CN113391438B - 基于微透镜的多平面显微成像系统及成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于微透镜的多平面显微成像系统及成像方法，该系统包括：视窗模块用于将观测样本处的光学信号传播到微透镜和显微镜；微透镜模块，用于将微透镜观测面的位置移动到显微镜焦面进行成像；显微光学放大模块，用于对显微镜焦面发出的光学信号进行光学放大；信息采集模块，用于对显微光学放大模块的输出信号进行采集和处理，得到处理结果。该系统提升了传统光学显微镜的性能，使得传统光学显微镜能够实现对观测样本表面信息、深层信息或截面信息的同时观测。

Description

基于微透镜的多平面显微成像系统及成像方法

技术领域

本发明涉及光学显微成像技术领域，特别涉及一种基于微透镜的多平面显微成像系统 及成像方法。

背景技术

光学显微成像技术是人类认识微观世界的重要工具之一。通过光学显微成像技术，人 类认识理解了细胞、细菌、病毒等微生物结构，极大促进了生命科学和医学的发展。光学 显微镜的一个重要应用领域是脑神经活动的动态成像。结合GCaMP等化学指示剂，光学 显微镜可以利用钙浓度变化、化学递质浓度变化和电压变化等带来的荧光强度变化探测神 经元活动的变化。生物的大脑具有分层的三维结构，不同层具有不同的结构和功能。例如， 大脑的海马区和大脑皮层的信息交流和记忆的形成直接相关，因此为了探索记忆的形成过 程需要同时对海马和皮层进行同时观测。传统的光学显微技术单次拍摄只能对显微镜焦面 上的目标实现清晰呈现，焦面外的物体会产生模糊。

为了实现多平面样本的观测，现有方案主要有三种：第一种采用机械移动物镜，不同 时刻观测不同的位置，但是机械惯性限制了成像的速度；第二种采用电调变焦透镜改变物 镜焦距，此方法相对第一种方法提升了成像速度，但是受限于电调透镜的原理，视场范围 受限；第三种是光场显微成像方法，通过牺牲成像系统的横向分辨率来实现对三维光场的 获取和重建，不但无法分辨神经元的细节，还需要大量的数据算法才可以实现三维重建。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种基于微透镜的多平面显微成像系统，该系统通 过在传统显微镜物镜和样本面之间加入微透镜，实现视野中不同深度区域的同时成像。

本发明的另一个目的在于提出一种基于微透镜的多平面显微成像方法。

为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种基于微透镜的多平面显微成像系统， 包括：显微镜、设置于显微镜物镜和观测样本之间的微透镜模块、视窗模块、显微光学放 大模块、信息采集模块；

所述视窗模块用于将所述观测样本处的光学信号传播到微透镜模块和显微镜；

所述微透镜模块，用于将微透镜观测面的位置移动到显微镜焦面进行成像；

显微光学放大模块，用于对显微镜焦面发出的光学信号进行光学放大；

信息采集模块，用于对所述显微光学放大模块的输出信号进行采集和处理，得到处理 结果。

本发明实施例的基于微透镜的多平面显微成像系统，解决了现有的宽场显微系统无法 同时对多个平面成像的局限性，利用在显微镜物镜和样本之间放置微透镜实现多平面的同 时成像，从而能够在保持传统显微成像光路的前提下实现对样本内不同深度不同区域样本 的同时观测。

另外，根据本发明上述实施例的基于微透镜的多平面显微成像系统还可以具有以下附 加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述视场模块包括微透镜视窗和宽视场视窗；

所述微透镜视窗，用于保持微透镜观测视野的平整，并把微透镜成像范围的信息传播 到所述宽视场视窗；

所述宽视场视窗用于保持宽视场的平整。

进一步地，在本发明的一个实施例中，对于远离物镜侧的所述观测样本的光学信号， 通过均匀介质传播到微透镜后，在显微镜的物面形成一个虚像，该虚像和靠近物镜侧的所 述观测样本的光学信号通过所述显微光学放大模块进行放大。

