一种荧光光片显微系统

摘要

本申请提出的一种荧光光片显微系统包括：光片产生模块，所述光片产生模块产生激光光束，并将所述激光光束进行校准和扩束后对所述激光光束进行粗细微调，然后扫描成均匀亮度的光片；显微模块，所述显微模块包括物镜，所述物镜一侧设置盖玻片，所述光片沿垂直于所述盖玻片轴线方向射穿过所述盖玻片,所述盖玻片与所述物镜之间设置平整的透光组件，所述透光组件用于拓展所述所述显微模块的景深。

权利要求

1.一种荧光光片显微系统，其特征在于，包括：光片产生模块，所述光片产生模块产生激光光束，并将所述激光光束进行校准和扩束后对所述激光光束进行粗细微调，然后扫描成均匀亮度的光片；

所述光片产生模块包括：激光发射组件、振镜扫描组件、准直扩束组件、光束调整组件；

所述振镜扫描组件用于将经过所述激光发射组件发射的激光光束扫描成所述光片；准直扩束组件，所述准直扩束组件设置在所述激光发射组件与所述振镜扫描组件之间，所述准直扩束组件用于将所述激光发射组件发出的激光光束进行准直并扩束；所述准直扩束组件包括准直透镜与4F扩束镜，所述激光光束经过所述准直透镜准直后，射入所述4F扩束镜扩束，使得激光光束的粗细程度达到拍摄样本对轴向分辨率的需求，所述光束调整组件设置在准直扩束组件与振镜扫描组件之间，所述光束调整组件为小孔，小孔直径为4.12mm，将扩束后的激光束径进行精确的微调，进一步使激光光束的粗细程度满足拍摄样本对轴向分辨率的需求；

显微模块，所述显微模块包括物镜，所述物镜一侧设置盖玻片，所述光片沿垂直于所述盖玻片轴线方向射穿过所述盖玻片,所述盖玻片与所述物镜之间设置平整的透光组件，所述透光组件用于拓展所述显微模块的景深。

2.如权利要求1所述的一种荧光光片显微系统，其特征在于，所述透光组件的折射率范围为1.32 ‑ 1.50。

3.如权利要求1所述的一种荧光光片显微系统，其特征在于，所述光片产生模块还包括：

光束汇聚组件，所述光束汇聚组件用于将所述光片的直径调整到与所述盖玻片厚度相同，并沿垂直于所述盖玻片轴线方向穿过所述盖玻片。

4.如权利要求1所述的一种荧光光片显微系统，其特征在于，所述显微模块还包括：曲面像面模型，所述曲面像面模型设置在所述物镜的另一侧，所述曲面像面模型为球形中间像面，所述球形中间像面划分为若干子视场，所述曲面像面模型的轴线与所述物镜的轴线重合。

5.如权利要求4所述的一种荧光光片显微系统，其特征在于，所述球形中间像面的曲率半径为1.9m。

6.如权利要求4所述的一种荧光光片显微系统，其特征在于，所述显微模块还包括：相机采集阵列，所述相机采集阵列用于采集所述曲面像面模型上的影像；所述相机采集阵列包括若干后级相机，每个所述后级相机均对应一个所述子视场。

说明书

一种荧光光片显微系统

技术领域

[0001] 本申请涉及计算显微成像技术领域技术领域，尤其涉及一种荧光光片显微系统。

背景技术

[0002] 荧光成像显微镜一直受到视野和分辨率此消彼长的矛盾的限制，在2019年戴琼海院士团队针对此问题，提出了一种多平面拟合曲面的分视场成像技术，并利用适配的相机
阵列进行图像采集，从而实现了大视场高分辨的快速荧光成像。该系统被称作RUSH（Real‑
time Ultra‑large Scale Microscopy at High resolution）。然而，该系统本质是一个宽
场显微镜，所以景深范围有限，背景荧光强。而且，如果想实现层析能力，需要移动载物台，
导致层析速度大大降低。

