一种三维微型内窥镜的制作方法

本实用新型涉及内窥镜技术领域，特别涉及一种三维微型内窥镜。

背景技术：

随着科学技术的发展，医用内窥镜已经被广泛应用与医疗领域，它是人类窥视、治疗人体内器官的重要工具之一。内窥镜在200多年的发展过程中结构发生了四次大的改进，从最初的硬管式内窥镜、半曲式内窥镜到纤维内窥镜，又到如今的电子内窥镜，影像质量也发生了一次次质的飞跃。当今使用led照明，内窥镜可以获得彩色相片或彩色电视图像，同时，其图像不再是组织器官的普通图像，而是如同在显微镜下观察到的微观图像，微小病变清晰可辨。根据现有的临床经验，内窥镜的微型成像探头体积越小，硬性段越短，能够最大程度减小病人的痛楚，所以内窥镜一直朝着小型化发展。

现有的内窥镜一般包括物镜、扫描透镜、聚焦透镜、柱状透镜、玻片和收集透镜等，物镜用于将来自微机电扫描仪的激光会聚到活体样本内部，以激发活体样本产生荧光信号以及用于输出荧光信号；扫描透镜布置在微机电扫描仪和物镜之间的光路上，用于将微机电扫描仪二维扫描所产生的角度变化的激光转化成位置变化的激光；聚焦透镜，用于激光聚焦；柱状透镜，用于形成线状焦点；波片，用于改变激光的偏振方向；收集透镜，用于收集非线性光学信号并输入激光输出光纤。

对于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，同一个物镜既被用于聚焦激发光，又被用于收集荧光信号。被物镜收集的荧光信号的强度取决于物镜的数值孔径和物镜前孔径，物镜的数值孔径和物镜前孔径越大，物镜能收集的荧光信号的强度越大。

近年来出现了很多技术收集物镜无法收集到的荧光光子，例如，2006年折返射物镜被提出；2007年采用抛物面镜和2011年采用圆柱面镜的发射检测技术被提出，仿真获得了10倍荧光收集效率增强，实验获得了8.9倍荧光收集效率增强。此外，通过在物镜周围安排5-8根高数值孔径的光纤来收集物镜收集不到的荧光，可以在高数值孔径物镜获得2倍荧光收集效率增强，在低数值孔径物镜获得20倍荧光收集效率增强。

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物镜无法收集到的荧光光子。由于荧光光子的散射角度和离散性很大，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，为了保证荧光光子的收集效率，不得不将用于增强荧光收集效率的额外光学元件的体积增大，这对内窥镜朝着小型化的发展趋势形成了严重技术障碍，因此如何在保证内窥镜的收集荧光光子效率的前提下，还能减小内窥镜的体积成为亟待解决的问题。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本实用新型提供了一种三维微型内窥镜，在保证内窥镜收集荧光光子的效率的前提下，解决了内窥镜体积大而阻碍内窥镜使用的问题。

为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是：一种三维微型内窥镜，包括微型成像探头，微型成像探头包括可与外部样品正对的物镜，物镜上开有用于收集外部样品产生的荧光光子的前孔径，物镜连接有用于收集前孔径无法收集的荧光光子的光电检测器，光电检测器包括相互依次连接的滤光片、光电敏感单元和驱动单元，滤光片和物镜可同时正对外部样品；滤光片用于滤出背向反射和背向散射的荧光光子，电敏感单元用于将穿过滤光片的荧光光子转化为电信号，驱动单元用于对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。

本实用新型的原理是：近红外激光脉冲被物镜聚焦后在样品中激发出各向同性发射的荧光信号(即荧光光子)，由于荧光光子的散射角度离散性很大，使得物镜上设置的前孔径只能收集到部分荧光光子，未能进入前孔径荧光光子射向光电检测器，光电检测器中的滤光片用于滤出背向反射和背向散射的激发光，之后光电敏感单元将滤光片过滤的荧光光子感应，并将接收到的荧光光信号转化为电信号，其中驱动单元用于对光电敏感单元提供高压和驱动信号，促使光电敏感单元将接收到的荧光光子信号转变为电信号，同时驱动单元与外部放大电路和计算机相连，将光电敏感单元产生的电信号传输给外部放大电路和计算机，从而使未能被前孔径收集的荧光光子通过光电检测器能被外部电路和计算机检测到，使尽可能多的荧光光子能被收集，从而增加内窥镜的成像清晰度。

