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用于激光扫描显微镜的MEMS镜头架构

激光扫描显微镜可以通过包含在光学微机械系统(MEMS)设备内来小型化以在体内成像微环境,以替换现有的更大的组件。多功能有源光学器件是新兴元件,其支持衍射极限性能的小型化,光学器件中的光学系统设计更简单。在最近的一项研究中,刘天波和美国电子和计算机工程和皮肤病学系的一组研究人员提出了反射折射(允许光反射和折射)显微镜物镜,其具有集成的MEMS器件来执行双轴扫描,轴向焦点调整和控制球面像差。

该材料科学家包括反射MEMS扫描器到MEMS的在镜头架构来支持在更宽的角度范围内,以产生图像的集光高数值孔径(NA)的成像。刘等人。通过将扫描镜包括在物镜中来实现MEMS镜头结构,其中光束轴垂直于镜面,而不需要分束器来分离入射光束和反射光束。他们展示了反射折射系统的光学性能(使用基于新物镜设计的共聚焦显微镜,通过对硬和软目标进行成像,使光折射和反射具有最小像差的光学系统)。改进的成像技术将允许对疾病进行高级诊断。该研究的结果现已发表在Light:Science&Applications上。

活体动物中未制备和未清除的器官可以使用扫描激光共聚焦和多光子显微镜技术在体内成像。技术进步促进了小型动物模型(如小鼠)的台式成像,皮肤病诊所中也出现了适用于非侵入性检查光学皮肤活组织检查的医学应用。然而,传统的激光扫描显微镜很大并且限制了医​​学和活体动物成像过程。因此,为了进入人体和图像走动动物,科学家必须使这些仪器小型化。

具有较小仪器的微型扫描机构,例如微机械系统装置,可以取代扫描和聚焦光束所需的现有庞大机构,用于迄今为止不可能的应用。例如,科学家们能够在自由移动的鼠标头上安装一台重量仅为2.15 g的MEMS扫描微型双光子显微镜,用于脑部成像。这些装置还有助于激光扫描显微镜适应内窥镜平台和基于MEMS的光学活检实验,以检测体内癌症。除了占地面积较小外,MEMS扫描仪还通过在其生产过程中结合多个自由度以及光学架构,实现小型化。

在目前的工作中,刘等人。探索了一种新的光学架构,用于微型高NA扫描激光显微镜,在物镜内部配备3-D MEMS扫描仪。他们展示了镜片内MEMS的光学布局,以制造器件并在体内进行操作。科学家通过成功复制先前由同一组引入的方法来设计MEMS 3-D扫描镜。对于体内显微镜,他们操作超半球(提供更广泛的视野)与含有可变折射率的组织接触从1.3到1.4不等。基于这些参数,科学家模拟了该装置的成像性能。他们得出结论,BK-7玻璃的超半球作为组织显微镜的前透镜元件是有效的,其中在模拟孔径处部署有源3-D MEMS扫描仪。

为了展示共焦成像,科学家们使用了一个带有集成3-D MEMS镜的物镜台式模型。刘等人。使用薄层水基超声凝胶将镜子附着在样品台上。作为一个例子,他们将人颊细胞样品(~80μm)引入样品台,然后用显微镜拍摄它们的图像。在成像过程中,科学家使用633 nm氦氖激光进行照射。然后,他们将感兴趣的样品附着在与超半球透镜相对的玻璃晶片上。刘等人。包括在光纤和复合透镜元件之间的50/50分束器以分离反射光,以及10μm针孔以对反射光进行空间滤波。

MEMS 共聚焦显微镜还允许在样品表面下成像,Liu等人。通过对感兴趣的样品成像来证明这一点。对于样品,他们在超声透射凝胶中悬浮6μm聚苯乙烯微珠,然后通过图像的体积重建跟踪成像过程,以更好地说明在不同焦平面处的共焦切片。尽管图像分辨率很高,但科学家们观察到珠子的三维轮廓既不均匀也不对称,需要进一步优化该技术。

开发的3-D MEMS镜为仪器提供了完整的扫描和聚焦控制,以及球面像差的电子控制。与之前描述的3-D MEMS反射镜相比,新工作显示出更高的分辨率,使其可以包含在紧凑的MEMS镜头系统中。

以这种方式,天波Liu和同事提出并开发了一种反射折射MEMS的在镜头显微镜物镜和集成的MEMS 3-d扫描器中成像应用来执行与控制球面像差双轴扫描。刘等人。模拟了所提出的仪器结构的发展,以表明对于用于体内成像应用的未来,小型化和高NA激光扫描显微镜的巨大希望。

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