lightsheet内窥镜探头和MEMS变形镜.docx

Lightsheet内窥镜探头为了能实时在体观测生物组织如大脑神经元细胞，显微镜探头尺寸必须降低到最小，因此小型光片内窥镜的探头使用梯度折射率透镜作为探头透镜组的基本透镜。国外实验室对于利用梯度折射率透镜搭建光片内窥镜已有一些成果，其中比较完善的光片内窥镜结构原理图如图1所示，这套系统不仅通过自聚焦透镜实现了光片激发而且还设置了落射式激发光路作为成像对比。图 1（引用至“Miniaturized selective plane illumination microscopy for high-contrast in vivo fluorescence imaging, Christoph J. Engelbrecht, etc, Optics Letters, 35-1413, 2010”）激光通过偏振分光镜一路耦合进光纤进入GRIN1透镜组，另一路经过一个伽利略望远镜系统耦合入光纤束进入GRIN2透镜组。其中光纤传像束为一段特殊光纤，其纤芯区域由许多根纤芯按阵列排列而成，如此一来当光纤传像束之前的光学系统在光纤束端面处呈实像时，在光纤束的另一端端面处会成一个1:1等大的像。GRIN1透镜组由一个1/4pitch的自聚焦透镜、一个一维折射率的小于1/4pitch的自聚焦透镜，一段用作空间光路介质的玻璃柱体和一个转角棱镜组成，其中1/4pitch梯度折射率透镜实现的功能是将从光纤发出的有一定发散角的激发激光整形为准直光，一维透镜的功能是将准直光汇聚，使其在经过一段空间光路后的焦点处产生光片，直角转角棱镜的功能为使荧光激发面旋转90度与成像光路像方焦平面相重合。GRIN2透镜组由两个不同数值孔径的自聚焦透镜组成，成像光路在之前小节中已经阐述，此处不再多述。当该系统工作在光片成像模式时，激发光进入GRIN1并在成像光路像方焦平面出形成光片，激发这一区域内的荧光物质产生荧光。产生的荧光被GRIN2收集并成像于透镜组末端即光纤传像束的端面上导出至探头外，最后经过一个显微成像系统成像于相机中观测。图2：直角转角棱镜这是一种效果显著的光片激发方式，但这种方式结构上有一个很大的缺点如图2所示，即用于旋转激发光路的转角棱镜低于光片激发区域，这就意味着整个探头的最顶端部分已经侵入了生物组织样本中，而侵入生物组织后样本细胞能否像没有侵入时一样工作是我们所不能保证的事情。所以，如何通过非侵入式转角棱镜实现光片功能，并得到相同的质量光学切片变成了一个亟待解决的问题。Zemax设计和仿真了一个lightsheet内窥镜探头，指标为：（1）双光路透镜直径2mm（2）内窥镜探头与样本间距为0.1-0.2mm（3）视场范围在100um100um以上（4）光片质量较好，即光束形状尽量扁平（5）成像光路所成的像达到正常标准图3： 内窥镜整体结构的立体渲染图图4 ：光片激发光路的立体结构渲染图光片激发光路：激发光源的激光经过单模光纤到达探头激发光路的初始位置处，首先通过一个1/4pitch的自聚焦透镜扩束为一束准直的平行光后，经过一块自定义的非序列部件也就是一维径向梯度折射率透镜后使光束在子午面汇聚，在弧失面对光束无作用。从一维透镜聚焦射出的光经过一段空间光路到达自定义的转角棱镜，使光路偏折45到达生物样本区域。图5： 成像光路的立体结构渲染图成像光路：被光片激发的区域处于像方焦平面处，荧光从自定义的转角棱镜端面射入成像透镜组，经反射偏折后进入一个略小于1/4pitch的大数值孔径材料的自聚焦透镜，使像方中点发出的光在这一自聚焦透镜末端面出成平行出射的准直光。然后进入一个1/4pitch的小数值孔径的自聚焦透镜，并使发出荧光的物在末端面处成实像，并被传像束导出。MEMS 变形镜在硅基上刻蚀特定结构，采用SU-8光胶膜作为弹性媒介，通过附着在SU-8光胶膜的银层作为反射媒介，通过在SU-8光胶膜基电极和硅基电极间加直流电压偏置（调节初始位置偏移量）和交流电压（控制振幅和形变频率）改变MEMS反射面的曲率，实现反射型透镜的变焦。通过改变硅基上刻蚀的结构可以优化MEMS 变形镜的性能。其中将空气孔的刻蚀方向由原来的平行于硅基变为垂直于硅基，控制空气孔的数量和布局结构，极大的提高MEMS变形镜的相应速度和变形频率。（引用至“High Speed Focus Control MEMS Mirror With Controlled Air Damping for Vital Microscopy, Mohammad J. Moghimi etc, Journal of microelectromechanical system, Vol. 22, No. 4, August 2013”）图6目前已经有人用直径为3mm的MEMS变形镜（采用垂直硅基刻蚀空气孔的方法，最大谐振频率为25Khz，在形变量为3m以内响应时间为100s），在形变量为9m（变焦范围为75m），变形频率为5Khz，实现了Z轴层切扫描，轴向分辨率为5.5m，如图7所示。（引用至“High Speed Focus Control MEMS Mirror With Controlled Air Damping for Vital Microscopy, Mohammad J. Moghimi etc, Journal of microelectromechanical system, Vol