进一步地，在本发明的一个实施例中，还包括：微棱镜；

所述微棱镜用于将所述观测样本的纵向截面反射到显微镜的物面，形成一个虚像。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述系统满足以下关系：

其中，u为微透镜模块的观测面到微透镜模块的距离，v为显微镜物镜焦面到微透镜模 块距离，f为微透镜模块的焦距。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述系统满足以下关系：

其中，d为微透镜模块的厚度，h为微透镜视窗的高度，n_o为微透镜视窗的折射率，n_i为 微透镜模块与显微镜物镜之间介质的折射率，微透镜模块的焦距为无穷大。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述微透镜模块的个数为至少一个，分别放置 在不同的观测位置。

进一步地，在本发明的一个实施例中，微透镜视窗中填充的材料包括空气、液体或者 玻璃，微透镜视窗的外周表面附加套管保护，视窗的高度和上下表面根据焦平面位置的调 节需要采用平面或者曲面。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述信息采集模块包括面阵光强探测器，将二 维光信号转化为电信号。

为达到上述目的，本发明另一方面实施例提出了一种基于微透镜的多平面显微成像方 法，包括以下步骤：

获取观测样本；

将微透镜安装到微透镜观测范围的观测样本内；

将盖玻片覆盖在观测样本表面，并进行固定；

通过调节微透镜的轴向位置实现不同平面的对焦，利用基于微透镜的多平面显微成像 系统对观测样本进行观测。

本发明实施例的基于微透镜的多平面显微成像方法，通过在物镜和样本之间加入微透 镜，创建了一种有效、快速的多平面显微成像方式，能够经济高效地扩展现有显微镜的功 能，具有实现对样本内大范围不同深度同时成像的能力。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明 显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和 容易理解，其中：

图1为根据本发明一个实施例的基于微透镜的宽场显微成像系统的结构图；

图2为根据本发明另一个实施例的基于微透镜的宽场显微成像系统的结构图；

图3为根据本发明又一个实施例的基于微透镜的宽场显微成像系统的结构框图；

图4为根据本发明一个实施例的基于微透镜的宽场显微成像方法流程图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同 或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描 述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参照附图描述根据本发明实施例提出的基于微透镜的多平面显微成像系统及 成像方法。

首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的基于微透镜的多平面显微成像系统。

图1为根据本发明一个实施例的基于微透镜的宽场显微成像系统的结构图。

如图1所示，该基于微透镜的多平面显微成像系统包括：

显微镜、视窗模块10、设置于显微镜物镜和观测样本之间的微透镜模块20、显微光学 放大模块30、信息采集模块40。

视窗模块10用于将观测样本处的光学信号传播到微透镜模块和显微镜；

微透镜模块20，用于将微透镜观测面的位置移动到显微镜焦面进行成像；

显微光学放大模块30，用于对显微镜焦面发出的光学信号进行光学放大；

信息采集模块40，用于对显微光学放大模块的输出信号进行采集和处理，得到处理结 果。

进一步地，观测样本可以为大脑的深层、表面或侧面组织。

通过微透镜和显微镜物镜对观测样本进行观测，视窗模块将微透镜和物镜观测范围内 深层或侧面组织的光学信号传播到微透镜和显微镜。

微透镜模块利用光学折射原理将微透镜观测面的位置移动到显微镜焦面，即将微透镜 观测视窗的光学信号成像到显微镜焦面。光学信号在显微镜焦面成像后，通过显微光学放 大模块对显微镜焦面的光学信号进行放大，后通过显微镜中的显微光学变倍模块输出，再 通过信息采集模块进行采集和处理。

