專利名稱：基于雙旋轉(zhuǎn)微鏡的光學(xué)掃描探針的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于ニ維圓周掃描和三維螺旋掃描的光學(xué)掃描探針，特別是采用雙旋轉(zhuǎn)微鏡作為光學(xué)掃描器件。
背景技術(shù)：
微型旋轉(zhuǎn)光學(xué)掃描器件在光學(xué)內(nèi)窺成像領(lǐng)域有很重要的應(yīng)用。集成有微型旋轉(zhuǎn)光學(xué)掃描器件的成像探針可在人體各種直徑的管道(如血管，消化道等)內(nèi)完成360度圓周掃描，從而獲得ニ維橫截面圖像或三維螺旋掃描圖像。通常，微型旋轉(zhuǎn)光學(xué)掃描器件都采用基于壓電或靜電驅(qū)動原理的微型旋轉(zhuǎn)電機(jī)。 其直徑一般為4-5mm左右，但其長度較長，嚴(yán)重影響其所在的成像探針的彎曲靈活性。為了克服其長度問題，世界上有些科研単位已研發(fā)了薄型超聲波電機(jī)，但目前未見其大量應(yīng)用；另ー些研究組開發(fā)了采用硅微加工技術(shù)制造的掃描微鏡，如新加坡Institute ofMicroelectronics開發(fā)的電熱雙軸掃描微鏡及其在圓周掃描應(yīng)用方面的探索。雖然目前單一電熱雙軸掃描微鏡無法達(dá)到45度左右的機(jī)械偏轉(zhuǎn)角度，但是采用雙微鏡組合令入射光線旋轉(zhuǎn)2次后能夠完美地將入射光線彎折90度以垂直入射成像目標(biāo)。本發(fā)明提出一種用于ニ維圓周掃描和三維螺旋掃描的光學(xué)掃描探針，特別是采用雙旋轉(zhuǎn)微鏡作為光學(xué)掃描器件，獲得90度的光學(xué)反射角度，并完成360度圓周掃描。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出用于ニ維圓周掃描和三維螺旋掃描的光學(xué)掃描探針，特別是采用雙旋轉(zhuǎn)微鏡作為光學(xué)掃描器件，獲得90度的光學(xué)反射角度，并完成360度圓周掃描。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用技術(shù)方案是它包括雙旋轉(zhuǎn)微鏡，微光學(xué)系統(tǒng)和硅光學(xué)平臺，其中雙旋轉(zhuǎn)微鏡包括微驅(qū)動器、平面彈簧、環(huán)形鏡片和圓形鏡片。微驅(qū)動器的輸出端與平面彈簧的輸入端相連，平面彈簧的輸出端分別與環(huán)形鏡片和圓形鏡片的輸入端相連；每個器件包括I個環(huán)形鏡片、I個圓形鏡片、8個平面彈簧和8個微驅(qū)動器，環(huán)形鏡片和圓形鏡片各與4個平面彈簧相連，每個平面彈簧與I個微驅(qū)動器相連；微光學(xué)系統(tǒng)包括自聚焦透鏡和單模光纖；硅光學(xué)平臺用于校準(zhǔn)和固定微光學(xué)系統(tǒng)，并為雙旋轉(zhuǎn)微鏡提供電氣連接；經(jīng)過微光學(xué)系統(tǒng)傳輸和聚焦的入射光束經(jīng)雙旋轉(zhuǎn)微鏡偏轉(zhuǎn)90度后垂直入射到成像目標(biāo)，由成像目標(biāo)反射回來的光束經(jīng)雙旋轉(zhuǎn)微鏡偏轉(zhuǎn)90度后由微光學(xué)系統(tǒng)收集并傳輸?shù)酵獠抗鈱W(xué)成像系統(tǒng)。所述的微驅(qū)動器采用微加工技術(shù)制成，基于電熱驅(qū)動原理，由多層材料，如硅，ニ氧化硅，金屬，金屬氧化物等組成，用于將外部輸入的電驅(qū)動信號通過雙金屬片效應(yīng)轉(zhuǎn)換為機(jī)械形變；所述的平面彈簧采用微加工技術(shù)制成，由多層材料，如硅，ニ氧化硅等組成，用于將微驅(qū)動器一端的位移傳遞給環(huán)形鏡片和圓形鏡片；所述的環(huán)形鏡片為環(huán)形，采用微加工技術(shù)制成，由多層材料，如硅，ニ氧化硅，金屬，金屬氧化物等組成，用于反射經(jīng)圓形鏡片反射的入射光線，一面鍍有高反射率鍍層；所述的圓形鏡片為圓形，采用微加工技術(shù)制成，由多層材料，如硅，ニ氧化硅，金屬，金屬氧化物等組成，用于反射直接入射的光線，與環(huán)形鏡片反光面相對的表面鍍有高反射率鍍層；所述的微光學(xué)系統(tǒng)包括自聚焦透鏡和單模光纖，兩者之間采用光學(xué)樹膠連接；
