一种微型显微成像镜头的制作方法

本实用新型涉及光学成像技术领域，具体涉及了一种微型显微成像镜头。

背景技术：

微型显微物镜在内窥镜以及其他微型显微成像设备中扮演极为重要的角色。特别是对于荧光显微成像来说，采用中低数值孔径(numericalaperture，na<0.6)微型显微物镜的单光子激发荧光成像已被用于消化道自发荧光成像(autofluorescenceimaging，afi)和激光共聚焦(confocal)内窥成像中。对于此类微型显微物镜，通常可以采用如下几种技术方案：1、基于梯度折射率透镜的方案，该方案适合直径极小(透镜直径低至0.3毫米)，但对刚性部分长度要求不大的应用；2、基于多片球面透镜的方案，该方案适合直径较大(透镜直径2毫米以上)，材料可采用玻璃或聚合物，成本低；3、包含多片非球面透镜的方案，该方案适合直径较大(透镜直径2.2-2.3毫米以上，国内通用加工标准)，但是对于刚性部分长度要求较高的应用。对于单光子激发荧光成像来说，由于染料种类丰富，激发波长很多，因此在可见光波长范围内消色差很重要。

近年来，以双光子激发荧光成像为代表的非线性光学成像已逐渐进入内窥成像领域。双光子激发荧光(two-photonexcitationfluorescence，tpef)、双光子激发自发荧光(two-photonexcitationautofluorescence，tpeaf)和二次谐波产生(secondharmonicgeneration，shg)等二阶非线性光学效应需要物镜的数值孔径>0.7-0.8；三光子激发荧光(three-photonexcitationfluorescence，tripef)、三次谐波产生(threeharmonicgeneration，thg)和相干反斯托克斯拉曼散射(coherentantistokesramanscattering，cars)等三阶非线性光学效应需要物镜的数值孔径>1.0。如此高要求的数值孔径对于微型显微物镜的设计和加工提出了很大的技术挑战。目前世界上针对二阶非线性光学效应的微型显微物镜有以下几种实现方案：1、梯度折射率透镜加高折射率半球透镜的方案，以德国grintech公司为代表，高折射率半球透镜用于提高数值孔径至0.8，直径小；2、基于多片球面透镜的方案，适合直径较大(透镜直径2毫米以上)，材料可采用玻璃或聚合物，成本低，但是数值孔径不大于0.8。对于非线性光学成像来说，由于应用较单一，染料种类固定，激发波长也固定，因此消色差不太重要。对于非切片生物样品成像来说，物镜的工作距离很重要，而场曲不太重要。

目前世界上现无任何微型显微物镜产品或研究成果可以同时满足刚性部分小于3毫米，又能满足透镜直径小于2毫米，数值孔径大于0.7的要求。

技术实现要素：

本实用新型针对现有的用于非线性光学成像的微型显微物镜无法同时满足刚性部分小于3毫米，又能满足透镜直径小于2毫米，数值孔径大于0.7的要求，提出了一种微型显微成像镜头，能够同时满足刚性部分小于3毫米，又能满足透镜直径小于2毫米，数值孔径大于0.7的要求。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：

一种微型显微成像镜头，包括物镜和聚焦透镜，所述物镜包括若干物镜镜片，所述聚焦透镜包括若干聚焦透镜镜片，所述物镜与所述聚焦透镜分离，所述物镜和所述聚焦透镜之间设置有二向色镜扫描器，所述二向色镜扫描器位于根据激发光波长计算的物镜的后焦平面。

与现有技术相比，本实用新型的原理及有益效果：使用时，通过二向色镜扫描器将激光输入光纤输入的激光(激发激光)反射至预定位置(物镜)，被观测物体激发的非线性光学信号经过物镜后到达二向色镜扫描器处，二向色镜扫描器让非线性光学信号透射、穿过，非线性光学信号被聚焦透镜接收，随后聚焦透镜将接收到的非线性光学信号聚焦在激光输出光纤表面，从而完成对被观测物体的观测。

本实用新型采用物镜和聚焦透镜分离，中间插入二向色镜扫描器的设计，使微型显微成像镜头的体积大大缩小，能够同时满足刚性部分小于3毫米，又能满足透镜直径小于2毫米，数值孔径大于0.7的要求。

