阅读说明：本技术 一种光场微型显微系统 (Light field micro-microscope system ) 是由 金欣 陈艳琴 戴琼海 于 2019-12-04 设计创作，主要内容包括：一种光场微型显微系统,包括激发光源、激发光路、发射光路、物镜和成像传感器,其中,所述激发光源发出的光通过所述激发光路投射到观测对象,对所述观测对象进行荧光激发,被激发的荧光通过所述发射光路被所述成像传感器采集,所述发射光路中在所述成像传感器前设置有一分光聚焦器件,用于采集所述观测对象的多维信息,其中,所述分光聚焦器件设置于所述光场微型显微系统中物镜工作距离对应的聚焦面的前方,使得所述观测对象通过所述光场微型显微系统内部各光学器件后在所述成像传感器上成虚像。本发明不仅减小了光场微型显微系统的尺寸和重量,而且使得分辨率在成像深度范围内具备一致性。(The utility model provides a miniature microscopic system in light field, includes excitation light source, arouses light path, emission light path, objective and imaging sensor, wherein, the light that excitation light source sent passes through arouse light path projects the observation object, and is right the observation object carries out fluorescence excitation, and the fluorescence that is aroused passes through the emission light path by imaging sensor gathers, be provided with a beam splitting focusing device in the emission light path before imaging sensor for gather the multidimensional information of observation object, wherein, beam splitting focusing device set up in the miniature microscopic system in light field the place ahead of the focus plane that objective working distance corresponds makes the observation object is in behind each optical device of the inside miniature microscopic system in light field become the virtual image on the imaging sensor. The invention not only reduces the size and weight of the light field micro-microscope system, but also ensures that the resolution ratio has consistency in the imaging depth range.)

一种光场微型显微系统

技术领域

本发明涉及光学显微成像和计算机视觉领域，特别是涉及一种光场微型显微系统。

背景技术

揭示脑的奥秘一直是人类面临的最大挑战之一，因此脑成像一直是国内外学术界和工业界的研究热点。为了理解脑内特定区域与其功能之间的关系，近年来研究者们提出了多种头戴式的微型显微成像系统，以期达到实时观测自然行为条件下动物脑内神经元活动的目的。但是，现有的微型显微成像系统不能够实现单次曝光内获取神经元活动的三维时变信息。为了能够实现三维神经元活动的记录，研究者们将光场采集与微型显微成像系统进行融合，并提出了光场微型显微系统。

但目前的光场微型显微系统仍存在不足。首先，现有的光场微型显微系统使用的光学架构会使得系统整体尺寸较长，重量不轻，因而可能导致动物的自然行为受到影响。其次，现有的光场微型显微系统在成像深度范围内的空间与角度采样分配不当，使得分辨率在成像深度范围内不具备一致性。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种光场微型显微系统，以减小系统的尺寸和重量，并使系统分辨率在成像深度范围内具备一致性。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种光场微型显微系统，包括激发光源、激发光路、发射光路、物镜和成像传感器，其中，所述激发光源发出的光通过所述激发光路投射到观测对象，对所述观测对象进行荧光激发，被激发的荧光通过所述发射光路被所述成像传感器采集，所述发射光路中在所述成像传感器前设置有一分光聚焦器件，用于采集所述观测对象的多维信息，其中，所述分光聚焦器件设置于所述光场微型显微系统中物镜工作距离对应的聚焦面的前方，使得所述观测对象通过所述光场微型显微系统内部各光学器件后在所述成像传感器上成虚像。

进一步地：

所述发射光路包括中继透镜，所述分光聚焦器件设置在所述成像传感器与所述中继透镜之间。

所述分光聚焦器件的光学参数及设置位置满足以下关系式：

d₁-d₂>0, (1)

其中，M为所述光场微型显微系统中物镜与中继透镜聚焦时组成的放大倍数，NA为物镜的数值孔径，f_mla和d_mla分别为分光聚焦器件上每个聚焦透镜单元的焦距和直径，d₁为物镜的工作距离对应的聚焦面所在的位置与中继透镜之间的距离，d₂为分光聚焦器件放置的位置与中继透镜之间的距离，b为分光聚焦器件与成像传感器之间的距离，M_mla为物镜和中继透镜在分光聚焦器件放置位置处的放大倍数，放大倍数M和放大倍数M_mla仅在d₁－d₂＝0时相等。

所述物镜和所述中继透镜组成的放大倍数与所述光场微型显微系统的成像视场的乘积，不超过所述成像传感器靶面的有效面积。

所述激发光源为多个具有不同激发波长的光源。

所述激发光源包括第一激发光源和第二激发光源，所述光场微型显微系统还包括第一二向色镜，所述第一激发光源通过所述第一二向色镜反射到所述观测对象上，所述第二激发光源通过所述第一二向色镜透射到所述观测对象上。

所述光场微型显微系统还包括第二二向色镜，所述第一激发光源由所述第一二向色镜反射的激发光通过所述第二二向色镜反射到所述观测对象上，所述第二激发光源由所述第一二向色镜透射的激发光通过所述第二二向色镜反射到所述观测对象上，被所述第一激发光源和所述第二激发光源的激发光激发的荧光通过所述第二二向色镜透射，并通过所述发射光路被所述成像传感器采集。

