解决上述问题，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***，所述微型双光子显微成像装置包括：飞秒激光器，其用于产生波长为920纳米的激光；飞秒激光调制器，其用于接收所述飞秒激光器输出的激光，并预啁啾补偿激光的展宽至预设值，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)对活体样本内部组织的平面进行二维扫描。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，其微型探头的成像速度慢(只有40Hz)，只能用于二维扫描成像，因此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，其体积也能够继续优化，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。
此外，上述微型探头还存在不能与商用内窥镜结合使用的问题。主要原因为，无法满足商用内窥镜的弯曲直径(20mm-40mm)、无法满足检测无标记信号的缺陷。具体为由于该微型探头的物镜上需要设置镜筒透镜和扫描透镜，导致体积无法进一步缩小(无法缩小至5mm*5mm*5mm)，且由于其主要针对的注射有荧光染料的活体样本进行检测，在商用内窥镜使用时，临床不能对病人注射荧光染料，导致其无法应用于临床。
发明内容
本发明针对现有的微型探头存在成像速度过慢，重量过重，体积过大，无法应用于临床的技术问题，提供了一种三维扫描微型光学探头。
本发明提供的基础方案为：三维扫描微型光学探头，包括：
准直透镜，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并输出激光信号。激光输入光纤为大模场单模光纤或保偏光纤或光子晶体光纤；
二向色镜扫描器，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组织的平面进行二维点扫描，二向色镜扫描器的二向色镜为偏振敏感型，反射S型偏振光，透射p型偏振光；
聚焦透镜，用于激光聚焦；
波片，用于改变激光的偏振方向；
垂直二向色镜扫描器，用于进行远端Z轴扫描，实现三维成像；
物镜，用于将来自二向色镜扫描器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以及用于输出非线性光学信号；
收集透镜，用于收集非线性光学信号，并将非线性光学信号成像在激光输出光纤的表面，激光输出光纤为成像光纤束或多模光纤。
本发明的工作原理及优点在于：在本方案中，s型线偏振激光从激光输入光纤输出至准直透镜，准直透镜对接收到s型线偏振激光准直成平行光(准直处理)，并减少不同频率激光之间的色差(消色差处理)，然后反射镜将准直后的s型线偏振激光反射在二向色镜扫描器表面，二向色镜扫描器反射s型线偏振激光，然后聚焦透镜将s型线偏振激光聚焦在垂直二向色镜扫描器的表面，s型线偏振激光继续穿过玻片，s型线偏振的偏振方向旋转45度，垂直二向色镜扫描器反射激光，反射后并发散的激光再次穿过玻片，激光的偏振方向再次同方向旋转45度，变成p型线偏振光，再次经过聚焦透镜变成准直的光束投射在二向色镜扫描器表面，二向色镜扫描器透射同波长p型线偏振激光，二向色镜扫描器位于物镜的后焦平面，二向色镜扫描器中的可动镜片进行二维旋转，最后p型线偏振光经过物镜形成了位于样品内的二维点扫描平面，当二向色镜扫描器完成一帧二维点扫描图像时，垂直二向色镜扫描器上的可动二向色镜沿光轴(Z方向)移动一个距离，通过远端扫描(Remote Scanning，参见Botcherby EJ,Smith CW,Kohl MM,et al.Aberration-free three-dimensionalmultiphoton imaging of neuronal activity at kHz rates.Proceedings of theNational Academy of Sciences of the United States of America.2012；109(8):2919-2924.doi:10.1073/pnas.1111662109.)的原理，使活体样本内部组织的二维点扫描平面同样沿光轴移动一个距离，通过垂直二向色镜扫描器上在Z方向上的扫描实现了三维扫描成像，样品内被激发出非线性信号被物镜收集，经过透射非线性信号波长的二向色镜扫描器，聚焦透镜，玻片，聚焦在垂直二向色镜扫描器表面，垂直二向色镜扫描器透射非线性信号波长，然后由收集透镜将非线性信号聚焦在激光输出光纤表面，并最终传输至外部光电检测设备。
在针对活动动物脑成像方面，本方案未设置扫描透镜和镜筒透镜，通过将采用二向色镜扫描器和垂直二向色镜扫描器替代现有技术中二向色镜和微机电扫描仪，以达到在满足成像质量的前提下，大大提高成像速度，优化内部结构，减小自身重量的目的。在微型光学探头的重量减少的前提下，在进行活体样本的数据采集时，尤其是在进行活动动物脑成像方面，更方便佩戴在动物的头上，减小重量对动物活动的影响，避免检测误差。
在针对与商用内窥镜结合使用方面，由于在临床使用时，不能对病人注射荧光染料，因此，仅能够将双光子激发自发荧光，二次谐波发生和相干反斯托克斯拉曼散射3种无标记信号的方式应用于临床。具体的，双光子激发自发荧光TPEAF，即入射2个激发光子，出射一个细胞内源性荧光团的荧光光子，二次谐波发生SHG，即入射一个激发光子，出射一个波长为1/2的光子，相干反斯托克斯拉曼散射CARS，即入射2个波长的3个光子，出射一个波长满足2个入射波长特定拉曼频移的光子。上述3种无标记信号的成像方式，本方案均能够通过改变激光入射光纤中的激光的波长以及配置不同参数的二向色镜扫描器实现。而且由于本方案未设置扫描透镜和镜筒透镜，可以有效的减少微型光学探头整体的体积，以达到在临床上与商用内窥镜结合使用的目的。而且在本方案中，由于激光输入光纤输入的激光信号和聚焦透镜接收的非线性光学信号的波长不同，即具有若干不同的波长，可通过准直透镜本身具有消色差的效果，以满足基本成像需求。