由于本申请中采用了光电检测器代替传统的额外光学元件对荧光光子进行收集，而采集荧光光子信号的滤光片、光电敏感单元和驱动单元是集成在光电检测器内，光电检测器的体积相对于传统额外光学元件的大大减小，使得用于增强荧光光子收集部件的整体体积减小，避免增强荧光光子收集部件(本申请中的光电检测器)对成像区域的遮挡，从而使电生理实验拥有更大的操作空间，实现电生理实验的准确、顺利进行；而且由于光电检测器的体积减小，在保证荧光光子收集效率的同时，使得整个内窥镜体积的进一步减小成为可能，很好地解决了当前内窥镜中荧光光子收集效率和体积之间的矛盾，使内窥镜得到了良好改善。

采用上述方案的优点是：

1.内窥镜体积小：相比于现有技术中需要使用额外光学元件对未能被前孔径收集的荧光光子进行收集，额外光学元件的光路复杂，造成额外光学元件的体积较大，使得荧光光子收集效率和内窥镜的体积矛盾无法得到解决，现有技术中的商用内窥镜外径一般在9-11mm。本申请中利用光电检测器代替额外光学元件，改变传统额外光学元件对荧光光子收集的原理，使得荧光光子能被光电检测器收集并形成电信号，简化光路而使得内窥镜整个体积减小，经过本申请的改进，内窥镜的体积可以缩小至5×5×5mm，且其荧光光子收集效率较高，因此很好地解决了现有技术中内窥镜如何平衡其体积和保证荧光光子收集效率的问题，使得在保证收集荧光光子收集效率得到保障的前提下，内窥镜的体积得到减小。

2.收集荧光光子的效率高：相比于现有技术中利用额外光学元件对未被前孔径收集的荧光光子进行收集，额外光学元件的光路复杂，而荧光光子的散射角度和离散性很大，荧光光子在被额外光学元件收集时，部分荧光光子在额外光学元件的传播中未能被收集，而本申请中利用光电检测器收集荧光光子时，进入滤光片的荧光光子随即被光电敏感单元检测到而生产电信号，荧光光子的传播距离小，可以减少荧光光子不必要的损失，从而使荧光光子的收集效率提高。

进一步，光电检测器数量为若干，若干光电检测器均布于前孔径的周向。

相比于现有技术中利用额外光学元件对未能被前孔径收集的荧光光子进行收集，由于荧光光子的散射角度和离散性很大，而前孔径对荧光光子的收集有限，前孔径周向外围的荧光光子无法被收集，由于现有额外光学元件的光路传播特点，需要利用额外光学元件对荧光光子进行引导，额外光学元件是无法分布在前孔径的周向(因为如果分布在前孔径的周向，各个额外光学元件的光路相互影响而造成荧光光子的收集效率降低)。本方案中，由于光电检测器的体积较小，同时进入光电检测器的荧光光子直接由光电敏感单元感应并形成电信号，其光路简单而不必利用光学元件进行额外的引导，从而时前孔径的周向能被设置多个光电检测器，从而使得内窥镜收集荧光光子的效率得到提升，使内窥镜的成像效果更好。

进一步，还包括平面二向色镜扫描器，用于将激光和非线性光学信号分开以及输出非线性光学信号，还用于改变激光的入射角角度让激光对外部样品内部组织的平面进行二维点扫描；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。

利用平面二向色镜扫描器完成对外部样品内部组织的平面进行二维扫描，同时还利用垂直二向色镜扫描完成对远端z轴的扫描，结合平面二向色镜扫描器和垂直二向色镜扫描器，从而完成对外部样品的三维扫描。

进一步，还包括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的准直透镜。

准直透镜对接收到偏振激光并将偏正激光准直成平行光(准直处理)，并减少不同频率激光之间的色差(消色差处理)，从而使输入平面二向色镜的激光具有更加良好的光学性能。

进一步，平面二向色镜扫描器包括二向色镜片和用于驱使二向色镜片改变角度的微机电驱动器，二向色镜片为偏振敏感型，反射s型偏振光，透射p型偏振光，二向色镜片固定连接于微机电驱动器上，平面二向色镜扫描器位于物镜的后焦平面。

