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1、(10)授权公告号 CN 102670179 B (45)授权公告日 2014.02.05 CN 102670179 B (21)申请号 201210167500.5 (22)申请日 2012.05.28 A61B 5/00(2006.01) (73)专利权人 凝辉 ( 天津 ) 科技有限责任公司 地址 300384 天津市高新区华苑产业园区华 天道 2 号火炬大厦辅楼 235 室 (72)发明人 徐英舜 CN 202920132 U,2013.05.08, CN 102169219 A,2011.08.31, JP 2007286129 A,2007.11.01, JP 2008046591。
2、 A,2008.02.28, JP 2009063637 A,2009.03.26, CN 101393105 A,2009.03.25, (54) 发明名称 基于双旋转微镜的光学扫描探针 (57) 摘要 一种基于双旋转微镜的光学扫描探针， 它包 括双旋转微镜， 微光学系统和硅光学平台， 其中双 旋转微镜包括微驱动器、 平面弹簧、 环形镜片和圆 形镜片。微驱动器的输出端与平面弹簧的输入端 相连， 平面弹簧的输出端分别与环形镜片和圆形 镜片的输入端相连 ； 微光学系统包括自聚焦透镜 和单模光纤 ； 硅光学平台用于校准和固定微光学 系统， 并为双旋转微镜提供电气连接 ； 经过微光 学系统传输和聚焦。
3、的入射光束经双旋转微镜偏转 90 度后垂直入射到成像目标， 由成像目标反射回 来的光束经双旋转微镜偏转 90 度后由微光学系 统收集并传输到外部光学成像系统。 (51)Int.Cl. (56)对比文件 审查员 张玲玲 权利要求书 1 页 说明书 3 页 附图 2 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利 权利要求书1页 说明书3页 附图2页 (10)授权公告号 CN 102670179 B CN 102670179 B 1/1 页 2 1. 一种基于双旋转微镜的光学扫描探针， 其特征在于 ： 包括双旋转微镜， 微光学系统 和硅光学平台， 其中双旋转微镜包括微驱动器、 平面弹簧。
4、、 环形镜片和圆形镜片 ； 微驱动器 的输出端与平面弹簧的输入端相连， 环形镜片与 4 个平面弹簧相连， 其中， 每个平面弹簧的 输出端与环形镜片的输入端相连 ； 圆形镜片与另外 4 个平面弹簧相连， 其中， 每个平面弹簧 的输出端与圆形镜片的输入端相连 ； 每个双旋转微镜包括1个环形镜片、 1个圆形镜片、 8个 平面弹簧和 8 个微驱动器， 环形镜片和圆形镜片各与 4 个平面弹簧相连， 每个平面弹簧与 1 个微驱动器相连 ； 微光学系统包括自聚焦透镜和单模光纤 ； 硅光学平台用于校准和固定微 光学系统， 并为双旋转微镜提供电气连接。 2. 如权利要求 1 所述的一种基于双旋转微镜的光学扫描探。
5、针， 其特征在于 ： 所述的微 驱动器采用微加工技术制成， 基于电热驱动原理， 由硅， 二氧化硅， 金属， 金属氧化物等组 成。 3. 如权利要求 1 所述的一种基于双旋转微镜的光学扫描探针， 其特征在于 ： 所述的环 形镜片和圆形镜片的机械偏转角度均为 0-45 度。 4. 如权利要求 1 所述的一种基于双旋转微镜的光学扫描探针， 其特征在于 ： 所述的平 面弹簧采用微加工技术制成， 由硅， 二氧化硅等组成。 5. 如权利要求 1 所述的一种基于双旋转微镜的光学扫描探针， 其特征在于 ： 所述的环 形镜片为环形， 采用微加工技术制成， 由硅， 二氧化硅， 金属， 金属氧化物等组成， 与圆形镜。