[0003] 光片荧光显微镜具有快速层析，减小背景荧光，低光毒性等一系列的优势，我们利用扫描光片技术，通过从侧面打出一束光，光束与物镜光轴垂直，并在视野中心进行聚焦，
并通过横向快速扫描，形成“光片”，来减少物镜聚焦面以外的背景光，进一步轴向扫描，可
以实现三维层析的成像，同时提升原本RUSH系统的轴向分辨率。但是，由于原本RUSH系统的
景深范围有限，光片进行轴向扫描的同时，物镜也需要做同步移动。物镜质量大惯性大，会
严重限制层析扫描的速度。

发明内容

[0004] 本申请旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

[0005] 为此，本申请的目的在于提出一种荧光光片显微系统，在物镜与盖玻片之间增加透光组件，拓展了显微系统的景深。

[0006] 为达到上述目的，本申请提出的一种荧光光片显微系统包括：光片产生模块，所述光片产生模块产生激光光束，并将所述激光光束进行校准和扩束后对所述激光光束进行粗
细微调，然后扫描成均匀亮度的光片；显微模块，所述显微模块包括物镜，所述物镜一侧设
置盖玻片，所述光片沿垂直于所述盖玻片轴线方向射穿过所述盖玻片,所述盖玻片与所述
物镜之间设置平整的透光组件，所述透光组件用于拓展所述所述显微模块的景深。

[0007] 本申请上述实施例通过在物镜与盖玻片之间增加透光组件，利用折射率不匹配的技术，引入球差，拉长原来显微系统的景深；这样在一定轴向范围内，即可只通过光片的快
速扫描来实现快速层析；将光片技术与显微系统结合，就可以实现1cm超大视野范围1μm横
向分辨率的三维层析快速荧光成像系统。

[0008] 具体地，所述透光组件的折射率范围为1.32 ‑ 1.50。

[0009] 进一步地，所述光片产生模块包括：激光发射组件；振镜扫描组件，所述振镜扫描组件用于将经过所述所述激光发射组件发射的激光光束扫描成所述光片。

[0010] 进一步地，所述光片产生模块还包括：准直扩束组件，所述准直扩束组件设置在所述激光发射组件与所述振镜扫描组件之间，所述准直扩束组件用于将所述激光发射组件发
出的激光光束进行准直并扩束。

[0011] 进一步地，所述准直扩束组件包括准直透镜与4F扩束镜，所述激光光束经过所述准直透镜准直后，射入所述4F扩束镜扩束。

[0012] 进一步地，所述光片产生模块还包括：光束调整组件，所述光束调整组件设置在准直扩束组件与振镜扫描组件之间，用于进一步调整经过所述准直扩束组件准直扩束后的激
光光束的直径。

[0013] 进一步地，所述光片产生模块还包括：光束汇聚组件，所述光束汇聚组件用于将所述光片的直径调整到与所述盖玻片厚度相同，并沿垂直于所述盖玻片轴线方向穿过所述盖
玻片。

[0014] 进一步地，所述显微模块还包括：曲面像面模型，所述曲面像面模型设置在所述物镜的另一侧，所述曲面像面模型球形中间像面，将所述球形中间像面划分为若干子视场，所
述曲面像面模型的轴线于所述物镜的轴线重合。

[0015] 进一步地，所述球形中间像面的曲率半径为1.9m。

[0016] 进一步地，所述显微模块还包括：相机采集阵列，所述相机采集阵列用于采集所述曲面像面模型上的影像，所述相机采集阵列包括若干后级相机，每个所述后级相机均对应
一个所述主视场。

[0017] 本申请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，或通过本申请的实践了解到。

附图说明

[0018] 本申请上述的和/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：

[0019] 图1是本申请一实施例提出的荧光光片显微系统的原理示意图；

[0020] 图2是本申请另一实施例提出的荧光光片显微系统结构示意图。

具体实施方式

[0021] 下面详细描述本申请的实施例，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，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。相反，本
申请的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同
物。

[0022] 下面参考图1‑2描述本申请提出的荧光光片显微系统。

[0023] 本申请提出的一种荧光光片显微系统包括光片产生模块和显微模块。

[0024] 其中，光片产生模块包括依次设置的激光发射组件、准直扩束组件、光束调整组件、振镜扫描组件、光束汇聚组件；激光发射组件、准直扩束组件、光束调整组件同轴设置，
激光发射组件发射的激光，先经准直扩束组件准直扩束，然后由光束调整组件微调激光束
径后经振镜扫描组件扫描成均匀亮度的光片，最后通过光束汇聚组件调整到与盖玻片厚度
一致后沿与盖玻片轴线垂直的方向穿过盖玻片。

