北理工在光學(xué)三維顯微成像探頭關(guān)鍵技術(shù)方面取得新進展
發(fā)布日期：2020-09-29 供稿：信息與電子學(xué)院
編輯：劉蘇儀 審核：司黎明 閱讀次數(shù)：近日,，北京理工大學(xué)信息與電子學(xué)院謝會開教授、機電學(xué)院講師李建華,，與佛羅里達大學(xué)電子與計算機工程系博士生周亮、訪問學(xué)者余小敏,、Philip Feng教授合作，基于微機電系統(tǒng)技術(shù),，即Micro-electro-mechanicalsystem（MEMS）,，開發(fā)了具有高填充率、高光學(xué)質(zhì)量,、大變焦范圍的MEMS透鏡,，是制作雙光子顯微影像微型光學(xué)探頭的關(guān)鍵器件，可用以以實現(xiàn)對自由活動的小動物進行頭戴式實時腦成像,，更好研究腦神經(jīng)元活動與動物行為之間的關(guān)系,。相關(guān)結(jié)果以《A MEMS lens scanner based on serpentine electrothermal bimorph actuators for large axial tuning》為題，發(fā)表在光學(xué)領(lǐng)域頂級期刊Optics Express (影響影子IF: 3.669),。
圖1. (A) 光學(xué)成像中的可自由活動的小動物,，微型光纖探頭固定于其頭部。（b）微型探頭內(nèi)部的三維掃描光路,。
雙光子顯微成像（TPM）具有高分辨率和大成像深度,，已在活體腦成像領(lǐng)域嶄露頭角，多個研究小組采用TPM均實現(xiàn)了對小鼠腦內(nèi)神經(jīng)元活動的長時間觀察,，為探索大腦提供了重要途徑,。但目前因TPM探頭對于小鼠而言過于笨重，一般只能將小鼠與TPM探頭相對固定,。因此為了真正能夠研究自由活動中的小鼠,，本研究提出一種圖1A所示的頭戴式光纖TPM微型探頭。因大腦神經(jīng)元立體交錯,，該TPM探頭必須能夠進行三維掃描,，如圖1B所示，其中的x/y二維掃描已可以通過MEMS掃描微鏡實現(xiàn),，但是z方向的深度掃描通常還是需要電機馬達完成,，體積和重量仍然難以讓小鼠承載。雖已有人提出用MEMS變焦透鏡來減小體積和重量,，但未能解決透鏡的光學(xué)質(zhì)量和所需調(diào)焦位移行程,。因此，本研究提出了一種新穎的MEMS執(zhí)行器單元（圖2A）,，直接驅(qū)動高光學(xué)質(zhì)量的透鏡,，從而實現(xiàn)大光學(xué)口徑、大行程、低驅(qū)動電壓的MEMS變焦透鏡(圖2C),。
圖2. (A) 電熱MEMS執(zhí)行器SEM,；（B）MEMS微驅(qū)動平臺芯片SEM；（C）MEMS微透鏡照片,；（D-F）MEMS微透鏡在不同電壓下的USAF分辨率卡疊層顯微圖片,。
整個MEMS驅(qū)動微平臺芯片（圖2B）呈圓形（直徑4.4毫米），以確保在給定探頭直徑的情況下最大化光學(xué)口徑（直徑1.8毫米）,。該MEMS微平臺由16組相同的MEMS執(zhí)行器并聯(lián)而成,，以增強其負載能力，因此可以直接驅(qū)動精密加工的高光學(xué)質(zhì)量透鏡,。為增大位移,，該MEMS執(zhí)行器（圖2A）由3段正反串聯(lián)的雙材料層電熱驅(qū)動結(jié)構(gòu)級聯(lián)而成，其最大位移在10伏驅(qū)動電壓即可高達到200微米,。圖2C為組裝好的MEMS微透鏡,，質(zhì)量僅8毫克。圖2D-F是通過此MEMS微透鏡獲取的USAF分辨率卡疊層分別在0,、5,、8伏驅(qū)動電壓下的深度掃描顯微圖片,對應(yīng)的透鏡位移為0、77,、151微米,。從圖2D-F可看出，采用電壓控制MEMS微透鏡,，位于不同深度的G7E6分辨率單元（2.2微米線寬）清晰可辨,。接下來，本研究將把MEMS透鏡集成于雙光子探頭,，使整個TPM探頭重量小于2克,，再通過包含光纖和銅線的細軟線連接到光源和探測系統(tǒng)（圖1A），對自由活動小鼠的腦神經(jīng)元進行實時三維成像,，以真正建立神經(jīng)元活動與動物行為之間的可靠模型,，幫助解密大腦和治療神經(jīng)類疾病。該MEMS透鏡也可廣泛用于光學(xué)顯微內(nèi)窺影像,。
論文鏈接：https://doi.org/10.1364/OE.400363
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