6、 片反光面相对的表面镀有高反射率镀层。 6. 如权利要求 1 所述的一种基于双旋转微镜的光学扫描探针， 其特征在于 ： 所述的圆 形镜片为圆形， 采用微加工技术制成， 由硅， 二氧化硅， 金属， 金属氧化物等组成， 与环形镜 片反光面相对的表面镀有高反射率镀层。 7. 如权利要求 1 所述的一种基于双旋转微镜的光学扫描探针， 其特征在于 ： 所述的微 光学系统包括自聚焦透镜和单模光纤， 两者之间采用光学树胶连接 . 8. 如权利要求 1 所述的一种基于双旋转微镜的光学扫描探针， 其特征在于 ： 所述的硅 光学平台采用微加工技术制成， 表面刻有 V 型槽， 表面有金属线为一端的双旋转微镜和另 一。
7、端的外部电子驱动信号接口之间建立电气连接。 权 利 要 求 书 CN 102670179 B 2 1/3 页 3 基于双旋转微镜的光学扫描探针 技术领域 0001 本发明涉及一种用于二维圆周扫描和三维螺旋扫描的光学扫描探针， 特别是采用 双旋转微镜作为光学扫描器件。 背景技术 0002 微型旋转光学扫描器件在光学内窥成像领域有很重要的应用。 集成有微型旋转光 学扫描器件的成像探针可在人体各种直径的管道 ( 如血管， 消化道等 ) 内完成 360 度圆周 扫描， 从而获得二维横截面图像或三维螺旋扫描图像。 0003 通常， 微型旋转光学扫描器件都采用基于压电或静电驱动原理的微型旋转电机。 其直径。
8、一般为 4-5mm 左右， 但其长度较长， 严重影响其所在的成像探针的弯曲灵活性。为 了克服其长度问题， 世界上有些科研单位已研发了薄型超声波电机， 但目前未见其大量 应用 ； 另一些研究组开发了采用硅微加工技术制造的扫描微镜， 如新加坡 Institute of Microelectronics开发的电热双轴扫描微镜及其在圆周扫描应用方面的探索。 虽然目前单 一电热双轴扫描微镜无法达到 45 度左右的机械偏转角度， 但是采用双微镜组合令入射光 线旋转 2 次后能够完美地将入射光线弯折 90 度以垂直入射成像目标。 0004 本发明提出一种用于二维圆周扫描和三维螺旋扫描的光学扫描探针， 特别是。
9、采用 双旋转微镜作为光学扫描器件， 获得 90 度的光学反射角度， 并完成 360 度圆周扫描。 发明内容 0005 本发明的目的在于提出用于二维圆周扫描和三维螺旋扫描的光学扫描探针， 特别 是采用双旋转微镜作为光学扫描器件， 获得90度的光学反射角度， 并完成360度圆周扫描。 0006 为实现上述目的， 本发明采用技术方案是 ： 它包括双旋转微镜， 微光学系统和硅 光学平台， 其中双旋转微镜包括微驱动器、 平面弹簧、 环形镜片和圆形镜片。微驱动器的输 出端与平面弹簧的输入端相连， 平面弹簧的输出端分别与环形镜片和圆形镜片的输入端相 连 ； 每个器件包括 1 个环形镜片、 1 个圆形镜片、 。
10、8 个平面弹簧和 8 个微驱动器， 环形镜片和 圆形镜片各与4个平面弹簧相连， 每个平面弹簧与1个微驱动器相连 ； 微光学系统包括自聚 焦透镜和单模光纤 ； 硅光学平台用于校准和固定微光学系统， 并为双旋转微镜提供电气连 接 ； 经过微光学系统传输和聚焦的入射光束经双旋转微镜偏转 90 度后垂直入射到成像目 标， 由成像目标反射回来的光束经双旋转微镜偏转 90 度后由微光学系统收集并传输到外 部光学成像系统。 0007 所述的微驱动器采用微加工技术制成， 基于电热驱动原理， 由多层材料， 如硅， 二 氧化硅， 金属， 金属氧化物等组成， 用于将外部输入的电驱动信号通过双金属片效应转换为 机械形。