本发明具有如下有益效果：

本发明提供了一种光场微型显微系统，其中分光聚焦器件设置于所述光场微型显微系统中物镜工作距离对应的聚焦面的前方，使得所述观测对象通过所述光场微型显微系统内部各光学器件后在所述成像传感器上成虚像，该分光聚焦器件的设置方式不仅能够缩短系统的整体尺寸，而且使得系统在成像深度范围内具有恰当的空间采样和角度采样，保证分辨率在成像深度范围内具备一致性，从而本发明相对于现有技术提供了一种尺寸小、重量轻且能够实现单次曝光获取观测对象三维信息的微型显微系统，

本发明提出的光场微型显微系统在保证实现自然行为条件下动物脑内三维神经元活动记录的同时，减小了系统的尺寸和重量，并且使得分辨率在成像深度范围内具备一致性。

附图说明

图1是本发明实施例的光场微型显微系统总体架构图；

图2是本发明实施例的光场微型显微系统发射光路的光学架构图。

具体实施方式

以下对本发明的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。另外，连接既可以是用于固定作用也可以是用于电路/信号连通作用。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

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一个或者更多该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

参阅图1和图2，本发明实施例提出一种光场微型显微系统，包括激发光源、激发光路、发射光路、物镜6和成像传感器11，其中，所述激发光源1、3发出的激发光4通过所述激发光路投射到观测对象5，对所述观测对象5进行荧光激发，被激发的荧光9通过所述发射光路被所述成像传感器11采集，所述发射光路中在所述成像传感器11前设置有一分光聚焦器件10，用于采集所述观测对象5的多维信息，其中，所述分光聚焦器件10设置于所述光场微型显微系统中物镜6工作距离对应的聚焦面的前方，使得所述观测对象5通过所述光场微型显微系统内部各光学器件后在所述成像传感器11上成虚像。

参阅图1，在一些实施例中，所述发射光路包括中继透镜8，所述分光聚焦器件10设置在所述成像传感器11与所述中继透镜8之间。

在一些实施例中，所述激发光源为多个具有不同激发波长的光源。

参阅图1，在优选的实施例中，所述激发光源包括第一激发光源1和第二激发光源3，所述光场微型显微系统还包括第一二向色镜2，所述第一激发光源1通过所述第一二向色镜2反射到所述观测对象5上，所述第二激发光源3通过所述第一二向色镜2透射到所述观测对象5上。

如图1所示，在进一步优选的实施例中，所述光场微型显微系统还包括第二二向色镜7，所述第一激发光源1由所述第一二向色镜2反射的激发光通过所述第二二向色镜7反射到所述观测对象5上，所述第二激发光源3由所述第一二向色镜2透射的激发光通过所述第二二向色镜7反射到所述观测对象5上，被所述第一激发光源1和所述第二激发光源3的激发光激发的荧光通过所述第二二向色镜7透射，并通过所述发射光路被所述成像传感器11采集。

本发明实施例的光场微型显微系统的总体架构如图1所示。所述新型光场微型显微系统包括激发光路和发射光路，其中激发光路中的激发光源用于观测对象5的荧光激发，发射光路中成像传感器11前放置了一分光聚焦器件10，用于采集观测对象5的多维信息。该分光聚焦器件10放置于光场微型显微系统中物镜6工作距离对应的聚焦面的前方，使得所述观测对象5通过所述光场微型显微系统内部各光学器件后在所述成像传感器11上成虚像，如图2所示。

目前的光场微型显微系统将分光聚焦器件10放置于物镜6的工作距离对应的聚焦面处。这种放置方式不仅使得系统整体尺寸较长，重量不轻，并且此时系统在工作距离处的角度采样过于冗余，分辨率低，导致系统的分辨率在成像深度范围内不具备一致性。

为避免这些不足，本发明实施例的光场微型显微系统将分光聚焦器件往中继透镜方向移动，通过改变系统的光学架构，缩短系统的整体尺寸，并且移动的距离使得系统在成像深度范围内具有恰当的空间采样和角度采样，保证分辨率在成像深度范围内具备一致性。选用的分光聚焦器件的光学参数和放置位置需满足以下关系式

d₁-d₂>0, (1)

其中M为所述光场微型显微系统中物镜与中继透镜聚焦时组成的放大倍数，NA为物镜的数值孔径，f_mla和d_mla分别为分光聚焦器件上每个聚焦透镜单元的焦距和直径，d₁为物镜的工作距离对应的聚焦面所在的位置与中继透镜之间的距离，d₂为分光聚焦器件放置的位置与中继透镜之间的距离，b为分光聚焦器件与成像传感器之间的距离，M_mla为物镜和中继透镜在分光聚焦器件放置位置处的放大倍数。放大倍数M和放大倍数M_mla仅在d₁－d₂＝0时相等。

该系统在选取物镜时尽量选用数值孔径NA较大的物镜，以保证系统具有较高的成像性能。选用的物镜和中继透镜组成的放大倍数与所述新型光场微型显微系统的成像视场的乘积，不超过成像传感器靶面的有效面积。

本发明提出的新型光场微型显微系统能够实现单曝光内观测对象多维信息的采集，结合重建算法能够重建出观测对象的三维信息。并且，该新型光场微型显微系统具有尺寸小、重量轻的优点，可用于自由活动动物脑的体成像，观测动物脑内神经元的时变活动。

本发明的背景部分可以包含关于本发明的问题或环境的背景信息，而不一定是描述现有技术。因此，在背景技术部分中包含的内容并不是申请人对现有技术的承认。

以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变形，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。在本说明书的描述中，参考术语“一种实施例”、“一些实施例”、“优选实施例”、“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。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。尽管已经详细描述了本发明的实施例及其优点，但应当理解，在不脱离专利申请的保护范围的情况下，可以在本文中进行各种改变、替换和变更。