本發(fā)明涉及光學(xué)神經(jīng)成像，具體提供一種大視場(chǎng)熒光顯微成像系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、在過(guò)去的幾十年，神經(jīng)科學(xué)得到了巨大發(fā)展，并且其研究方式也發(fā)生了巨大轉(zhuǎn)變，進(jìn)入到了腦科學(xué)研究的新時(shí)代。隨著基因編碼鈣指示劑（gecis）的出現(xiàn)和發(fā)展，光學(xué)神經(jīng)成像技術(shù)通過(guò)結(jié)合光學(xué)顯微、熒光染料、熒光蛋白實(shí)現(xiàn)對(duì)腦部神經(jīng)信號(hào)的鈣離子活動(dòng)直接成像，為了解大腦的功能以及各種神經(jīng)疾病對(duì)大腦功能的影響及破壞提供了前所未有的見(jiàn)解。

2、近年來(lái)隨著微型光學(xué)元件和電子設(shè)備的發(fā)展，光學(xué)神經(jīng)成像設(shè)備逐漸從“臺(tái)式”平臺(tái)向“頭戴式”平臺(tái)轉(zhuǎn)變。微型頭戴式熒光顯微鏡被固定在動(dòng)物的頭骨上，不能影響其自由活動(dòng)，以小鼠為例，它頭部只能承受不大于體重1/4的重量，嚴(yán)苛的重量約束極大地限制了顯微鏡的成像性能。目前，微型頭戴式熒光顯微鏡的視場(chǎng)普遍小于1mm，分辨率在1μm左右，其光學(xué)系統(tǒng)一般由兩部分組成，物鏡和管鏡。物鏡一般是漸變折射率grin透鏡，管鏡一般為單片非球面透鏡或雙膠合透鏡。grin透鏡的直徑一般在1mm-2.2mm，視場(chǎng)很小，只能對(duì)光軸附近光線(xiàn)良好成像，對(duì)軸外物點(diǎn)成像時(shí)像差很大且難以校正。由于視場(chǎng)范圍較小，頭戴式熒光顯微鏡一般只能對(duì)一個(gè)腦區(qū)進(jìn)行成像。

3、例如2020年，bagramyan等人設(shè)計(jì)了一款重量?jī)H為1.3g的微型顯微鏡，是目前正式見(jiàn)刊的重量最輕的系統(tǒng)。物鏡由直徑僅為0.5mm的grin透鏡和中繼grin透鏡組成；管鏡為一片平凸透鏡。這款顯微鏡的優(yōu)點(diǎn)在于重量輕，且使用小直徑的grin透鏡在植入動(dòng)物大腦時(shí)對(duì)組織的損傷更小，缺點(diǎn)在于成像視場(chǎng)很小，僅為105μm。

4、2021年，rynes等人設(shè)計(jì)了一款具有超大視場(chǎng)的微型顯微鏡mscope，重量?jī)H為3.8g。mscope的光學(xué)系統(tǒng)極為簡(jiǎn)單，僅使用一片雙凸透鏡進(jìn)行成像。mscope以很輕的重量實(shí)現(xiàn)了超大的視場(chǎng)，但是犧牲了系統(tǒng)的分辨率，最終系統(tǒng)分辨率只有幾十微米。

5、2023年，guo等人設(shè)計(jì)并開(kāi)源了一款微型熒光顯微鏡minilfov，重量為13.9g，光學(xué)系統(tǒng)由多片球面和非球面透鏡組成，具有良好的成像性能，中心視場(chǎng)最高分辨率達(dá)到了2.5μm，并且在圖像傳感器前面，加入了電濕潤(rùn)透鏡（ewl），能夠在100μm范圍內(nèi)對(duì)工作距離進(jìn)行電動(dòng)調(diào)節(jié)?？蓪?shí)現(xiàn)大鼠在自由活動(dòng)狀態(tài)下的神經(jīng)活動(dòng)監(jiān)測(cè)，但由于重量比較大，無(wú)法佩戴到更小體型動(dòng)物如小鼠而不影響其自由活動(dòng)。

