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北理工在光学三维显微成像探头关键技术方面取得新进展

  近日,必威亚洲官方登录谢会开教授、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