一种三维头戴式显微镜的制作方法
本发明涉及光学显微成像技术领域，尤其涉及一种三维头戴式显微镜。
背景技术：
在非线性光学成像显微镜，特别是多光子荧光显微镜中，近红外激光脉冲被显微物镜聚焦后在样品中激发出各向同性发射的荧光信号。生物组织通常表现出较强吸收和高散射的光学特性。对于落射式(epifluorescence)荧光检测，同一个显微物镜既被用于聚焦激发光，又被用于收集荧光信号。被显微物镜收集的荧光信号的强度取决于显微物镜的数值孔径和物镜前孔径(objectivefrontaperture，ofa)(e.beaurepaire,et.al,appliedoptics,vol.41,no.25,pp.5376-5382,2002)。显微物镜的数值孔径和物镜前孔径越大，显微物镜能收集的荧光信号的强度越大。对于双光子荧光显微镜中常见的数值孔径为0.8，放大倍率为40x的显微物镜来说，高散射样品中只有不到10％的立体角内的荧光被显微物镜收集到。
近年来出现了很多技术收集显微物镜无法收集到的荧光光子，2006年折返射显微物镜被提出(d.
以上用于增强荧光收集效率的技术均采用额外光学元件收集显微物镜无法收集到的荧光光子。由于荧光光子的散射角度离散性很大，进入额外收集光路后荧光光子多次反射路径复杂，损耗大，导致额外光学元件的实际收集效率受限。此外额外光学元件的形状复杂，加工难度很高，成本也较高。上述用于增强荧光收集效率的技术很多体积过大，都会遮挡成像区域，对同时进行的电生理实验操作造成阻碍。
另外，在小鼠实验中，常会使用显微镜对实验小鼠的活动、小鼠的生物组织的某些指标进行检测，但是根据上述所述可知，由于现目前的荧光收集的相关设备、元件的体积均比较大，故无法佩戴在小鼠的头部，无法对小鼠的活动和生物组织等某些指标进行实时检测，操作很是不便。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种三维头戴式显微镜,以对荧光收集的相关元件进行简化，使荧光收集的相关元件的体积更小的同时，并能够进行相关的实验操作和检测。
为达到上述目的，本发明的技术方案是：一种三维头戴式显微镜，包括透镜组件、物镜、扫描器组件，物镜上设有光电检测器，光电检测器包括保护元件、滤光片、光电敏感单元、驱动电路。
本方案的工作原理和效果为：本方案中的扫描器组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活体样本内部组织的平面进行二维线扫描，同时还可进行远端z轴扫描，实现三维成像，凡是能够实现三维扫描功能的扫描器，均可称之为扫描器组件，扫描器组件可根据不同的需求具体设置不同数量和类型的扫描器。物镜用于将来自扫描器组件的激光会聚到活体样本内部，以激发活体样本产生非线性光学信号以及用于输出非线性光学信号。透镜组件具有对光纤输出的激光进行准直、对不同频率的激光的色差减少、对激光进行聚焦等功能，根据每个显微镜的功能的不同和不同显微镜的具体差异，透镜组件可包括不同数量和类型的透镜。光电检测器用于收集物镜无法收集到的荧光光子。保护元件用于隔离外部实验样品，用于液浸的液体和光电检测器的滤光片，还用于电气隔离，防止光电检测器的光电敏感单元的高电压对样品和操作人员造成危险。光电检测器的滤光片用于滤出背向反射和背向散射的激发光。光电检测器的光电敏感单元用于将穿过滤光片的荧光光子转化为电信号，光电检测器的驱动电路用于对光电检测器的光电敏感单元提供高电压和驱动信号，并与外部放大电路和计算机相连。
本方案与现有技术相比，以常用的数值孔径为0.8，放大倍率为40x的液浸物镜为例说明，该液浸物镜的荧光发射半角为arcsin(0.8/1.33)＝30度，可以计算出，本发明在同款显微物镜的前孔径周围布置宽度为1mm的环形光电检测器可以收集到荧光发射半角为30度至60度之间的荧光光子，相当于具有激发数值孔径为0.8，而收集数值孔径为1.0，因此大大提高了荧光收集效率，提高了成像的信噪比，提高了在高散射介质中的成像深度。
并且，本方案中将光电检测器安装在物镜的周围即可实现了荧光的收集，相比现有的荧光收集设备、元件，体积大大减小，便于放置在动物的头部，对动物的活动和生物组织等某些指标进行实时检测，操作简单方便，且相比体积较大的荧光收集的设备和元件，成本大大降低。
