CN217467336U - 基于超透镜的显微成像探头及显微成像系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型基于超透镜的显微成像探头包括：成像光学装置包括分光镜和超透镜装置，分光镜用于透射入射的光和反射从超透镜装置收集的光；超透镜装置用于将由分光镜透射的光聚焦到被测物上和将对被测物激发的光收集到分光镜上，其中，超透镜装置包括基底以及设置在基底上的超表面结构，超表面结构包括多个规则排布的纳米结构单元，以实现超透镜装置的功能；探测装置，用于接收由分光镜反射的光，并将光转化成电信号；保护装置，用于保护被测物，保护装置在一侧与被测物连接，并且在另一侧与成像光学装置连接。本实用新型通过用超透镜装置替换传统的成像透镜组降低了显微成像探头的重量，放置在被测物上时，被测物的感知度小，探测的数据更加的精准。

Description

基于超透镜的显微成像探头及显微成像系统

技术领域

本实用新型涉及显微成像技术领域，尤其涉及基于超透镜的显微成像探头。

背景技术

现代医学普遍认为研究深层大脑的结构和功能将大大加速我们在了解神经退行性疾病的机制和开发相关治疗方法方面的进展。

目前，对深层大脑研究时所使用的传统的光子显微镜，常用做梯度折射率透镜或多片式微物镜对被测物进行扫描成像。光子显微镜整体外形尺寸和轴外视场畸变极大地影响了在体实验的展开。并且，随着科技的发展，对光子显微镜要求的不断提高，对显微镜整装重量的要求越来越高。

实用新型内容

针对现有技术的上述缺陷，本实用新型提供的基于超透镜的显微成像探头以及显微成像系统基于双光子显微成像并且解决了上述技术问题。

为了达到上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

在一种方式中提供一种基于超透镜的显微成像探头包括：

成像光学装置，包括：分光镜和超透镜装置，所述分光镜用于透射入射的光和反射从所述超透镜装置收集的光；

所述超透镜装置用于将由所述分光镜透射的光聚焦到被测物上和将对所述被测物激发的光收集到所述分光镜上，其中，所述超透镜装置包括基底以及设置在基底上的超表面结构，所述超表面结构包括多个规则排布的纳米结构单元，以实现所述超透镜装置的功能；

