一种大视场荧光显微成像系统

本发明涉及光学神经成像，具体提供一种大视场荧光显微成像系统。

背景技术：

1、在过去的几十年，神经科学得到了巨大发展，并且其研究方式也发生了巨大转变，进入到了脑科学研究的新时代。随着基因编码钙指示剂（gecis）的出现和发展，光学神经成像技术通过结合光学显微、荧光染料、荧光蛋白实现对脑部神经信号的钙离子活动直接成像，为了解大脑的功能以及各种神经疾病对大脑功能的影响及破坏提供了前所未有的见解。

2、近年来随着微型光学元件和电子设备的发展，光学神经成像设备逐渐从“台式”平台向“头戴式”平台转变。微型头戴式荧光显微镜被固定在动物的头骨上，不能影响其自由活动，以小鼠为例，它头部只能承受不大于体重1/4的重量，严苛的重量约束极大地限制了显微镜的成像性能。目前，微型头戴式荧光显微镜的视场普遍小于1mm，分辨率在1μm左右，其光学系统一般由两部分组成，物镜和管镜。物镜一般是渐变折射率grin透镜，管镜一般为单片非球面透镜或双胶合透镜。grin透镜的直径一般在1mm-2.2mm，视场很小，只能对光轴附近光线良好成像，对轴外物点成像时像差很大且难以校正。由于视场范围较小，头戴式荧光显微镜一般只能对一个脑区进行成像。

3、例如2020年，bagramyan等人设计了一款重量仅为1.3g的微型显微镜，是目前正式见刊的重量最轻的系统。物镜由直径仅为0.5mm的grin透镜和中继grin透镜组成；管镜为一片平凸透镜。这款显微镜的优点在于重量轻，且使用小直径的grin透镜在植入动物大脑时对组织的损伤更小，缺点在于成像视场很小，仅为105μm。

4、2021年，rynes等人设计了一款具有超大视场的微型显微镜mscope，重量仅为3.8g。mscope的光学系统极为简单，仅使用一片双凸透镜进行成像。mscope以很轻的重量实现了超大的视场，但是牺牲了系统的分辨率，最终系统分辨率只有几十微米。

5、2023年，guo等人设计并开源了一款微型荧光显微镜minilfov，重量为13.9g，光学系统由多片球面和非球面透镜组成，具有良好的成像性能，中心视场最高分辨率达到了2.5µm，并且在图像传感器前面，加入了电湿润透镜（ewl），能够在100µm范围内对工作距离进行电动调节。可实现大鼠在自由活动状态下的神经活动监测，但由于重量比较大，无法佩戴到更小体型动物如小鼠而不影响其自由活动。

6、随着脑科学研究的深入，科学家们开始研究不同脑区神经细胞之间的关联，希望能对多个脑区同时成像，甚至一次性地对全脑成像。为了满足这个需求，需要在保持高数值孔径的条件下增大显微镜光学系统的视场。随着视场角的增大，光学系统的垂轴像差非线性快速增加。为平衡像差，光学系统的元件数量和复杂度陡增，设备的体积和重量随之显著增加。为满足头戴式需求，在重量严苛受限的条件下实现微型荧光显微镜的高分辨率和大视场是需要解决的科学问题。

技术实现思路

1、本发明为解决上述问题，提供了一种大视场荧光显微成像系统，主要应用在动物头戴式荧光显微设备上，其光学视场达到8mm，具有单细胞分辨率、体积小和重量轻等优点，并且在提高系统成像性能的基础上降低了系统的复杂度和成本。

2、本发明提供的一种大视场荧光显微成像系统，包括：沿光轴依次设有：物镜、液体透镜和管镜；

3、其中，所述物镜沿光轴依次包括不同光学材料的第一透镜、第二透镜和第三透镜，所述第一透镜为负透镜，其前表面为凸球面，其后表面为凹球面；所述第二透镜为负透镜，其前表面为凸球面，其后表面为凹球面；所述第三透镜为正透镜，其前表面和后表面均为凸球面；

4、所述液体透镜的曲面半径通过电压进行控制，起到调焦作用；

5、所述管镜沿光轴依次包括不同光学材料的第四透镜和第五透镜，所述第四透镜为正透镜，其前表面和后表面均为凸球面；所述第五透镜为负透镜，其前表面为凹球面，其后表面为凸球面。

