一种大视场头戴式显微镜的制作方法

本发明申请属于光学成像的技术领域，具体公开了一种大视场头戴式显微镜。

背景技术：

大视场显微镜是一种视场广阔的新型显微镜，广泛应用于生物解剖、电子工业、矿物研究等领域。在大视场显微镜中，显微镜的放大作用主要取决于显微物镜，显微物镜质量的好坏直接影响显微镜成像质量，它是决定显微镜的分辨率和成像清晰程度的主要部件。传统显微物镜是一种大孔径角和小视场角的光学系统，由于显微物镜被用来提供极高的分辨率(约为200nm，不考虑超分辨技术)，其放大率较高造成视场很小。

2001年作者martinoheim等发表过文章“two-photonmicroscopyinbraintissue:parametersinfluencingtheimagingdepth”,journalofneurosciencemethods.111:29-37.文中对近似数值孔径的高放大率物镜和低放大率物镜的性能进行对比，指出增大物镜前孔径对于提高荧光的收集效率有很大好处，特别对于深部的多光子荧光激发来说，文中所测试的日本奥林巴斯公司20倍放大率0.95数值孔径物镜相对于63倍放大率0.9数值孔径物镜可提供10倍以上的荧光收集效率。因此，目前日本奥林巴斯公司推出了10倍放大率0.6数值孔径物镜(视场＝1.8mm,焦距＝18mm,视场角5.725度，出曈直径16.24mm)和一系列25倍放大率0.95-1.05数值孔径物镜(视场＝0.72mm，焦距＝7.2mm，视场角5.725度，出瞳直径10.83mm)，日本尼康公司也推出了“cfi75”16倍放大率，0.8数值孔径物镜(视场＝1.5625mm，焦距＝12.5mm，视场角7.15度，出瞳直径15mm)和25倍放大率，1.1数值孔径物镜(视场＝1mm，焦距＝8mm，视场角7.15度，出瞳直径13.233mm)。这些低放大率，高数值孔径的物镜主要依靠提高光束直径从而带来了大视场，其具有大通光量的优点，其视场角与原有小光束直径的物镜保持一致。

随着近年来神经科学的发展，传统多光子显微镜的狭小视场无法满足对于海量神经细胞功能性成像的要求，一些研究组陆续实现了超大视场的多光子显微镜。2015年，美国的作者p.s.tsai等发表文章“ultra-largefield-of-viewtwo-photonmicroscopy”，optexpress.2015jun1；23(11):13833–13847.其依靠优化透镜色差实现了10mm直径超大视场，但其设计基于4倍放大率0.28数值孔径物镜，分辨率过低。2016年英国作者gailmcconell等发表文章“anovelopticalmicroscopeforimaginglargeembryosandtissuevolumeswithsub-cellularresolutionthroughout”,elife2016；5：e18659.实现了6mm宽，3mm厚样品的共聚焦和非线性成像，采用直径30mm的入射光束，定制了扫描器和直径63mm的大型物镜mesolens。同样2016年美国作者k.svoboda等发表文章“alargefieldofviewtwo-photonmesoscopewithsubcellularresolutionforinvivoimaging”,elife2016；5：e14472.其实现了5mm超大视场，采用了直径20mm的入射光束，并结合线扫描提高成像速度，该设计已进行商业化。目前世界上真正具有使用价值，并已经或正在商业化的超大视野显微镜只有英国和美国k.svoboda的两种设计。这些超大视场，高数值孔径的物镜也是依靠提高入射光束直径从而带来了大视场，具有大通光量的优点，然而上述这些大视场显微镜中会造成物镜非常昂贵而且体积巨大的情况，成本非常高。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种大视场头戴式显微镜，旨在增大显微镜的观看视角，并能够减小整个显微镜的体积。

为了达到上述目的，本发明的基础方案为：

一种大视场头戴式显微镜，包括探头和用于对被检测物体进行成像的成像单元，所述探头包括外壳，所述外壳内沿光路方向依次包括透镜、扫描器和物镜，所述物镜包括若干镜片，根据激发光波长计算的后焦平面位于物镜之外，所述扫描器与外壳转动连接，所述扫描器与成像单元电连接。

本基础方案的工作原理和有益效果在于：

本发明采用保持入射光束直径不变，后焦平面外置于物镜外的设计理念，而增大视场角。

由于本技术方案中的后焦平面远离物镜(通常为数毫米远)，因此有足够的空间安装扫描器，而无需像传统激光扫描显微镜中那样必须要在扫描器和物镜之间设置扫描透镜和套筒透镜(tubelens)，因此本技术方案能够使得显微镜扫描和成像光路的长度被大大缩短，从而使得本技术方案中的显微镜具有超短焦距和高数值孔径的大视场角，并且由于本技术方案中不需要在扫描器和物镜之间设置扫描透镜和套筒透镜，其体积上得到大大减小，成本也有所降低。另外，本技术方案中，在使用时，扫描器用于将激光反射至预定位置(物镜)，被观测物体激发的非线性光学信号经过物镜后达到扫描器处，扫描器让非线性光学信号透射、穿过，然后扫描器光学信号转换为电信号输出，从而让微型探头完成对被观测物体的观测，基于此种将后焦平面位于物镜之外，而使扫描器位于该后焦平面上的设计，使得微型探头的体积大大缩小。

