线扫描微型光学探头制造技术

本实用新型专利技术涉及光学成像技术领域，本实用新型专利技术针对现有的微型探头存在成像速度慢等技术问题，提供了一种线扫描微型光学探头，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；柱状透镜，用于形成线状焦点；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线扫描；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；收集透镜，用于收集非线性光学信号。

【技术实现步骤摘要】
线扫描微型光学探头
本技术涉及光学成像
，具体涉及一种线扫描微型光学探头。
技术介绍
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。
技术实现思路
本技术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，提供了一种线扫描微型光学探头。本技术提供的基础方案为：线扫描微型光学探头，包括：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；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；柱状透镜，用于将准直后的激光在二向色镜扫描器表面的某一方向（此处称为X方向）上聚焦成线状焦点，即柱状透镜的某一方向（X方向）的焦点位置在二向色镜表面，并且柱状透镜的与某一方向（X方向）正交的另一方向（此处称为Y方向）的焦点位置不在二向色镜表面；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线扫描；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。本技术的工作原理及优点在于：在本方案中，激光从激光输入光纤输出至准直透镜，准直透镜对接收到激光准直成平行光（准直处理），并减少不同频率激光之间的色差（消色差处理），然后柱状透镜将准直后的激光在二向色镜扫描器表面的某一方向(X方向)上聚焦成线状。二向色镜扫描器将接收到的激光反射至物镜，二向色镜扫描器位于物镜的后焦平面，物镜将经二向色镜扫描器反射的X方向上发散的激光进行准直，同时将Y方向上的基本准直的激光进行聚焦，并在焦点形成与Y方向平行的线状焦点，二向色镜扫描器内的二向色镜通过沿与Y方向平行的旋转轴进行旋转，使线状焦点沿X方向进行扫描，从而形成二维扫描轨迹，实现让激光对活体样本内部组织的平面进行二维线扫描的目的。在活体样本产生非线性光学信号后，物镜还用于收集非线性光学信号并输出至二向色镜扫描器，非线性光学信号经二向色镜扫描器透射后输出至收集透镜，收集透镜可将非线性光学信号有效的收集起来，输出至激光输出光纤，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（Scanlens）和镜筒透镜（Tubelens），通过将采用二向色镜扫描器和柱状透镜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（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（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（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（Scanlens）和镜筒透镜（Tubelens），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收集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（微加工工艺）或机械工程（结构设计）出身，他们在MEMS二本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.线扫描微型光学探头，包括：/n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；/n其特征在于，还包括：/n柱状透镜，用于形成线状焦点；/n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线扫描；/n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；/n收集透镜，用于收集非线性光学信号并聚焦在激光输出光纤的端面。/n

【技术特征摘要】
1.线扫描微型光学探头，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：
柱状透镜，用于形成线状焦点；
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线扫描；
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；
收集透镜，用于收集非线性光学信号并聚焦在激光输出光纤的端面。


2.根据权利要求1所述的线扫描微型光学探头，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。


3.根据权利要求2所述的线扫描微型光学探头，其特征在于：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。


4.根据权利要求1所述的线扫描微型光学探头，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...

【专利技术属性】
技术研发人员：不公告发明人，
申请(专利权)人：凝辉天津科技有限责任公司，
类型：新型
国别省市：天津;12