6、隨著腦科學(xué)研究的深入，科學(xué)家們開(kāi)始研究不同腦區(qū)神經(jīng)細(xì)胞之間的關(guān)聯(lián)，希望能對(duì)多個(gè)腦區(qū)同時(shí)成像，甚至一次性地對(duì)全腦成像。為了滿(mǎn)足這個(gè)需求，需要在保持高數(shù)值孔徑的條件下增大顯微鏡光學(xué)系統(tǒng)的視場(chǎng)。隨著視場(chǎng)角的增大，光學(xué)系統(tǒng)的垂軸像差非線(xiàn)性快速增加。為平衡像差，光學(xué)系統(tǒng)的元件數(shù)量和復(fù)雜度陡增，設(shè)備的體積和重量隨之顯著增加。為滿(mǎn)足頭戴式需求，在重量嚴(yán)苛受限的條件下實(shí)現(xiàn)微型熒光顯微鏡的高分辨率和大視場(chǎng)是需要解決的科學(xué)問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明為解決上述問(wèn)題，提供了一種大視場(chǎng)熒光顯微成像系統(tǒng)，主要應(yīng)用在動(dòng)物頭戴式熒光顯微設(shè)備上，其光學(xué)視場(chǎng)達(dá)到8mm，具有單細(xì)胞分辨率、體積小和重量輕等優(yōu)點(diǎn)，并且在提高系統(tǒng)成像性能的基礎(chǔ)上降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度和成本。

2、本發(fā)明提供的一種大視場(chǎng)熒光顯微成像系統(tǒng)，包括：沿光軸依次設(shè)有：物鏡、液體透鏡和管鏡；

3、其中，所述物鏡沿光軸依次包括不同光學(xué)材料的第一透鏡、第二透鏡和第三透鏡，所述第一透鏡為負(fù)透鏡，其前表面為凸球面，其后表面為凹球面；所述第二透鏡為負(fù)透鏡，其前表面為凸球面，其后表面為凹球面；所述第三透鏡為正透鏡，其前表面和后表面均為凸球面；

4、所述液體透鏡的曲面半徑通過(guò)電壓進(jìn)行控制，起到調(diào)焦作用；

5、所述管鏡沿光軸依次包括不同光學(xué)材料的第四透鏡和第五透鏡，所述第四透鏡為正透鏡，其前表面和后表面均為凸球面；所述第五透鏡為負(fù)透鏡，其前表面為凹球面，其后表面為凸球面。

6、優(yōu)選的，所述第一透鏡為n-lak12材料；所述第二透鏡為n-sf66材料；所述第三透鏡為n-psk53a材料。

7、優(yōu)選的，所述第四透鏡為n-lak33b材料；所述第五透鏡為n-sf66材料。

8、優(yōu)選的，所述物鏡的后端設(shè)有孔徑光闌。

9、優(yōu)選的，在所述管鏡的后方，沿光軸還依次設(shè)有：濾光片、探測(cè)器保護(hù)窗和像面。

10、優(yōu)選的，所述第一透鏡的前表面光學(xué)半徑為(7.13±0.05)mm，其通光孔徑為4.4mm；所述第一透鏡的后表面光學(xué)半徑為（3.11±0.01）mm，其通光孔徑為3.64mm；

11、所述第二透鏡的前表面光學(xué)半徑為(5.61±0.01)mm，其通光孔徑為2.74mm；所述第二透鏡的后表面光學(xué)半徑為（3.43±0.01）mm，其通光孔徑為2.48mm；

12、所述第三透鏡的前表面光學(xué)半徑為(5.16±0.01)mm，其通光孔徑為2.50mm；所述第一透鏡的后表面光學(xué)半徑為（7.22±0.02）mm，其通光孔徑為2.40mm；

13、所述第四透鏡的前表面光學(xué)半徑為(12.01±0.02)mm，其通光孔徑為3.30mm；所述第四透鏡的后表面光學(xué)半徑為（6.37±0.01）mm，其通光孔徑為3.36mm；

