一种一维线扫描成像结构、显微镜及显微探头
阅读：811发布：2020-05-13
专利汇可以提供一种一维线扫描成像结构、显微镜及显微探头专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本实用新型 申请 属于光学成像的技术领域，具体公开了一种一维线扫描成像结构、 显微镜 及显微 探头 ，其中一种一维线扫描成像结构，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 ，所述驱动器外侧设有 转轴 ，其中显微探头包括扫描器，外部透镜和扫描部件，显微镜包括一维线扫描成像结构、显微探头和处理单元。本实用新型能够减少显微探头和显微镜的体积。，下面是一种一维线扫描成像结构、显微镜及显微探头专利的具体信息内容。
1.一种一维线扫描成像结构，包括扫描器，其特征在于，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，所述驱动器外侧设有转轴。
2.根据权利要求1所述的一种一维线扫描成像结构，其特征在于，所述光学薄膜包括偏振分光薄膜和滤光薄膜。
3.根据权利要求1所述的一种一维线扫描成像结构，其特征在于，所述光学薄膜包括二向色镜薄膜和滤光薄膜。
4.根据权利要求1所述的一种一维线扫描成像结构，其特征在于，所述镜面的形状为任意轴对称形状。
5.根据权利要求1所述的一种一维线扫描成像结构，其特征在于，光电检测器为光电二极管。
6.根据权利要求5所述的一种一维线扫描成像结构，其特征在于，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。
7.一种显微探头，其特征在于，包括外部透镜、扫描部件外壳和权利要求1中的扫描器，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一维扫描；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；所述扫描器位于扫描部件与外部物镜之间，所述扫描器、外部透镜、扫描部件均安装于外壳内。
8.根据权利要求7所述的一种显微探头，其特征在于，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扫描器。
9.根据权利要求8所述的一种显微探头，其特征在于，所述外部物镜为外部高色散物镜。
10.一种显微镜，其特征在于，包括权利要求1中的一维线扫描成像结构和权利要求7-9任一项所述的显微探头。
一种一维线扫描成像结构、显微镜及显微探头
技术领域
[0001] 本实用新型申请属于光学成像的技术领域，具体公开了一种一维线扫描成像结构、显微镜及显微探头。
背景技术
[0002] 在激光扫描及光电检测领域中，如条码阅读器，激光扫描显微镜和激光雷达(LIDAR) 等，往往需要扫描器将光束的方向进行快速改变，投射到被检测物体上，被检测物体的反射光或背向散射光或激发出的发射光经透镜收集后，由光电检测器完成光电转换最终实现检测。
[0003] 微型成像探头是检测过程中至关重要的元器件，现有检测过程或者原理中，通常是基于光源-扫描器-透镜(可选)-被检测物体—透镜—扫描器(可选)—光电检测器方案的系统结构，采用上述检测过程或原理中的光学元件制作出的产品，对于某些对体积要求非常高的设备或产品(如微型激光雷达模块，微型扫描显微镜等)来说，采用上述检测过程或原理生产制作出的产品结构过于复杂，体积庞大，并且无法通过缩小全部元件的方法来缩小系统的体积，导致整个微型探头或整个显微镜体积较大。实用新型内容
[0004] 本实用新型的目的在于提供一种一维线扫描成像结构、显微镜及显微探头，旨在减小显微探头和显微镜的体积。
[0005] 为了达到上述目的，本实用新型的基础方案为：
[0006] 一种一维线扫描成像结构，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，所述驱动器外侧设有转轴。
[0007] 本基础方案的工作原理和有益效果在于：
[0008] 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，以实现激发激光对被检测物体的扫描。本技术方案中的一维线扫描成像结构为一种包含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。
[0009] 另外，扫描成像时，为了保证能够形成二维图像，在单位时间内需要多点进行扫描，现有技术中的扫描器组件需要不断偏转，从而完成若干次扫描，现有的扫描器中通常只有一个用于扫描的组件，扫描时用于扫描的组件需要转动较大角度才能完成扫描一次，用于扫描的组件的转动速度需要极快；但本方案中的扫描器包括多个扫描组件(即镜面)，扫描时，扫描组件只需要转动较小角度即可使下一扫描组件对待扫描的点进行扫描，扫描组件的转动速度可以稍慢，故对驱动器的要求比仅设置一个扫描组件的扫描器更低。
[0010] 进一步，所述光学薄膜包括偏振分光薄膜和滤光薄膜。
[0011] 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，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。
[0012] 进一步，所述光学薄膜包括二向色镜薄膜和滤光薄膜。
[0013] 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。
[0014] 进一步，所述镜面的形状为任意轴对称形状。
[0015] 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。
[0019] 本技术方案能够提高接收和处理光信号的速度。
[0020] 一种显微探头，包括外部透镜、扫描部件、外壳和基础方案中的扫描器，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一维扫描；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；所述一维线扫描成像结构位于扫描部件与外部物镜之间，所述一维线扫描成像结构、外部透镜、扫描部件均安装于外壳内。
[0021] 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。
[0022] 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扫描器。
[0023] 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。
[0024] 进一步，所述外部物镜为外部高色散物镜。
[0025] 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。
[0026] 一种显微镜，包括基础方案中的一维线扫描成像结构和优化方案中的显微探头。
[0028] 图1为本实用新型一种一维线扫描成像结构实施例一中镜面为圆形时的立体图；
[0029] 图2为本实用新型一种一维线扫描成像结构实施例一中镜面为长方体时的立体图；
[0030] 图3为本实用新型一种一维线扫描成像结构实施例一中镜面为正六边体时的立体图；
[0031] 图4为本实用新型一种一维线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；
[0032] 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；
[0033] 图6为图5的结构示意图；
[0034] 图7为本实用新型一种一维线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；
[0035] 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；
[0036] 图9为图8的结构示意图。
具体实施方式
[0037] 下面通过具体实施方式进一步详细说明：
[0038] 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、转轴12、外壳15、导线16、激光输入光纤17、反射镜18。
[0039] 实施例一
[0040] 实施例基本如附图1所示：一种一维线扫描成像结构，包括扫描器，该扫描器包括驱动器3和镜面，驱动器3用于改变镜面的角度，本实施例中的驱动器3通常是静电驱动的，具体的，驱动器3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3采用现有技术中的检流计振镜、。
[0041] 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。
[0042] 本实施例中的驱动器3外侧一体成型有转轴12。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。
[0043] 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9的反射光和入射光具有相同波长时，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。
[0044] 本实施例中所述镜面的形状为任意轴对称形状。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。
[0045] 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。
[0046] 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，且驱动器3通过转轴 12转动连接在外壳15内。
[0047] 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。
[0048] 本实施例中还公开了一种显微镜，包括本实施例中的一维扫描成像结构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。
[0049] 具体实施过程，外部光源8发出的S线偏振光通过反射镜18反射至外部透镜4进行准直，然后由偏振分光薄膜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。
[0050] 实施例二
[0051] 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，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。
[0052] 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中的外部透镜4、扫描部件、本实施例中的一维扫描成像结构和外部物镜。
[0053] 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扫描器101。
[0054] 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。
[0055] 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。
[0056] 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。
[0057] 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而通过外部透镜4准直后由外部柱状透镜5聚焦成线状焦点在作为扫描器101的二向色镜薄膜2.1b 上，反射并进行扫描，一维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，穿过扫描器101上的二向色镜薄膜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。
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。
[0058] 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。
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