專利名稱：一種提高光學(xué)質(zhì)量的光學(xué)探頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種屬于醫(yī)療設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種提高光學(xué)質(zhì)量的光學(xué)探頭。
背景技術(shù)：
將微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)(microelectromechanical systems,簡稱MEMS)的掃描微鏡與光學(xué)相干層析成像(Optical Coherence Tomography, OCT)技術(shù)相結(jié)合,進(jìn)行內(nèi)窺鏡成像系統(tǒng)開發(fā)是專利申請單位的主要開發(fā)項目。國際上第一個MEMS - OCT光學(xué)探頭正是由申請單位研發(fā)團(tuán)隊成員之一在2001年研發(fā)的，該光學(xué)探頭采用電熱驅(qū)動的一維MEMS掃描微鏡，成功展示了活體豬膀胱的二維截面OCT圖像。該探頭已經(jīng)取得美國專利(專利號 US7, 450244 Full circumferential scanning OCT intravascular imaging probe based on scanning MEMS mirror),圖I是探頭三維設(shè)計圖，它包括探頭基座14、透鏡12、傳輸光纖13、進(jìn)行MEMS微鏡電連接的柔性電路板15和MEMS微鏡11。探頭基座根據(jù)各零部件尺寸進(jìn)行設(shè)計，采用電火花切割加工；傳輸光纖前端部分去掉外皮后與格林透鏡采用無間隙組裝在探頭對應(yīng)孔槽內(nèi)；MEMS微鏡與柔性電路板分別粘接在探頭一端帶45°斜坡的槽內(nèi)； 最后完成塑料套管16的組裝。
內(nèi)窺成像探頭(專利號2011100711137)對光學(xué)零件的組裝做了很大改進(jìn)，將傳輸光纖21裝入毛細(xì)玻璃管22擴(kuò)徑后與透鏡23組裝成具有特定工作距離的組件，再裝入探頭，減少了探頭組裝難度。但光學(xué)質(zhì)量卻未得到提高，特別是在格林透鏡外端面會產(chǎn)生部分光的反射折回，一方面會造成光功率的部分損耗，另一方面會與樣品反射回的光形成干涉， 從而不僅使得傳輸至OCT成像系統(tǒng)的信號減弱，同時會給系統(tǒng)增加不必要的干擾信號。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于改進(jìn)光學(xué)探頭部分的光學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計，優(yōu)化探頭中各個光學(xué)界面的光學(xué)質(zhì)量，優(yōu)化探頭的部分結(jié)構(gòu)。從而一方面實(shí)現(xiàn)了探頭中各光學(xué)零部件的精準(zhǔn)組裝和校準(zhǔn)，另一方面減少了探頭中的光損耗，使得使用此探頭的系統(tǒng)能采集較穩(wěn)定且較強(qiáng)的信號， 從而得到較理想結(jié)果。
本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的，采用如下技術(shù)方案一種提高光學(xué)質(zhì)量的光學(xué)探頭，包括連接件、探頭基座、柔性電路板、光學(xué)組件、MEMS微鏡、探頭端蓋和窗片，其特征在于所述光學(xué)組件包括光纖和透鏡，所述光纖端面和透鏡兩端的端面三個光學(xué)端面涂履增透膜或者進(jìn)行端面倒角。
其進(jìn)一步特征在于所述探頭基座左端為T形槽孔，T形槽狹窄處用于安裝光學(xué)組件，較寬槽則方便柔性電路板的伸出；探頭基座右側(cè)為一個異形孔，探頭端蓋插入與之配合；探頭基座內(nèi)孔各表面均涂履能夠吸引紅外光的材料；探頭端蓋左側(cè)具有斜坡槽，用于安放柔性電路板，柔性電路板焊盤區(qū)粘結(jié)有MEMS微鏡；與MEMS微鏡正對的探頭基座上開有窗口，窗口安裝有窗片，所述窗片雙面涂履增透膜，或者窗片采用透紅外材料加工制作。
