光学三维显微成像探头关键技术方面取得新进展

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近日，北京理工大学信息与电子学院谢会开教授、机电学院讲师李建华，与佛罗里达大学电子与计算机工程系博士生周亮、访问学者余小敏、Philip Feng教授合作，基于微机电系统技术，即Micro-electro-mechanicalsystem（MEMS），开发了具有高填充率、高光学质量、大变焦范围的MEMS透镜，是制作双光子显微影像微型光学探头的关键器件，可用以以实现对自由活动的小动物进行头戴式实时脑成像，更好研究脑神经元活动与动物行为之间的关系。相关结果以《A MEMS lens scanner based on serpentine electrothermal bimorph actuators for large axial tuning》为题，发表在光学领域顶级期刊Optics Express (影响影子IF: 3.669)。

图1. (A) 光学成像中的可自由活动的小动物，微型光纤探头固定于其头部。（b）微型探头内部的三维扫描光路。
　　双光子显微成像（TPM）具有高分辨率和大成像深度，已在活体脑成像领域崭露头角，多个研究小组采用TPM均实现了对小鼠脑内神经元活动的长时间观察，为探索大脑提供了重要途径。但目前因TPM探头对于小鼠而言过于笨重，一般只能将小鼠与TPM探头相对固定。因此为了真正能够研究自由活动中的小鼠，本研究提出一种图1A所示的头戴式光纤TPM微型探头。因大脑神经元立体交错，该TPM探头必须能够进行三维扫描，如图1B所示，其中的x/y二维扫描已可以通过MEMS扫描微镜实现，但是z方向的深度扫描通常还是需要电机马达完成，体积和重量仍然难以让小鼠承载。虽已有人提出用MEMS变焦透镜来减小体积和重量，但未能解决透镜的光学质量和所需调焦位移行程。因此，本研究提出了一种新颖的MEMS执行器单元（图2A），直接驱动高光学质量的透镜，从而实现大光学口径、大行程、低驱动电压的MEMS变焦透镜(图2C)。

图2. (A) 电热MEMS执行器SEM；（B）MEMS微驱动平台芯片SEM；（C）MEMS微透镜照片；（D-F）MEMS微透镜在不同电压下的USAF分辨率卡叠层显微图片。
　　整个MEMS驱动微平台芯片（图2B）呈圆形（直径4.4毫米），以确保在给定探头直径的情况下最大化光学口径（直径1.8毫米）。该MEMS微平台由16组相同的MEMS执行器并联而成，以增强其负载能力，因此可以直接驱动精密加工的高光学质量透镜。为增大位移，该MEMS执行器（图2A）由3段正反串联的双材料层电热驱动结构级联而成，其最大位移在10伏驱动电压即可高达到200微米。图2C为组装好的MEMS微透镜，质量仅8毫克。图2D-F是通过此MEMS微透镜获取的USAF分辨率卡叠层分别在0、5、8伏驱动电压下的深度扫描显微图片,对应的透镜位移为0、77、151微米。从图2D-F可看出，采用电压控制MEMS微透镜，位于不同深度的G7E6分辨率单元（2.2微米线宽）清晰可辨。接下来，本研究将把MEMS透镜集成于双光子探头，使整个TPM探头重量小于2克，再通过包含光纤和铜线的细软线连接到光源和探测系统（图1A），对自由活动小鼠的脑神经元进行实时三维成像，以真正建立神经元活动与动物行为之间的可靠模型，帮助解密大脑和治疗神经类疾病。该MEMS透镜也可广泛用于光学显微内窥影像。
　　论文链接：https://doi.org/10.1364/OE.400363


       文章来源：北京理工大学
       谢会开，1989年、1992年分别在北京理工大学原电子工程系获学士学位、硕士学位，1998年在美国塔夫兹大学获光学硕士学位，2002年在美国卡内基梅隆大学获电子与计算机工程学博士学位。现任美国佛罗里达大学电气与计算机工程系终身正教授，无锡微奥科技有限公司董事长，同时担任IEEE SENSL、Int. J. Optomechatronics、Micromachines等多个国际期刊编辑。主要研究方向是MEMS/NEMS、集成惯性传感器、微驱动器、微光机电系统、生物光子学、光学显微内窥影像、光通讯MEMS芯片以及微型近红外光谱仪，发表论文270余篇，论文累计他引超过5000余次。