探测装置，用于接收由所述分光镜反射的光，并将所述光转化成电信号；

保护装置，用于保护被测物，所述保护装置在一侧与所述被测物连接，并且在另一侧与所述成像光学装置连接。

在可实施的一种方式中，基于超透镜的显微成像探头还包括：移动台，移动台承载并且移动成像光学装置。

在可实施的一种方式中，移动台上设有用以驱动移动台移动的马达。

在可实施的一种方式中，移动台为可手动移动的移动台。

在可实施的一种方式中，探测装置包括光电倍增管，光电倍增管接收由分光镜反射的光。

在可实施的一种方式中，探测装置还包括滤光片，滤光片用以过滤非工作光，并使所需波长范围的光透过。

在可实施的一种方式中，基于超透镜的显微成像探头还包括两条光纤，光纤中的第一光纤能够将由光源发出的光射到分光镜上；光纤中的第二光纤能够传输由探测装置采集的信号。

在可实施的一种方式中，基于超透镜的显微成像探头还包括第三光纤，第三光纤与马达连接，以传输控制马达的信号。

在可实施的一种方式中，纳米结构单元阵列式排布；纳米结构单元为正六边形或正方形。

在可实施的一种方式中，纳米结构单元为正六边形，正六边形各顶点和中心位置至少设置有一个纳米结构。

在可实施的一种方式中，纳米结构单元为正方形，正方形各顶点和中心位置至少设置有一个纳米结构。

在可实施的一种方式中，纳米结构的材料包括氧化钛、氮化硅、熔融石英、氧化铝、氮化镓、磷化镓、非晶硅、晶体硅和氢化非晶硅中的一种。

在可实施的一种方式中，纳米结构为偏振相关结构。

在可实施的一种方式中，偏振相关结构包括纳米鳍或纳米椭圆柱。

在可实施的一种方式中，纳米结构与纳米结构之间填充有填充层。

在可实施的一种方式中，填充层包括空气填充或者与纳米结构的折射率不同的其他工作波段的材料，其他工作波段的材料为透明或半透明的材料。

在可实施的一种方式中，其他工作波段的材料的折射率与纳米结构的折射率差值的绝对值大于等于0.5。

在可实施的一种方式中，基底为熔融石英、冕牌玻璃、火石玻璃和蓝宝石中的一种。

在另一种方式中提供一种显微成像系统，包括

如上述的基于超透镜的显微成像探头，用以探测被测物的不同位置；

光源，发出用于基于超透镜的显微成像探头探测的光；

扫描控制装置，与移动台连接，并控制移动台的移动；

图像处理装置，与探测装置连接，将探测装置产生的电信号转化成图像。

本实用新型的有益效果是：本实用新型提供的一种基于超透镜的显微成像探头，通过超透镜装置降低了显微成像探头的重量，放置在被测物上时，被测物的感知度小，探测的数据更加的精准。

为了能更进一步了解本实用新型的特征以及技术内容，请参阅以下有关本实用新型的详细说明与附图，然而附图仅提供参考与说明用，并非用来对本实用新型加以限制。

附图说明

下面结合附图，通过对本实用新型的具体实施方式详细描述，将使本实用新型的技术方案及其它有益效果显而易见。

图1是本实用新型一种基于超透镜的显微成像探头的示意图，其中，图中的箭头为光行走方向；

图2是本实用新型一种基于超透镜的显微成像探头的原理图；

图3A是超表面结构为正六边形的示意图；

图3B是超表面结构为正方形的示意图；

图3C是纳米结构中纳米柱示意图；

图3D是纳米结构中纳米鳍示意图；

图4是本实用新型一种显微成像系统的示意图。

附图标记：

1、保护装置；2、移动台；3、分光镜；4、超透镜装置；5、框架；6、光电倍增管；7、滤光片；

8、纳米结构；81、基底；82、纳米鳍；83、纳米椭圆柱；84、填充层；

9、扫描控制系统；10、脉冲激光器；11、图像处理系统；12、光源；13、探测器；14、荧光信号。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本实用新型。在本实用新型和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

应当理解，尽管在本申请可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本申请范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施方式中的特征可以相互组合。

请参阅图1至图4，一种基于超透镜的显微成像探头包括保护装置1、成像光学装置和探测装置。

其中，保护装置1用以保护被测物，保护装置1在一侧与被测物固定连接，与被测物相对的保护装置1另一侧与成像光学装置连接。

保护装置1与被测物所形成的空间可以隔绝外界环境污染。例如，在被测物为实验用动物时，在动物的神经元活动探测中，将保护装置1的下侧与动物的颅骨固定连接，以对其内部进行保护。

成像光学装置可包括分光镜3以及超透镜装置4。

分光镜3在入射光的传播方向上设置在超透镜装置4的上游，并且用于透射入射光和反射从超透镜装置4收集的光。

具体地，光为由光源12产生的光束。光用以照射被测物，在被测物受到照射后，将光转化为荧光信号。

超透镜装置4在入射光的光路上设置在被测物的上游；其中，超透镜装置 4设计用于：将由分光镜3透射的光聚焦到被测物上和将对被测物激发的光收集到分光镜3上。为此，超透镜装置4包括基底81以及设置在基底81上的超表面结构，超表面结构包括多个规则排布的纳米结构单元。

探测装置用于接收由分光镜3反射的光，并将光转化成电信号。

具体地，探测装置在从被测物上激发的荧光信号的传播路径上设置在分光镜3的下游，并且，用于接收由分光镜3反射的荧光信号，并将该荧光信号转化成电信号。

可以理解的是，光透过分光镜3以及超透镜装置4被聚焦后，照射在被测物。被测物被光照射，以激发产生荧光信号，荧光信号透过超透镜装置4被收集至分光镜3。然后分光镜3再将收集的荧光信号反射至探测装置。最后，探测装置将荧光信号转化为电信号。

