專利名稱：一種mems光學探頭的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種內窺鏡成像·系統，更具體的，涉及一種MEMS光學掃描探頭。將MEMS微鏡與OCT技術相結合可實現OCT內窺鏡,米用MEMS微鏡的光學掃描探頭尺寸可以足夠小，在人體內可實現前向掃描和側前向掃描。
背景技術：
目前，醫療設備技術領域在進行內窺鏡成像系統開發過程中普遍采用的一種方法是將微機電系統技術(microelectromechanical systems,簡稱MEMS)的掃描微鏡與光學相干層析成像(Optical Coherence Tomography, OCT)技術相結合,開發出內窺鏡成像系統。在美國發明專利說明書US7，450244中公開了一種MEMS — OCT內窺鏡探頭，該探頭是國際上第一個MEMS - OCT內窺鏡探頭，是在2001年研發的，該內窺鏡采用電熱驅動的一維MEMS掃描微鏡，成功展示了活體豬膀胱的二維截面OCT圖像。在中國發明專利說明書CN201110367454. 9中也公開了一種內窺鏡微型光學探頭，該光學探頭也是采用MEMS微鏡，改變了探頭基座的內部結構和零部件的組裝方式，加工簡單，有利于批量化和實現一次性探頭。上述兩個專利均采用側向掃描的工作方式，需要將其側面窗口與樣品對準進行光學掃描，當此探頭用于內窺成像時，可方便實現腔道側壁的掃描，但不易于對人體內臟器官或其它隱藏較深組織的掃描，因此其應用范圍受到限制。基于上述描述，亟需要一種新的光學探頭，使用該光學探頭可進行對人體內臟器官和較隱蔽組織的掃描，可完成側向掃描探頭不易掃描區域的掃描工作。

發明內容
為解決上述問題，本發明的目的在于提供一種MEMS光學掃描探頭，該探頭采用前向掃描和側前向掃描的新型掃描工作方式，配合內窺鏡使用時，可實現對人體內臟器官和較隱蔽組織的掃描。本發明采用如下技術方案一種MEMS光學探頭，包括外殼及其組裝在其內部的底座、透鏡組件、MEMS微鏡和電路板，所述底座具有凹腔和斜面凹槽，所述電路板對應安裝于底座凹腔和斜面凹槽上，在斜面凹槽部分的電路板上設置有焊盤，所述MEMS微鏡安裝在電路板對應焊盤上，所述透鏡組件插入底座凹腔內，其內部安裝有用于形成聚焦光束的聚焦透鏡，用于向MEMS微鏡發射聚焦光束，所述外殼前端窗口的臺階內安裝有窗片，所述窗片與外殼的軸向方向相垂直或呈一定角度。作為優選，所述窗片的形狀為平面或曲面，采用具有光學增透涂層的玻璃或由其它對所用光透明的材料制作而成。作為優選，所述電路板還包括連接電路板與外部電路的電連接部，所述電連接部位于底座凹腔的左側尾部，用于傳輸外部電路與MEMS微鏡之間的信號。
作為優選,所述透鏡組件內的聚焦透鏡具有從30°到70°的倒角，具有該倒角角度的聚焦透鏡可以改變聚焦光束的出射方向，從聚焦透鏡發射出來的聚焦光束直接入射到MfflS微鏡。作為另一種優選，所述聚焦透鏡的端面具有4-10度之間某一角度的倒角或沒有倒角，在聚焦透鏡端面添加一個三棱鏡，該三棱鏡用來改變聚焦光束的出射方向，從聚焦透鏡發射出來的聚焦光束經過三棱鏡改變方向后入射到MEMS微鏡。作為再一種優選，在外殼的卡槽內安裝有一個反射鏡，從聚焦透鏡出來的聚焦光束直接入射到反射鏡上，再由反射鏡反射到MEMS微鏡。作為優選，所述底座斜面傾斜角為30°到70°之間的某一特定角度，具有該角度的斜面上設置有MEMS微鏡，用于光束的側前向掃描。作為優選，所述電連接部在底座上直接形成，分別在底座上直接形成電引線和焊盤，焊盤位于底座的斜面凹槽內，電引線連接焊盤后沿著斜面凹槽直至凹腔并延伸出去和 外部電路相連。