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，如微加工工艺或机械工程，如结构设计出身，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。
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)。
本发明微型光学探头，通过将采用二向色镜扫描器和垂直二向色镜扫描器替代现有技术中二向色镜和微机电扫描仪，并且省略扫描透镜和镜筒透镜，在满足成像质量的前提下，大大提高成像速度，优化内部结构，减小自身重量的目的。满足了进行活动动物脑成像时，微型光学探头体积小、重量轻的要求。并且在本方案中准直透镜和物镜均具有消色差的功能，无需对病人注射荧光染料，即可与现有的商用内窥镜结合使用。
进一步，还包括反射镜，反射镜设置在准直透镜和二向色镜扫描器之间的光路上，用于调整准直透镜输出激光的角度并反射至二向色镜扫描器。
加入反射镜的设计能够方便对输入到二向色镜扫描器上的激光的入射角角度进行调节，便于成像。
进一步，反射镜用于转折光路，材料为光学玻璃或高分子聚合物，反射镜包括透射面和反射面，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。
这样的设计，能够达到较好的反射效果。
进一步，二向色镜扫描器包括二向色镜片和不影响非线性光学信号透射的环形的微机电驱动器，所述二向色镜片覆盖于环形的微机电驱动器上，所述微机电驱动器可驱使二向色镜片改变角度，或者通过工艺集成的方法，使用对可见光和近红外光相对透明的材料，如二氧化硅，制作可动镜片，并在可动镜片上进行光学镀膜加工，形成二向色镜。
现有的微机电扫描仪包括反射镜片和微机电驱动器，反射镜片覆盖于微机电驱动器上，其中，反射镜片有若干个，微机电驱动器可分别驱使反射镜片改变角度。在本方案中，用二向色镜片替换了反射镜片，且在本方案中微机电驱动器不会影响到非线性光学信号的透射。其二向色镜片即起到了现有技术中的二向色镜的作用，也达到了让微机电驱动器改变激光反射角度的效果，而且还能够达到减少元件数量，使得整个微型光学探头体积更小、重量更轻。通过上述组装的方式，能够实现低成本获取到二向色镜扫描器。
进一步，二向色镜扫描器的晶圆的背面用蚀刻技术掏空有用于非线性光学信号透射过的透射孔，透射孔位于二向色镜背面。
上述设计，能够快速的获得较为成熟的产品。
进一步，还包括激光输入光纤，所述激光输入光纤为大模场单模光纤或保偏光纤或光子晶体光纤。
这样的设计能够满足本方案与商用内窥镜配合使用时，需要输入不同波长的激光的目的。更加便于本方案与商用内窥镜配合使用。
进一步，还包括激光输出光纤，所述激光输出光纤为光纤束或多模光纤。
这样的设计能够便于非线性光学信号的收集，满足成像需要。
进一步，还包括外壳，外壳为高分子聚合物的材料的密封结构，聚焦透镜、准直透镜、二向色镜扫描器、物镜以及反射镜均安装于外壳内。
这样的设计能够将其它元件紧密包裹，防水，提供生物相容的表面，对活体样本(或者人体)不产生任何损伤。
附图说明
图1为本发明微型光学探头实施例的原理图；
图2为图1的结构示意图；
图3为将图1中的装置安装在小鼠上的状态示意图；
图4为二向色镜扫描器的结构示意图；
图5为图4的另一视角的视图；
图6为采用蚀刻的方式生产二向色镜扫描器的正剖图；
图7为本发明与商用内窥镜配合使用时的结构示意图；
图8为本发明三维扫描示意图。
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：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、玻片60、垂直二向色镜扫描器70、收集透镜80、激光输入光纤90、激光输出光纤91、外壳100、基片11、驱动器22、二向色镜33。
实施例基本如附图1、图2所示：三维扫描微型光学探头，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、物镜40、聚焦透镜50，玻片60、垂直二向色镜扫描器70以及收集透镜80，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90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。非球面透镜的物镜40，曲率半径随着中心轴而变化，用以改进光学品质，减少光学元件，降低设计成本。
反射镜20用于调整准直透镜12输出激光的角度并反射至二向色镜扫描器30。在其他实施例中，反射镜20可以为多片，用于平移光路，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，二向色镜扫描器30反射s型线偏振激光，然后聚焦透镜50将s型线偏振激光聚焦在垂直二向色镜扫描器70的表面，s型线偏振激光继续穿过玻片60，s型线偏振的偏振方向旋转45度，垂直二向色镜扫描器70反射激光，反射后并发散的激光再次穿过玻片60，激光的偏振方向再次同方向旋转45度，变成p型线偏振光，再次经过聚焦透镜50变成准直的光束投射在二向色镜扫描器30表面，二向色镜扫描器30透射同波长p型线偏振激光，二向色镜扫描器30位于物镜40的后焦平面，二向色镜扫描器30中的可动镜片进行二维旋转，最后p型线偏振光经过物镜40形成了位于样品内的二维扫描轨迹，当二向色镜扫描器30完成一帧二维点扫描图像时，垂直二向色镜扫描器70上的可动二向色镜沿光轴(Z方向)移动一个距离，通过远端扫描的原理，使活体样本内部组织的二维点扫描平面同样沿光轴移动一个距离，通过垂直二向色镜扫描器70上在Z方向上的扫描实现了三维扫描，样品内被激发出非线性信号被物镜40收集，经过透射非线性信号波长的二向色镜扫描器30，聚焦透镜50，玻片60，呈Y方向线状聚焦在垂直二向色镜扫描器70表面，垂直二向色镜扫描器70透射非线性信号波长，然后由收集透镜80将非线性信号呈X方向线状聚焦在激光输出光纤91表面，并最终传输至外部光电检测设备，其中，激光输入光纤90为大模场单模光纤或保偏光纤或光子晶体光纤，激光输出光纤91为光纤束或多模光纤，三维扫描示意图详见图8；