在本实施例中，以超透镜装置4作为用于聚焦入射光聚焦和收集激发的荧光的光学装置，可以减少显微成像探头的整体重量并简化结构，在被测物为小动物时，显微成像探头的重量尤为重要，小动物对感知的重量会产生应激反映，导致深层大脑研究过程中图像的数据存在较大误差，影响准确性。通过使用超透镜装置4，显著地减少小动物的感知度，从而提高图像数据的准确性。

在其中一个实施例中，基于超透镜的显微成像探头还可包括：移动台2，移动台2承载并且移动成像光学装置。

具体地，移动台2用于承载成像光学装置，在移动台2移动时，可以带动成像光学装置随之移动，改变成像光学装置照射在被测物的不同位置，以便成像光学装置能够进行逐点扫描，探测被测物。

移动台2在被测物的被测区域移动，移动台2的移动可以通过如下两种方案实现：

其中一种方案是在移动台2上设置用以驱动移动台2移动的马达，优选微型马达，通过该马达驱动移动台2在被测物的被测区域移动。

替选地，在另一实施方案中，可以通过手动的方式来移动移动台2。

通过移动台2的二维移动，可以改变光透过超透镜装置4聚焦后的光点的位置，以对被测物进行逐点扫描，从而形成所需的探测图像。

需要说明的是，移动台2与成像光学装置所包括的分光镜3和超透镜装置 4的连接方式可以是固定连接或可拆卸的连接，例如可以将其粘接。

在本实施例中，当由超透镜装置聚焦的光照射在被测物的探测区域上时，在焦平面上形成一个轮廓分明的小的光点，该点被照射后发出荧光信号，并且该荧光信号被超透镜装置4收集。通过移动移动台2，可以对被测物进行逐点扫描，从而使探测器也逐点获得对应光点的共聚焦图像，以最终在显示装置上显示。

还需要说明的是：通过使用超透镜装置，可以使得双光子激发精确地只发生在超透镜结构的焦点处，所以相对于传统的共聚焦显微镜，本实用新型的双光子显微成像探头不需要共聚焦小孔，从而提高了荧光检测效率。

在其中一个实施例中，探测装置用于接收由分光镜3反射的光，并将光转化成电信号。

其中，分光镜3反射的光为被测物被光照射，被测物激发产生的荧光信号14。

具体地，探测装置包括光电倍增管6，光电倍增管6接收由分光镜3反射的荧光信号14。

进一步地，探测装置还可包括滤光片7，荧光信号14首先透过滤光片7 后，然后再射至光电倍增管6。

滤光片7用于消除环境光等噪音影响，以使工作光通过。

基于超透镜的显微成像探头包括两条光纤，光纤中的第一光纤能够将由光源发出的光射到分光镜3上；光纤中的第二光纤能够传输由探测装置采集的信号。

此外，基于超透镜的显微成像探头还包括第三光纤，第三光纤与马达连接，以传输控制马达的信号。

本实施例的基于超透镜的成像探头的工作原理如下阐述：

将由光源12发射光经过第一光纤引导至分光镜3，并且由分光镜3将其透射，进而由超透镜装置4聚焦至被测物。并且在被测物处激发以产生荧光信号14。随后，荧光信号14经过超透镜装置4收集，并且由分光镜3反射至探测装置13。由探测器13探测并将荧光信号14转化为电信号，以随后形成图像。

上述实施例中，超透镜装置4可包括基底81以及设置在基底81上的超表面结构。

超表面结构可为一层亚波长的人工纳米结构膜。

超表面结构包括多个结构单元，结构单元可以根据需要阵列排布，以便光束照射在超透镜装置4时，能够聚焦。

其中，结构单元为正六边形或正方形。

需要说明的是，阵列的结构单元可以根据需要全部采用正方形或正六边形，也可以采用正方形或正六边形交错的排布，还可以采用一个区域是正方形，另一个区域是正六边形的方式来形成阵列结构。应当理解，实际产品可能因超透镜形状的限制，在超透镜边缘有纳米结构8的缺失，使其不满足完整的六边形或正方形。