在本方案中，s型线偏振激光从激光输入光纤输出至准直透镜，s型线偏振激光反射并经过柱状透镜在平面二向色镜扫描器表面的某一方向(x方向)上聚焦成线状，平面二向色镜扫描器反射s型线偏振激光，然后聚焦透镜将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玻片，s型线偏振的偏振方向旋转45度，然后激光在y方向被聚焦在垂直二向色镜扫描器的表面，平面垂直二向色镜扫描器反射激光，反射后并发散的激光再次穿过玻片，激光的偏振方向再次同方向旋转45度，变成p型线偏振光，再次经过聚焦透镜变成x方向聚焦而y方向准直的光束投射在平面二向色镜扫描器表面，平面二向色镜扫描器透射同波长p型线偏振激光，二向色镜扫描器位于物镜的后焦平面，平面二向色镜扫描器中的可动镜片沿与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，实现让激光对外部样品内部组织的平面进行二维线扫描。

进一步，垂直二向色镜扫描器与平面二向色镜扫描器结构相同，垂直二向色镜扫描器位于柱状透镜的后焦平面。

垂直二向色镜扫描器的结构与平面二向扫描器的结构相同，只是垂直二向色镜扫描器位于柱状透镜的后焦平面，当二向色镜扫描器完成一帧二维线扫描图像时，垂直二向色镜扫描器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，参见botcherbyej,smithcw,kohlmm,etal.aberration-freethree-dimensionalmultiphotonimagingofneuronalactivityatkhzrates.proceedingsofthenationalacademyofsciencesoftheunitedstatesofamerica.2012；109(8):2919-2924.doi:10.1073/pnas.1111662109.)的原理，使外部样品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上在z方向上的扫描实现了三维线扫描。

在使用内窥镜时，由于在临床使用时，不能对病人注射荧光染料，因此，仅能够将双光子激发自发荧光、二次谐波发生和相干反斯托克斯拉曼散射3种无标记信号的方式应用于临床，对于上述三种无标记信号的成像方式，本方案均能够通过改变激光入射光纤中的激光的波长以及配置不同参数的二向色镜扫描器实现；而且由于本方案未设置扫描透镜和镜筒透镜，可以有效的减少微型光学探头整体的体积，以达到减小内窥镜体积的目的。而且在本方案中，由于激光输入光纤输入的激光信号和聚焦透镜接收的非线性光学信号的波长不同(即具有若干不同的波长)，可通过准直透镜本身具有消色差的效果，以满足基本成像需求。

进一步，准直透镜和平面二向色镜扫描器之间的光路上设有反射镜。

反射镜设置在准直透镜和平面二向色镜扫描器之间的光路上，用于调整准直透镜输出激光的角度并反射至平面二向色镜扫描器，从而使平面二向色镜扫描器获得不同入射角度的激光，便于成像。

进一步，反射镜包括透射面和反射面，透射面设有用于增强透射率的透射镀膜层，反射面设有用于增强反射率的反射镀膜层。

在反射镜上设置用于增强透射率的透射镀膜层和用于增强反射率的反射镀膜层，有利于增强反射镜的透射率和反射率，从而使反射镜起到更好的反射效果。

进一步，反射镜的数量为多个。

由于内窥镜的体积一般较小，由于激光输入光纤和激光输出光纤是需要尽可能是缩小安装体积，其激光输入光纤和激光输出光纤的位置十分接近，因此在内窥镜内设置多个反射镜，用于调节光路。

进一步，物镜、光电检测器、平面二向色镜扫描器、垂直二向色镜扫描器、柱状透镜、准直透镜和反射镜均设有外壳包裹。

利用外壳将所有部件包裹，从而使内窥镜内部部件与外部样品之间分隔开，避免内窥镜检测时，外部样品对内窥镜的运行产生影响。

附图说明

图1为本实用新型实施例一中一种三维微型内窥镜的原理图。

图2为本实用新型实施例一中一种三维微型内窥镜的示意图。

图3为本实用新型实施例一中一种三维微型内窥镜的三维扫描的示意图。

图4为本实用新型实施例一中一种三维微型内窥镜的光电检测器的示意图。

图5为本实用新型实施例一中一种三维微型内窥镜的物镜与光电检测器配合图。

图6为本实用新型实施例二中一种三维微型内窥镜的物镜与光电检测器配合图。

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、平面二向色镜扫描器30、物镜40、聚焦透镜50、玻片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、光电检测器33、滤光片331、光电敏感单元332和驱动单元333。

