用于深脑成像的渐变折射率透镜的角度调节装置和方法

本发明属于生物显微成像领域，更具体地，涉及一种用于深脑成像的渐变折射率透镜的角度调节装置和方法。

背景技术：

1、在对动物深脑成像时，一般通过在动物头部植入渐变折射率透镜，配合自建系统的显微镜观察动物深脑区的结构信息和功能信息。其中，自建系统的显微镜多采用穿透深度长，散射较小的双光子荧光激光扫描显微镜。

2、由于渐变折射率透镜本身自带像差，配合高数值孔径的显微镜时，会增大渐变折射率透镜的像差；尤其是在渐变折射率透镜也采用高数值孔径时，会进一步增大渐变折射率透镜的像差。而渐变折射率透镜本身可以校正的像差有限，因此，在实际应用中，当渐变折射率透镜与显微镜进行耦合时，若渐变折射率透镜的中心光轴与显微镜的中心光轴之间存在角度偏差，则会出现严重的像差，进而影响成像的质量，并且该角度偏差带来的成像面倾斜也会导致自适应光学对系统像差的校正效果降低。

3、由于渐变折射率透镜的中心对称特性，在渐变折射率透镜与显微镜进行耦合过程中，一般通过调整渐变折射率透镜的俯仰角和横滚翻滚角两个自由度实现对两个中心光轴之间角度偏差的调整。现有技术中，一般通过手动调整该角度偏差，使得两个中心光轴重合，这种手动调节的方式误差较大，并且可重复性较低；并且，两个中心光轴之间角度偏差属于微小角度偏差问题，采用手动调节的方式很多时候并不能实现两个中心光轴重合。

技术实现思路

1、针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种用于深脑成像的渐变折射率透镜的角度调节装置和方法，其目的在于减小渐变折射率透镜与显微镜中心光轴之间的角度偏差，提升成像质量。

2、为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提供了一种用于深脑成像的渐变折射率透镜的角度调节装置，自下而上依次包括：第一位移台、第二位移台、第三位移台、第二电动角度位移台、第一电动角度位移台及样本承载板；

3、两个电动角度位移台同轴安装，且旋转中心重合；所述两个电动角度位移台分别用于调节渐变折射率透镜与显微镜耦合过程中的俯仰角和横滚翻滚角；所述两个电动角度位移台为所述第一电动角度位移台和所述第二电动角度位移台；

4、所述第二电动角度位移台固定在所述第三位移台的载物台上；所述第三位移台的底座固定在所述第二位移台的载物台上，所述第二位移台的底座固定在所述第一位移台的载物台上；三个位移台分别用于对电动角度位移台在角度调节时所引起的渐变折射率透镜在x轴、y轴及z轴的位移偏移进行逆向补偿；z轴与所述渐变折射率透镜中心光轴方向平行；所述三个位移台为第一位移台、第二位移台及第三位移台；

5、所述样本承载板设置在所述第一电动角度位移台的上方，用于放置动物样本且使得动物头部的渐变折射率透镜与所述第一电动角度位移台同轴。

6、进一步地，所述样本承载板包括：固定板、两个支柱及底板；

7、动物头部放置在所述两个支柱之间，所述两个支柱固定在所述底板上，所述固定板设置在所述两个支柱上，且所述固定板与所述渐变折射率透镜上的固定板连接。

8、进一步地，载物台与底座之间通过m6固定螺丝相互固定；其中，所述载物台为第一位移台或第二位移台的载物台，所述底座为第二位移台或第三位移台的底座。

9、按照本发明的第二方面，提供了一种如第一方面任一项所述的角度调节装置的调节方法，包括：

10、s1、确定旋转半径，所述旋转半径为放置动物样本之后，所述渐变折射率透镜上端面与两个电动角度位移台旋转中心的距离；

11、s2、设定两个电动角度位移台此时的初始位置以及以此时初始位置为中心的临近区域；

12、s3、驱动两个电动角度位移台在以此时初始位置为中心的临近区域内，用确定的步进精度分别进行俯仰角和横滚翻滚角调整；同时，三个位移台根据所述旋转半径分别对所述两个电动角度位移台的位移进行逆向补偿，得到此时成像最清晰的位置；

13、s4、以此时成像最清晰的位置作为此时的初始位置，在相同的临近区域大小内，重复s3，直至至少相邻两次重复所得到的成像最清晰的位置相同；此时所述成像最清晰的位置为所述渐变折射率透镜与显微镜中心光轴重合的位置。

14、进一步地，s1中，所述旋转半径为第一旋转半径r1和第二旋转半径r2；确定所述旋转半径包括：

15、测量所述第一旋转半径r1，并计算所述第二旋转半径r2；所述第一旋转半径r1为放置动物样本之后，渐变折射率透镜上端面与所述第一电动角度位移台旋转中心的距离；其中，r2＝r1+h，h表示所述第二电动角度位移台的载物台与所述第一电动角度位移台的底座之间的高度；