与普通显微镜物镜相比本技术方案中的显微镜具有较大视场角和外置的后焦平面，且与普通扫描透镜和普通显微镜物镜都有很大区别，是独一无二的。

进一步，所述扫描器数量为一个，扫描器位于所述的后焦平面上。

如此设置，能够使得微型探头的体积缩小，从而使整个显微镜体积较小。

进一步，所述扫描器数量为两个，所述后焦平面位于两个扫描器的中间位置。

如此设置，能够提高荧光收集效率，提高成像的信噪比以及提高在高散射介质中的成像深度，并且显微镜整体的体积较小；另外，两个扫描器的设置能够大大提高扫描速度。

进一步，所述扫描器包括驱动器和镜面，所述驱动器用于改变镜面的角度，所述镜面包括光电检测器、超薄片；所述光电检测器固定在驱动器表面，所述超薄片固定在光电检测器表面，所述超薄片表面镀有光学薄膜，所述驱动器外侧设有转轴。

如此设置，本技术方案中的驱动器可以改变镜面的倾角达到改变激光反射角角度的目的，以实现激发激光对被检测物体的扫描。通过在驱动器的表面上设置光电检测器，以及在超薄片表面上镀有光学薄膜，如此设置，使得本技术方案中只需要通过一个器件(即光电检测器、超薄片和光学薄膜形成的整体)实现了现有技术中需要四个器件才能够完成的功能(即将激发光和发射光分开、改变激发光的反射角角度以实现扫描，将激发光滤除和进行光电转换)，本技术方案中的扫描器具备四个功能，达到了减小微型成像探头内器件的数量，让微型成像探头能够进一步减小体积和重量。

进一步，所述光学薄膜包括二向色镜薄膜和滤光薄膜。

当本技术方案中用于微型扫描显微镜等被检测物体的激发光和发射光具有不同波长时，二向色镜薄膜用于将激发光反射到被检测物体，被检测物体激发的发射光穿过二向色镜薄膜，滤光薄膜用于滤出剩余的激发光，光电检测器接收穿过滤光薄膜的发射光实现光电转换。

进一步，所述物镜为光学玻璃或高分子聚合物制成的物镜。

可便于非线性光学信号的采集。

进一步，还包括反射镜，所述反射镜位于透镜和扫描器之间的光路上，用于调整透镜输出激光的角度并反射至扫描器。

加入反射镜的设计能够避免激光输入光纤直接输出到二向色镜扫描器上，可以方便对输入到二向色镜扫描器上的激光的入射角角度进行调节，便于成像。

进一步，所述反射镜用于转折光路，材料为光学玻璃或高分子聚合物，反射镜包括透射面和反射面，透射面有增强透射率的光学镀膜，反射面有增强反射率的光学镀膜。

如此设置，能够达到较好的反射效果。

进一步，所述外壳为由高分子聚合物材料制成的密封结构。

这样的设计能够将其它元件紧密包裹，且防水，能提供生物相容的表面，对活体样本(或者人体)不产生任何损伤。

进一步，还包括激光输入光纤，所述激光输入光纤为保偏光纤或光子晶体光纤。

如此设置，能够根据不同需要而输入不同波长激光的目的。

附图说明

图1为本发明一种大视场头戴式显微镜实施例一的工作原理图；

图2为图1的结构示意图；

图3为本发明一种大视场头戴式显微镜实施例一中的光学原理图；

图4为本发明一种大视场头戴式显微镜实施例一中扫描器的立体图；

图5为本发明一种大视场头戴式显微镜实施例一中激发光波长的场曲和畸变图；

图6为本发明一种大视场头戴式显微镜实施例一中激发光波长的焦平面渐晕图；

图7为本发明一种大视场头戴式显微镜实施例二中的工作原理图；

图8为图7的结构示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细说明：

说明书附图中的附图标记包括：外壳1、物镜2、反射镜3、透镜4、扫描器5、激光输入光纤6、外部实验样品7、柱状透镜8、导线9、光源10、成像单元11、驱动器12、光电检测器13、超薄片14、滤光薄膜15、二向色镜薄膜16、转轴17、第一镜片201、第一镜片202、第三镜片203、第四镜片204、第五镜片205。

实施例一

实施例基本如附图1和图2所示：一种大视场头戴式显微镜，包括探头和用于对被检测物体进行成像的成像单元11，本实施例中的成像单元11包括计算机和外部放大器。

结合图2所示，探头包括外壳1，外壳1为由高分子聚合物材料制成的密封结构。外壳1内沿光路方向依次包括透镜4、扫描器5和物镜2，结合图3所示，物镜2包括若干镜片，本实施例中物镜2包括从左至右依次包括第一镜片201、第二镜片、第三镜片203、第四镜片204和第五镜片205，第一镜片201具有相对像侧的表面s11和相对物侧的表面s12，第二镜片具有相对像侧的表面s21和相对物侧的表面s22，第三镜片203具有相对像侧的表面s31和相对物侧的表面s32，第四镜片204具有相对像侧的表面s41和相对物侧的表面s42，第五镜片205具有相对像侧的表面s51和相对物侧的表面s52。五个镜片的材料均为光学玻璃或高分子聚合物或红外成像材料。