此外，由于本发明所采用的点扫描方式，因此移动的点状荧光的检测是由光电倍增管(Photomultiplier Tube,PMT)完成的；
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100，外壳100为高分子聚合物的材料的密封结构，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、玻片60、垂直二向色镜扫描器70以及收集透镜80均安装于外壳100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，用于激光的准直。
物镜40在水中的数值孔径为0.7，二向色镜扫描器30内可动二向色镜的直径为2mm，封装尺寸为5×5mm2，第一谐振频率为400Hz，其最大光学扫描角度为±15度,垂直二向色镜扫描器的Z方向移动范围为300um，此外考虑激光输出光纤91的实际单模纤芯最小为3um，支持帧大小为512×512×100最大视场为400×400×300um3的成像。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片20。在又一实施例中，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非线性光学信号。
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90大模场单模光纤或保偏光纤或光子晶体光纤,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激光。
二向色镜扫描器30为单轴结构，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s型偏振激光并透射波长为700nm-1600nm的p型偏振激光以及波长为350nm-700nm的非线性光学信号。
垂直二向色镜扫描器70，镜片为二向色镜44片，二向色镜44片材料为光学玻璃或高分子聚合物，用于反射波长为700nm-1600nm的激光并透射波长为350nm-700nm的非线性光学信号。
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，用于将激光(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100(即整个三维扫描微型光学探头)的体积小于5mm*5mm*5mm，小于商用内窥镜的外径(9mm-11mm)，与商用内窥镜可直接配合使用。且结合使用方便，此外，对商用内窥镜的视野遮挡很小。另，本实施例中收集透镜80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，多片滤光片和多片透镜组成，用于接受激光输出光纤91所传输的非线性光学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90和激光输出光纤91是需要尽可能是缩小安装体积，其激光输入光纤90和激光输出光纤91在三维扫描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3所示)。在其他实施例中，也可以安装于其他动物的头顶上，如狨猴、兔等。
本实施例中，还公开了一种二向色镜扫描器30(如图4、图5所示)，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用于根据指令改变镜面的角度，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，所述镜面的形状为圆盘形。
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，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6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SOIMUMPs。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，即将SOIMUMPs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，镂空结构可通过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。
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 (10)
1.三维扫描微型光学探头，包括：
准直透镜，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并输出激光信号；
其特征在于，还包括：
二向色镜扫描器，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组织的平面进行二维点扫描；
物镜，用于将来自二向色镜扫描器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以及用于输出非线性光学信号；
聚焦透镜，用于激光聚焦；
波片：用于改变激光的偏振方向；
垂直二向色镜扫描器，用于进行远端Z轴扫描，实现三维成像；
收集透镜，用于收集非线性光学信号并输入激光输出光纤。
2.根据权利要求1所述的三维扫描微型光学探头，其特征在于：还包括反射镜，反射镜设置在准直透镜和二向色镜扫描器之间的光路上，用于调整准直透镜输出激光的角度并反射至二向色镜扫描器，材料为光学玻璃或高分子聚合物，反射镜包括透射面和反射面，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。
3.根据权利要求2所述的三维扫描微型光学探头，其特征在于：二向色镜扫描器包括二向色镜片和不影响非线性光学信号透射的环形的微机电驱动器，所述二向色镜片覆盖于环形的微机电驱动器上，所述微机电驱动器可驱使二向色镜片改变角度，或者通过工艺集成的方法，使用对可见光和近红外光相对透明的材料，如二氧化硅，制作可动镜片，并在可动镜片上进行光学镀膜加工，形成二向色镜。