當(dāng)光學(xué)組件中的各個光學(xué)界面均采用涂履增透膜，光學(xué)組件安放于探頭基座槽孔中間位置，經(jīng)光學(xué)組件出射的聚焦光束平行探頭基座軸線且與MEMS微鏡成95度-175度射向MfflS微鏡。
當(dāng)光學(xué)組件中的光纖部件和自聚焦透鏡靠光纖部件端面采用涂履增透膜或者端面倒角，而透鏡靠MEMS微鏡側(cè)端面采用端面倒角，出射光偏下，光學(xué)組件安放于探頭基座槽孔偏上位置，經(jīng)光學(xué)組件出射的聚焦光束斜向下且與MEMS微鏡成95度-175度射向MEMS 微鏡。
當(dāng)光學(xué)組件外端面倒角出射光偏上，光學(xué)組件安放于探頭基座槽孔偏下位置，經(jīng)光學(xué)組件出射的聚焦光束斜向上且與MEMS微鏡成95度-175度射向MEMS微鏡。
當(dāng)光學(xué)組件外端面倒角出射光偏左或偏右，經(jīng)光學(xué)組件出射的聚焦光束與MEMS 微鏡鏡面成95度-175度射向MEMS微鏡。
探頭端蓋與探頭基座的周向定位配合方式是D形橫截面實(shí)現(xiàn)配合、彈片/彈片夾配合、銷釘或者螺釘配合、鍵/鍵槽配合中的任一種方式。
前述MEMS微鏡包括頂層透光蓋片、微鏡鏡面、微鏡四周框架和底層基底；所述 MEMS微鏡中的頂層透光蓋片雙面涂履光學(xué)增透膜，微鏡四周框架上表面涂履能夠吸收紅外光的材料。
本發(fā)明光學(xué)探頭不僅可應(yīng)用于內(nèi)窺鏡OCT成像，亦可用于共聚焦成像和雙光子等方向的應(yīng)用。本發(fā)明設(shè)計的光學(xué)探頭從光路源頭著手，依次對光學(xué)探頭的光纖、透鏡、MEMS 微鏡和窗片的光學(xué)界面進(jìn)行了設(shè)計，并且探頭基座內(nèi)表面與MEMS微鏡四周框架均涂履有能夠吸收紅外的膜層，從而有利于光學(xué)探頭中光學(xué)質(zhì)量的提高；減少了通過各光學(xué)界面光的損失；并能減少甚至消除各光學(xué)界面對系統(tǒng)產(chǎn)生干擾的反射光信號。并從光路對準(zhǔn)和裝調(diào)入手設(shè)計了探頭結(jié)構(gòu)，將提聞探頭中的光路的對準(zhǔn)精度，進(jìn)而提聞光學(xué)質(zhì)量；同時能夠減少探頭組裝難度，簡化探頭組裝工藝過程。


圖I為MEMS - OCT舊版探頭三維設(shè)計；圖中，11、MEMS微鏡；12、透鏡；13、傳輸光纖；14、探頭基座；15、柔性電路板；16、塑料套管。
圖2為現(xiàn)有技術(shù)內(nèi)窺成像探頭中的光學(xué)組件；圖中，21、傳輸光纖；22、毛細(xì)玻璃管；23、透鏡。
圖3為MEMS - OCT成像系統(tǒng)示意圖；圖中，I、掃描光源；2、參考臂反射鏡；3、光電探測器；4、內(nèi)窺鏡探頭；5、樣品。
圖4為含有鍍膜光學(xué)組件的探頭示意圖；圖5為鍍膜光學(xué)組件結(jié)構(gòu)示意圖；圖6為出射光束偏下的外端面倒角光學(xué)組件探頭示意圖；圖7為出射光束偏下的外端面倒角光學(xué)組件結(jié)構(gòu)示意圖；圖8為出射光束偏上的外端面倒角光學(xué)組件探頭示意圖；圖9為出射光束偏上的外端面倒角光學(xué)組件結(jié)構(gòu)示意圖；圖中，41、連接件；42、探頭基座；43、柔性電路板；44、光學(xué)組件；45、聚焦光束；46、MEMS微鏡；47、探頭端蓋；48、窗片、51、傳輸光纖；52、裸光纖；53、毛細(xì)玻璃管；54、鍍膜光學(xué)組件；55、外管。
圖10為MEMS微鏡結(jié)構(gòu)示意圖；圖中，101、光學(xué)增透膜涂履層；102、頂層透光蓋片；103、微鏡鏡面；104、微鏡四周框架；105、底層基底。
圖11為探頭端蓋與基座D形橫截面配合示意圖；圖中，111、探頭基座；112、球冠狀孔；113、D形橫截面軸；114、探頭端蓋。
圖12為探頭端蓋與基座彈片/彈片夾配合示意圖；圖中，121、探頭基座；122、彈片槽；123、探頭端蓋；124、彈片夾。