根据激发光波长计算的后焦平面位于物镜2之外，本实施例中后焦平面位于第一镜片201的左侧。当扫描器5的数量为一个时，扫描器5位于后焦平面上；当扫描器5的数量设有两个时，后焦平面位于两个扫描器5之间。本实施例中，扫描器5的数量为一个，扫描器5位于后焦平面上。

结合图4所示，本实施例中，扫描器5包括驱动器12和镜面，驱动器12用于改变镜面的角度，本实施例中的驱动器12通常是静电驱动的，具体的，驱动器12可以采用memscap公司的表面微加工工艺soimump，该技术为现有技术，在此不再赘述，本实施例中的驱动器12采用现有技术中的检流计振镜。

镜面包括光电检测器13、超薄片14，超薄片14采用材质应当满足以下条件：在390nm至1720nm范围中的任意波长内具有50％以上透射率。超薄片14表面上镀有光学薄膜，本实施例中光学薄膜包括二向色镜薄膜16和滤光薄膜15。光电检测器13的底面通过键合工艺固定在驱动器12上表面，超薄片14也通过键合工艺固定在光电检测器13远离驱动器12的一面，本实施例中的光电检测器13为光电二极管，光电二极管包括雪崩光电二极管和雪崩光电二极管阵列。

驱动器12的两侧一体成型有转轴17，驱动器12通过转轴17与外壳1转动连接，这样使得扫描器5整体均与外壳1转动。

结合图1所示，扫描器5中的光电检测器13上电连接有导线9，光电检测器13通过导线9与外部放大器电连接。本实施例中还包括反射镜3，所述反射镜3位于透镜4和扫描器5之间的光路上，用于调整透镜4输出激光的角度并反射至扫描器5。反射镜3用于转折光路，材料为光学玻璃或高分子聚合物，反射镜3包括透射面和反射面，其透射面有增强透射率的光学镀膜，反射面有增强反射率的光学镀膜。本实施例中还包括激光输入光纤6，激光输入光纤6粘接在外壳1上，激光输入光纤6为保偏光纤或光子晶体光纤。该激光输入光纤6用于输出激光信号至透镜4。

本实施例中的物镜2应该满足以下条件：

本实施例中的物镜2在满足上述条件的情况下，物镜2的数值孔径为0.7毫米,工作距离为1毫米，视场直径1.65毫米。本实施例中的大视场头戴式显微镜用于非线性光学成像，因此对消色差要求不高。

如图5所示为本实施例中的激发光波长的场曲和畸变图，本实施例中主要用于活体生物组织成像，对于场曲的畸变的要求不高。

如图6所示为本实施例中的激发光焦平面渐晕图，激发光波长在最大视角下达到大于0.5的透射效率。

在具体使用时，先将探头的外壳1固定在外部实验样品7(如小白鼠)上。结合图1和图2所示，光源10发出的激发光经过激光输入光纤6而通过透镜4准直后由通过反射镜3反射至扫描器5上的二向色镜薄膜16上反射并进行扫描，扫描光束由物镜2聚焦在外部实验样品7中形成扫描线，外部实验样品7激发的发射光(如单光子荧光或非线性光学信号)被物镜2收集后，依次穿过扫描器5上的二向色镜薄膜16、滤光薄膜15和超薄片14而聚焦在光电检测器13上，光电检测器13再将光信号转换为电信号，最后送至外部放大电路和计算机进行处理成像。

本实施例中的物镜2具有五个镜片，其安装在外壳1后，包含外壳1的长度为29毫米，直径为16毫米，没有对场曲和色差进行矫正，入射光束直径5毫米，视场直径1.65毫米，相当于一个“尼康”十五倍放大倍率的显微镜物镜。本实施例中的大视场显微镜成本低，体积小，且具有超大视野，非常适用于活体神经组织双光子成像。

实施例二

结合图7和图8所示，一种大视场头戴式显微镜，与实施例一的区别在于：沿光路方向透镜4和物镜2之间具有柱状透镜8，柱状透镜8呈半圆柱状，该柱状透镜8具有平面的一侧面向扫描器5。

本实施例中，当光源10发出的激发光经过激光输入光纤6而通过透镜4准直后再由柱状透镜8聚焦成线状焦点并作用在的二向色镜薄膜16上，反射并进行扫描，然后扫描光束再由物镜2聚焦在外部载物台上的外部实验样品7中形成扫描线，外部实验样品7中激发的发射光(如单光子荧光或非线性光学信号)被物镜2收集后，再依次穿过二向色镜薄膜16、滤光薄膜15和超薄片14而聚焦在光电检测器13上，然后光电检测器13在将光信号转换为电信号，最后送至外部放大电路和计算机进行处理。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。