一种二维扫描成像结构、显微镜及显微探头的制作方法

本实用新型申请属于光学成像的技术领域，具体公开了一种二维扫描成像结构、显微镜及显微探头。

背景技术：

将被检测物体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。为了观测和记录被检测物体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，被检测物体(被研究的动物)的头部需要一直被固定，被检测物体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被检测物体进行有效研究。

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、被检测物体行为成像系统，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，该激光对被检测物体内部的组织进行扫描，以激发所述被检测物体产生荧光信号；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，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，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)对被检测物体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被检测物体内部，以激发被检测物体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，减少在研究过程中被检测物体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，不能进一步减小显微探头和显微镜的重量和体积的缺陷。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种二维扫描成像结构、显微镜及显微探头，旨在减少显微探头和显微镜的体积。

为了达到上述目的，本实用新型的基础方案为：

一种二维扫描成像结构，包括扫描器，所述扫描器包括驱动器和镜面，所述驱动器用于改变镜面的角度，所述镜面包括光电检测器、超薄片；所述光电检测器固定在驱动器表面，所述超薄片固定在光电检测器表面，所述超薄片表面镀有光学薄膜；还包括角度框，驱动器与角度框转动连接，所述角度框外侧设有转轴。

本基础方案的工作原理和有益效果在于：

本技术方案中的驱动器可以改变镜面的倾角达到改变激光反射角角度的目的，以实现激光对被检测物体的扫描，本技术方案中通过设置角度框，且角度框外侧设有转轴，在实际应用中，通常需要将角度框上的转轴安装到显微探头的外壳内，并与外壳转动连接，然而由于镜面与角度框转动连接，在对被检测物体进行扫描的时候，由于需要快速对被检测物体进行多次往复扫描，并且能够成像，需要在往复扫描的过程中不断的对光束进行换向，本技术方案中镜面能够产生某一个方向的转动，而角度框能够带动镜面产生另一个方向的转动，这样使得镜面在扫描的过程中能够完成同时换向而继续进行扫描，从而能够提高整个扫描的速度。

本技术方案中的二维扫描成像结构包括一种含有光电检测器的扫描器件，通过在驱动器的表面设置光电检测器，以及在超薄片表面上镀有光学薄膜，如此设置，使得本技术方案中只需要通过一个器件(即光电检测器、超薄片和光学薄膜形成的整体)实现了现有技术中需要四个器件才能够完成的功能(即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，将激发光滤除和进行光电转换)，本技术方案中的扫描成像结构同时具备四个功能，达到了减小微型成像探头内器件的数量，让微型成像探头能够进一步减小体积和重量。

进一步，所述光学薄膜包括偏振分光薄膜和滤光薄膜。

本技术方案中，当用于微型激光雷达模块等被检测物体的反射光和入射光具有相同波长时，偏振分光薄膜用于反射入射的s线偏振光，经过反射的s线偏振光穿过外部波片后，其偏振方向旋转一定角度，由被检测物体反射后再次经过外部波片后，其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薄膜之后在经过滤光薄膜的过滤后照射在光电检测器上实现光电转换。

进一步，所述光学薄膜包括二向色镜薄膜和滤光薄膜。

当本技术方案中用于微型扫描显微镜等被检测物体的激发光和发射光具有不同波长时，二向色镜薄膜用于将激发光反射到被检测物体，被检测物体激发的发射光穿过二向色镜薄膜，滤光薄膜用于滤出剩余的激发光，光电检测器接收穿过的滤光薄膜的发射光实现光电转换。

进一步，所述镜面的形状为任意轴对称形状。

本镜面呈轴对称的形状，这样，镜面可以为多种不同的形状，能够满足不同的扫描需求，并且镜面呈轴对称的形状能够让非线性光学信号更好的透过，避免对非线性光学信号产生干扰，而且还能够提高对激光的反射效果。

进一步，光电检测器为光电二极管。

光电二极管能够将光信号转换为电信号。

进一步，所述光电二极管包括雪崩光电二极管和雪崩光电二极管阵列。本技术方案能够提高接收和处理光信号的速度。

一种显微探头，包括基础方案中的扫描器、外部透镜、扫描部件和外壳，所述外部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；所述扫描部件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被检测物体内部组织的平面进行二维扫描；还包括外部物镜，用于将来自外部扫描器的激光汇聚到被检测物体上；所述二维扫描成像结构位于扫描部件与外部物镜之间，所述二维成像结构、外部透镜、扫描部件均安装于外壳内。

