CN110967816A - 基于多维调节架的近红外二区宽场显微成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多维调节架的近红外二区荧光宽场显微成像系统。该发明以商用正置荧光显微镜模块为基础，将落射式照明器安装在多维调节架上，能实现多维度的平移及旋转，使得物镜能方便地移动到成像平面的正上方。激发光从落射式照明器的后端口引入，经二向色镜反射后通过物镜照射在样品上，样品发出的荧光被物镜收集再经镜筒透镜成像在InGaAs相机探测面上，实现荧光显微成像。其中物镜安装在电动调焦模块上，能实现精确对焦和层析成像。本发明克服了原有产品不能对体积较大的实验动物成像的缺点，能精准方便调整到成像窗口垂直上方，非常适合于大动物宽场显微成像，性能优良、使用便捷、适于推广。

Description

基于多维调节架的近红外二区宽场显微成像系统

技术领域

本发明属于应用光学的显微成像领域，涉及一种基于多维调节架的近红外二区宽场荧光显微成像系统。

背景技术

生物体发出的荧光信号能揭示出丰富的信息，基于荧光的生物显微成像已被广泛应用于生命科学的研究中。相对于传统的透射显微成像，荧光显微成像具有空间分辨率高、成像信噪比高、可特异性标记等优点。荧光显微成像系统一般由照明部分、成像部分、分束器（如二向色镜）、物镜和样品等组成，往往采用落射式照明的方式来激发样品产生荧光，其中分束器用来分离激发光和信号光。

发展到今天，市场上已有不少成熟的商用荧光显微镜产品，如日本奥林巴斯BX、IX系列以及国产的舜宇RX 50等。这些产品通常采用内置的汞灯作为激发光源，通过激发光滤光片选择合适波段的激发光来激发荧光探针，信号荧光被物镜收集后经过镜筒透镜（TubeLens）聚焦到探测面上，实现荧光成像。其显微物镜往往不能上下移动，实现样品的对焦则通过调节载物台来实现，且由于机身结构限制，物镜下的空间有限，只能应用于体积较小的生物样品（如细胞、组织切片、小鼠等）成像。

而近年来，对大动物（如猴、兔等）的活体荧光显微成像的研究日渐深入，上述显微镜在空间上难以容纳大动物进行成像，同时对于大体积的动物，通过移动载物台来对焦的方式难以操作也不够精确，这使得大动物成像受到了较大限制。目前市场上尚缺少商用的能适用于大动物成像的荧光显微系统，相应的产品亟待开发。

近红外二区指波长位于900~1700 nm的波段，相对于传统的可见光（400~760 nm）和近红外一区波段（760~900 nm）,该波段的荧光成像具有更低的散射、更大的穿透深度以及更高的空间分辨率。同时由于生物组织自发荧光在此区域相对较小，近红外二区荧光成像还具有更高的信号背景比；受限于该波段的探测器和光学器件的发展，近红外二区成像系统仍然有限，成像性能仍需提高。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，开发出一套基于多维调节架的能对体积较大的实验动物成像的近红外二区荧光显微成像系统。

本发明是在正置荧光显微镜模块的基础上搭建的一套宽场荧光显微成像系统。将显微镜的落射式照明器固定在多维调节架上，显微物镜则安装在支架上的电动对焦模块上。激发光从落射式照明器后口引入，通过显微物镜照射在样品上激发出荧光，该信号被物镜收集并通过镜筒透镜成像在相机探测面上，实现荧光显微成像。

本发明的具体技术方案为：

本发明针对体积较大的实验动物成像，包括LED光源、准直透镜、显微镜落射式照明器、二向色镜、信号光滤光片、物镜安装器、显微物镜、三目镜、InGaAs相机、电动调焦模块、控制盒、旋钮盒、多维调节架和载物台。

所述的LED光源通过准直透镜接到显微镜落射照明器上，发出的光经过照明器光路后被二向色镜反射，并聚焦到物镜的前焦面上，在物镜后形成宽场光，激发荧光探针发出荧光信号，由此构成照明光路。