圖13為探頭端蓋與基座銷釘或者螺釘配合示意圖；圖中，131、探頭基座；132、探頭基座銷釘孔或螺釘孔；133、探頭端蓋銷釘孔或螺釘孔； 134、銷釘或螺釘；135、探頭端蓋。
圖14為探頭端蓋與基座鍵/鍵槽配合示意圖；圖中，141、探頭基座；142、鍵槽；143、鍵；144、探頭端蓋。
具體實(shí)施方式
如圖3所示一種MEMS-OCT成像系統(tǒng)，它利用的是邁克爾遜干涉原理。掃頻光源I 將光分成兩路分別輸入?yún)⒖急鄯瓷溏R2和樣品臂微型內(nèi)窺鏡探頭4的兩路，都經(jīng)過反射后的兩路光在分束器一個端口產(chǎn)生干涉并由光電探測器(PD) 3采集，經(jīng)過反相傅利葉變換便可得到樣品深度信息，掃描深度及深度分辨率與掃頻光源有關(guān)。樣品臂采用可做橫向二維掃描的MEMS微鏡實(shí)現(xiàn)微型內(nèi)窺鏡探頭4對樣品5的區(qū)域掃描,便可實(shí)現(xiàn)樣品5的三維成像。 內(nèi)窺成像的關(guān)鍵是要實(shí)現(xiàn)光學(xué)探頭的橫向快速掃描，這就要求具有能夠設(shè)計出進(jìn)入人體狹小腔室的微型內(nèi)窺鏡探頭(2-5mm),同時能夠獲得較多的樣品信息并將其穩(wěn)定的傳輸給外部OCT成像系統(tǒng)。
OCT技術(shù)應(yīng)用于內(nèi)窺鏡的核心問題在于其內(nèi)窺光學(xué)探頭的微型化,隨著MEMS技術(shù)的發(fā)展，結(jié)合MEMS微鏡便可實(shí)現(xiàn)光學(xué)探頭的微型化。為提高OCT成像系統(tǒng)的成像質(zhì)量，需要對整套OCT成像系統(tǒng)進(jìn)行精密光學(xué)設(shè)計。特別是光學(xué)探頭的光路和光學(xué)界面設(shè)計，以及光學(xué)探頭結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化。
本發(fā)明探頭如圖4、6、8所示主要結(jié)構(gòu)包括連接件41探頭基座42、柔性電路板 43、光學(xué)組件44、聚焦光束45、MEMS微鏡46、探頭端蓋47、窗片48、。探頭基座42左端為T 形槽孔，T形槽狹窄處用于安裝光學(xué)組件44，較寬槽則方便柔性電路板43的伸出；探頭基座42右側(cè)為一個異形孔，探頭端蓋47插入與之配合；探頭基座42內(nèi)孔各表面均涂履能夠吸引紅外光的材料，有效減少雜散光帶來的干擾信號；探頭端蓋47左側(cè)具有斜坡槽，用于安放柔性電路板43，柔性電路板43焊盤區(qū)粘結(jié)有MEMS微鏡46 ;與MEMS微鏡46正對的探頭基座42上開有窗口，用于窗片48安放。窗片48雙面涂履增透膜，或者窗片48采用透紅外材料加工制作。
從圖3可以知道光束由OCT系統(tǒng)中邁克爾遜干涉環(huán)形器的一端輸入至內(nèi)窺鏡探頭左端傳輸光纖，繼而通過光學(xué)組件射向MEMS微鏡,經(jīng)MEMS微鏡反射后透過探頭窗片匯聚于窗口上表面0_2_處。
發(fā)明探頭中主要光學(xué)元器件為光學(xué)組件，它是由光纖和透鏡組成的具有將傳輸光束聚焦成一個較小光斑的功能，從而能夠?qū)崿F(xiàn)較強(qiáng)的光束入射至樣品里層并經(jīng)光學(xué)組件聚焦后接收較強(qiáng)的樣品返回信息。因此光學(xué)組件的光路設(shè)計尤為重要，它直接影響OCT的成像質(zhì)量。這里光學(xué)組件中主要有三個光學(xué)界面光纖部件端面和透鏡兩端的兩個端面。為減少光學(xué)界面的光損失和產(chǎn)生折回干擾信號，光學(xué)組件各光學(xué)界面可通過涂履增透膜或者進(jìn)行端面倒角來實(shí)現(xiàn)。
光學(xué)組件如圖5、7、9所示，將傳輸光纖51 —端部分去除外皮的裸光纖52裝入毛細(xì)玻璃管53中，然后對此部件進(jìn)行端面涂履增透膜或者倒角后裝入外管55的左側(cè)，透鏡54 一端亦可涂履增透膜或者端面倒角并與光纖部件倒角面平行插入外管55合適位置，另一端面可涂履增透膜或者端面倒角。采用此光學(xué)組件組裝的內(nèi)窺鏡光學(xué)探頭(如圖4、圖6、圖 8所示)可有效地減少光的損失，同時有效阻止反射光折回給OCT成像造成信號干擾。