4.根据权利要求3所述的三维扫描微型光学探头，其特征在于：二向色镜扫描器的晶圆的背面用蚀刻技术掏空有用于非线性光学信号透射过的透射孔，透射孔位于二向色镜背面，二向色镜扫描器位于物镜的后焦平面。
5.根据权利要求3所述的三维扫描微型光学探头，其特征在于：二向色镜扫描器的二向色镜为偏振敏感型，反射S型偏振光，透射p型偏振光。
6.根据权利要求1所述的三维扫描微型光学探头，其特征在于：垂直二向色镜扫描器包括二向色镜片和不影响非线性光学信号透射的环形的微机电驱动器，所述二向色镜片覆盖于环形的微机电驱动器上，所述微机电驱动器可驱使二向色镜片垂直于芯片表面运动，或者通过工艺集成的方法，使用对可见光和近红外光相对透明的材料，如二氧化硅，制作可动镜片，并在可动镜片上进行光学镀膜加工，形成二向色镜。
7.根据权利要求6所述的三维扫描微型光学探头，其特征在于：垂直二向色镜扫描器的晶圆的背面用蚀刻技术掏空有用于非线性光学信号透射过的透射孔，透射孔位于垂直二向色镜背面，垂直二向色镜扫描器位于聚焦透镜的后焦平面。
8.根据权利要求1-7任一项所述的三维扫描微型光学探头，其特征在于：还包括激光输入光纤，所述激光输入光纤为大模场单模光纤或保偏光纤或光子晶体光纤。
9.根据权利要求1-7任一项所述的三维扫描微型光学探头，其特征在于：还包括激光输出光纤，所述激光输出光纤为光纤束或多模光纤。
10.根据权利要求1-7任一项所述的三维扫描微型光学探头，其特征在于：还包括外壳，外壳为高分子聚合物的材料的密封结构，聚焦透镜、准直透镜、收集透镜、二向色镜扫描器、玻片、垂直二向色镜扫描器、物镜以及反射镜均安装于外壳内。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201810654878.5A CN110623636A (zh) | 2018-06-22 | 2018-06-22 | 三维扫描微型光学探头 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201810654878.5A CN110623636A (zh) | 2018-06-22 | 2018-06-22 | 三维扫描微型光学探头 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN110623636A true CN110623636A (zh) | 2019-12-31 |
Family
ID=68967074
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201810654878.5A Pending CN110623636A (zh) | 2018-06-22 | 2018-06-22 | 三维扫描微型光学探头 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN110623636A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115316960A (zh) * | 2022-10-13 | 2022-11-11 | 浙江大学医学中心(余杭) | 一种大脑神经活动调控和脑信息同步读取*** |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102078182A (zh) * | 2011-02-17 | 2011-06-01 | 王凯 | 一种全视网膜光学功能成像*** |
| US20130088709A1 (en) * | 2011-10-08 | 2013-04-11 | Jenlab Gmbh | Flexible Nonlinear Laser Scanning Microscope for Noninvasive Three-Dimensional Detection |
| CN104568872A (zh) * | 2014-12-17 | 2015-04-29 | 深圳先进技术研究院 | 具有光学层析能力的荧光显微光谱成像*** |
| CN107991769A (zh) * | 2018-01-12 | 2018-05-04 | 凝辉(天津)科技有限责任公司 | 二维扫描器件 |
| CN209826672U (zh) * | 2018-06-22 | 2019-12-24 | 凝辉(天津)科技有限责任公司 | 三维扫描微型光学探头 |
-
2018
- 2018-06-22 CN CN201810654878.5A patent/CN110623636A/zh active Pending
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102078182A (zh) * | 2011-02-17 | 2011-06-01 | 王凯 | 一种全视网膜光学功能成像*** |
| US20130088709A1 (en) * | 2011-10-08 | 2013-04-11 | Jenlab Gmbh | Flexible Nonlinear Laser Scanning Microscope for Noninvasive Three-Dimensional Detection |
| CN104568872A (zh) * | 2014-12-17 | 2015-04-29 | 深圳先进技术研究院 | 具有光学层析能力的荧光显微光谱成像*** |
| CN107991769A (zh) * | 2018-01-12 | 2018-05-04 | 凝辉(天津)科技有限责任公司 | 二维扫描器件 |