所述的荧光信号光被物镜收集并原路返回透过二色镜至信号光滤光片，所述信号光滤光片用于滤除激发光。三目镜内的镜筒透镜将信号光聚焦到InGaAs相机的探测面上，完成光电转化，被计算机处理成图像或视频，由此构成成像光路；

所述的照明光路和成像光路整体安装在多维调节架上，实现在X、Z方向上的平移以及绕着X、Y和Z三个轴的旋转。

所述的物镜安装在物镜安装器上，物镜安装器连接电动对焦模块，通过调节连接在控制盒上的旋钮盒实现沿Z轴方向上的移动，用于精确地对焦到某平面或者在不同深度的近红外二区荧光层析成像。

进一步说，在二色镜和物镜之间放置遮光器，用于防止杂散光进入。

进一步说，实验动物放置在载物台上，所述载物台实现在X和Y方向的精细微调，帮助调整成像区域到所述物镜的下方。

本发明具有的有益效果是：

第一，本系统整个照明、成像光路安装在多维调节架上，该支架高度可调，使得物镜下方拥有较大的空间适用于对原显微镜难以容纳的大体积动物成像。同时能实现在多个维度的平移和旋转，使得物镜能方便地调整到成像区域的上方，并和成像平面垂直。

第二，显微物镜安装在电动调焦模块上，可调节物镜在Z轴上位置来对焦或者在不同深度实现层析成像，而在前述的几种普通显微镜上往往只能通过移动物体来实现，在较大体积的动物或者不可移动的物体上成像受到限制。

第三，光学元件和探测器均在近红外二区波段优化，发挥了该波段荧光成像穿透深度大、信噪比高的优势。光学元件包括显微物镜、镜筒透镜等在近红外二区波段增透，作为探测器的InGaAs相机在该波段有较高的响应率。

附图说明

图1为本发明所述成像系统的结构示意图。

图2为本发明的成像效果图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

本发明采用的技术方案是：

本发明由LED光源、准直透镜、显微镜落射式照明器、二向色镜、滤光片、遮光器、物镜安装器、显微物镜、三目镜、InGaAs相机、电动调焦模块、控制盒、旋钮盒、多维调节架、载物台和计算机等组成。

该系统照明和成像光路基于商用的荧光显微镜，并安装在多维调节架上，下方具有较大的空间放置成像物体，并能在多个维度平移和旋转，方便对准及垂直于成像平面。激发光从落射式照明器后口引入，在物镜后形成宽场照明光束，激发荧光探针产生荧光信号，进而被物镜收集，成像到相机的探测面上。物镜安装在电动调焦结构上，控制物镜在Z轴上的位置来精确对焦，在不同深度上成像还可实现三维层析成像。实验动物放置在能在X、Y方向精确位移的载物台上，方便成像时调整视场的位置。光学元件及探测器对近红外二区波段优化，提高成像深度及信噪比。

实施例：如图1所示，首先，LED光源1通过准直透镜2接到显微镜落射照明器3上，发出的光经过照明器光路后被二向色镜4（透过长波长，反射短波长）反射，并聚焦到物镜5的前焦面上，在物镜后形成宽场光，激发荧光探针发出荧光信号。该信号光被物镜收集并原路返回透过二色镜。在二色镜和物镜之间放置遮光器6可以防止杂散光进入，信号光滤光片7用于滤除激发光。三目镜8内的镜筒透镜最后将信号光聚焦到InGaAs相机9的探测面上，完成光电转化，被计算机处理成图像或视频。

实验动物放置在载物台10上，可以实现在X和Y方向的精细微调，帮助调整成像区域到物镜的下方。物镜安装在物镜安装器11上，并连接到电动对焦模块12，通过调节连接在控制盒13上的旋钮盒14可以沿Z轴实现移动，精确地对焦到某平面或者在不同深度层析成像。