根據(jù)光學(xué)組件結(jié)構(gòu)設(shè)計的不同，發(fā)明探頭有多種實(shí)現(xiàn)方式方式一如圖4所示，當(dāng)光學(xué)組件44中的各個光學(xué)界面均采用涂履增透膜時，光學(xué)組件 44安放于探頭基座42槽孔中間位置，經(jīng)光學(xué)組件44出射的聚焦光束45平行探頭基座軸線射且與MEMS微鏡46成一角度(95度-175度)射向MEMS微鏡46。
方式二如圖6所示，當(dāng)光學(xué)組件44中的光纖部件和透鏡靠光纖部件端面采用涂履增透膜或者端面倒角，而透鏡靠MEMS微鏡46側(cè)端面采用端面倒角，出射光偏下，光學(xué)組件 44可安放于探頭基座42槽孔偏上位置，經(jīng)光學(xué)組件44出射的聚焦光束45斜向下且與MEMS 微鏡46成一角度(95度-175度)射向MEMS微鏡46。
方式三如圖8所示，光學(xué)組件44外端面倒角出射光偏上，光學(xué)組件44安放于探頭基座42槽孔偏下位置，經(jīng)光學(xué)組件44出射的聚焦光束45斜向上且與MEMS微鏡46成一角度(95度-175度)射向MEMS微鏡46。
光學(xué)組件外端面倒角出射光偏左或偏右，經(jīng)光學(xué)組件出射的聚焦光束與MEMS微鏡鏡面成95度-175度射向MEMS微鏡。
光學(xué)探頭中光路經(jīng)由光學(xué)組件聚焦后射向MEMS微鏡，如圖10所示MEMS微鏡由頂層透光蓋片102、微鏡鏡面103、微鏡四周框架104和底層基底105組成。其中MEMS微鏡中的頂層透光蓋片102雙面涂履光學(xué)增透膜101，根據(jù)光學(xué)探頭對MEMS微鏡的設(shè)計需求亦可去除此頂層透光蓋片。MEMS微鏡鏡面可通過濺射的方式形成具有較高光反射率的金屬膜層，提高光學(xué)界面質(zhì)量。MEMS微鏡四周框架104上表面涂履能夠吸收紅外光的材料，能有效抑制雜散光經(jīng)框架上表面反射產(chǎn)生的干擾光信號。
為保證光學(xué)組件聚焦光束準(zhǔn)確射向MEMS微鏡中心，用于MEMS微鏡安放的探頭端蓋與用于組裝光學(xué)組件的探頭基座的配合方式可以有以下幾種方式方式一，探頭基座 111右側(cè)加工橫截面為球冠狀孔112，探頭端蓋插入段加工成D形橫截面軸113，探頭端蓋 114插入后即可實(shí)現(xiàn)兩者的周向定位。方式二，探頭基座121右側(cè)圓孔壁上加工若干彈片槽 122，探頭端蓋123插入軸四周分布若干彈片夾124，探頭端蓋插入后彈片夾與探頭基座彈片槽卡緊實(shí)現(xiàn)兩者的周向定位。方式三，探頭基座131右側(cè)壁上開有銷釘孔或螺釘孔132， 探頭端蓋135右側(cè)合適位置亦開有同樣大小的銷釘孔或螺釘孔134，探頭端蓋插入基座調(diào)整至兩銷釘孔或螺釘孔重合時，插入銷釘或擰上螺釘133可實(shí)現(xiàn)兩者的周向定位。方式四， 探頭基座141右側(cè)圓孔下部為一個鍵槽142，探頭端蓋插入段留有與之配合的鍵143，探頭CN 102525379 A端蓋144插入即可實(shí)現(xiàn)兩者的周向定位。
權(quán)利要求
1.一種提高光學(xué)質(zhì)量的光學(xué)探頭，包括連接件、探頭基座、柔性電路板、光學(xué)組件、MEMS 微鏡、探頭端蓋和窗片，其特征在于所述光學(xué)組件包括傳輸光纖、毛細(xì)玻璃管、玻璃管外殼和透鏡；傳輸光纖套入毛細(xì)玻璃管內(nèi)，再與透鏡一起套入玻璃管外殼中形成光學(xué)組件；所述光纖端面和透鏡兩端的端面三個光學(xué)端面涂履增透膜或者進(jìn)行端面倒角。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種提高光學(xué)質(zhì)量的光學(xué)探頭，其特征在于所述探頭基座左端為T形槽孔，T形槽狹窄處用于安裝光學(xué)組件，較寬槽則方便柔性電路板的伸出；探頭基座右側(cè)為一個異形孔，探頭端蓋插入與之配合；探頭基座內(nèi)孔各表面均涂履能夠吸收紅外光的材料；探頭端蓋左側(cè)具有斜坡槽，用于安放柔性電路板，柔性電路板焊盤區(qū)粘結(jié)有 MEMS微鏡；與MEMS微鏡正對的探頭基座上開有窗口，窗口安裝有窗片，所述窗片雙面涂履增透膜，或者窗片采用透紅外材料加工制作。