11、变 ； 0008 所述的平面弹簧采用微加工技术制成， 由多层材料， 如硅， 二氧化硅等组成， 用于 将微驱动器一端的位移传递给环形镜片和圆形镜片 ； 0009 所述的环形镜片为环形， 采用微加工技术制成， 由多层材料， 如硅， 二氧化硅， 金 说 明 书 CN 102670179 B 3 2/3 页 4 属， 金属氧化物等组成， 用于反射经圆形镜片反射的入射光线， 一面镀有高反射率镀层 ； 0010 所述的圆形镜片为圆形， 采用微加工技术制成， 由多层材料， 如硅， 二氧化硅， 金 属， 金属氧化物等组成， 用于反射直接入射的光线， 与环形镜片反光面相对的表面镀有高反 射率镀层 ； 0011 。
12、所述的微光学系统包括自聚焦透镜和单模光纤， 两者之间采用光学树胶连接 ； 0012 所述的硅光学平台采用微加工技术制成， 表面刻有 V 型槽用于校准和固定微光学 系统， 表面有金属线为一端的双旋转微镜和另一端的外部电子驱动信号接口之间建立电气 连接。 0013 本发明的工作原理是这样的 ： 外部输入的电驱动信号， 通常为特定频率正弦波波 形， 输入到不同微驱动器的电驱动信号具有固定的相位差， 通常为 90 度 ； 驱动电流使微驱 动器内的金属或硅加热器产生热量， 使微驱动器的温度上升。 微驱动器为多层材料构成， 不 同的材料具有不同的热膨胀系数， 因此随着温度上升， 微驱动器会发生形变， 向热。
13、膨胀系数 较小的材料一侧弯曲。微驱动器的一端固定在硅片上， 另一端通过平面弹簧连接在环形镜 片和圆形镜片上。 在不同相位的电驱动信号的作用下， 各微驱动器按顺序交替发生形变， 使 环形镜片和圆形镜片抬起并指向覆盖 360 度的不同方向。由于环形镜片与圆形镜片的高反 射率镀层相对， 入射光线首先照射到圆形镜片中心， 经圆形镜片反射到环形镜片上， 再经环 形镜片反射到成像目标。环形镜片和圆形镜片的抬起角度均为 22.5 度， 因此入射光线经过 两次反射后， 与入射方向相比旋转了 90 度。因此， 双微镜旋转扫描器件， 可以获得 90 度的 光学反射角度， 并完成360度圆周扫描。 微光学系统包括自。
14、聚焦透镜和单模光纤 ； 硅光学平 台用于校准和固定微光学系统， 并为双旋转微镜提供电气连接 ； 经过微光学系统传输和聚 焦的入射光束经双旋转微镜偏转 90 度后垂直入射到成像目标， 由成像目标反射回来的光 束经双旋转微镜偏转 90 度后由微光学系统收集并传输到外部光学成像系统。 0014 本发明由于采用了上述技术方案， 具有如下优点 ： 0015 1、 基于目前现有材料和微加工工艺， 可以获得 90 度的光学反射角度， 并完成 360 度圆周扫描 ； 0016 2、 明显缩短了扫描器件的轴向长度。 附图说明 0017 图 1 为本发明的结构示意图 ； 0018 图 2 为入射光束旋转 90 度。
15、示意图 ； 0019 图 3 为 4 通道电驱动信号波形 ； 0020 图 4 为镜片 360 度圆周扫描示意图。 具体实施方式 0021 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明 ： 如图 1 所示， 它包括它包括双旋 转微镜 1， 微光学系统 2 和硅光学平台 3， 其中双旋转微镜 1 包括微驱动器 1.1、 平面弹簧 1.2、 环形镜片 1.3 和圆形镜片 1.4。微驱动器 1.1 的输出端与平面弹簧 1.2 的输入端相连， 平面弹簧 1.2 的输出端分别与环形镜片 1.3 和圆形镜片 1.4 的输入端相连 ； 每个器件包括 1 个环形镜片 1.3、 1 个圆形镜片 1.4、 8 个平面。