本技术方案中的显微探头中采用了基础方案中的扫描成像结构，能够减小显微探头内元器件的数量，从而使整个显微探头的体积减小。本技术方案中的外部透镜用于接收并准直光源，然后准直后的光源将通过扫描部件照射到基础方案中的扫描成像结构中的光学薄膜上，并在光学薄膜上进行反射，反射的光束由外部物镜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)被外部物镜收集后，会穿过基础方案中的扫描成像结构中的光学薄膜、超薄片，然后由光电检测器将光信号转换为电信号，最后输出至外部进行处理。

进一步，所述扫描部件包括外部柱状透镜，所述外部柱状透镜呈半圆柱状，所述外部柱状透镜为平面的一侧面向二维扫描成像结构。

本技术方案中外部光源发出的激发光经过外部透镜准直后由外部柱状透镜聚焦成线状焦点，并作用在基础方案中的扫描成像结构中的光学薄膜上，进行反射并扫描，扫描的光束由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，再穿过基础方案中的扫描成像结构中的光学薄膜、超薄片，并聚焦在光电检测器上，光电检测器再将光信号转换为电信号，最后送至外部放大电路和计算机进行处理。

进一步，所述外部物镜为外部高色散物镜。

当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)的波长比激发光短时，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上。

一种显微镜，包括基础方案中的二维扫描成像结构和优化方案中的显微探头。

本技术方案中的显微镜采用了基础方案中的扫描成像结构和优化方案中的显微探头，减少了显微镜内的元器件，从而减小了显微镜整体的体积，进而能够节省成本、节省功耗，提高集成度。

附图说明

图1为本实用新型一种二维扫描成像结构实施例一中扫描器的立体图；

图2为本实用新型一种二维扫描成像结构实施例一中镜面为长方体时的立体图；

图3为本实用新型一种二维扫描成像结构实施例一中镜面为正六边体时的立体图；

图4为本实用新型一种二维扫描成像结构实施例一中的被检测物体的激发光和发射光具有相同波长时偏振分光薄膜和滤光薄膜工作的原理图；

图5为本实用新型一种显微镜和一种显微探头在实施例一中的工作原理图；

图6为图5的结构示意图；

图7为本实用新型一种二维扫描成像结构实施例二中的被检测物体的激发光和发射光具有不同波长时偏振分光薄膜和滤光薄膜工作的原理图；

图8为本实用新型一种显微镜和一种显微探头在实施例二中的工作原理图；

图9为图8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：扫描器101、光电检测器1、偏振分光薄膜2.1a、二向色镜薄膜2.1b、超薄片2.2、滤光薄膜2.3、驱动器3、外部透镜4、外部柱状透镜5、外部高色散物镜6、处理单元7、光源8、被检测物体9、外部载物台10、外部波片11、角度框12、第一转轴13、第二转轴14、外壳15、导线16、激光输入光纤17、反射镜18。

实施例一

实施例基本如附图1所示：一种二维扫描成像结构，包括扫描器，该扫描器包括驱动器和镜面，驱动器用于改变镜面的角度，本实施例中的驱动器通常是静电驱动的，具体的，驱动器可以采用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，本实施例中的驱动器采用现有技术中的检流计振镜。

镜面包括光电检测器1、超薄片2.2，超薄片2.2表面上镀有光学薄膜，本实施例中超薄片2.2的材质应当满足以下条件：在390nm至1720nm范围中的任意波长内具有50％以上透射率。

本实施例中的光学薄膜包括偏振分光薄膜2.1a和滤光薄膜2.3，驱动器3包括若干可供非线性光学信号透射过的镜体(图中未示出)，镜体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，光电检测器1、偏振分光薄膜2.1a、超薄片2.2和滤光薄膜2.3均固定在驱动器3的镜体表面上，且光电检测器1的底面通过键合工艺固定在驱动器3上表面，超薄片2.2也通过键合工艺固定在光电检测器1远离驱动器3的一面，本实施例中的光电检测器1为光电二极管，光电二极管包括雪崩光电二极管和雪崩光电二极管阵列。

本实施例中的驱动器3外侧一体成型有第一转轴13，且第一转轴13的轴线与驱动器3的对称轴重合。

本实施例中的扫描器还包括角度框12，本实施例中的角度框12可以呈矩形结构、圆形结构等轴对称结构，本实施例中的角度框12呈矩形结构。本实施例中角度框12呈矩形框架结构，角度框12上下两侧敞口。角度框12两侧一体成型有第二转轴14，第二转轴14的轴线与角度框12的对称轴重合。本实施例中第二转轴14与第一转轴13相互垂直设置。

