lightsheet內(nèi)窺鏡探頭和mems變形鏡

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1、Lightsheet內(nèi)窺鏡探頭為了能實(shí)時(shí)在體觀測生物組織如大腦神經(jīng)元細(xì)胞，顯微鏡探頭尺寸必須降低到最小，因此小型光片內(nèi)窺鏡的探頭使用梯度折射率透鏡作為探頭透鏡組的基本透鏡。國外實(shí)驗(yàn)室對于利用梯度折射率透鏡搭建光片內(nèi)窺鏡已有一些成果，其中比較完善的光片內(nèi)窺鏡結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示，這套系統(tǒng)不僅通過自聚焦透鏡實(shí)現(xiàn)了光片激發(fā)而且還設(shè)置了落射式激發(fā)光路作為成像對比。圖1（引用至“Miniaturizedselectiveplaneilluminationmicroscopyforhigh-contrasti

2、nvivofluorescenceimaging,ChristophJ.Engelbrecht,etc,OpticsLetters,35-1413,2010”）激光通過偏振分光鏡一路耦合進(jìn)光纖進(jìn)入GRIN1透鏡組，另一路經(jīng)過一個(gè)伽利略望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)耦合入光纖束進(jìn)入GRIN2透鏡組。其中光纖傳像束為一段特殊光纖，其纖芯區(qū)域由許多根纖芯按陣列排列而成，如此一來當(dāng)光纖傳像束之前的光學(xué)系統(tǒng)在光纖束端面處呈實(shí)像時(shí)，在光纖束的另一端端面處會(huì)成一個(gè)1:1等大的像。GRIN1透鏡組由一個(gè)1/4pitch的自聚焦透鏡、

3、一個(gè)一維折射率的小于1/4pitch的自聚焦透鏡，一段用作空間光路介質(zhì)的玻璃柱體和一個(gè)轉(zhuǎn)角棱鏡組成，其中1/4pitch梯度折射率透鏡實(shí)現(xiàn)的功能是將從光纖發(fā)出的有一定發(fā)散角的激發(fā)激光整形為準(zhǔn)直光，一維透鏡的功能是將準(zhǔn)直光匯聚，使其在經(jīng)過一段空間光路后的焦點(diǎn)處產(chǎn)生光片，直角轉(zhuǎn)角棱鏡的功能為使熒光激發(fā)面旋轉(zhuǎn)90度與成像光路像方焦平面相重合。GRIN2透鏡組由兩個(gè)不同數(shù)值孔徑的自聚焦透鏡組成，成像光路在之前小節(jié)中已經(jīng)闡述，此處不再多述。當(dāng)該系統(tǒng)工作在光片成像模式時(shí)，激發(fā)光進(jìn)入GRIN1并在成像光路像方焦

4、平面出形成光片，激發(fā)這一區(qū)域內(nèi)的熒光物質(zhì)產(chǎn)生熒光。產(chǎn)生的熒光被GRIN2收集并成像于透鏡組末端即光纖傳像束的端面上導(dǎo)出至探頭外，最后經(jīng)過一個(gè)顯微成像系統(tǒng)成像于相機(jī)中觀測。圖2：直角轉(zhuǎn)角棱鏡這是一種效果顯著的光片激發(fā)方式，但這種方式結(jié)構(gòu)上有一個(gè)很大的缺點(diǎn)如圖2所示，即用于旋轉(zhuǎn)激發(fā)光路的轉(zhuǎn)角棱鏡低于光片激發(fā)區(qū)域，這就意味著整個(gè)探頭的最頂端部分已經(jīng)侵入了生物組織樣本中，而侵入生物組織后樣本細(xì)胞能否像沒有侵入時(shí)一樣工作是我們所不能保證的事情。所以，如何通過非侵入式轉(zhuǎn)角棱鏡實(shí)現(xiàn)光片功能，并得到相同的質(zhì)量光學(xué)

5、切片變成了一個(gè)亟待解決的問題。Zemax設(shè)計(jì)和仿真了一個(gè)lightsheet內(nèi)窺鏡探頭，指標(biāo)為：（1）雙光路透鏡直徑2mm（2）內(nèi)窺鏡探頭與樣本間距為0.1-0.2mm（3）視場范圍在100um×100um以上（4）光片質(zhì)量較好，即光束形狀盡量扁平（5）成像光路所成的像達(dá)到正常標(biāo)準(zhǔn)圖3：內(nèi)窺鏡整體結(jié)構(gòu)的立體渲染圖圖4：光片激發(fā)光路的立體結(jié)構(gòu)渲染圖光片激發(fā)光路：激發(fā)光源的激光經(jīng)過單模光纖到達(dá)探頭激發(fā)光路的初始位置處，首先通過一個(gè)1/4pitch的自聚焦透鏡擴(kuò)束為一束準(zhǔn)直的平行光后，經(jīng)過一塊自定義的非

6、序列部件也就是一維徑向梯度折射率透鏡后使光束在子午面匯聚，在弧失面對光束無作用。從一維透鏡聚焦射出的光經(jīng)過一段空間光路到達(dá)自定義的轉(zhuǎn)角棱鏡，使光路偏折45°到達(dá)生物樣本區(qū)域。圖5：成像光路的立體結(jié)構(gòu)渲染圖成像光路：被光片激發(fā)的區(qū)域處于像方焦平面處，熒光從自定義的轉(zhuǎn)角棱鏡端面射入成像透鏡組，經(jīng)反射偏折后進(jìn)入一個(gè)略小于1/4pitch的大數(shù)值孔徑材料的自聚焦透鏡，使像方中點(diǎn)發(fā)出的光在這一自聚焦透鏡末端面出成平行出射的準(zhǔn)直光。然后進(jìn)入一個(gè)1/4pitch的小數(shù)值孔徑的自聚焦透鏡，并使發(fā)出熒光的物在末端面

7、處成實(shí)像，并被傳像束導(dǎo)出。MEMS變形鏡在硅基上刻蝕特定結(jié)構(gòu)，采用SU-8光膠膜作為彈性媒介，通過附著在SU-8光膠膜的銀層作為反射媒介，通過在SU-8光膠膜基電極和硅基電極間加直流電壓偏置（調(diào)節(jié)初始位置偏移量）和交流電壓（控制振幅和形變頻率）改變MEMS反射面的曲率，實(shí)現(xiàn)反射型透鏡的變焦。通過改變硅基上刻蝕的結(jié)構(gòu)可以優(yōu)化MEMS變形鏡的性能。其中將空氣孔的刻蝕方向由原來的平行于硅基變?yōu)榇怪庇诠杌?，控制空氣孔的?shù)量和布局結(jié)構(gòu)，極大的提高M(jìn)EMS變形鏡的相應(yīng)速度和變形頻率。（引用至“HighSpee

8、dFocusControlMEMSMirrorWithControlledAirDampingforVitalMicroscopy,MohammadJ.Moghimietc,Journalofmicroelectromechanicalsystem,Vol.22,No.4,August2013”）圖6目前已經(jīng)有人用直徑為3mm的MEMS變形鏡（采用垂直硅基刻蝕空氣孔的方法，最大諧振頻率為25Khz，在形變量為3μm以內(nèi)響應(yīng)時(shí)間為100μs），在形變量為9μm（變焦范圍為75μm），