作為優選，所述MEMS微鏡底部設置鍍有光學涂層的鏡面及其分布于四周的硅襯底，兩者之間用連接片橋接連接，在四周設置邊框，在邊框下端設置有用于導電連接的焊盤。作為優選，所述MEMS微鏡的外形為方形、圓形或多邊形。本發明的有益效果為，在本發明中，由于MEMS光學掃描探頭采用一種新型的掃描工作方式，即前向掃描和側前向掃描，配合OCT成像系統使用時,可實現對人體內臟器官和較隱蔽組織的掃描，可對側向掃描探頭不易掃描的區域進行掃描，使用更加靈活，適應性更強。由于OCT技術應用于內窺成像最大的難點也受限于探頭尺寸的縮小，采用MEMS技術可實現MEMS光學探頭的微型化，所以使用MEMS微鏡的探頭尺寸足夠小，可用于醫用內窺鏡和工業內窺鏡，比如可用于口腔、耳鼻喉、支氣管、關節、膀胱等組織器官的掃描診斷，也可以用于腹腔鏡手術。另外，探頭結構方式靈活，有兩種結構方式，探頭外殼的成型方法簡單，可采用擠出/注塑工藝一次成型，具有易于加工，便于組裝等優點，可實現探頭的大批量、小成本加工生產，將實現一次性探頭的目的。由于MEMS微鏡的邊框采用了減薄的方式，避免邊框的擋光，增大了 MEMS微鏡的掃描范圍。由于MEMS微鏡的外形不局限于方形，亦可采用圓形或多邊形結構，在有效面積不變的情況下，可進一步縮小MEMS微鏡的尺寸，有利于探頭尺寸的進一步縮小。


圖I為本發明提供的現有技術中側向掃描探頭的結構示意圖；圖2為本發明提供的探頭的結構示意圖；圖3為本發明提供的第一種實施方式的探頭結構剖視圖；圖4為本發明提供的第一種實施方式的探頭進行側前向掃描時的結構剖視圖；圖5為本發明提供的第一種實施方式的探頭主體結構圖；圖6為本發明提供的第一種實施方式的探頭爆炸圖；圖7為本發明提供的第一種實施方式的探頭主體和外殼配合的結構圖；圖8為本發明提供的第一種實施方式的聚焦透鏡帶有倒角的透鏡組件的結構圖9為本發明提供的第一種實施方式的帶有三棱鏡的透鏡組件的剖視圖；圖10為本發明提供的第二種實施方式的探頭結構剖視圖；圖11為本發明提供的第二種實施方式的探頭爆炸圖；圖12為本發明提供的第二種實施方式的透鏡組件的結構圖；圖13為本發明提供的MEMS微鏡的結構圖；圖14為本發明提供的MEMS微鏡的外形圖；圖15為本發明提供的MEMS光學探頭外殼擠出成型時的結構圖；圖16為本發明提供的MEMS光學探頭外殼注塑成型時的結構圖。
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圖中I、光纖連接端；2、電連接端；3、窗口 ；4、外殼；5、光纖連接端；6、電連接端；7、夕卜殼;701、U形鍵槽;8、窗口 ；9、MEMS微鏡;901、鏡面;902、硅襯底;903、連接片;904、邊框；905、焊盤；10、電路板；101、焊盤；11、透鏡組件；111、聚焦透鏡；112、三棱鏡；113、反射鏡；114、傳輸光纖；115、毛細玻璃管；116、玻璃管外殼；12、底座；121、凹腔；122、斜面凹槽；13、窗片；14、探頭主體；141、U形鍵；15、成型機；16、成型澆口 ；161、外固定圈；162、內固定圈；17、澆口 ；18、上模；19、下模；20、型芯。
具體實施例方式下面結合附圖并通過具體實施方式