结合图4所示，本实施例中，当用于微型激光雷达模块等被检测物体的反射光和入射光具有相同波长时，本实施例中的偏振分光薄膜2.1a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11(用于改变激光的偏振方向)后偏振方向旋转一定角度，由被检测物体9反射后，再次经过外部波片11后，其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薄膜2.1a之后再经过滤光薄膜的过滤后照射在光电检测器1上实现光电转换。

本实施例中所述镜面的形状为多边形或圆形或椭圆形等任意轴对称形状。如图1、图2和图3所示，镜面的形状分别为圆形、长方体和正六边形。

本实施例中还公开了一种显微探头，如图5所示，按照光路依次包括外部透镜4、本实施例中的扫描器101和外部波片11(用于改变激光的偏振方向)。本实施例中的外部透镜4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。

结合图6所示，本实施例中的显微探头还包括外壳15，外壳15为高分子聚合物的材料的密封结构，外部透镜4、镜面以及外部波片11均安装于外壳15内，且角度框12通过第二转轴14转动连接与外壳15内。

为了提高偏振分光薄膜2.1a反射效果，在外壳15侧壁还粘接固定有反射镜18。外壳15顶端还粘接有激光输入光纤17，本实施例中的激光输入光纤17为保偏光纤或光子晶体光纤，该激光输入光纤17输出激光信号至外部透镜4。光电检测器1上电连接有导线16。

本实施例中还公开了一种显微镜，包括本实施例中的扫描器101和本实施例中的显微探头，还包括处理单元7，处理单元7包括外部放大器和计算机，外部放大器通过导线16与光电检测器1电连接，这样外部放大器能够将光电检测器1转换后的电信号传递给计算机进行处理。

具体实施过程：外部光源8发出的s线偏振光经过激光输入光纤17并经过反射镜18反射至外部透镜4准直后，由偏振分光薄膜2.1a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9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，偏振分光薄膜2.1a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2.2和滤光薄膜2.3并由光电检测器1转换为电信号，最后送至外部放大电路和计算机进行处理。

实施例二

如图7所示，本实施例中的镜面与实施例一的区别在于：当本实施例中用于微型扫描显微镜等被检测物体9的激发光和发射光具有不同波长时，光学薄膜包括二向色镜薄膜2.1b和滤光薄膜2.3，二向色镜薄膜2.1b用于反射激发光并可供发射光穿过。

本实施例中公开了另一种显微探头，如图9所示，按照光路依次包括实施例一种的外部透镜4、扫描部件、实施例一中的扫描器101和外部物镜。

结合图8所示，本实施例中的扫描部件，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被检测物体9内部组织的平面进行二维扫描，本实施例中的扫描部件为外部柱状透镜5，外部柱状透镜5呈半圆柱状，外部柱状透镜5具有平面的一侧面向二维扫描成像结构，即外部柱状透镜5具有平面的一侧面向二维扫描成像结构。

外部物镜，用于将来自外部扫描器的激光汇聚到被检测物体9上，本实施例中的外部物镜为外部高色散物镜6。

结合图9所示，本实施例中的外部透镜4、外部柱状透镜5、镜面以及外部高色散物镜6均安装于外壳1内。

当本技术方案中用于微型扫描显微镜等被检测物体9的激发光和发射光具有不同波长时，二向色镜薄膜2.1b用于将激发光反射到被检测物体9，被检测物体9激发的发射光穿过二向色镜薄膜2.1b，滤光薄膜用于滤出剩余的激发光，光电检测器1接收穿过的滤光薄膜的发射光实现光电转换。

在本实施例的线扫描应用中，外部光源8发出的激发光经过激光输入光纤17并经过反射镜18反射并通过外部透镜4准直后由外部柱状透镜5聚焦成线状焦点在作为二维扫描成像结构的二向色镜薄膜2.1b上，反射并进行扫描，扫描光束由外部高色散物镜6聚焦在外部载物台10上的被检测物体9中形成扫描线，被检测物体9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6收集后，穿过二维扫描成像结构的二向色镜薄膜2.1b，超薄片2.2和滤光薄膜2.3而聚焦在光电检测器1上并转换为电信号，最后送至外部放大电路和计算机进行处理。

由于被检测物体9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6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6的聚焦后再次聚焦在光电检测器1上。

以上所述的仅是本实用新型的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述。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。