所述的硅光學(xué)平臺采用微加工技術(shù)制成，表面刻有V型槽用于校準(zhǔn)和固定微光學(xué)系統(tǒng)，表面有金屬線為一端的雙旋轉(zhuǎn)微鏡和另ー端的外部電子驅(qū)動信號接ロ之間建立電氣連接。本發(fā)明的工作原理是這樣的外部輸入的電驅(qū)動信號，通常為特定頻率正弦波波形，輸入到不同微驅(qū)動器的電驅(qū)動信號具有固定的相位差，通常為90度；驅(qū)動電流使微驅(qū)動器內(nèi)的金屬或硅加熱器產(chǎn)生熱量，使微驅(qū)動器的溫度上升。微驅(qū)動器為多層材料構(gòu)成，不同的材料具有不同的熱膨脹系數(shù)，因此隨著溫度上升，微驅(qū)動器會發(fā)生形變，向熱膨脹系數(shù)較小的材料ー側(cè)彎曲。微驅(qū)動器的一端固定在硅片上，另一端通過平面彈簧連接在環(huán)形鏡片和圓形鏡片上。在不同相位的電驅(qū)動信號的作用下，各微驅(qū)動器按順序交替發(fā)生形變，使環(huán)形鏡片和圓形鏡片抬起并指向覆蓋360度的不同方向。由于環(huán)形鏡片與圓形鏡片的高反射率鍍層相對，入射光線首先照射到圓形鏡片中心，經(jīng)圓形鏡片反射到環(huán)形鏡片上，再經(jīng)環(huán)形鏡片反射到成像目標(biāo)。環(huán)形鏡片和圓形鏡片的抬起角度均為22. 5度，因此入射光線經(jīng)過兩次反射后，與入射方向相比旋轉(zhuǎn)了 90度。因此，雙微鏡旋轉(zhuǎn)掃描器件，可以獲得90度的光學(xué)反射角度，并完成360度圓周掃描。微光學(xué)系統(tǒng)包括自聚焦透鏡和單模光纖；硅光學(xué)平臺用于校準(zhǔn)和固定微光學(xué)系統(tǒng)，并為雙旋轉(zhuǎn)微鏡提供電氣連接；經(jīng)過微光學(xué)系統(tǒng)傳輸和聚焦的入射光束經(jīng)雙旋轉(zhuǎn)微鏡偏轉(zhuǎn)90度后垂直入射到成像目標(biāo)，由成像目標(biāo)反射回來的光束經(jīng)雙旋轉(zhuǎn)微鏡偏轉(zhuǎn)90度后由微光學(xué)系統(tǒng)收集并傳輸?shù)酵獠抗鈱W(xué)成像系統(tǒng)。本發(fā)明由于采用了上述技術(shù)方案，具有如下優(yōu)點(diǎn)I、基于目前現(xiàn)有材料和微加工エ藝，可以獲得90度的光學(xué)反射角度，并完成360度圓周掃描；2、明顯縮短了掃描器件的軸向長度。


圖I為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為入射光束旋轉(zhuǎn)90度示意圖；圖3為4通道電驅(qū)動信號波形；圖4為鏡片360度圓周掃描示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)ー步說明如圖I所示，它包括它包括雙旋轉(zhuǎn)微鏡1，微光學(xué)系統(tǒng)2和硅光學(xué)平臺3，其中雙旋轉(zhuǎn)微鏡I包括微驅(qū)動器I. I、平面彈簧