6、优选的，所述第一透镜为n-lak12材料；所述第二透镜为n-sf66材料；所述第三透镜为n-psk53a材料。

7、优选的，所述第四透镜为n-lak33b材料；所述第五透镜为n-sf66材料。

8、优选的，所述物镜的后端设有孔径光阑。

9、优选的，在所述管镜的后方，沿光轴还依次设有：滤光片、探测器保护窗和像面。

10、优选的，所述第一透镜的前表面光学半径为(7.13±0.05)mm，其通光孔径为4.4mm；所述第一透镜的后表面光学半径为（3.11±0.01）mm，其通光孔径为3.64mm；

11、所述第二透镜的前表面光学半径为(5.61±0.01)mm，其通光孔径为2.74mm；所述第二透镜的后表面光学半径为（3.43±0.01）mm，其通光孔径为2.48mm；

12、所述第三透镜的前表面光学半径为(5.16±0.01)mm，其通光孔径为2.50mm；所述第一透镜的后表面光学半径为（7.22±0.02）mm，其通光孔径为2.40mm；

13、所述第四透镜的前表面光学半径为(12.01±0.02)mm，其通光孔径为3.30mm；所述第四透镜的后表面光学半径为（6.37±0.01）mm，其通光孔径为3.36mm；

14、所述第五透镜的前表面光学半径为(3.4±0.01)mm，其通光孔径为2.64mm；所述第五透镜的后表面光学半径为（11.51±0.02）mm，其通光孔径为2.96mm。

15、优选的，光学视场为8mm。

16、与现有技术相比，本发明能够取得如下有益效果：

17、本发明主要应用作为小动物头戴式荧光显微镜，通过电压控制液体透镜的曲面半径，实现光学调焦，透镜元件仅为5片，并对材料进行了特殊设计，透镜元件的最大直径为5.1mm，整体重量仅为0.35g，具有结构简单、重量轻和成本低等优势；本发明中的透镜元件均采用球面透镜，极大降低了透镜元件的制备难度，并且通过不同材料的透镜组合有效消除了色差；本发明通过对各个透镜的光学半径和通光孔径的特殊设计，极大提高了物方视场，视场可达到8mm，远远大于现有的微型单光子荧光显微镜的视场。

技术特征：

1.一种大视场荧光显微成像系统，其特征在于，沿光轴依次设有：物镜、液体透镜和管镜；

2.如权利要求1所述的大视场荧光显微成像系统，其特征在于，所述第一透镜为n-lak12材料；所述第二透镜为n-sf66材料；所述第三透镜为n-psk53a材料。

3.如权利要求2所述的大视场荧光显微成像系统，其特征在于，所述第四透镜为n-lak33b材料；所述第五透镜为n-sf66材料。

4.如权利要求1所述的大视场荧光显微成像系统，其特征在于，所述物镜的后端设有孔径光阑。

5.如权利要求1所述的大视场荧光显微成像系统，其特征在于，在所述管镜的后方，沿光轴还依次设有：滤光片、探测器保护窗和像面。

6.如权利要求3所述的大视场荧光显微成像系统，其特征在于，所述第一透镜的前表面光学半径为(7.13±0.05)mm，其通光孔径为4.4mm；所述第一透镜的后表面光学半径为（3.11±0.01）mm，其通光孔径为3.64mm；

7.如权利要求6所述的大视场荧光显微成像系统，其特征在于，光学视场为8mm。

技术总结本发明涉及光学神经成像技术领域，具体提供一种大视场荧光显微成像系统，主要用作为小动物的微型头戴式荧光显微镜，其包括：物镜、液体透镜、管镜和探测器，物体上的点发出的光依次经过物镜中的三个透镜后变为平行光束，平行光束射入液体透镜，通过电压控制液体透镜两个曲面的半径变化实现调焦；光束再通过管镜中的两个透镜将光束成像在探测器的像面上。本发明的元件数量少、质量轻，且透镜均为球面透镜，具有结构简单、重量轻和成本低等优势，整体视场可达到8mm，在提高系统成像性能的基础上降低了系统的复杂度和成本。技术研发人员：付强受保护的技术使用者：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所技术研发日：技术公布日：2024/10/10