进一步，透镜组件包括准直透镜、柱状透镜、聚焦透镜、收集透镜的一种或者以上多种透镜的组合；准直透镜，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；柱状透镜，用于形成线状焦点；聚焦透镜，用于激光聚焦；收集透镜，用于收集非线性光学信号并输入激光输出光纤。在实际生产、制作过程中，可根据使用的需求，根据每个显微镜的功能的不同和不同显微镜的具体差异，透镜组件可包括上述不同数量和类型的透镜。
进一步，还包括波片，波片用于改变激光的偏振方向。
进一步，光电敏感单元为雪崩二极管、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、单光子计数器件中的一种或包含以上多种器件的混合器件。上述器件均为常见的光电敏感单元，便于购买和配置，成本较低。
进一步，扫描器组件包括二向色镜扫描器和垂直二向色镜扫描器。二向色镜扫描器，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活体样本内部组织的平面进行二维线扫描。垂直二向色镜扫描器，用于进行远端z轴扫描，实现三维成像。本方案在针对活动动物脑成像方面，本方案未设置扫描透镜(scanlens)和镜筒透镜(tubelens)，通过将采用二向色镜扫描器，垂直二向色镜扫描器和透镜组件替代现有技术中二向色镜和微机电扫描仪，以达到在满足成像质量的前提下，大大提高成像速度，优化内部结构，减小自身重量的目的。在微型光学探头的重量减少的前提下，在进行活体样本的数据采集时，尤其是在进行活动动物脑成像方面，更方便佩戴在动物的头上，减小重量对动物活动的影响，进一步减少了检测误差。
进一步，二向色镜扫描器包括二向色镜片和可驱使二向色镜片改变角度的驱动器，二向色镜片覆盖于驱动器上。驱动器用于驱动二向色镜片转动，实现扫描。
现有的微机电扫描仪(mems)包括反射镜片和微机电驱动器，反射镜片覆盖于微机电驱动器上，其中，反射镜片有若干个，微机电驱动器可分别驱使反射镜片改变角度。在本方案中，用二向色镜片替换了反射镜片，且在本方案中驱动器不会影响到非线性光学信号的透射。另外，二向色镜片即起到了现有技术中的二向色镜的作用，也达到了让驱动器改变激光反射角度的效果，而且还能够达到减少元件数量，使得整个显微镜的体积更小、重量更轻。通过上述组装的方式，能够实现低成本获取到二向色镜扫描器。
进一步，二向色镜扫描器的晶圆的背面设有用于非线性光学信号透射过的透射孔。由此，能够快速的获得较为成熟的产品。
进一步，光电敏感单元为光电耦合器件、金属半导体氧化物器件、焦平面阵器件、光电倍增管器件、单光子计数器件中的一种或包含以上多种器件的混合器件时，光电检测器的保护元件与的光电敏感单元相对的表面为微透镜阵列。由此，通过本方案实现了将荧光聚焦到光电敏感单元的每个像素上，提高了感光效率。
进一步，还包括反射镜，反射镜包括透射面和反射面。反射将用于调整激光的照射的方向、入射角度等。通过透射面和反射面的设计能够达到较好的反射和透射的效果。
进一步，保护元件的表面设有防反射光学镀膜。由此，提高了荧光光子的透射率。
附图说明
图1为实施例1中一种三维头戴式显微镜的正向剖视图(同时公开了激光路线图)；
图2为图1中显微镜的物镜的放大示意图；
图3为光电检测器的结构示意图；
图4为实施例1中三维线扫描示意图；
图5为二向色镜扫描器的结构示意图；
图6为采用蚀刻的方式生产二向色镜扫描器的正剖图；
图7为本三维头戴式显微镜戴在小鼠头部时的示意图。
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：准直透镜10、柱状透镜12、反射镜20、二向色镜扫描器30、物镜40、聚焦透镜50、波片60、垂直二向色镜扫描器70、收集透镜80、激光输入光纤90、激光输出光纤91、外壳100、基片11、驱动器22、二向色镜33、光电检测器2、保护元件2.1、滤光片2.2、光电敏感单元2.3、驱动电路2.4。
实施例1