照明光路和成像光路整体安装在多维调节架15上，能帮助其实现如箭头所示的在X、Z方向上的平移以及绕着X、Y和Z三个轴的旋转。该支架底座有适配光学平台的螺孔，可方便地安装在光学平台的任意位置。支架的高度可以调节，使得物镜下方有较大的空间可以放置体积较大的实验动物。通过多维度的平移和旋转，能将物镜调整到实验动物成像区域的正下方，并使其垂直于成像平面。

其中落射式照明器、三目镜均来自舜宇光学科技有限公司（以下简称舜宇）的RX50生物显微镜。多维调节架也来自舜宇。电动调焦结构采用索雷博光电科技有限公司（以下简称索雷博）的ZFM2020电动对焦模块和MCM3001三通道控制盒和旋钮盒。物镜选用奥林巴斯XLPLN25XWMP2，具有25倍的放大率及2 mm的工作距离，工作介质是水，适用波段为400~1600nm。二色镜选用索雷博DMLP900R，该二色镜反射900 nm以下的光并透过900nm以上的光。信号光滤光片选用索雷博FELH900长通滤光片。探测器选用深圳天盈光电公司SW640-T型InGaAs相机，响应波段为900~1700 nm，像素数为640

512。激发光源采用索雷博型号为M780L3-C1的LED，峰值波长为780 nm。荧光探针是商用的注射用吲哚菁绿，其吸收峰在785nm左右，荧光峰在850 nm左右。将上述荧光材料通过静脉注射到大型实验动物（如猴）体内，对脑血管成像，可得到具有较高信噪比的图像（如图2所示）。

综上，本发明陈述了一种基于多维调节架的荧光显微成像系统。该系统将照明和成像光路结构安装在多维调节架上，支架下方的空间能放置体积较大的实验动物或者其他成像物体，且能通过多个维度的平移和旋转将物镜调整到成像平面正上方，克服了普通显微镜只能对较小的样品成像的缺点。通过电动对焦模块移动物镜的方式来对焦，更为方便可靠。光学系统在近红外二区波段具有较高的透过率，探测器在此波段有很好的响应率，发挥了近红外二区荧光成像穿透深度大以及信噪比高的优势。该系统工作稳定、性能可靠，使用简单，应用范围广，在研究脑科学、神经科学等方面有广阔的前景。

Claims (3)

1.基于多维调节架的近红外二区宽场显微成像系统，针对体积较大的实验动物成像，包括LED光源、准直透镜、显微镜落射式照明器、二向色镜、信号光滤光片、物镜安装器、显微物镜、三目镜、InGaAs相机、电动调焦模块、控制盒、旋钮盒、多维调节架和载物台，其特征在于：

所述的LED光源通过准直透镜接到显微镜落射照明器上，发出的光经过照明器光路后被二向色镜反射，并聚焦到物镜的前焦面上，在物镜后形成宽场光，激发荧光探针发出荧光信号，由此构成照明光路；

所述的荧光信号光被物镜收集并原路返回透过二色镜至信号光滤光片，所述信号光滤光片用于滤除激发光；三目镜内的镜筒透镜将信号光聚焦到InGaAs相机的探测面上，完成光电转化，被计算机处理成图像或视频，由此构成成像光路；

所述的照明光路和成像光路整体安装在多维调节架上，实现在X、Z方向上的平移以及绕着X、Y和Z三个轴的旋转；

所述的物镜安装在物镜安装器上，物镜安装器连接电动对焦模块，通过调节连接在控制盒上的旋钮盒实现沿Z轴方向上的移动，用于精确地对焦到某平面或者在不同深度的近红外二区荧光层析成像。

2.根据权利要求1所述的基于多维调节架的近红外二区宽场显微成像系统，其特征在于：在二色镜和物镜之间放置遮光器，用于防止杂散光进入。

3.根据权利要求1或2所述的基于多维调节架的近红外二区宽场显微成像系统，其特征在于：实验动物放置在载物台上，所述载物台实现在X和Y方向的精细微调，帮助调整成像区域到所述物镜的下方。

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