进一步地，视窗模块包括微透镜视窗11和宽视场视窗12。微透镜视窗的作用是保持微 透镜观测视野的平整，并把微透镜成像范围的信息传播到宽视场视窗；宽视场视窗的作用 是保持宽视场的平整。如图2所示，微透镜的观测面、显微镜焦面、显微镜和微透镜之间 应满足下列成像关系以保证微透镜的观测面能够成像到显微镜的焦面上，从而不同平面的 样本都能在相机上清晰成像：

其中，u为微透镜的观测面到微透镜的距离，v为显微镜物镜焦面到微透镜距离，f为微 透镜的焦距。

进一步地，微透镜与显微镜之间还满足以下关系：

其中，d为微透镜模块的厚度，h为微透镜视窗的高度，n_o为微透镜视窗的折射率，n_i为 微透镜模块与显微镜物镜之间介质的折射率，微透镜模块的焦距为无穷大。

进一步地，观测样本具有一定的深度，对于远离物镜侧的观测样本的光学信号，通过 均匀介质传播到微透镜后，在显微镜的物面形成一个虚像，该虚像和靠近物镜侧的观测样 本的光学信号通过显微光学放大模块进行放大。

具体地，如观测样本为深部脑组织结构(例如海马区)，观测样本首先通过一段空气或 者其他均匀介质的传播后通过微透镜后，在显微镜的物面形成一个虚像；虚像和浅层脑组 织再通过显微镜的光学放大模块在探测器上进行同时成像。

进一步地，在本发明的实施例中，还包括：微棱镜；

微棱镜用于将观测样本的纵向截面反射到显微镜的物面，形成一个虚像。

具体地，观测样本为脑组织，对于脑组织的纵向截面首先通过一个微棱镜的反射后在 显微镜的物面形成一个虚像；虚像和浅层脑组织经过微透镜后再通过显微镜的光学放大模 块在探测器上共同成像。

可以理解的是，本发明的实施例所采用的微透镜的焦距、厚度和折射率等性质可通过 光学折射原理优化：焦距可以根据深层组织的聚焦位置调节为正值、负值或者无穷大，分 别对应于凹透镜、凸透镜和光学平板；厚度可以根据深层组织的聚焦位置改变；折射率可 通过选取不同材料改变。微透镜视窗中填充的材料可采用空气、液体或者玻璃，视窗的外 周表面可附加套管保护，视窗的高度和上下表面可以根据焦平面位置的调节需要而采用平 面或者曲面。

进一步地，在本发明实施例的系统中，不同的观测位置可以放置一个或者多个微透镜， 以实现多平面的同时观测。

在本发明的实施例中，信息采集模块可以为面阵光强探测器(例如CMOS，CCD)，作用为将二维光信号转化为电信号。显微光学放大模块利用光在介质中的折射实现物镜前焦面信息的尺寸放大，并将收集到的光信号耦合到探测器上。

具体地，微透镜观测窗口的光学信号通过微透镜光学窗口，又经过宽视场观测窗口和 微透镜，在显微镜物镜的焦面上形成一个虚像；宽视场观测区域位于显微镜焦面的光学信 号通过宽视场观测窗口，和微透镜观测窗口的虚像一起透过显微放大成像系统，在探测器 上成像。

下面结合附图和具体实施例对本发明的基于微透镜的多平面显微成像系统进行详细说 明。

实施例1：

图2中示意了一个实现海马区和皮层表面同时观测的多平面成像系统。海马 区的深度距离皮层表面大约1mm。在图3a中，微透镜观测窗口的盖玻片厚度约 为0.17mm，直径为2mm。套筒外径为2mm，内径为1mm，高度为1mm。套筒 上表面和宽视场盖玻片的下表面是重合的。微透镜的焦距为2mm，空间位置可 以通过机械结构精密调节。显微放大成像采用宽视场高分辨物镜成像系统，放大 倍数10X，数值孔径为0.3，视场大小1cm，分辨率0.8um。探测器采用美国仙 童(Fairychild)公司的sCMOS芯片，像素尺寸6.5um。