來進一步說明本發明的技術方案。圖I為本發明提供的現有技術中側向掃描探頭的結構示意圖，從圖I可以看出，該掃描探頭的電連接端2 —端和光纖連接端I相連,并且兩者都置于外殼4外部,其中窗口 3位于外殼4的側面。現有技術中的探頭采用側向掃描的工作方式，需要將其側面窗口與樣品對準進行光學掃描，當此探頭用于內窺成像時，可方便實現腔道側壁的掃描，但不易于對人體內臟器官或其它隱藏較深組織的掃描，因此其應用范圍受到限制。圖2為本發明提供的探頭的結構示意圖，從圖2可以看出，光纖連接端5和電連接端6之間的連接方式和現有技術中的連接方式相同，并且兩者也位于外殼7外部。與現有技術不同的是，掃描窗口 8位于外殼7的端面,在外殼7前端窗口 8的臺階內安裝有窗片13，窗片13采用具有光學增透涂層的玻璃或由其它對所用光透明的材料制作而成，其形狀為平面或曲面。由于窗片13位于外殼7前端窗口 8的臺階內，所以本發明的探頭可以實現前向掃描和側前向掃描，配合內窺鏡使用時，可實現對人體內臟器官和較隱蔽組織的掃描。由于探頭前端的窗口 8安裝平面窗片或曲面窗片，可以保證出射光經過探頭窗口時減小散射和垂直反射，同時為了矯正成像畸變，可采用具有矯正畸變功能和特定設計的曲面窗片。圖3至圖9給出了本發明的第一種實施例的相關圖，于本實施例中，MEMS光學探頭主要由MEMS微鏡9、電路板10、透鏡組件11、底座12以及外殼7組成。MEMS微鏡9、電連接部及其透鏡組件11按光機電設計要求組裝在外殼7內，形成探頭主體14，然后用緊密連接、焊接或膠合的方式將光機電密閉在探頭內部，實現探頭主體14。具體的，其最底層為成一定角度的定位底座12，用于安放為MEMS微鏡9提供電連接的電路板10。底座12具有凹腔121和斜面凹槽122，其中，底座12的斜面傾斜角為30°到70°之間的一特定角度。電路板10分為水平端和傾斜端，水平端置于底座12的凹腔121內，傾斜端置于底座12的斜面凹槽122內。在電路板10的傾斜端上設置有焊盤101，并在焊盤101上安裝有MEMS微鏡9，MEMS微鏡9與焊盤101對齊后實行導電粘接或焊接。在電路板10水平端的左側尾部設置有電連接端2，電連接端2和外部電路相連，用于傳輸外部電路與MEMS微鏡9之間的信號,MEMS微鏡9的信號即可通過電路板10傳輸到外部電路中。透鏡組件11插入底座12凹腔121內置于傳輸端的上方，透鏡組件11內安裝有聚焦透鏡111，聚焦透鏡111可以形成聚焦光束，通過透鏡組件11向MEMS微鏡9鏡面上發射聚焦光束，調整聚焦光束在MEMS微鏡9鏡面上的位置后，用光學膠將透鏡組件11固定在定位底座12的凹腔121內。探頭內各零部件之間精密配合，形成探頭主體14。將鍍有光學涂層的窗片13粘貼在外殼7前端窗口 8的臺階內，用生物兼容密封膠水粘接固定，形成掃描窗口。其中外殼7前端的窗口 8所在的平面可以為平面，也可以為斜面，當為平面時，窗片13與外殼7的軸向方向相垂直；當為斜面時，窗片13與外殼7的軸向方向呈一定的角度。將探頭主體14插入外殼7內，使底座12的尾部U形鍵141和外殼7尾部的U形鍵槽701準確配合，再將探頭尾端用密封膠水密封，形成密封的探頭。此時MEMS微鏡9可以進行前向掃描或者斜前方掃描。
在本實施例中，電路板10可為柔性或硬性印刷電路板，也可為陶瓷或玻璃燒結而成的電路板。另外可在底座12上直接形成電引線和焊盤101，可省掉電路板10的使用。具體結構為，電引線和焊盤101在底座12上直接形成，焊盤101設置在底座12的斜面凹槽122內，電引線連接焊盤101后沿著斜面凹槽122直至凹腔121并延伸出去和外部電路相連。焊盤101和電引線相搭配可以在MEMS微鏡9于外部電路之間傳遞信號。于本實施例中，透鏡組件11由傳輸光纖114與毛細玻璃管115組裝好擴大直徑后，再與聚焦透鏡111在玻璃管外殼116中組裝而成。聚焦透鏡111的一端安裝在玻璃管外殼116內，另一端在玻璃管外殼116外,其中露出玻璃管外殼116的出射端面具有較大倒角，只要改變定位底座12或聚焦透鏡111的倒角角度為30°至70°，即可實現側前向的掃描，如圖7所示。具有該倒角角度的聚焦透鏡111可以改變聚焦光束的出射方向，從聚焦透鏡111發射出來的聚焦光束直接入射到MEMS微鏡9。