16、s3中，三个位移台根据所述旋转半径分别对所述两个电动角度位移台的位移进行逆向补偿，包括：

17、三个位移台根据所述第一旋转半径r1对所述第一电动角度位移台的位移进行逆向补偿；

18、三个位移台根据所述第二旋转半径r2对所述第二电动角度位移台的位移进行逆向补偿。

19、进一步地，s3中，所述确定的步进精度为对应动物样本的最佳步进精度，确定所述最佳步进精度包括：

20、s31、初始化所述两个电动角度位移台的角度调整范围；

21、s32、以最小的步进精度，分别对所述两个电动角度位移台在初始化的角度调整范围内依次遍历；同时，所述三个位移台进行相应的逆向位移补偿，得到每个角度下的显微图像；并采用图像清晰度评价函数计算在每个角度下显微图像对应的评价值；

22、s33、确定评价值最大的图像对应角度的一个区间，若所述区间内的显微图像都在焦内，且为显微图像都在焦内对应的最大区间，则所述区间为所述最佳步进精度。

23、进一步地，三个位移台根据所述第一旋转半径r1或所述第二旋转半径r2进行相应的逆向位移补偿公式为：

24、δx＝rsin[θe]-rsin[θi]

25、δy＝rsin[θe]-rsin[θi]

26、δz＝rcos[θe]-rcos[θi]

27、其中，δx、δy、δz表示对两个电动角度位移台分别在x轴、y轴及z轴方向的位移偏移进行的逆向补偿量；r取r1或r2，r取r1时，表示对所述第一电动角度位移台位移进行逆向补偿；r取r2时，表示对所述第二电动角度位移台位移进行逆向补偿；θe表示两个电动角度位移台当前次移动后的角度，θi表示两个电动角度位移台当前次移动前的角度。

28、进一步地，测量所述第一旋转半径r1包括：

29、s11、将动物样本放置在所述样本承载板上之后，预估第一旋转半径的范围；

30、s12、在相同的第一角度位移台偏转角度下，遍历每一个预估的第一旋转半径；同时所述三个位移台根据每一个预估的第一旋转半径进行逆向位移补偿，得到对应的显微图像；

31、s13、采用清晰度评价函数确定出最清晰的显微图像；所述最清晰的显微图像所对应的旋转半径为所述第一旋转半径r1。

32、按照本发明的第三方面，提供了一种用于动物深脑成像的系统，包括：显微成像装置、设置在动物头部的渐变折射率透镜及第一方面任意一项所述的角度调节装置；

33、所述显微成像装置中的显微镜与所述渐变折射率透镜在耦合的过程中，采用所述角度调节装置调节所述显微镜与所述渐变折射率透镜中心光轴之间的角度，使所述显微镜与所述渐变折射率透镜的中心光轴重合。

34、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

35、(1)本发明的用于深脑成像的渐变折射率透镜的角度调节装置，通过两个电动角度位移台调整渐变折射率透镜与显微镜耦合过程中的俯仰角和横滚翻滚角，配合三个位移台对两个电动角度位移台在角度调节时所引起的渐变折射率透镜在x轴、y轴及z轴方向的位移偏移进行逆向补偿，能够对渐变折射率透镜与显微镜中心光轴之间的角度进行自动调整，从而减小渐变折射率透镜与显微镜中心光轴之间的角度偏差，提升成像质量。

36、(2)进一步地，设计的样本承载板3，将动物头部放置在两个支柱之间，通过设置在支柱上的固定板与动物头部的渐变折射率透镜上的固定板连接，从而使得动物头部和渐变折射率透镜的相对位置保持不变，进而保证动物头部的渐变折射率透镜与两个电动角度位移台同轴。

37、(3)基于本发明的角度调节装置，还提供了对应的调节方法，通过驱动两个电动角度位移台在以此时初始位置为中心的临近区域内进行自动角度调整，同时三个位移台进行对应的位移逆向补偿，得到此时成像最清晰的位置，再以此时成像最清晰的位置为此时初始位置，在相同大小的临近区域内重复上述过程，直至得到的此时成像最清晰的位置保持不变，即可实现渐变折射率透镜与显微镜中心光轴的重合；本发明的这种自动调节装置能够快速、标准地调节渐变折射率透镜与显微镜中心光轴的角度，以减小成像图像的像差，进而提升成像质量；且电动角度位移台与三个位移台的调节精度较高，通过本发明的设计方法使其相互配合，在角度自动调节时能够实现对微小角度偏差的调节。

38、(4)作为优选，基于本发明的装置，提供了一种寻找最佳步进精度的方法，采用最佳步进精度对两个电动角度位移台进行角度调节，能够提升寻找渐变折射率透镜与显微镜中心光轴重合位置的速度。

39、(5)作为优选，基于本发明的装置，提供了一种测量旋转半径的方法，该方法与渐变折射率透镜在动物脑区埋藏深度无关，避免了渐变折射率透镜在动物脑区埋藏深度不同所引起的误差，提升了旋转半径测量的精度，进一步减小了渐变折射率透镜与显微镜中心光轴之间的角度偏差。