[0025] 显微模块包括依次设置的物镜、曲面像面模型、相机采集阵列；物镜与曲面像面模型的轴线重合并平行于盖玻片的轴线，相机采集阵列用于采集曲面像面模型上的影像；曲
面像面模型为球形中间像面，人为将球形中间像面划分为若干子视场，每个子视场与相机
采集阵列中的后记相机一一对应。

[0026] 在物镜与盖玻片之间设置高折射率的透光组件（折射率为1.32 ‑ 1.50），用于拓展物镜景深，利用折射率不匹配的技术引入球差，拉长原来显微系统的景深；这样在一定轴
向范围内，即可只通过光片的快速扫描来实现快速层析；将光片技术与显微系统结合，就可
以实现1cm超大视野范围1μm横向分辨率的三维层析快速荧光成像系统。

[0027] 具体地，如图2所示，激光发射组件为激光光源1，准直扩束组件包括准直透镜2与4F扩束镜3，光束调整组件为小孔4，振镜扫描组件为二维扫描振镜5，光束汇聚组件为汇聚
透镜6。

[0028] 激光光源1发射荧光光片显微系统所需的激光，激光先由准直透镜2进行准直，然后由4F扩束镜扩束，使得激光光束的粗细程度达到拍摄样本对轴向分辨率的需求。小孔4直
径为4.12mm，将扩束后的激光束径进行精确的微调；进一步使激光光束的粗细程度满足拍
摄样本对轴向分辨率的需求；经过小孔4微调后的激光由二维扫描振镜5在两个正交的维度
上进行扫描，横向扫描形成均匀亮度的光片，纵向扫描进行样本的轴向层析；激光扫描后的
光片沿与激光发射方向相反的方向延伸，然后由汇聚透镜6将激光光片的直径调整到与盖
玻片厚度一致，并沿与盖玻片轴线垂直的方向穿过盖玻片。

[0029] 在本发明的一个实施例中显微模块为高分辨率实时超大型显微镜（Real‑time Ultra‑large Scale Microscopy at High resolution），这是一种多平面拟合曲面的分视
场成像技术，并利用适配的相机阵列进行图像采集，从而实现了大视场高分辨的快速荧光
成像，该系统被称为RUSH。

[0030] 大仪器RUSH包括物镜8与图像采集端。RUSH 的图像采集端是一个具有曲率半径为1.9米的球形中间像面，然后将整个球面像划分为不同的子视场进行并行采集。通过设置球
形中间像面的轴线与物镜8的轴线重合，每个子视场的主光线垂直于中间球形像面；由此每
个采集单元转换成一个近轴光学系统。球面像由5×7个场镜阵列中继，并相应地由5×7个
后级相机阵列采集。

[0031] 根据大仪器RUSH的物镜8工作距离和景深范围需求，我们在物镜8和样本之间加入15mm厚的平整的石英玻璃（对于532波段的光波折射率为1.46），石英玻璃可以与盖玻片贴
合。景深范围可以拓展至210μm，通过引入球差极大的拓展了大仪器RUSH的景深范围，使得
光片扫描快速层析得以实现。通过在物镜和样本之间加入高折射率的石英玻璃，利用折射
率不匹配的技术，引入球差，可以拉长原来大仪器RUSH的景深，这样在一定轴向范围内，即
可只通过光片的快速扫描来实现快速层析。将光片技术与RUSH系统结合，我们就可以实现
1cm超大视野范围与1μm横向分辨率的三维层析快速荧光成像系统，实现横向厘米量级的大
视场三维层析成像。

[0032] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时
针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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。

[0033] 在本发明的描述中，“第一特征”、“第二特征”可以包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上。在本发明的描述中，第一特征在第二特
征“之上”或“之下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直
接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。在本发明的描述中，第一特征在第二特征“之
上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平
高度高于第二特征。

[0034] 在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“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
示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。

[0035] 尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本
发明的范围由权利要求及其等同物限定。