[发明专利]基于梯度变折射率透镜的多平面显微成像系统

说明书

本发明公开了一种基于梯度变折射率透镜的任意深度多平面显微成像系统及方法，该系统包括：梯度变折射率透镜，用于在显微镜焦面上生成梯度变折射率透镜的观测区域内的待成像样本的虚像；像面校正模块，用于生成梯度变折射率透镜的观测区域之外的待成像样本的虚像，并调整梯度变折射率透镜观测区域之外的像面位置；显微光学放大模块，用于收集显微镜焦面上发出的光学信号并进行光学放大；信息采集模块，用于接收显微光学放大模块输出的光学信号并进行成像。该系统使得传统光学显微镜能够实现对观测样本表面信息、任意深层或截面信息的同时观测，提高了成像速度，扩展了可成像的深度区域。

技术领域

本发明涉及光学显微成像领域，尤其涉及一种基于梯度变折射率透镜的任意深度多平面显微成像系统及方法。

背景技术

光学显微成像技术是通过光学方法获取围观物体的高分辨率图像的技术，目前广泛应用于对细胞、细菌、病毒等微生物的结构成像和功能信号探测，已成为目前生物学研究的常用方法。其中，在脑科学的研究中，结合化学指示剂，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。可以理解的是，大脑是具有分层的三维结构，不同层具有不同的结构和功能，而不同层之间也有相互的功能连接。例如，小鼠大脑的海马区通常位于大脑表面约1mm以下，同时和大脑皮层的信息交流、记忆的形成以及疾病发作都有着直接相关，因此为了研究以上问题，我们需要同时对大脑的海马区和皮层进行同时观测。但是传统的光学显微技术单次拍摄只能对其焦面处的组织结构进行清晰成像，无法对焦面以外的目标进行成像。此外传统的光学显微技术受到脑组织散射的影响，无法对300μm以下的组织进行成像。以上两个缺点极大地限制了光学显微技术在大脑成像中的应用。

相关技术中，为了实现多平面样本的观测，通常采用以下三种方案：第一种采用机械装置移动物镜实现不同深度的位置，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，不但无法获得脑组织细微结构的信息，还需要大量的数据算法以及时间才可以实现三维重建，无法做到实时观测大脑组织情况。此外为了实现深层成像，共聚焦显微镜和多光子扫描显微镜是目前最为常用的方法，但是采用扫描方式获取图像极大地降低了系统的时间分辨率，此问题在大视场成像中更为严重。

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。

为此，本发明的第一个目的在于提出一种基于梯度变折射率透镜的任意深度多平面显微成像系统，该系统通过在传统光学显微镜的物镜和样本面之间加入梯度变折射率透镜，以实现视野中不同深度区域的同时成像，并且，还在梯度变折射率透镜以外区域加入高折射率物质作为像面校正模块，以调整像面的位置，使得梯度变折射率透镜的观测区域内外的像面在同一高度，实现了对于任意深度的成像，提高了成像速度，扩大了视场范围。

本发明的第二个目的在于提出一种基于梯度变折射率透镜的任意深度多平面显微方成像法。

本发明的第三个目的在于提出一种非临时性计算机可读存储介质。

为达到上述目的，本发明第一方面实施例提出了一种基于梯度变折射率透镜的任意深度多平面显微成像系统，包括：

梯度变折射率透镜，用于在显微镜焦面上生成所述梯度变折射率透镜的观测区域内的待成像样本的虚像；

物镜视窗，用于固定所述梯度变折射率透镜，并维持成像系统的观测视野的平整；

像面校正模块，用于生成所述梯度变折射率透镜的观测区域之外的待成像样本的虚像，并调整所述梯度变折射率透镜观测区域之外的像面位置，以使所述梯度变折射率透镜的观测区域内外的像面在同一高度；

显微光学放大模块，用于收集所述显微镜焦面上发出的光学信号并进行光学放大；