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種提高光學(xué)質(zhì)量的光學(xué)探頭，其特征在于光學(xué)組件中的各個光學(xué)界面均采用涂履增透膜，光學(xué)組件安放于探頭基座槽孔中間位置，經(jīng)光學(xué)組件出射的聚焦光束平行探頭基座軸線且與MEMS微鏡鏡面成95度-175度射向MEMS微鏡。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種提高光學(xué)質(zhì)量的光學(xué)探頭，其特征在于光學(xué)組件中的光纖部件和透鏡靠光纖部件端面采用涂履增透膜或者端面倒角，而透鏡靠MEMS微鏡側(cè)端面采用端面倒角，出射光偏下，光學(xué)組件安放于探頭基座槽孔偏上位置，經(jīng)光學(xué)組件出射的聚焦光束斜向下且與MEMS微鏡成95度-175度射向MEMS微鏡。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種提高光學(xué)質(zhì)量的光學(xué)探頭，其特征在于光學(xué)組件外端面倒角出射光偏上，光學(xué)組件安放于探頭基座槽孔偏下位置，經(jīng)光學(xué)組件出射的聚焦光束斜向上且與MEMS微鏡鏡面成95度-175度射向MEMS微鏡。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種提高光學(xué)質(zhì)量的光學(xué)探頭，其特征在于光學(xué)組件外端面倒角出射光偏左或偏右，經(jīng)光學(xué)組件出射的聚焦光束與MEMS微鏡鏡面成95度-175度射向MfflS微鏡。
7.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的一種提高光學(xué)質(zhì)量的光學(xué)探頭，其特征在于探頭端蓋與探頭基座的周向定位配合方式是D形橫截面實(shí)現(xiàn)配合、彈片/彈片夾配合、銷釘或者螺釘配合、鍵/鍵槽配合中的任一種方式。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一項所述的一種提高光學(xué)質(zhì)量的光學(xué)探頭,其特征在于所述MEMS微鏡包括頂層透光蓋片、微鏡鏡面、微鏡四周框架和底層基底；所述MEMS微鏡中的頂層透光蓋片雙面涂履光學(xué)增透膜，微鏡四周框架上表面涂履能夠吸收紅外光的材料。
全文摘要
本發(fā)明公布了一種提高光學(xué)質(zhì)量的光學(xué)探頭，包括連接件、探頭基座、柔性電路板、光學(xué)組件、MEMS微鏡、探頭端蓋和窗片，光學(xué)組件包括光纖和透鏡，光纖端面和透鏡兩端的端面三個光學(xué)端面涂履增透膜或者進(jìn)行端面倒角。本發(fā)明設(shè)計的光學(xué)探頭從光路源頭著手，依次對光學(xué)探頭的光纖、透鏡、MEMS微鏡和窗片的光學(xué)界面進(jìn)行了設(shè)計，且探頭基座內(nèi)表面與MEMS微鏡四周框架均涂履有能夠吸收紅外光的膜層材料，從而有利于光學(xué)探頭中光學(xué)質(zhì)量的提高；減少了通過各光學(xué)界面光的損失；并能減少甚至消除各光學(xué)界面對系統(tǒng)產(chǎn)生干擾的反射光信號。另外探頭基座與探頭端蓋的機(jī)械結(jié)構(gòu)能夠保證光路的準(zhǔn)直和光學(xué)探頭的簡易組裝。
文檔編號A61B1/00GK102525379SQ201210039188
公開日2012年7月4日 申請日期2012年2月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月21日
發(fā)明者嚴(yán)冬梅, 傅霖來, 王東琳, 謝會開, 陳巧 申請人:無錫微奧科技有限公司