一种基于超构透镜的光学成像系统及大视场荧光显微成像仪

本申请涉及光学成像，特别涉及一种基于超构透镜的光学成像系统。

背景技术：

1、随着基因编码钙离子指示剂(gecis)的发现和不断发展，荧光显微成像技术凭借其具有高分辨率、高成像速度、非侵入性和非毒性的优点，广泛用于观测活体动物大脑中的神经活动。荧光显微成像技术是指使用荧光指示剂标记成像目标(如细胞、神经元等)，然后使用与荧光指示剂对应的激发光照射后发出荧光，在通过光学显微镜对荧光进行收集成像的技术。相比于电生理技术只能同时定位几十个神经细胞，荧光显微成像可以实现对成百上千个神经细胞的神经活动同时观测。同时，荧光显微成像技术可以与光遗传技术结合，能够实现以非侵入性损伤的方式对目标神经细胞群体进行重复性的操控和观测，为研究人员提供了探测神经回路功能的能力，可以进一步在细胞水平探索大脑功能产生的原理。

2、目前，微型单光子荧光显微镜的视场均比较小，视场一般小于1mm。其光学系统一般由两部分组成，物镜和管镜。物镜一般是grin透镜，管镜一般为双胶合透镜。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。

3、为了进一步增大光学系统的视场，需要物镜和管镜复杂化，比如，用多片光学透镜取代grin物镜，用多片光学透镜取代双胶合管镜。

4、上述变化带来的问题是光学系统复杂，由于光学元件的尺寸很小，一般为几毫米，元件的间隔公差和偏心公差很严，给元件制造和装配带来了很大挑战；另外，光学元件的增加，随之带来机械结构的复杂化，使得显微成像仪的重量和体积快速增加，无法佩戴在小型动物头部而不影响其自由活动，限制了应用场合。

技术实现思路

1、鉴于此，有必要针对当前的显微成像仪的重量和体积过大的问题提供一种在保证成像性能的同上能够显著降低光学系统的重量和体积的基于超构透镜的光学成像系统。

2、为解决上述问题，本申请采用下述技术方案：

3、本申请目的之一，提供了一种基于超构透镜的光学成像系统，包括物面(1)、超构透镜光学模块(2)及像面(3)，所述超构透镜光学模块(2)包括第一超构透镜(21)、第二超构透镜(22)及孔径光阑(23)，所述第一超构透镜(21)及所述第二超构透镜(22)的结构相同，所述孔径光阑(23)设置在所述第一超构透镜(21)及所述第二超构透镜(22)的中间位置，且所述孔径光阑(23)到所述第一超构透镜(21)及到所述第二超构透镜(22)的距离均为所述第一超构透镜(21)的焦距的一半，所述孔径光阑(23)的中心位于所述第一超构透镜(21)及所述第二超构透镜(22)的光轴上；

4、所述物面(1)发出的发散光束，经过所述第一超构透镜(21)变为平行光束，所述平行光束通过所述孔径光阑(23)后再经过所述第二超构透镜(22)变为会聚光束并成像在所述像面(3)上。

5、在其中一些实施例中，所述第一超构透镜(21)和所述第二超构透镜(22)的一侧为平面，另一侧为超构表面。

6、在其中一些实施例中，所述第一超构透镜(21)和/或所述第二超构透镜(22)的平面侧镀制有带通滤光片。

7、在其中一些实施例中，所述带通滤光片为一个带通谱段，所述带通谱段为525nm±20nm；或者所述带通滤光片为多个分立的带通谱段，所述多个分立的带通谱段为525nm±10nm和600nm±10nm。

8、本申请目的之二，还提供了一种大视场荧光显微成像仪，包括所述的光学成像系统。

9、本申请采用上述技术方案，其有益效果如下：

10、本申请提供的基于超构透镜的光学成像系统，包括物面(1)、超构透镜光学模块(2)及像面(3)，所述超构透镜光学模块(2)包括第一超构透镜(21)、第二超构透镜(22)及孔径光阑(23)，所述第一超构透镜(21)及所述第二超构透镜(22)的结构相同，所述孔径光阑(23)设置在所述第一超构透镜(21)及所述第二超构透镜(22)的中间位置，且所述孔径光阑(23)到所述第一超构透镜(21)及到所述第二超构透镜(22)的距离均为所述第一超构透镜(21)的焦距的一半，所述孔径光阑(23)的中心位于所述第一超构透镜(21)及所述第二超构透镜(22)的光轴上；所述物面(1)发出的发散光束，经过所述第一超构透镜(21)变为平行光束，所述平行光束通过所述孔径光阑(23)后再经过所述第二超构透镜(22)变为会聚光束并成像在所述像面(3)上，本申请提供的一种基于超构透镜的大视场荧光显微成像仪，结构紧凑，光学系统的视场达到4mm，单细胞分辨率，并且具有体积小，重量轻且易于装配的优势，在增大系统的成像视场，提高系统成像性能的基础上降低了系统的复杂度和成本。

技术特征：

1.一种基于超构透镜的光学成像系统，其特征在于，包括物面(1)、超构透镜光学模块(2)及像面(3)，所述超构透镜光学模块(2)包括第一超构透镜(21)、第二超构透镜(22)及孔径光阑(23)，所述第一超构透镜(21)及所述第二超构透镜(22)的结构相同，所述孔径光阑(23)设置在所述第一超构透镜(21)及所述第二超构透镜(22)的中间位置，且所述孔径光阑(23)到所述第一超构透镜(21)及到所述第二超构透镜(22)的距离均为所述第一超构透镜(21)的焦距的一半，所述孔径光阑(23)的中心位于所述第一超构透镜(21)及所述第二超构透镜(22)的光轴上；

2.如权利要求1所述的基于超构透镜的光学成像系统，其特征在于，所述第一超构透镜(21)和所述第二超构透镜(22)的一侧为平面，另一侧为超构表面。

3.如权利要求2所述的基于超构透镜的光学成像系统，其特征在于，所述第一超构透镜(21)和/或所述第二超构透镜(22)的平面侧镀制有带通滤光片。

4.如权利要求3所述的基于超构透镜的光学成像系统，其特征在于，所述带通滤光片为一个带通谱段，所述带通谱段为525nm±20nm；或者所述带通滤光片为多个分立的带通谱段，所述多个分立的带通谱段为525nm±10nm和600nm±10nm。

5.一种大视场荧光显微成像仪，其特征在于，包括权利要求1至4任一项所述的光学成像系统。

技术总结本申请提供的基于超构透镜的光学成像系统，所述物面(1)发出的发散光束，经过所述第一超构透镜(21)变为平行光束，所述平行光束通过所述孔径光阑(23)后再经过所述第二超构透镜(22)变为会聚光束并成像在所述像面(3)上，本申请提供的一种基于超构透镜的大视场荧光显微成像仪，结构紧凑，光学系统的视场达到4mm，单细胞分辨率，并且具有体积小，重量轻且易于装配的优势，在增大系统的成像视场，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,邓伟杰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：2024/11/4