作為本實施例的一種優選方案，也可以保持聚焦透鏡111的端面沒有倒角或具有4-10度之間某一角度的倒角，在聚焦透鏡111端面添加一個三棱鏡112，如圖8所示。該三棱鏡112用來改變聚焦光束的出射方向，從聚焦透鏡111發射出來的聚焦光束經過三棱鏡112改變方向后入射到MEMS微鏡9。具有三棱鏡112的探頭也可實現側前掃描。圖10至圖12給出了本發明的第二個實施例，于本實施例中，探頭的連接方式和第一種實施例大體相同，和第一種實施例不同的是，聚焦透鏡111的端面具有增透涂層或具有4-10度之間某一角度的倒角，在外殼7的卡槽內安裝有一個反射鏡113，從聚焦透鏡111出來的聚焦光束直接入射到反射鏡113上，再由反射鏡反射到MEMS微鏡8鏡面，同樣可以改變聚焦光束的出射方向。在本發明中，所述MEMS微鏡9底部設置鏡面901，鏡面901上表面上鍍有光學涂層，在鏡面901的四周分布有硅襯底902，鏡面901與硅襯底902之間用連接片903橋接連接，在MEMS微鏡9的四周硅襯底902上設置有為避免擋光而減薄的邊框904，在邊框904下端設置有用于導電連接的焊盤905。通過焊盤905導電驅動控制鏡面901，鏡面901在硅襯底902框架內做規則的擺動。如圖13所示，于本實施例中，MEMS微鏡9的外形為方形，另夕卜，MEMS微鏡9的外形不局限于方形，亦可采用圓形或多邊形結構，在有效面積不變的情況下，可進一步縮小MEMS微鏡的尺寸，有利于探頭尺寸的進一步縮小，如圖14所示。該發明的MEMS光學探頭，其外殼7的成型可用擠出成型或澆筑成型等方式實現。如圖15所示，擠出成型由擠出成型機15進行填料，并加熱成熔融狀態，再通過擠出機里的推進裝置螺桿提供注射壓力到成型澆口 16處，經過成一定大小的外固定圈161和內固定圈162，成型出探頭外殼7。如圖16所示，注塑成型方法是在合模狀態下由壓力機給予足夠大的壓力將熔融狀態的填料注射到上模18的澆口 17中，再經過澆口 17輸送到模腔中，下模19和上模18形成探頭外殼7的外表面，加上型芯20的作用將整個模腔形成與探頭外殼7 —致的管狀柱體，并在鎖模力的壓力下形成精確的探頭外殼7。在探頭外殼7材質選擇上，可以選用不銹鋼金屬、透明塑料、透紅外材料，其中透明塑料包括PC塑料、有機玻璃。PC中文名稱叫聚碳酸酯，它是一種新型的熱塑性塑料，透明
的度達90%，被譽為是透明金屬。它剛硬而具有韌性，具有較高的沖擊強度，高度的尺寸穩定性和范圍很寬的使用溫度、良好的電絕緣性能及耐熱性和無毒性，可以通過注射、擠出成型。可作醫療用途的杯、筒、瓶以及牙科器械，藥品容器和手術器械，甚至還可用作人工腎、人工肺等人工臟器。PC材料成型多樣化且透明，正好滿足探頭基座的加工需要。以上結合具體實施例描述了本發明的技術原理。這些描述只是為了解釋本發明的原理，而不能以任何方式解釋為對本發明保護范圍的限制。基于此處的解釋，本領域的技術人員不需要付出創造性的勞動即可聯想到本發明的其它具體實施方式
，這些方式都將落入本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種MEMS光學探頭，包括外殼(7)及其組裝在其內部的底座(12)、透鏡組件(11)、MEMS微鏡(9)和電路板(10)，其特征在于所述底座(12)具有凹腔(121)和斜面凹槽(122)，所述電路板(10)對應安裝于底座凹腔(121)和斜面凹槽(122)上，在斜面凹槽(122)上端的電路板(10)上設置有焊盤(101)，所述MEMS微鏡(9)安裝在電路板(10)對應焊盤上，所述透鏡組件(11)插入底座(12)凹腔(121)內，其內部安裝有用于形成聚焦光束的聚焦透鏡(111)，用于向MEMS微鏡(9)發射聚焦光束，所述外殼(7)前端窗口(8)的臺階內安裝有窗片(13)，所述窗片(13)與外殼(7)的軸向方向相垂直或呈預定角度。