基本如附图1所示：一种三维头戴式显微镜，包括方形的外壳100，外壳100为高分子聚合物的材料的密封结构，外壳100中安装有准直透镜10、柱状透镜12、反射镜20、二向色镜扫描器30、物镜40、聚焦透镜50，波片60、垂直二向色镜扫描器70以及收集透镜80，具体的，对于安装方式可通过键合、卡接、粘接或者焊接的方式。结合图5和图6所示，本实施例中的二向色镜扫描器30包括二向色镜33片和不影响非线性光学信号透射的微机电驱动器22，二向色镜33片覆盖于微机电驱动器22上，微机电驱动器22可驱使二向色镜33片改变角度。本实施例中物镜40为非球面透镜，结合图2所示，本方案中的物镜40的底部通过键合的方式固定有光电检测器2，当然也可通过其他的方式进行固定，如粘接、焊接和卡接等。结合图3所示，本实施例中的光电检测器2包括保护元件2.1，滤光片2.2，光电敏感单元2.3和驱动电路2.4，滤光片2.2位于最下方，光电敏感单元2.3位于滤光片2.2的上方，驱动电路2.4位于光电敏感单元2.3的上方。本实施例中光电检测器2的保护元件2.1的材质为可透射可见光波长的绝缘材料，光电检测器2的滤光片2.2的材质为可透射可见光波长的绝缘材料，介电强度大于5mv/mm。光电检测器2的滤光片2.2用于滤出长波长的激发光，透过短波长的荧光光子。本实施例中显微物镜40与光电检测器2的保护元件2.1的相贴，光电检测器2的保护元件2.1和光电检测器2的滤光片2.2的相贴，光电检测器2的滤光片2.2和光电检测器2的光电敏感单元2.3相贴，光电检测器的光电敏感单元2.3的输出端和光电检测器2的驱动电路2.4的输入端电连接，光电检测器2的驱动电路2.4的输出端和外部放大电路和计算机电连接。本实施例中物镜40用于收集孔径之内的荧光光子，而光电检测器2位于显微物镜40距离样品较近的一端，且呈环状位于显微物镜40的前孔径周围，光电检测器1的保护元件2.1用于隔离样品，用于液浸的液体和光电检测器2的滤光片2.2，光电检测器2的保护元件2.1还用于电气隔离，防止光电检测器2的光电敏感单元2.3的高电压对样品和操作人员造成危险，光电检测器2的保护元件2.1的表面还镀有防反射光学镀膜，用于提高荧光光子的透射率，光电检测器2的滤光片2.2用于滤出背向反射和背向散射的激发光，光电检测器2的光电敏感单元2.3用于将穿过滤光片2.2的荧光光子转化为电信号，光电检测器2的驱动电路2.4用于对光电检测器2的光电敏感单元2.3提供高电压和驱动信号，并与外部放大电路和计算机相连，光电检测器2用于收集显微物镜收集不到的荧光光子。本实施例中的保护元件2.1，滤光片2.2，光电敏感单元2.3和驱动电路2.4可通过键合的方式固定在一起，当然也可通过其他的方式进行固定，如卡接等。
本实施例中光电检测器2的光电敏感单元2.3由单一的大面积雪崩二极管(largeareaavalanchephotodiode,laapd)经过机械钻孔或腐蚀加工或采用透明材料而成，中央的孔或透明材料用于透过显微物镜40的激发光，大面积光电倍增管的其余环形部分用于接收显微物镜40接收不到的荧光光子。由于雪崩二极管需要工作在反向偏置模式下，阴极面对液浸液体和生物样品，驱动电压高达数百至2000伏特，因此光电检测器2的保护元件2.1可由透光的绝缘材料构成，如光学玻璃等，保护元件2.1数百微米级厚度足够承受雪崩二极管的高驱动电压，避免对样品，显微镜和操作人员造成伤害。另外，本实施例中的光电敏感单元2.3为光电耦合器件、金属半导体氧化物器件、焦平面阵器件、光电倍增管器件、单光子计数器件中的一种或基于任何以上多种光电转换原理的混合器件时，光电检测器2的保护元件2.1与光电敏感单元2.3相对的表面为微透镜阵列，用于将荧光聚焦到光电敏感单元2.3的每个像素，提高感光效率。
结合图1所示，本实施例中的准直透镜10用于准直来自激光输入光纤90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至反射镜20。本实施例中的外壳100上设有使激光输入光纤90穿过的孔，激光输入光纤90卡接在孔上。另外，本实施例中的反射镜20的数量为三个，反射镜20上设有反射面，其中第一个反射镜20位于准直透镜10的下方，且反射面朝向右侧，第二个反射镜20位于第一个反射镜20的右侧，第二个反射镜20的反射面朝向左侧与第一个反射镜20的反射面相对，第三个反射镜20位于第二个反射镜20的下方，且第三个反射镜20的反射面也朝向左侧。本实施例中的非球面透镜的物镜40位于外壳100的底部上，外壳100的底部上设有用于安装物镜40的孔，物镜40的曲率半径随着中心轴而变化，用以改进光学品质，减少光学元件，降低设计成本。
本实施例中的柱状透镜12位于第三个反射镜20的左侧，柱状透镜12位于物镜40的右上方，二向色镜扫描器30位于物镜40的上方，且位于柱状透镜12的左侧，柱状透镜12用于将准直后的激光在二向色镜扫描器30表面的某一方向(此处称为x方向)上聚焦成线状焦点，即柱状透镜12的某一方向(x方向)的焦点位置在二向色镜表面，并且柱状透镜12的与某一方向(x方向)正交的另一方向(此处称为y方向)的焦点位置不在二向色镜表面。
