一种微型头戴式显微镜
技术领域
本发明涉及头戴式显微镜的技术领域，具体涉及一种微型头戴式显微镜。
背景技术
将被研究动物活体样本(以下简称活体样本)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。现有技术主要采用台式双光子显微镜对活体样本的大脑皮层中各类神经细胞以及神经环路的活动进行观测和记录，但是这种方式存在以下缺点：观测和记录过程中，活体样本的头部需要保持固定状态，即活体样本在实验期间一直处于物理约束和情绪压力(恐惧、未知)下，所以现有的研究方式无法对自由活动状态的活体样本进行有效研究。
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、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波长为920nm的激光对活体样本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汇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，其微型探头的结构依然有可优化的空间，其重量也能够继续优化，减少活体样本在研究过程中因不适应微型探头的重量，而出现异常行为进而带来实验误差的情况。而且现有的扫描驱动器件，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、不能进一步减小微型探头的重量和体积的缺陷。
发明内容
本发明意在提供一种微型头戴式显微镜，以解决现有技术中头戴式显微镜的功能单一，且不能进一步减小微型探头的重量和体积的技术问题。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种微型头戴式显微镜，包括显微探头和成像结构，显微探头包括物镜、扫描器和准直器，物镜和准直器相互固定，扫描器能相对于物镜进行机械转动；所述扫描器包括相互固定的驱动器和镜面，所述镜面包括相互固定的超薄片和光电检测器，光电检测器和成像结构线路连通，光电检测器位于超薄片和驱动器之间，所述超薄片远离光电检测器的一端镀有光学薄膜。
本发明的工作原理及优点在于：使用时，扫描器用于将入射光反射至物镜，入射光穿过物镜照射到待检测物体上，待检测物体激发的非线性光学信号经过物镜后到达扫描器位置，而后被光电检测器变成电信号并传输到成像结构，从而实现了通过显微探头完成对待检测物体的观测的目的。
在上述过程中，本方案中的驱动器可以根据指令(或控制信号)改变扫描器的倾角达到改变激光反射角角度的目的，以实现激发激光对待检测物体进行扫描的目的。
本方案的扫描器通过在驱动器的表面设置光电检测器和光学薄膜，使本方案同时具备了以下四个功能：激发光和发射光的分离、改变激发光反射角的角度以实现扫描、滤除激发光和光电转换。而现有技术是单独的四个器件分别实现上述功能，所以本发明构思减少了显微探头内的元件数量，减小了扫描器件的体积和重量，使原来的微型探头的体积和质量能进一步减小。
优选的，作为一种改进，光学薄膜为偏振分光薄膜和滤光薄膜。
本方案的偏振分光薄膜和滤光薄膜用于反射S线偏振光并透过P线偏振光，适用于应用到微型激光雷达模块等待检测物体的反射光和入射光具有相同波长的情况。
优选的，作为一种改进，光学薄膜为二向色镜薄膜和滤光薄膜。
本方案的二向色镜薄膜和滤光薄膜用于反射激发光并可供发射光穿过，适用于应用到微型扫描显微镜等待检测物体的激发光和发射光具有不同波长的情况。
优选的，作为一种改进，光电检测器为光电二极管、光电三极管、真空光电管或二维像素光电传感器。
本方案的光电检测器可以根据实际需求选择不同的光敏元件，适用性更强，通用性更佳。
优选的，作为一种改进，驱动器的形状为多边形或圆形或椭圆形等任意轴对称形状。
本方案将驱动器的形状设计成轴对称形状，有利于保证运行驱动器时，驱动器能平稳地为镜面提供驱动力，使镜面转动的角度和幅度更均衡稳定。
优选的，作为一种改进，物镜的数值孔径为0.5至1.2之间任一数值。
本方案选用数值孔径偏大的物镜，使物镜的分辨率更高，放大率更大。
优选的，作为一种改进，驱动器的两端分别固定设有扭转梁。
本方案使驱动器带动镜面发生转动，从而实现对入射光线的入射角角度的调整，进而实现扫描的功能。
优选的，作为一种改进，驱动器的外侧转动设有角度调节器，角度调节器为矩形框或环形框，扭转梁与角度调节器转动连接，角度调节器的外周壁上固定设有第一转动轴和第二转动轴，第一转动轴和第二转动轴关于驱动器的中心对称，且第一转动轴与扭转梁的轴心线垂直。
本方案通过角度调节器，使驱动器能在两个方向上转动，实现了二维扫描的目的，提升了扫描速度。