| CN209826672U (zh) * | 2018-06-22 | 2019-12-24 | 凝辉(天津)科技有限责任公司 | 三维扫描微型光学探头 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| EDWARD J等: "Aberration-free threed imensional multiphoton imaging of neuronal activity at kHz rates", PNAS * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115316960A (zh) * | 2022-10-13 | 2022-11-11 | 浙江大学医学中心(余杭) | 一种大脑神经活动调控和脑信息同步读取*** |
| CN115316960B (zh) * | 2022-10-13 | 2023-03-31 | 浙江大学医学中心(余杭) | 一种大脑神经活动调控和脑信息同步读取*** |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US11971535B2 (en) | Optical imaging devices and variable-focus lens elements, and methods for using them | |
| Tang et al. | Design and implementation of fiber-based multiphoton endoscopy with microelectromechanical systems scanning | |
| Flusberg et al. | Fiber-optic fluorescence imaging | |
| Hoy et al. | Optical design and imaging performance testing of a 9.6-mm diameter femtosecond laser microsurgery probe | |
| Shin et al. | Fiber-optic confocal microscope using a MEMS scanner and miniature objective lens | |
| CN107991769B (zh) | 二维扫描器件 | |
| EP3730988B1 (en) | Objective optical system and microscope system | |
| TW201142352A (en) | Fluorescence micro imaging system | |
| JP2018502638A (ja) | レンズなし内視鏡イメージング向けの、光パルスの搬送・制御用装置 | |
| JP2016524188A (ja) | 光学スキャナ及びスキャンレンズ光学プローブ | |
| Liu et al. | MEMS-in-the-lens architecture for a miniature high-NA laser scanning microscope | |
| US20160202462A1 (en) | System and method of edge-illumination microscopy | |
| CN217467336U (zh) | 基于超透镜的显微成像探头及显微成像*** | |
| CN211862772U (zh) | 一种三维扫描光学显微镜 | |
| CN108261179A (zh) | 微型光学探头 | |
| CN110623635A (zh) | 三维线扫描微型光学探头 | |
| CN209826672U (zh) | 三维扫描微型光学探头 | |
| CN211014821U (zh) | 一种显微镜 | |
| Mansoor et al. | Vertical optical sectioning using a magnetically driven confocal microscanner aimed for in vivo clinical imaging | |
| CN210572988U (zh) | 一种高荧光收集率的头戴式显微镜 | |
| CN210166581U (zh) | 一种多面扫描成像结构、显微镜及显微探头 | |
| CN110623636A (zh) | 三维扫描微型光学探头 | |
| US9411103B2 (en) | Contact focusing hollow-core fiber microprobes | |
| CN209770337U (zh) | 线扫描微型光学探头 | |
| KR101261271B1 (ko) | 광학 장치 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| TA01 | Transfer of patent application right | ||
| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20210528 Address after: Room 704-2, building 7, No. 188, Fuchunjiang Road, science and Technology City, high tech Zone, Suzhou City, Jiangsu Province Applicant after: Suzhou yibolun Photoelectric Instrument Co.,Ltd. Address before: Room 235, auxiliary building, 2 Huatian Road (Torch Building), Huayuan Industrial Zone, Xiqing District, Tianjin Applicant before: NYMPH (TIANJIN) TECHNOLOGY Co.,Ltd. |
|
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20191231 |