进一步，所述二向色镜扫描器能够进行机械转动。通过二向色镜扫描器转动，能够达到改变激光反射角度的效果。

进一步，所述二向色镜扫描器包括二向色镜片和不影响非线性光学信号透射的环形的驱动器，二向色镜片覆盖于环形的驱动器上。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，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，使整个二向色镜扫描器体积更小、重量更轻。

进一步，所述二向色镜片的材质为熔融石英。采用熔融石英材质，使其表面容易清理干净。

进一步，所述物镜采用模压加工工艺制成。以使制作更加便捷。

进一步，所述物镜的材质为光学玻璃或高分子聚合物。该材质下物镜具有轻质量的优点。

进一步，所述聚焦透镜采用模压加工工艺制成。以使制作更加便捷。

进一步，所述聚焦透镜的材质为光学玻璃或高分子聚合物。该材质下聚焦透镜具有轻质量的优点。

进一步，所述物镜的数值孔径为0.5至1.2之间任一数值。该范围下物镜的分辨率更好，从而使成像效果更佳。

进一步，所述物镜在空气中的工作距离为0.1毫米至2毫米之间任一数值。该范围下观察的视野更佳，更有利于对物体进行观测。

附图说明

图1为本实用新型实施例的光学结构示意图；

图2为本实用新型实施例中二向色镜扫描器的立体结构示意图；

图3为本实用新型实施例中物镜的激发光焦平面渐晕图；

图4为本实用新型实施例中聚焦透镜的发射光焦渐晕图。

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：第一物镜镜片1、第二物镜镜片2、第一聚焦透镜镜片3、第二聚焦透镜镜片4、二向色镜扫描器5、二向色镜片6、驱动器7。

实施例基本如附图1至图4所示：

一种微型显微成像镜头，包括物镜和聚焦透镜，物镜与聚焦透镜分离设置，其中，物镜和聚焦透镜均采用模压加工工艺制成；本实施例中，物镜和聚焦透镜均选用光学玻璃或高分子聚合物材质制成。物镜的数值孔径为0.5至1.2之间任一数值，聚焦物镜的数值孔径为0.3至1.1之间任一数值；本实施例中，物镜的数值孔径为0.815，长度为1毫米；聚焦物镜的数值孔径为0.4，长度为2.227毫米。

物镜包括第一物镜镜片1和第二物镜镜片2，第一物镜镜片1具有相对物侧的表面s11和相对像侧的表面s12，第二物镜镜片2具有相对物侧的表面s21和相对像侧的表面s22；聚焦透镜包括第一聚焦透镜镜片3和第二聚焦透镜镜片4，第一聚焦透镜镜片3具有相对物侧的表面s31和相对像侧的表面s32，第二聚焦透镜镜片4具有相对物侧的表面s41和相对像侧的表面s42。

其中，物镜需要满足如表1中所列的条件。

表1

聚焦透镜物镜需要满足如表1中所列的条件。

表2

物镜和聚焦透镜之间设置有二向色镜扫描器5，二向色镜扫描器5位于根据激发光波长计算的物镜的后焦平面。二向色镜扫描器5包括二向色镜片6和不影响非线性光学信号透射的环形的驱动器7，二向色镜片6覆盖于环形的驱动器7上，本实施例中，二向色镜片6为圆形，其直径为0.8毫米，厚度为0.145毫米，其材质选用熔融石英。驱动器7选用微机电驱动器7。

具体实施时，将本实用新型的微型显微成像镜头安装于微型探头内，通过激光输入光纤发射激光，再通过二向色镜扫描器5将激光输入光纤输入的激光(激发激光)反射至预定位置(物镜)，被观测物体激发的非线性光学信号经过物镜后到达二向色镜扫描器5的表面，二向色镜扫描器5让非线性光学信号透射、穿过，非线性光学信号被聚焦透镜接收，随后聚焦透镜将接收到的非线性光学信号聚焦在激光输出光纤表面，从而让微型探头完成对被观测物体的观测。过程中，通过驱动器7驱动二向色镜片6进行二维旋转，从而实现二向色镜扫描器5对物体的二维点扫描平面。

如附图3所示，物镜的激发光焦平面渐晕图中，激发光波长在全部视角下都达到大于0.9的透射效率。

如附图4所示，聚焦透镜的发射光焦平面渐晕图中，发射光波长在小于0.077毫米视场下达到大于0.9的透射效率。

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及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。