如图3a，深层组织截面(图3a中的实线箭头所示平面)经过光学窗口和微 透镜后，第一次在到显微镜焦面平面上(图3a的虚线箭头所示平面)形成一个 中间像面，之后和其他区域的浅层组织共同经过显微放大系统在探测器上成像。

实施例2：

图2中示意了一个实现纵向截面和皮层表面同时观测的多平面成像系统。观 测截面的深度约为1mm。在图3b中，微透镜观测窗口的微棱镜边长约为1.0mm， 微透镜上表面和宽视场盖玻片的下表面是重合的。微透镜的焦距为2mm，空间 位置可以通过机械结构精密调节。显微放大成像采用宽视场高分辨物镜成像系统， 放大倍数10X，数值孔径为0.3，视场大小1cm，分辨率0.8um。探测器采用美 国仙童(Fairychild)公司的sCMOS芯片，像素尺寸6.5um。

如图3b所示，深层组织截面(图3b中的实线箭头所示平面)首先通过一个 微棱镜成像到纵截面反射像平面(图3b中偏下的虚线箭头所示平面)，经过光学 窗口和微透镜后，第二次在到显微镜焦面平面上(图3b中偏上的蓝色虚线箭头 所示平面)形成一个中间像面，之后和其他区域的浅层组织共同经过显微放大系 统在探测器上成像。

实施例3：

图2中示意了一个实现海马区和皮层表面同时观测的多平面成像系统。海马 区的深度距离皮层表面大约1mm。微透镜观测窗口的盖玻片厚度约为0.17mm， 直径为1mm。套筒为一个直径1mm，高度为0.8mm的均匀玻璃圆柱。套筒上表 面和宽视场盖玻片的下表面是重合的。(优选地，微透镜观测窗口的盖玻片和套 筒的整体可以用一个直径1mm，高度为1mm的均匀玻璃圆柱替代)。微透镜采 用焦距视为无穷大，厚度为2mm的玻璃平板，可以通过采用不同厚度玻璃来调 节成像面位置。显微放大成像采用宽视场高分辨物镜成像系统，放大倍数10X， 数值孔径为0.3，视场大小1cm，分辨率0.8um。探测器采用美国仙童(Fairychild)公司的sCMOS芯片，像素尺寸6.5um。

深层组织截面经过玻璃柱和玻璃平板后，第一次在到显微镜焦面平面上形成 一个中间像面，之后和其他区域的浅层组织共同经过显微放大系统在探测器上成 像。

实施例4：

图2中示意了一个实现纵向截面和皮层表面同时观测的多平面成像系统。观 测截面的深度约为1mm。微透镜观测窗口的微棱镜边长约为1.0mm，微透镜上 表面和宽视场盖玻片的下表面是重合的。微透镜采用焦距视为无穷大，厚度为 2mm的玻璃平板，可以通过采用不同厚度玻璃来调节成像面位置。显微放大成 像采用宽视场高分辨物镜成像系统，放大倍数10X，数值孔径为0.3，视场大小 1cm，分辨率0.8um。探测器采用美国仙童(Fairychild)公司的sCMOS芯片， 像素尺寸6.5um。

深层组织截面首先通过一个微棱镜成像到纵截面反射像平面，经过光学窗口和光学平 板后，第二次在到显微镜焦面平面上形成一个中间像面，之后和其他区域的浅层组织共同 经过显微放大系统在探测器上成像。

根据本发明实施例提出的基于微透镜的多平面显微成像系统，通过在物镜和样本之间 加入微透镜模块，创建了一种有效、快速的多平面显微成像方式；能够经济高效地扩展现 有显微镜的功能，具有实现对样本内大范围不同深度同时成像的能力。