优选的，作为一种改进，驱动器为正棱柱，且镜面与驱动器的侧面一一对应。
本方案的驱动器转动时，无须往复转动，只需要将驱动器朝向一个方向转动即可，即现有技术的驱动器，正向转动一定幅度完成扫描后，需要反向转动使驱动器恢复原位，或者继续正向转动直到转动360°时驱动器恢复原位后，才能进行第二次扫描，容易造成成本浪费，而且还会造成扫描后等待时间增长，从而导致扫描周期增长；而本方案的驱动器只需要简单的单向转动即可，且每转动一定角度，即可将另一片镜面转动到工作位置开始二次扫描，比如驱动器为六棱柱时，驱动器每转动60°即能完成一次扫描，所以本方案大幅度减少了扫描后的等待时长，加快了扫描速度。
优选的，作为一种改进，成像结构包括放大电路和计算机，放大电路的输入端和光电检测器的输出端相连，放大电路的输出端和计算机的输入端相连。
本方案使得扫描器件内的电信号直接输入到计算机实现成像功能，使用户能及时、直观地观察到扫描出来的图像。
附图说明
图1为本发明一种微型头戴式显微镜实施例一中显微探头主视剖视图。
图2为本发明实施例一中光学薄膜为偏振分光薄膜时扫描器的三维结构示意图。
图3为本发明实施例一中光学薄膜为二向色镜薄膜时扫描器的三维结构示意图。
图4为本发明实施例一的显微探头安装在小鼠身上的使用状态图。
图5为本发明实施例二中扫描器的三维结构示意图。
图6为本发明实施例三中扫描器的三维结构示意图。
图7为本发明实施例三的扫描器实现扫描的原理说明图。
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：驱动器1、光电检测器2、超薄片3、滤光薄膜4、偏振分光薄膜5、二向色镜薄膜6、物镜7、激光输入光纤8、第一扭转梁9、第二扭转梁10、角度调节器11、第一转动轴12、第二转动轴13、扫描器14、外壳15、反射镜16、准直透镜17、电线18、待检测物体19。
实施例一
如附图1所示：
如图1所示，一种微型头戴式显微镜，包括显微探头和成像结构，显微探头包括外壳15、物镜7、扫描器14和准直器，外壳15为高分子聚合物的材料的密封结构，外壳15(即整个微型光学探头)的体积小于5mm*5mm*5mm，此处以体积等于4mm*4mm*5mm；物镜7和准直器分别固定在外壳15上，外壳15上还固定卡接有激光输入光纤8，激光输入光纤8为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，激光输入光纤8的材料为光学玻璃、石英、塑料或高分子聚合物，激光输入光纤8用于传输外部激发光源产生的超快激光脉冲并向外壳15内输入激光。
物镜7材质为光学玻璃或高分子聚合物，此处选用光学玻璃；物镜7的数值孔径为0.5至1.2之间任一数值，此处以数值孔径为0.815为例，物镜7的长度选用1毫米。
准直器为准直透镜17，准直透镜17用于准直来自激光输入光纤8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16；准直透镜17选用消色差准直透镜1710(一种微型头戴式显微镜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％)、光束聚焦效率和激发效率。当然准直透镜17也可以为消色差设计，设计波长为700nm至1600nm之间的任意两个波长，可以为817nm和1064nm，但不限于这两个波长，准直透镜17的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，用于超快激光脉冲的准直。
反射镜16用于调整准直透镜17输出激光的角度并反射至扫描器14，反射镜16包含多片反射镜16，作用为平移光路，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。
扫描器14包括相互固定的驱动器1和镜面，驱动器1的形状为多边形、圆形或椭圆形等轴对称形状，此处以圆形为例进行说明；驱动器1的两端分别固定卡接有扭转梁，此处将位于驱动器1左下侧的命名为第一扭转梁9，位于驱动器1右上侧的命名为第二扭转梁10，第一扭转梁9和第二扭转梁10的连线过驱动器1的中心，第一扭转梁9和第二扭转梁10关于驱动器1的中心对称，第一扭转梁9和第二扭转梁10均通过轴孔与外壳15转动连接。驱动器1选用微机电系统(MEMS,Micro-Electro-Mechanical System)，具体的可以采用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。