本实施例中的反射镜20用于激光的照射角度并使激光通过柱状透镜12反射至二向色镜扫描器30上。另外，反射镜20可以为多片，用于平移光路，材料为光学玻璃或高分子聚合物，反射镜20上也可设有透射面和反射面，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，从而提高激光的反射和透射的效果。
本实施例中的聚焦透镜50位于二向色镜扫描器30的上方，二向色镜扫描器30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，二向色镜扫描器30反射s型线偏振激光，然后聚焦透镜50将s型线偏振激光在x方向上准直并在与x方向垂直的另一方向(y方向)上聚焦成线状，s型线偏振激光继续穿过位于聚焦透镜上方的波片60，s型线偏振的偏振方向旋转45度，然后激光在y方向被聚焦在位于波片60上方的垂直二向色镜扫描器70的表面，垂直二向色镜扫描器70反射激光，反射后并发散的激光再次穿过波片60，激光的偏振方向再次同方向旋转45度，变成p型线偏振光，再次经过聚焦透镜50变成x方向聚焦而y方向准直的光束投射在二向色镜扫描器30表面，二向色镜扫描器30透射同波长p型线偏振激光，二向色镜扫描器30位于物镜40的后焦平面，二向色镜扫描器30中的可动镜片沿与x轴平行的旋转轴进行旋转，最后p型线偏振光经过物镜40形成了位于样品内的x方向准直而y方向聚焦的线状焦点，线状焦点沿x方向进行扫描，从而形成二维扫描轨迹，实现让激光对活体样本内部组织的平面进行二维线扫描，当二向色镜扫描器30完成一帧二维线扫描图像时，垂直二向色镜扫描器70上的可动二向色镜沿光轴(z方向)移动一个距离，通过远端扫描(remotescanning)的原理，使活体样本内部组织的二维线扫描平面同样沿光轴移动一个距离，通过垂直二向色镜扫描器70上在z方向上的扫描实现了三维线扫描，样品内被激发出非线性信号被物镜40收集，经过透射非线性信号波长的二向色镜扫描器30，聚焦透镜50，波片60，呈y方向线状聚焦在垂直二向色镜扫描器70表面，垂直二向色镜扫描器70透射非线性信号波长，然后由位于垂直二向色镜扫描器70上方的收集透镜80将非线性信号呈x方向线状聚焦在位于收集透镜80上的激光输出光纤91表面，并最终传输至外部光电检测设备，其中，激光输入光纤90为大模场单模光纤或保偏光纤或光子晶体光纤，激光输出光纤91为光纤束，三维线扫描示意图详见图4；本实施例中的外壳100的顶部设有使激光输入光纤90的孔，激光输入光纤90卡接在孔上。
此外，由于本发明所采用的线扫描方式形成的线状焦点，物镜40所收集的荧光也是线状，并且随着二向色镜扫描器30的转动而在激光输出光纤91的端面平行移动，因此移动的线状荧光的检测是由具有可同步的滚动曝光快门技术的科学互补金属氧化物半导体(scmos)相机完成的，线状荧光的位置与scmos相机的滚动快门当前读出的某行光电检测单元严格同步，从而实现高速成像。
具体使用时：本实施例的准直透镜10使用的是消色差准直透镜10(#65-286，edmundopticsinc.，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％)，光束聚焦和激发效率。当然也可以为消色差设计，设计波长为700nm至1600nm之间的任意2个波长，可以为817nm和1064nm，但不限于这两个波长，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，用于激光的准直。
物镜40的数值孔径为0.7(水中)，二向色镜扫描器30内可动二向色镜的直径为2mm，封装尺寸为5×5mm2，第一谐振频率为400hz，其最大光学扫描角度为±15度,垂直二向色镜扫描器的z方向移动范围为300um，此外考虑激光输出光纤91的实际单模纤芯最小为3um，支持帧大小为512×512×100最大视场为400×400×300um3的成像,以实现高速图像采集，所采用的日本滨松orca-flash4.0cmos相机可以达到512×512×300@4fps。
聚焦透镜50为消色差设计，设计波长为350nm至700nm之间的任意2个波长，通常为408nm和633nm，但不限于这两个波长，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，用于将接收到的非线性光学信号聚焦并耦合入收集光纤。