图3A的结构单元为正六边形时，正六边形各顶点和中心位置至少设置有一个纳米结构8。

具体地，结构单元包括一个中枢纳米结构8，其周围环绕着个与其距离相等的周边纳米结构8，各周边纳米结构8圆周均布，组成正六边形，也可理解为多个纳米结构8组成的正三角形互相组合。

图3B的结构单元为正方形时，正方形各顶点和中心位置至少设置有一个纳米结构8。

具体地，结构单元包括一个中枢纳米结构8，其周围环绕着个与其距离相等的周边纳米结构8，组成正方形。

还需要说明的是，纳米结构8在不同波长下所需的相位，可在纳米结构8 数据库中查找相位最接近的纳米结构8。

纳米结构8可为全介质结构，在工作波段具有高透过率，可选的材料包括：氧化钛、氮化硅、熔融石英、氧化铝、氮化镓、磷化镓、非晶硅、晶体硅和氢化非晶硅等。

纳米结构8为亚波长的人工纳米结构8。

纳米结构8为偏振相关结构或偏振无关结构。

其中，纳米结构8可为偏振相关的结构，如纳米鳍82和纳米椭圆柱83等结构，此类结构对入射光施加一个几何相位。

利用纳米结构8的偏振相关的结构，可以通过偏振使得通过超透镜装置4 聚焦照射。

需要说明的是，纳米椭圆柱83可包括正纳米柱状结构、负纳米柱状结构、中空纳米柱状结构、拓扑纳米柱状结构中的任意一种或多种。

如图3C和3D所示，本实施例中，纳米结构8与纳米结构8之间填充有填充层84。填充层84用以间隔两个纳米结构8。

其中，填充层84包括空气填充或者与纳米结构8的折射率不同的其他工作波段的材料，其他工作波段的材料为透明或半透明的材料。

其他工作波段的材料的折射率与纳米结构的折射率差值的绝对值大于等于0.5。

如图4所示，在本申请的另一方面中提供一种显微成像系统，包括根据本申请的显微成像探头、光源12、扫描控制系统9、脉冲激光器10和图像处理系统11。

其中，光源12用以形成光。其优选为高能量锁模脉冲激光器10，其中由所述激光器发出的激光具有高的峰值能量和较低的平均能量。

扫描控制系统9通过光纤与微动马达连接，用以控制移动台2移动，从而控制探头在被测物上方移动，探测被测物。

图像处理系统11通过光纤与成像装置所包括的光电倍增管6连接，用以接收光电倍增管6转换的电信号，并将电信号形成图像显示出来。其中，电信号传输给显像装置用以显像，显像装置可以为带有显示器的计算机。

具体地，在被测物以小鼠为例的情况下，小鼠在小鼠神经元活动探测实验中，基于超透镜的显微成像探头与小鼠头颅骨相连接，三条传输信号的光纤分别与扫描控制系统9，脉冲激光器10和图像处理系统11相连接。扫描控制系统9控制探头移动；脉冲激光器10发射峰值能量高的脉冲激光；图像处理系统11对得到的电信号进行处理，输出成像结果。

在本实施例中，一种显微成像系统通过扫描控制系统9、脉冲激光器10和图像处理系统11三个系统之间相互配合实现小鼠神经元活动探测，形成神经元的图像。

综上所述，基于超透镜的显微成像探头采用超透镜装置可以显著地减少探头重量，从而减少被测物的感知度，提高由探测到的被测物图像信息的准确性。尤其在双光子显微成像中，双光子激发精确地只发生在超透镜结构的焦点处，相对于传统的共聚焦显微镜，不需要共聚焦小孔，从而提高了荧光检测效率。

以上，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (19)