I.2、環(huán)形鏡片I. 3和圓形鏡片I. 4。微驅(qū)動器I. I的輸出端與平面彈簧I. 2的輸入端相連，平面彈簧I. 2的輸出端分別與環(huán)形鏡片I. 3和圓形鏡片I. 4的輸入端相連；每個器件包括I個環(huán)形鏡片I. 3、I個圓形鏡片I. 4、8個平面彈簧I. 2和8個微驅(qū)動器I. I，環(huán)形鏡片I. 3和圓形鏡片I. 4各與4個平面彈簧I. 2相連，每個平面彈簧I. 2與I個微驅(qū)動器I. I相連；微光學(xué)系統(tǒng)2包括自聚焦透鏡2. I和單模光纖2. 2 ;硅光學(xué)平臺3用于校準(zhǔn)和固定微光學(xué)系統(tǒng)，并為雙旋轉(zhuǎn)微鏡I提供電氣連接；經(jīng)過微光學(xué)系統(tǒng)2傳輸和聚焦的入射光束經(jīng)雙旋轉(zhuǎn)微鏡I偏轉(zhuǎn)90度后垂直入射到成像目標(biāo)，由成像目標(biāo)反射回來的光束經(jīng)雙旋轉(zhuǎn)微鏡I偏轉(zhuǎn)90度后由微光學(xué)系統(tǒng)2收集并傳輸?shù)酵獠抗鈱W(xué)成像系統(tǒng)。所述的微驅(qū)動器I. I采用微加工技術(shù)制成，基于電熱驅(qū)動原理，由多層材料，如硅，ニ氧化硅，金屬，金屬氧化物 等組成，用于將外部輸入的電驅(qū)動信號通過雙金屬片效應(yīng)轉(zhuǎn)換為機(jī)械形變；所述的平面彈簧I. 2采用微加工技術(shù)制成，由多層材料，如硅，ニ氧化硅等組成，用于將微驅(qū)動器I. I 一端的位移傳遞給環(huán)形鏡片I. 3和圓形鏡片I. 4 ；所述的環(huán)形鏡片I. 3為環(huán)形，采用微加工技術(shù)制成，由多層材料，如硅，ニ氧化硅，金屬，金屬氧化物等組成，用于反射經(jīng)圓形鏡片I. 4反射的入射光線，一面鍍有高反射率鍍層；所述的圓形鏡片I. 4為圓形，采用微加工技術(shù)制成，由多層材料，如硅，ニ氧化硅，金屬，金屬氧化物等組成，用于反射直接入射的光線，與環(huán)形鏡片I. 3反光面相對的表面鍍有高反射率鍍層；本發(fā)明的工作原理是這樣的外部輸入的電驅(qū)動信號，使微驅(qū)動器I. I內(nèi)的金屬或硅加熱器產(chǎn)生熱量，使微驅(qū)動器I. I的溫度上升。微驅(qū)動器I. I為多層材料構(gòu)成，不同的材料具有不同的熱膨脹系數(shù)，因此隨著溫度上升，微驅(qū)動器I. I會發(fā)生形變，向熱膨脹系數(shù)較小的材料ー側(cè)彎曲。微驅(qū)動器I. I的一端固定在硅片上，另一端通過平面彈簧I. 2連接在環(huán)形鏡片I. 3和圓形鏡片I. 4上。根據(jù)圖2所示，由于環(huán)形鏡片I. 3與圓形鏡片I. 4的高反射率鍍層相對，入射光線首先照射到圓形鏡片I. 4中心，經(jīng)圓形鏡片I. 4反射到環(huán)形鏡片I. 3上，再經(jīng)環(huán)形鏡片I. 3反射到成像目標(biāo)。環(huán)形鏡片I. 3和圓形鏡片I. 4的抬起角度均為22. 5度，因此入射光線經(jīng)過兩次反射后，與入射方向相比旋轉(zhuǎn)了 90度。根據(jù)圖3-4所示，4通道電驅(qū)動信號通常為特定頻率正弦波波形，輸入到不同微驅(qū)動器I. I的電驅(qū)動信號具有固定的相位差，通常為90度；在不同相位的電驅(qū)動信號的作用下，各微驅(qū)動器I. I按順序交替發(fā)生形變，使環(huán)形鏡片1.3和圓形鏡片1.4抬起并指向覆蓋360度的不同方向。因此，入射光線經(jīng)過圓形鏡片I. 4和環(huán)形鏡片I. 32次反射后得90度的光學(xué)反射角度，并完成360度圓周掃描。微光學(xué)系統(tǒng)2包括自聚焦透鏡2. I和單模光纖2. 2 ;娃光學(xué)平臺3用于校準(zhǔn)和固定微光學(xué)系統(tǒng)，并為雙旋轉(zhuǎn)微鏡I提供電氣連接；經(jīng)過微光學(xué)系統(tǒng)2傳輸和聚焦的入射光束經(jīng)雙旋轉(zhuǎn)微鏡I偏轉(zhuǎn)90度后垂直入射到成像目標(biāo)，由成像目標(biāo)反射回來的光束經(jīng)雙旋轉(zhuǎn)微鏡I偏轉(zhuǎn)90度后由微光學(xué)系統(tǒng)2收集并傳輸?shù)酵獠抗鈱W(xué)成像系統(tǒng)。本發(fā)明所述的環(huán)形鏡片和圓形鏡片的機(jī)械偏轉(zhuǎn)角度均為(0-45)度。
權(quán)利要求
