[发明专利]小型荧光/明场光学成像系统、光学成像方法及其用途

说明书

技术领域

本发明涉及一种小型荧光/明场光学成像系统，更具体地说，本发明涉及一种显著降低了外形尺寸(小于10³立方厘米)和重量(小于10³克)的小型荧光/明场光学成像系统、利用该系统的荧光/明场光学成像方法、以及其在生物学实验等方面的用途。

背景技术

荧光/明场光学成像系统是用来观察和研究物体细微结构的光学精密仪器，被广泛地应用于各学科的领域中，对微观世界的探索及理论的研究起着极其重要的作用。譬如，其中的落射荧光显微镜光学成像系统是生物学和医学的重要研究手段，在细胞生物学、神经科学等研究中被广泛使用，随着生物技术中荧光分子标记物的大量涌现，该类设备在观察细胞活动方面日益显现出重要的作用。

传统意义上的荧光/明场光学成像系统是一种大尺寸且价格昂贵的设备，它通常是一个大型的占用桌面的仪器。在神经科学和医学研究中，荧光/明场光学成像系统被广泛地应用到活体动物中，但是由于传统系统的尺寸较大(一般在10⁴立方厘米以上)、重量较重(一般在10⁴克以上)，很难实现对自由活动动物(譬如小鼠，其头部大小为10立方厘米量级，身体重量为10克量级)进行大脑神经活动成像研究，这大大制约了科学家对生物科学的中心问题即“行为的神经环路基础”进行深入研究的可能。现有的活体大脑神经活动成像方法(功能核磁，PET，CT等)基本上均需要对动物进行物理固定，这不但使得很多动物行为(譬如动物之间的相互社会交流，繁殖行为，趋利避害行为等)无法研究；而且动物在被束缚的条件下得到的数据是否可以反映真实的大脑神经活动规律，也是一个值得考虑的问题。因此，一种外形尺寸小、重量轻的荧光/明场光学成像系统能对科学家对自由活动动物的大脑神经活动进行观测，从而极大的推进生物科学，尤其是神经科学和认知科学的发展，对研究“行为的神经环路基础”这一重大科学问题有极大的意义。

现有的荧光/明场光学成像系统的结构通常具备：信号成像单元，其包括单筒目镜或双筒目镜、以及通过数据线连接到外部设备(例如控制器和计算机等)上的CMOS模块；用于调节焦平面的调焦单元；消色差单元；滤镜单元(即落射荧光滤镜单元)，其主要包括第一滤光片、第二滤光片、与水平成45度角的分色镜；激发光单元，包括聚光透镜和作为光源的汞灯；物镜单元，包括多组物镜和物镜转换器。由于上述部件数目繁多，还包括各种调节旋钮、光纤等，且通常采用汞灯或高强度卤素灯作为光源，需要使用单独的电源，因此很难小型化。

现代微集成技术是一项重要的技术进步，利用这项技术容易得到低廉的产品、优良的效果和创新性的应用。现代微集成技术的影响力已经出现在多个研究领域，包括通讯，计算和基因组学等。但目前的现状是，尚没有研制开发出一种尺寸小、重量轻、适用于对自由活动的动物的大脑神经活动进行观测的小型荧光/明场光学成像系统。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种体积小、重量轻的小型荧光/明场光学成像系统，从而服务于对成像系统的重量和体积有严格限制的生物学实验(如测量实验动物的脑细胞变化)、医学检查(如体内微小病变)、考古(观测文物表面裂痕)、地质勘探(如玉石矿物侵浸程度)等科学研究、以及各种需要小型成像系统的工业用途和民间用途。

针对现有技术中的上述技术问题，本发明者们运用微集成技术、并结合神经科学、微光学和半导体光电学等技术，研制出了一种显著降低了系统外形尺寸和重量的荧光/明场光学成像系统。

本发明的小型荧光/明场光学成像系统的特征在于，具备：

成像单元，包括接收端(18)和固定在接收端(18)上的CMOS模块(1)，该CMOS模块(1)通过无线传输或数据线与外部控制器连接，所述成像单元中不包括目镜；

调焦单元，包括调节螺母(3)和螺杆(17)，螺杆(17)与调节螺母(3)通过螺纹进行连接；接收端(18)可转动地安装在调节螺母(3)上；

消色差单元，包括消色差透镜体(16)和嵌在消色差透镜体(16)内部的消色差透镜(4)；消色差透镜体(16)固定连接在螺杆(17)上；

滤镜单元，包括镜体(14)、嵌在镜体(14)内部的内支架(15)、嵌入内支架(15)的上凹槽中的滤光片(5)、嵌入内支架(15)的侧凹槽中的激发滤光片(10)、固定在内支架(15)内部且与水平成45度角的分色镜(13)；镜体(14)固定连接在消色差透镜体(16)上；