激光掃描顯微鏡可以通過集成光學微機電（MEMS）器件來實現(xiàn)微型化，以替代現(xiàn)有的大型設備，對體內(nèi)微環(huán)境進行成像。多功能主動式光學器件是一類新興元件，通過簡化光學器件中的系統(tǒng)設計，支持衍射極限性能的微型化。在最近的一項研究中，美國蒙大拿州立大學波茲曼分校（Montana State University-Bozeman）電子和計算機工程系的Tianbo Liu和皮膚病學系的研究人員們提出了一種折反式（允許光反射和折射）顯微鏡物鏡，利用集成的光學MEMS器件來執(zhí)行雙軸掃描、軸向焦點調(diào)整及球面像差控制。

頂部圖片為3D MEMS掃描鏡：（a）釋放工藝后晶圓上的光學MEMS器件；（b）通過引線鍵合將MEMS掃描鏡安裝于PCB板。底部圖片為共聚焦成像設置示意圖，以及MEMS掃描鏡、超半球透鏡和樣品臺的放大視圖。

材料科學家們設計了這種內(nèi)置反射式MEMS掃描鏡的物鏡架構(gòu)，以支持高數(shù)值孔徑（NA）成像，在更廣泛的角度范圍內(nèi)聚集光線以生成圖像。研究人員通過將MEMS掃描鏡集成在物鏡中實現(xiàn)了這種新型MEMS物鏡構(gòu)造，其中光束軸垂直于鏡面，而不需要分束器來分離入射光束和反射光束。他們通過使用基于新物鏡設計的共聚焦顯微鏡對硬和軟目標進行成像，展示了該折反式系統(tǒng)的光學性能。這種改進的成像技術可實現(xiàn)對醫(yī)療狀況的先進診斷。該研究成果現(xiàn)已發(fā)表于Light：Science & Applications。

活體動物中未經(jīng)處理的器官可以利用掃描激光共聚焦和多光子顯微鏡技術進行體內(nèi)成像。技術的進步促進了小動物模型（如小鼠）的臺式成像，皮膚病診所中也出現(xiàn)了非侵入性光學皮膚活檢的醫(yī)學新應用。不過，傳統(tǒng)的激光掃描顯微鏡體積較大，限制了醫(yī)學和活體動物成像應用。因此，為了更好地實現(xiàn)人體診斷應用和對活動動物的成像，科學家必須使這些儀器小型化。

集成MEMS掃描鏡的物鏡架構(gòu)：（a）包含新物鏡架構(gòu)的小型化共聚焦顯微鏡剖面圖；（b）通過環(huán)形孔的光路和MEMS器件光束掃描圖示；（c）3D MEMS掃描鏡模型。

采用光學MEMS器件的微型掃描機構(gòu)，可以取代現(xiàn)有需要掃描和聚焦光束的大型設備，用于迄今為止還無法實現(xiàn)的應用。例如，科學家們可以在自由活動的老鼠頭上安裝一臺重量僅為2.15克的MEMS掃描微型雙光子顯微鏡，用于對老鼠的腦部成像。這類MEMS器件還有助于激光掃描顯微鏡用于內(nèi)窺鏡平臺，以及基于MEMS的光學活檢實驗，以檢測體內(nèi)癌癥。除了更小的占位面積，MEMS掃描鏡通過在其生產(chǎn)過程中結(jié)合多個自由度和光學架構(gòu)實現(xiàn)微型化。

在目前的工作中，研究人員探索了一種新型的光學架構(gòu)，用于物鏡內(nèi)部集成3D MEMS掃描鏡的微型高NA掃描激光顯微鏡。他們展示了這種集成MEMS掃描鏡的物鏡架構(gòu)的光學布局，以制造器件并在體內(nèi)進行操作。他們通過成功復制先前由同一組研究人員引入的方法來設計3D MEMS掃描鏡。對于體內(nèi)顯微鏡檢查，他們操作超半球（提供更寬的視野）透鏡與折射率在1.3~1.4之間的組織接觸。基于這些參數(shù)，研究人員模擬了該裝置的成像性能。他們得出結(jié)論，BK-7玻璃超半球透鏡作為組織顯微鏡的前端透鏡元件是有效的，其中在模擬孔徑處集成了主動式3D MEMS掃描鏡。

左圖：光學MEMS器件晶圓制造示意圖；右：模擬成像性能。

為了演示共聚焦成像，科學家們使用了一個帶有集成3D MEMS掃描鏡的物鏡臺式模型。研究人員用薄層水基超聲凝膠將3D MEMS掃描鏡附在樣品臺上。作為一個例子，他們將人臉頰細胞樣品（~80 um）引入樣品臺，然后用顯微鏡拍攝它們的圖像。在成像過程中，研究人員使用633 nm氦氖激光進行照明。然后，他們將感興趣的樣品附在與超半球透鏡相對的玻璃晶片上。研究人員在光纖和復合透鏡元件之間加入了一個50/50分束器以分離反射光，還利用一個10 um針孔以對反射光進行空間濾波。

實驗成像結(jié)果：（a）3D MEMS掃描鏡原型的表面共聚焦圖像，圖像的一部分被數(shù)字放大以顯示細節(jié)；（b）人臉頰細胞的共聚焦圖像（偽彩色），細胞核和細胞膜清晰可見；（c）使用50倍物鏡（NA = 0.8）記錄的類似3D掃描原型的表面數(shù)字裁剪的明場落射照明顯微鏡圖像。

這種MEMS共聚焦顯微鏡還可以對樣品表面以下成像，研究人員通過對感興趣的樣品成像證明了這一點。對于樣品，他們在超聲透射凝膠中懸浮了6 um聚苯乙烯微珠，然后通過圖像的體積重建跟蹤成像過程，以更好地說明在不同焦平面上的共聚焦切片。盡管很好的進行了成像，但科學家們觀察到微珠的三維輪廓既不均勻也不對稱，該技術還需要進一步優(yōu)化。

研究人員開發(fā)的這種3D MEMS掃描鏡為儀器提供了完整的掃描和聚焦控制，以及球面像差的電子控制。與之前介紹的3D MEMS反射鏡相比，新研究成果顯示出了更高的分辨率，使其可以集成在內(nèi)置MEMS掃描鏡的緊湊型物鏡系統(tǒng)中。

3D成像演示：（a-d）懸浮在超聲凝膠中的6 um直徑聚苯乙烯微珠的共聚焦切片，兩顆微珠用不同的顏色圈出，以顯示它們從一幀到另一幀的焦點變化；（e）從每個焦平面記錄的圖像進行體積重建；（f）通過體積渲染的第一角度投影，以更好地說明不同焦平面上的共聚焦切片。

如此，研究人員提出并開發(fā)了一種折反式光學MEMS顯微物鏡，通過集成一顆3D MEMS掃描鏡，在成像應用中進行球面像差受控的雙軸掃描。他們模擬了所提出的儀器架構(gòu)，表明對于未來體內(nèi)成像應用的小型化、高NA激光掃描顯微鏡具有重大應用前景。