2.根據權利要求I所述的MEMS光學探頭，其特征在于所述窗片(13)形狀為平面或曲面，該窗片(13)采用玻璃或由其它對所用光透明的材料制作而成，并在表面選擇性地設置光學增透涂層。
3.根據權利要求I所述的MEMS光學探頭，其特征在于所述電路板(10)還包括連接電路板(10)與外部電路的電連接端(2)，所述電連接端(2)位于底座凹腔(121)的左側尾部，用于傳輸外部電路與MEMS微鏡(9)之間的信號。
4.根據權利要求I至3任一項所述的MEMS光學探頭，其特征在于所述透鏡組件(11)內的聚焦透鏡(111)具有從30°到70°之間某一特定角度的倒角，具有該倒角角度的聚焦透鏡(111)可以改變聚焦光束的出射方向，從聚焦透鏡(111)發射出來的聚焦光束直接入射到MEMS微鏡(9)。
5.根據權利要求I至3任一項所述的MEMS光學探頭，其特征在于所述聚焦透鏡(111)的端面沒有倒角或具有4-10度之間某一預定角度的倒角，在聚焦透鏡(111)端面添加一個三棱鏡(112)，該三棱鏡(112)用來改變聚焦光束的出射方向，從聚焦透鏡(111)發射出來的聚焦光束經過三棱鏡(112)改變方向后入射到MEMS微鏡(9)。
6.根據權利要求I至3任一項所述的MEMS光學探頭,其特征在于在外殼(7)的卡槽內安裝有一個反射鏡(113)，從聚焦透鏡(111)出來的聚焦光束直接入射到反射鏡(113)上，再由反射鏡(113)反射到MEMS微鏡(9)。
7.根據權利要求I至3任一項所述的MEMS光學探頭，其特征在于所述底座(12)斜面傾斜角為30°到70°之間的某一特定角度，具有該角度的斜面上設置有MEMS微鏡(9)，用于實現光束的側前向掃描。
8.根據權利要求3所述的MEMS光學探頭，其特征在于所述電連接部在底座(12)上直接形成，分別在底座(12)上直接形成電引線和焊盤(101)，焊盤(101)位于底座(12)的斜面凹槽(122)內，電引線連接焊盤(101)后沿著斜面凹槽(122)直至凹腔(121)并延伸出去和外部電路相連。
9.根據權利要求I至3任一項所述的MEMS光學探頭，其特征在于所述MEMS微鏡(9)設置鍍有光學涂層的鏡面(901)及其分布于四周的硅襯底(902)，兩者之間用連接片(903)橋接連接，在四周設置邊框(904)，在邊框(904)下端設置有用于導電連接的焊盤(905)。
10.根據權利要求I至3任一項所述的MEMS光學探頭，其特征在于所述MEMS微鏡(9)的外形為圓形、方形或其它多邊形。
全文摘要
本發明公開了一種MEMS光學探頭，包括外殼及其組裝在其內部的底座、透鏡組件、MEMS微鏡和電路板，所述底座具有凹腔和斜面凹槽，所述電路板對應安裝于底座凹腔和斜面凹槽上，在斜面凹槽上端的電路板上設置有焊盤，所述MEMS微鏡安裝在電路板對應焊盤上，所述透鏡組件插入底座凹腔內，其內部安裝有用于形成聚焦光束的聚焦透鏡，用于向MEMS微鏡發射聚焦光束，所述外殼前端窗口的臺階內安裝有窗片，所述窗片與外殼的軸向方向相垂直或呈一定角度。使用該光學探頭可實現前向掃描和側前向掃描，配合內窺鏡使用時，可實現對人體內臟器官和較隱蔽組織的掃描，解決了采用側向掃描探頭不易對人體內臟器官和較隱蔽組織區域進行掃描的問題。
文檔編號G02B23/24GK102894947SQ20121036355
公開日2013年1月30日 申請日期2012年9月26日 優先權日2012年9月26日
發明者傅霖來, 周正偉, 王東琳, 謝會開 申請人:無錫微奧科技有限公司