聚焦 | 折反式光学MEMS,助力激光扫描显微镜实现先进医疗成像

激光扫描显微镜可以通过集成光学微机电（MEMS）器件来实现微型化，以替代现有的大型设备，对体内微环境进行成像。多功能主动式光学器件是一类新兴元件，通过简化光学器件中的系统设计，支持衍射极限性能的微型化。在最近的一项研究中，美国蒙大拿州立大学波兹曼分校（Montana State University-Bozeman）电子和计算机工程系的Tianbo Liu和皮肤病学系的研究人员们提出了一种折反式（允许光反射和折射）显微镜物镜，利用集成的光学MEMS器件来执行双轴扫描、轴向焦点调整及球面像差控制。

顶部图片为3D MEMS扫描镜：（a）释放工艺后晶圆上的光学MEMS器件；（b）通过引线键合将MEMS扫描镜安装于PCB板。底部图片为共聚焦成像设置示意图，以及MEMS扫描镜、超半球透镜和样品台的放大视图。

材料科学家们设计了这种内置反射式MEMS扫描镜的物镜架构，以支持高数值孔径（NA）成像，在更广泛的角度范围内聚集光线以生成图像。研究人员通过将MEMS扫描镜集成在物镜中实现了这种新型MEMS物镜构造，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。他们通过使用基于新物镜设计的共聚焦显微镜对硬和软目标进行成像，展示了该折反式系统的光学性能。这种改进的成像技术可实现对医疗状况的先进诊断。该研究成果现已发表于Light：Science & Applications。

活体动物中未经处理的器官可以利用扫描激光共聚焦和多光子显微镜技术进行体内成像。技术的进步促进了小动物模型（如小鼠）的台式成像，皮肤病诊所中也出现了非侵入性光学皮肤活检的医学新应用。不过，传统的激光扫描显微镜体积较大，限制了医学和活体动物成像应用。因此，为了更好地实现人体诊断应用和对活动动物的成像，科学家必须使这些仪器小型化。

集成MEMS扫描镜的物镜架构：（a）包含新物镜架构的小型化共聚焦显微镜剖面图；（b）通过环形孔的光路和MEMS器件光束扫描图示；（c）3D MEMS扫描镜模型。

采用光学MEMS器件的微型扫描机构，可以取代现有需要扫描和聚焦光束的大型设备，用于迄今为止还无法实现的应用。例如，科学家们可以在自由活动的老鼠头上安装一台重量仅为2.15克的MEMS扫描微型双光子显微镜，用于对老鼠的脑部成像。这类MEMS器件还有助于激光扫描显微镜用于内窥镜平台，以及基于MEMS的光学活检实验，以检测体内癌症。除了更小的占位面积，MEMS扫描镜通过在其生产过程中结合多个自由度和光学架构实现微型化。

在目前的工作中，研究人员探索了一种新型的光学架构，用于物镜内部集成3D MEMS扫描镜的微型高NA扫描激光显微镜。他们展示了这种集成MEMS扫描镜的物镜架构的光学布局，以制造器件并在体内进行操作。他们通过成功复制先前由同一组研究人员引入的方法来设计3D MEMS扫描镜。对于体内显微镜检查，他们操作超半球（提供更宽的视野）透镜与折射率在1.3~1.4之间的组织接触。基于这些参数，研究人员模拟了该装置的成像性能。他们得出结论，BK-7玻璃超半球透镜作为组织显微镜的前端透镜元件是有效的，其中在模拟孔径处集成了主动式3D MEMS扫描镜。

左图：光学MEMS器件晶圆制造示意图；右：模拟成像性能。

为了演示共聚焦成像，科学家们使用了一个带有集成3D MEMS扫描镜的物镜台式模型。研究人员用薄层水基超声凝胶将3D MEMS扫描镜附在样品台上。作为一个例子，他们将人脸颊细胞样品（~80 um）引入样品台，然后用显微镜拍摄它们的图像。在成像过程中，研究人员使用633 nm氦氖激光进行照明。然后，他们将感兴趣的样品附在与超半球透镜相对的玻璃晶片上。研究人员在光纤和复合透镜元件之间加入了一个50/50分束器以分离反射光，还利用一个10 um针孔以对反射光进行空间滤波。

实验成像结果：（a）3D MEMS扫描镜原型的表面共聚焦图像，图像的一部分被数字放大以显示细节；（b）人脸颊细胞的共聚焦图像（伪彩色），细胞核和细胞膜清晰可见；（c）使用50倍物镜（NA = 0.8）记录的类似3D扫描原型的表面数字裁剪的明场落射照明显微镜图像。

这种MEMS共聚焦显微镜还可以对样品表面以下成像，研究人员通过对感兴趣的样品成像证明了这一点。对于样品，他们在超声透射凝胶中悬浮了6 um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上的共聚焦切片。尽管很好的进行了成像，但科学家们观察到微珠的三维轮廓既不均匀也不对称，该技术还需要进一步优化。

研究人员开发的这种3D MEMS扫描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。与之前介绍的3D MEMS反射镜相比，新研究成果显示出了更高的分辨率，使其可以集成在内置MEMS扫描镜的紧凑型物镜系统中。

3D成像演示：（a-d）悬浮在超声凝胶中的6 um直径聚苯乙烯微珠的共聚焦切片，两颗微珠用不同的颜色圈出，以显示它们从一帧到另一帧的焦点变化；（e）从每个焦平面记录的图像进行体积重建；（f）通过体积渲染的第一角度投影，以更好地说明不同焦平面上的共聚焦切片。

如此，研究人员提出并开发了一种折反式光学MEMS显微物镜，通过集成一颗3D MEMS扫描镜，在成像应用中进行球面像差受控的双轴扫描。他们模拟了所提出的仪器架构，表明对于未来体内成像应用的小型化、高NA激光扫描显微镜具有重大应用前景。