其次参照附图描述根据本发明实施例提出的。

图4为根据本发明一个实施例的实现基于微透镜的多平面显微成像方法流程图。

如图4所示，该基于微透镜的多平面显微成像方法包括以下步骤：

S1，获取观测样本。

可以理解的是，若对脑部进行观测，则可以利用颅钻等工具小心移出光学无法穿透的 颅骨。

S2，微透镜视窗模块植入：将微透镜观测范围视窗安装到微透镜观测范围的脑组织内。 在实施例1中，首先利用真空吸液器吸出覆盖在深部脑组织表层的皮层组织，然后先后植 入微透镜观测盖玻片和套管；实施例2中，利用立体定位仪小心将微棱镜沿一条边缘压入 脑组织。

S3，宽视场视窗植入：将盖玻片覆盖在脑组织表面，盖玻片周围用组织胶水、牙科水 泥等和颅骨固定在一起。

S4，成像观测：通过调节微透镜的轴向位置实现不同平面的对焦，利用基于微透镜的 多平面显微成像系统对脑部区域进行观测。

需要说明的是，前述对方法实施例的解释说明也适用于该实施例的装置，此处不再赘 述。

根据本发明实施例的基于微透镜的多平面显微成像方法，通过在物镜和样本之间加入 微透镜，创建了一种有效、快速的多平面显微成像方式；能够经济高效地扩展现有显微镜 的功能，具有实现对样本内大范围不同深度同时成像的能力。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者 隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐 含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三 个等，除非另有明确具体的限定。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、 或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包 含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须 针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一 个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技 术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合 和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的， 不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例 进行变化、修改、替换和变型。

Claims (7)

1.一种基于微透镜的多平面显微成像系统，其特征在于，包括：

显微镜、设置于显微镜物镜和观测样本之间的微透镜模块、视窗模块、显微光学放大模块、信息采集模块；

所述视窗模块用于将所述观测样本处的光学信号传播到微透镜模块和显微镜；

所述微透镜模块，用于将微透镜观测面的位置移动到显微镜焦面进行成像；

显微光学放大模块，用于对显微镜焦面发出的光学信号进行光学放大；

信息采集模块，用于对所述显微光学放大模块的输出信号进行采集和处理，得到处理结果；

所述系统满足以下关系：

其中，d为微透镜模块的厚度，h为微透镜视窗的高度，n_o为微透镜模块的折射率，n_i为微透镜模块与显微镜物镜之间介质的折射率，微透镜模块的焦距为无穷大；

所述视窗模块包括微透镜视窗和宽视场视窗；

微透镜视窗中填充的材料包括空气、液体或者玻璃，微透镜视窗的外周表面附加套管保护，视窗的高度和上下表面根据焦平面位置的调节需要采用平面或者曲面；

所述微透镜视窗，用于保持微透镜观测视野的平整，并把微透镜成像范围的信息传播到所述宽视场视窗；

所述宽视场视窗用于保持宽视场的平整。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，对于远离物镜侧的所述观测样本的光学信号，通过均匀介质传播到微透镜后，在显微镜的物面形成一个虚像，该虚像和靠近物镜侧的所述观测样本的光学信号通过所述显微光学放大模块进行放大。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括：微棱镜；

所述微棱镜用于将所述观测样本的纵向截面反射到显微镜的物面，形成一个虚像。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统满足以下关系：

其中，u为微透镜模块的观测面到微透镜模块的距离，v为显微镜物镜焦面到微透镜模块距离，f为微透镜模块的焦距。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述微透镜模块的个数为至少一个，分别放置在不同的观测位置。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述信息采集模块包括面阵光强探测器，将二维光信号转化为电信号。

7.一种基于微透镜的多平面显微成像方法，其特征在于，所述基于微透镜的多平面显微成像方法适用于如权利要求1-6中任一项所述的基于微透镜的多平面显微成像系统，包括以下步骤：

获取观测样本；

将微透镜安装到微透镜观测范围的观测样本内；

将盖玻片覆盖在观测样本表面，并进行固定；

通过调节微透镜的轴向位置实现不同平面的对焦，利用基于微透镜的多平面显微成像系统对观测样本进行观测。

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