1.一種基于雙旋轉(zhuǎn)微鏡的光學(xué)掃描探針，其特征在于包括雙旋轉(zhuǎn)微鏡，微光學(xué)系統(tǒng)和硅光學(xué)平臺，其中雙旋轉(zhuǎn)微鏡包括微驅(qū)動器、平面彈簧、環(huán)形鏡片和圓形鏡片；微驅(qū)動器的輸出端與平面彈簧的輸入端相連，平面彈簧的輸出端分別與環(huán)形鏡片和圓形鏡片的輸入端相連；每個器件包括I個環(huán)形鏡片、I個圓形鏡片、8個平面彈簧和8個微驅(qū)動器，環(huán)形鏡片和圓形鏡片各與4個平面彈簧相連，每個平面彈簧與I個微驅(qū)動器相連；微光學(xué)系統(tǒng)包括自聚焦透鏡和單模光纖；硅光學(xué)平臺用于校準(zhǔn)和固定微光學(xué)系統(tǒng)，并為雙旋轉(zhuǎn)微鏡提供電氣連接。
2.如權(quán)利要求I所述的ー種基于雙旋轉(zhuǎn)微鏡的光學(xué)掃描探針，其特征在于所述的微驅(qū)動器米用微加工技術(shù)制成，基于電熱驅(qū)動原理，由多層材料，如娃，ニ氧化娃，金屬，金屬氧化物等組成。
3.如權(quán)利要求I所述的ー種基于雙旋轉(zhuǎn)微鏡的光學(xué)掃描探針，其特征在于所述的環(huán)形鏡片和圓形鏡片的機(jī)械偏轉(zhuǎn)角度均為(0-45)度。
4.如權(quán)利要求I所述的ー種基于雙旋轉(zhuǎn)微鏡的光學(xué)掃描探針，其特征在于所述的平面彈簧采用微加工技術(shù)制成，由多層材料，如硅，ニ氧化硅等組成。
5.如權(quán)利要求I所述的ー種基于雙旋轉(zhuǎn)微鏡的光學(xué)掃描探針，其特征在于所述的環(huán)形鏡片為環(huán)形，采用微加工技術(shù)制成，由多層材料，如硅，ニ氧化硅，金屬，金屬氧化物等組成，一面鍍有高反射率鍍層。
6.如權(quán)利要求I所述的ー種基于雙旋轉(zhuǎn)微鏡的光學(xué)掃描探針，其特征在于所述的圓形鏡片為圓形，采用微加工技術(shù)制成，由多層材料，如硅，ニ氧化硅，金屬，金屬氧化物等組成，與環(huán)形鏡片反光面相對的表面鍍有高反射率鍍層。
7.如權(quán)利要求I所述的ー種基于雙旋轉(zhuǎn)微鏡的光學(xué)掃描探針，其特征在于所述的微光學(xué)系統(tǒng)包括自聚焦透鏡和單模光纖，兩者之間采用光學(xué)樹膠連接。
8.如權(quán)利要求I所述的ー種基于雙旋轉(zhuǎn)微鏡的光學(xué)掃描探針，其特征在于所述的娃光學(xué)平臺米用微加工技術(shù)制成，表面刻有V型槽，表面有金屬線為一端的雙旋轉(zhuǎn)微鏡和另一端的外部電子驅(qū)動信號接ロ之間建立電氣連接。
全文摘要
一種基于雙旋轉(zhuǎn)微鏡的光學(xué)掃描探針，它包括雙旋轉(zhuǎn)微鏡，微光學(xué)系統(tǒng)和硅光學(xué)平臺，其中雙旋轉(zhuǎn)微鏡包括微驅(qū)動器、平面彈簧、環(huán)形鏡片和圓形鏡片。微驅(qū)動器的輸出端與平面彈簧的輸入端相連，平面彈簧的輸出端分別與環(huán)形鏡片和圓形鏡片的輸入端相連；微光學(xué)系統(tǒng)包括自聚焦透鏡和單模光纖；硅光學(xué)平臺用于校準(zhǔn)和固定微光學(xué)系統(tǒng)，并為雙旋轉(zhuǎn)微鏡提供電氣連接；經(jīng)過微光學(xué)系統(tǒng)傳輸和聚焦的入射光束經(jīng)雙旋轉(zhuǎn)微鏡偏轉(zhuǎn)90度后垂直入射到成像目標(biāo)，由成像目標(biāo)反射回來的光束經(jīng)雙旋轉(zhuǎn)微鏡偏轉(zhuǎn)90度后由微光學(xué)系統(tǒng)收集并傳輸?shù)酵獠抗鈱W(xué)成像系統(tǒng)。
文檔編號A61B5/00GK102670179SQ201210167500
公開日2012年9月19日 申請日期2012年5月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月28日
發(fā)明者徐英舜 申請人:凝輝(天津)科技有限責(zé)任公司