实施例一

实施例一基本如图1、图2和图3所示，一种三维微型内窥镜，包括微型成像探头，微型成像探头由外壳100包裹，微型成像探头内按照光路依次包括：准直透镜10、柱状透镜12、反射镜20、平面二向色镜扫描器30、物镜40、聚焦透镜50、玻片60、垂直二向色镜扫描器70以及收集透镜80，其中物镜40包括用于收集荧光光子的前孔径，前孔径竖向设置且下端穿过外壳100底部后可与外部样品正对。

物镜40为非球面透镜，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。非球面透镜的物镜40，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。

柱状透镜12用于将准直后的激光在平面二向色镜扫描器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。

反射镜20包括投射面和反射面，数量为三片，用于平移光路，其材料为光学玻璃或高分子聚合物，透射面有增强透射率的透射镀膜层，反射面有增强反射率的反射镀膜层，本实施例中，反射镜20呈45度放置，用于将激光(激光信号)反射90度至平面二向色镜扫描器30。

平面二向色镜扫描器30用于将激光和非线性光学信号分开以及输出非线性光学信号，还用于改变激光的入射角角度，垂直二向色镜扫描器70用于反射激光并透射非线性光学信号。平面二向色镜扫描器30包括二向色镜片和用于驱动二向色镜片转动的微机电驱动器，二向色镜片物理连接在电驱动器上，二向色镜片材料为光学玻璃或高分子聚合物，用于反射s型偏振激光并透射p型偏振激光以及非线性光学信号，且平面二向色镜扫描器30是位于物镜40的后焦平面；垂直二向色镜扫描器70的结构和材质与平面二向色镜扫描器30相同，垂直二向色镜扫描器70位于柱状透镜12的后焦平面。

三维线扫描示意图详见图3，平面二向色镜扫描器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玻片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玻片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平面二向色镜扫描器30表面，平面二向色镜扫描器30透射同波长p型线偏振激光，平面二向色镜扫描器30位于物镜40的后焦平面，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，实现让激光对外部样品的平面进行二维线扫描。

当平面二向色镜扫描器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，通过远端扫描的原理，使外部样品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，外部样品内被激发出非线性信号被物镜40收集，依次经过透射非线性信号波长的平面二向色镜扫描器30、聚焦透镜50、玻片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，然后由收集透镜80将非线性信号呈x方向线状聚焦在激光输出光纤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。

由于本实用新型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，并且随着平面二向色镜扫描器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。

此外，为了提升荧光光子的效率以增加内窥镜的成像质量，在物镜40前孔径靠近外部样品一端的周向均匀设置有光电检测器33，如图4所示，光电检测器33包括右下至上依次设置的滤光片331、光电敏感单元332和驱动单元333，滤光片331用于滤出背向反射和背向散射的荧光光子，光电敏感单元用于将穿过滤光片331的荧光光子转化为电信号，驱动单元用于对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(图中未画出)。

本实施例中，如图5所示，光电检测器33的光电敏感单元332由多片的普通尺寸雪崩二极管组成环形阵列，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。利用光电检测器33可以将未能被物镜40前孔径收集的荧光光子进行收集，同时将收集到的荧光光子信号转换为电信号，然后传输至外部放大电路和计算机，从而使外部样品产生的荧光光子能被尽可能地收集，进一步提升内窥镜的三维成像质量。相比于使用额外光学元件，本方案中利用光电检测器33后，在保证内窥镜能够高效收集荧光光子的前提下，合理地减小了内窥镜的体积，使其小于5mm*5mm*5mm，小于商用内窥镜的外径(9mm-11mm)，从而使本方案中的内窥镜可与商用内窥镜可直接配合使用，极大地提升了内窥镜的实用性。

实施例二

实施例二与实施例一的区别在于：如图6所示，光电检测器33的光电敏感单元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物镜40的激发光，二维像素光电传感器的环形阵列用于接收物镜40接收不到的荧光光子。

实施例三

实施例三与实施例一的区别在于：滤光片331、光电敏感单元332和驱动单元333被保护元件保护起来，保护元件由透光的绝缘材料构成，如光学玻璃等，设置保护元件，一方面可以用于隔离外部样品和光电检测器33，同时还可用于电气隔离，数百微米级厚度的保护元件就能承受雪崩二极管的高驱动电压，防止光电敏感单元332的高电压对外接受检测人员造成危险。

以上所述的仅是本实用新型的实施例，方案中公知的具体结构或特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本实用新型结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本实用新型的保护范围，这些都不会影响本实用新型实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。