16、弹簧 1.2 和 8 个微驱动器 1.1， 环形镜片 1.3 说 明 书 CN 102670179 B 4 3/3 页 5 和圆形镜片 1.4 各与 4 个平面弹簧 1.2 相连， 每个平面弹簧 1.2 与 1 个微驱动器 1.1 相连 ； 微光学系统 2 包括自聚焦透镜 2.1 和单模光纤 2.2 ； 硅光学平台 3 用于校准和固定微光学 系统， 并为双旋转微镜1提供电气连接 ； 经过微光学系统2传输和聚焦的入射光束经双旋转 微镜 1 偏转 90 度后垂直入射到成像目标， 由成像目标反射回来的光束经双旋转微镜 1 偏转 90 度后由微光学系统 2 收集并传输到外部光学成像系统。 0022 所。
17、述的微驱动器 1.1 采用微加工技术制成， 基于电热驱动原理， 由多层材料， 如 硅， 二氧化硅， 金属， 金属氧化物等组成， 用于将外部输入的电驱动信号通过双金属片效应 转换为机械形变 ； 0023 所述的平面弹簧 1.2 采用微加工技术制成， 由多层材料， 如硅， 二氧化硅等组成， 用于将微驱动器 1.1 一端的位移传递给环形镜片 1.3 和圆形镜片 1.4 ； 0024 所述的环形镜片 1.3 为环形， 采用微加工技术制成， 由多层材料， 如硅， 二氧化硅， 金属， 金属氧化物等组成， 用于反射经圆形镜片 1.4 反射的入射光线， 一面镀有高反射率镀 层 ； 0025 所述的圆形镜片 1。
18、.4 为圆形， 采用微加工技术制成， 由多层材料， 如硅， 二氧化硅， 金属， 金属氧化物等组成， 用于反射直接入射的光线， 与环形镜片 1.3 反光面相对的表面镀 有高反射率镀层 ； 0026 本发明的工作原理是这样的 ： 外部输入的电驱动信号， 使微驱动器 1.1 内的金属 或硅加热器产生热量， 使微驱动器 1.1 的温度上升。微驱动器 1.1 为多层材料构成， 不同的 材料具有不同的热膨胀系数， 因此随着温度上升， 微驱动器 1.1 会发生形变， 向热膨胀系数 较小的材料一侧弯曲。微驱动器 1.1 的一端固定在硅片上， 另一端通过平面弹簧 1.2 连接 在环形镜片 1.3 和圆形镜片 1。
19、.4 上。根据图 2 所示， 由于环形镜片 1.3 与圆形镜片 1.4 的 高反射率镀层相对， 入射光线首先照射到圆形镜片1.4中心， 经圆形镜片1.4反射到环形镜 片 1.3 上， 再经环形镜片 1.3 反射到成像目标。环形镜片 1.3 和圆形镜片 1.4 的抬起角度 均为 22.5 度， 因此入射光线经过两次反射后， 与入射方向相比旋转了 90 度。根据图 3-4 所 示， 4 通道电驱动信号通常为特定频率正弦波波形， 输入到不同微驱动器 1.1 的电驱动信号 具有固定的相位差， 通常为90度 ； 在不同相位的电驱动信号的作用下， 各微驱动器1.1按顺 序交替发生形变， 使环形镜片 1.3。
20、 和圆形镜片 1.4 抬起并指向覆盖 360 度的不同方向。因 此， 入射光线经过圆形镜片 1.4 和环形镜片 1.32 次反射后得 90 度的光学反射角度， 并完成 360 度圆周扫描。微光学系统 2 包括自聚焦透镜 2.1 和单模光纤 2.2 ； 硅光学平台 3 用于校 准和固定微光学系统， 并为双旋转微镜1提供电气连接 ； 经过微光学系统2传输和聚焦的入 射光束经双旋转微镜1偏转90度后垂直入射到成像目标， 由成像目标反射回来的光束经双 旋转微镜 1 偏转 90 度后由微光学系统 2 收集并传输到外部光学成像系统。 0027 本发明所述的环形镜片和圆形镜片的机械偏转角度均为 (0-45) 度。 说 明 书 CN 102670179 B 5 1/2 页 6 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 102670179 B 6 2/2 页 7 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 102670179 B 7 。