镜面与驱动器1采用键合的方式固定，镜面的形状为多边形或圆形或椭圆形等任意轴对称形状，此处以圆形为例进行说明。镜面包括相互键合固定的超薄片3和光电检测器2，光电检测器2为光电二极管、光电三极管、真空光电管或二维像素光电传感器(包括光电耦合器件、金属半导体氧化物器件、焦平面阵器件、光电倍增管器件或单光子计数器件)，此处选用光电二极管为例进行说明；光电检测器2的输出端和成像结构线路连通；成像结构包括放大电路和计算机，放大电路选用LM324，放大电路的输入端与光电检测器2的输出端通过线路相连，放大电路的输出端与计算机的输入端通过线路相连。
光电检测器2的下端与驱动器1键合固定，光电检测器2的上端采用键合的方式固定连接有超薄片3，超薄片3的材质选用对波长为390nm～1720nm的光具有50％以上透射率的材质；超薄片3的材质为光学玻璃、高分子聚合物或半导体材料中的一种，超薄片3也可以是光学玻璃、高分子聚合物或半导体材料中的两种或多种的混合物，此处以超薄片3选用光学玻璃为例进行说明；超薄片3上远离光电检测器2的一端镀有光学薄膜，在不同的应用场景下，应选用具有不同的功能的光学薄膜，比如应用于微型激光雷达模块等待检测物体19的反射光和入射光具有相同波长的情况时，如图2所示，光学薄膜为偏振分光薄膜5和滤光薄膜4，滤光薄膜4位于超薄片3和偏振分光薄膜5之间；应用于微型扫描显微镜等待检测物体19的激发光发射光和发射光具有不同波长的情况时，如图3所示，光学薄膜为二向色镜薄膜6和滤光薄膜4，滤光薄膜4位于超薄片3和二向色镜薄膜6之间。
下面以光学薄膜为二向色镜薄膜6和滤光薄膜4为例，对本方案的具体实施过程进行使用说明：如图4所示，将显微探头固定在小鼠(在其他实施例中，也可以安装于其他动物的头顶上，如狨猴、小兔等)的头上，通过电线18将光电检测器2的输出端与放大电路的输入端连通，通过激光输入光纤8向客体内输入激光，如图1所示，激光经准直透镜17准直和过滤后，经反射镜16调节光路走向后射向扫描器14，经扫描器14反射并进行扫描，扫描光束经物镜7聚焦在被检测物体上形成扫描线，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)被物镜7收集后，穿过二向色镜薄膜6、滤光薄膜4和超薄片3后聚焦在光电检测器2上，光电检测器2将光信号转换为电信号，并传送至外部放大电路和计算机进行处理。在线扫描应用中，光电检测器2为二维光电检测器2件，由于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，通过物镜7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物镜7的聚焦后再次聚焦在光电检测器2上。
实施例二
如图5所示，本实施例与实施例一的区别在于驱动器1的外侧通过轴孔转动设有角度调节器11，角度调节器11为矩形框，第一扭转梁9和第二扭转梁10均通过轴孔与角度调节器11转动连接，角度调节器11的外周壁上固定卡接有第一转动轴12和第二转动轴13，第一转动轴12和第二转动轴13关于驱动器1的中心对称，且第一转动轴12与第一扭转梁9的轴心线垂直。第一转动轴12和第二转动轴13均与外壳15通过轴孔转动连接，从而实现了扫描器14与外壳15的转动连接。使用期间，驱动器1既可以围绕第一扭力梁转动，又可以围绕第一转动轴12转动，所以本方案能实现二维扫描。
实施例三
如图6所示，本实施例与实施例一的区别在于驱动器1为正棱柱，且镜面与驱动器1的侧面一一对应。本实施例中的驱动器1为正六棱柱状，驱动器1的上、下两端均采用键合的方式同轴固定有扭转梁。驱动器1的六个侧壁均通过键合的方式固定有镜面。其中，光学薄膜采用滤光薄膜4和偏振分光薄膜5。
本实施例应用于微型激光雷达模块等待检测物体19的反射光和入射光具有相同波长的情况，扫描器14的具体工作过程如下：
通过转动扭转梁使扫描器14转动，从而实现调节激光入射角度的目的。如图7所示，外部光源发出的S线偏振光经过外部透镜(图中未画出)准直后，由偏振分光薄膜5反射，再由外部波片改变S线偏振光的偏振方向，S线偏振光照射到待检测物体19后被待检测物体19反射而穿过外部波片，反射光穿过外部波片时，外部波片使大部分反射光的偏振方向为P方向，偏振分光薄膜5反射S线偏振光并透过P线偏振光，所以，反射光中的P线偏振光会依次穿过光学薄膜、滤光薄膜4和超薄片3而照到光电检测器2上，光电检测器2将光学信号转换为电信号并通过外部放大电路传送到计算机进行处理。
以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体技术方案和/或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，在不脱离本发明技术方案的前提下，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。