14、所述第五透鏡的前表面光學(xué)半徑為(3.4±0.01)mm，其通光孔徑為2.64mm；所述第五透鏡的后表面光學(xué)半徑為（11.51±0.02）mm，其通光孔徑為2.96mm。

15、優(yōu)選的，光學(xué)視場(chǎng)為8mm。

16、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明能夠取得如下有益效果：

17、本發(fā)明主要應(yīng)用作為小動(dòng)物頭戴式熒光顯微鏡，通過(guò)電壓控制液體透鏡的曲面半徑，實(shí)現(xiàn)光學(xué)調(diào)焦，透鏡元件僅為5片，并對(duì)材料進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)，透鏡元件的最大直徑為5.1mm，整體重量?jī)H為0.35g，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕和成本低等優(yōu)勢(shì)；本發(fā)明中的透鏡元件均采用球面透鏡，極大降低了透鏡元件的制備難度，并且通過(guò)不同材料的透鏡組合有效消除了色差；本發(fā)明通過(guò)對(duì)各個(gè)透鏡的光學(xué)半徑和通光孔徑的特殊設(shè)計(jì)，極大提高了物方視場(chǎng)，視場(chǎng)可達(dá)到8mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于現(xiàn)有的微型單光子熒光顯微鏡的視場(chǎng)。

技術(shù)特征：

1.一種大視場(chǎng)熒光顯微成像系統(tǒng)，其特征在于，沿光軸依次設(shè)有：物鏡、液體透鏡和管鏡；

2.如權(quán)利要求1所述的大視場(chǎng)熒光顯微成像系統(tǒng)，其特征在于，所述第一透鏡為n-lak12材料；所述第二透鏡為n-sf66材料；所述第三透鏡為n-psk53a材料。

3.如權(quán)利要求2所述的大視場(chǎng)熒光顯微成像系統(tǒng)，其特征在于，所述第四透鏡為n-lak33b材料；所述第五透鏡為n-sf66材料。

4.如權(quán)利要求1所述的大視場(chǎng)熒光顯微成像系統(tǒng)，其特征在于，所述物鏡的后端設(shè)有孔徑光闌。

5.如權(quán)利要求1所述的大視場(chǎng)熒光顯微成像系統(tǒng)，其特征在于，在所述管鏡的后方，沿光軸還依次設(shè)有：濾光片、探測(cè)器保護(hù)窗和像面。

6.如權(quán)利要求3所述的大視場(chǎng)熒光顯微成像系統(tǒng)，其特征在于，所述第一透鏡的前表面光學(xué)半徑為(7.13±0.05)mm，其通光孔徑為4.4mm；所述第一透鏡的后表面光學(xué)半徑為（3.11±0.01）mm，其通光孔徑為3.64mm；

7.如權(quán)利要求6所述的大視場(chǎng)熒光顯微成像系統(tǒng)，其特征在于，光學(xué)視場(chǎng)為8mm。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及光學(xué)神經(jīng)成像技術(shù)領(lǐng)域，具體提供一種大視場(chǎng)熒光顯微成像系統(tǒng)，主要用作為小動(dòng)物的微型頭戴式熒光顯微鏡，其包括：物鏡、液體透鏡、管鏡和探測(cè)器，物體上的點(diǎn)發(fā)出的光依次經(jīng)過(guò)物鏡中的三個(gè)透鏡后變?yōu)槠叫泄馐?，平行光束射入液體透鏡，通過(guò)電壓控制液體透鏡兩個(gè)曲面的半徑變化實(shí)現(xiàn)調(diào)焦；光束再通過(guò)管鏡中的兩個(gè)透鏡將光束成像在探測(cè)器的像面上。本發(fā)明的元件數(shù)量少、質(zhì)量輕，且透鏡均為球面透鏡，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕和成本低等優(yōu)勢(shì)，整體視場(chǎng)可達(dá)到8mm，在提高系統(tǒng)成像性能的基礎(chǔ)上降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度和成本。

技術(shù)研發(fā)人員：付強(qiáng)
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/10/10