具体的激光输入光纤90大模场单模光纤或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，材料为光学玻璃，石英，塑料或高分子聚合物，用于传输外部激发光源产生的激光。
本实施例中，如图5和图6所示，二向色镜扫描器30，为单轴结构，具体的包括镂空的基片11、驱动器22和镜面，驱动器22通过键合的方式固定在高分子聚合物制成的基片11上，驱动器22的两端设置扭转梁，扭转梁转动连接在基片11的内壁上，驱动器22用于根据指令改变镜面的角度，镜面包括若干二向色镜33，二向色镜33包括超薄片，超薄片上镀有二向色薄膜，二向色镜33片材料为光学玻璃或高分子聚合物，用于反射波长为700nm-1600nm的s型偏振激光并透射波长为700nm-1600nm的p型偏振激光以及波长为350nm-700nm的非线性光学信号，驱动器22包括若干可供非线性光学信号透射过的镜体，二向色镜33分别固定于镜体的表面上，镜体为环形，镜面的形状为圆盘形。本实施例中的驱动器22通常来说是采用静电驱动的，在驱动器22这块的设计上本实施例是采用现有的驱动器22设计，具体的可以采用memscap公司的表面微加工工艺soimumps。该技术为现有技术，在此不再赘述。
垂直二向色镜扫描器70，镜片为二向色镜44片，二向色镜44片材料为光学玻璃或高分子聚合物，用于反射波长为700nm-1600nm的激光并透射波长为350nm-700nm的非线性光学信号。
物镜40为消色差设计，设计波长为700nm至1600nm之间的任意2个波长，通常为817nm和1064nm，但不限于这两个波长，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，结构可以为传统的折射透镜，梯度折射率透镜或具有曲面外形的梯度折射率透镜，用于将入射的激光聚焦在活体样本(或者人体)表面，激发出非线性光学信号。
反射镜20呈45度放置，用于将激光(激光信号)反射90度至二向色镜扫描器30。
本实施例中，外壳100的体积小于5mm*5mm*5mm，具体使用时，可以将本发明固定在小鼠的头顶(如图7所示)，也可以安装于其他动物的头顶上，如狨猴、兔等。
通过本实施例，本方案中将光电检测器2安装在物镜40的周围即可实现了被检测物体的荧光的收集，相比现有的荧光收集设备、元件，体积大大减小，便于放置在动物的头部，对动物的活动和生物组织等某些指标进行实时检测，操作简单方便，且相比体积较大的荧光收集的设备和元件，成本大大降低。与现有技术相比，本实施例具有以下优点：以常用的数值孔径为0.8，放大倍率为40x的液浸物镜40为例说明，该液浸物镜40的荧光发射半角为arcsin(0.8/1.33)＝30度，可以计算出，本发明在同款显微物镜40的前孔径周围布置宽度为1mm的环形光电检测器2可以收集到荧光发射半角为30度至60度之间的荧光光子，相当于具有激发数值孔径为0.8，而收集数值孔径为1.0，因此大大提高了荧光收集效率，提高了成像的信噪比，提高了在高散射介质中的成像深度。
实施例2
本实施例中光电检测器2的光电敏感单元2.3由多片的普通尺寸雪崩二极管(avalanchephotodiode,laapd)组成环形阵列，中央的孔或透明材料用于透过显微物镜的激发光，多片的普通尺寸雪崩二极管用于接收显微物镜接收不到的荧光光子。
实施例3
本实施例中的光电检测器2的光电敏感单元2.3由二维像素光电传感器组成环形阵列，如ccd(光电耦合器件)器件，cmos(金属半导体氧化物)器件，fpa(焦平面阵列)器件，pmt(光电倍增管)器件，单光子计数器件或基于任何以上多种光电转换原理的混合器件，如滨松公司混合光电探测器(hpd)，中央的孔或透明材料用于透过显微物镜的激发光，二维像素光电传感器的环形阵列用于接收显微物镜接收不到的荧光光子。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，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。本发明所省略描述的技术、形状、构造部分均为公知技术。
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