1.一种基于超透镜的显微成像探头，其特征在于，包括：

成像光学装置，包括：分光镜和超透镜装置，所述分光镜用于透射入射的光和反射从所述超透镜装置收集的光；

所述超透镜装置用于将由所述分光镜透射的光聚焦到被测物上和将对所述被测物激发的光收集到所述分光镜上，其中，所述超透镜装置包括基底以及设置在基底上的超表面结构，所述超表面结构包括多个规则排布的纳米结构单元，以实现所述超透镜装置的功能；

探测装置，用于接收由所述分光镜反射的光，并将所述光转化成电信号；

保护装置，用于保护被测物，所述保护装置在一侧与所述被测物连接，并且在另一侧与所述成像光学装置连接。

2.根据权利要求1所述的基于超透镜的显微成像探头，其特征在于，所述保护装置还包括：移动台，所述移动台承载并且移动所述成像光学装置。

3.根据权利要求2所述的基于超透镜的显微成像探头，其特征在于，所述移动台上设有用以驱动所述移动台移动的马达。

4.根据权利要求2所述的基于超透镜的显微成像探头，其特征在于，所述移动台为可手动移动的移动台。

5.根据权利要求1所述的基于超透镜的显微成像探头，其特征在于，所述探测装置包括光电倍增管，所述光电倍增管接收由所述分光镜反射的光。

6.根据权利要求1所述的基于超透镜的显微成像探头，其特征在于，所述探测装置还包括滤光片，所述滤光片用以过滤非工作光，并使所需波长范围的光透过。

7.根据权利要求1所述的基于超透镜的显微成像探头，其特征在于，所述基于超透镜的显微成像探头还包括两条光纤，所述光纤中的第一光纤能够将由光源发出的所述光射到所述分光镜上；所述光纤中的第二光纤能够传输由所述探测装置采集的信号。

8.根据权利要求3所述的基于超透镜的显微成像探头，其特征在于，所述基于超透镜的显微成像探头还包括第三光纤，所述第三光纤与所述马达连接，以传输控制所述马达的信号。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的基于超透镜的显微成像探头，其特征在于，所述纳米结构单元阵列式排布；所述纳米结构单元为正六边形或正方形。

10.根据权利要求9所述的基于超透镜的显微成像探头，其特征在于，所述纳米结构单元为正六边形，所述正六边形各顶点和中心位置至少设置有一个所述纳米结构。

11.根据权利要求9所述的基于超透镜的显微成像探头，其特征在于，所述纳米结构单元为正方形，所述正方形各顶点和中心位置至少设置有一个所述纳米结构。

12.根据权利要求9所述的基于超透镜的显微成像探头，其特征在于，所述纳米结构的材料包括氧化钛、氮化硅、熔融石英、氧化铝、氮化镓、磷化镓、非晶硅、晶体硅和氢化非晶硅中的一种。

13.根据权利要求9所述的基于超透镜的显微成像探头，其特征在于，所述纳米结构为偏振相关结构。

14.根据权利要求13所述的基于超透镜的显微成像探头，其特征在于，所述偏振相关结构包括纳米鳍或纳米椭圆柱。

15.根据权利要求9所述的基于超透镜的显微成像探头，其特征在于，所述纳米结构与所述纳米结构之间填充有填充层。

16.根据权利要求15所述的基于超透镜的显微成像探头，其特征在于，所述填充层包括空气填充或者与所述纳米结构的折射率不同的其他工作波段的材料，所述其他工作波段的材料为透明或半透明的材料。

17.根据权利要求16所述的基于超透镜的显微成像探头，其特征在于，所述其他工作波段的材料的折射率与所述纳米结构的折射率差值的绝对值大于等于0.5。

18.根据权利要求9所述的基于超透镜的显微成像探头，其特征在于，所述基底为熔融石英、冕牌玻璃、火石玻璃和蓝宝石中的一种。

19.一种显微成像系统，其特征在于，包括

如权利要求1-18中任一项所述的基于超透镜的显微成像探头，用以探测被测物的不同位置；

光源，发出用于所述基于超透镜的显微成像探头探测的光；

扫描控制装置，与移动台连接，并控制所述移动台的移动；

图像处理装置，与所述探测装置连接，将所述探测装置产生的电信号转化成图像。

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