三維光刺激系統的製作方法

2024-03-24 23:12:05 1

專利名稱：三維光刺激系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種新型的三維光刺激系統，可以結合顯微成像方法和電生理方法，應用於神經生物學等學科的研究。
背景技術：
用光刺激神經細胞是研究神經細胞活動規律的常用方法。由於光刺激的空間位置和時間序列可以通過光學器件控制，從而可以模擬神經細胞複雜的生理活動，為理解神經細胞活動規律提供了基本的實驗手段。隨著新的光學器件的發展，光刺激的方式變得多樣化，這為研究神經細胞活動規律提供了更為豐富的實驗技術。發展新的光刺激方法是神經生物學研究的迫切需求。
在S. Wang的文章"Rapid neurotransmitter uncaging in spatiallydefined patterns" ( Nature Methods, 05)中用二維聲光偏轉器掃描刺雷射，可以在樣品平面形成自定義的刺激花樣。用這種方法可以刺激神經細胞任意位置，而且刺激兩個位置點的時間間隔也是可以控制的。但是這種方法有兩個缺點(1)聲光偏轉器掃描刺雷射從一個位置到另一個位置的時間間隔為10s,儘管這個掃描速度很快，但是不可能實現真正的多點同時刺激。(2) 二維聲光偏轉器只能在二維平面實現多點光刺激，還不能刺激位於不同軸向深度的位置。
V. Emiliani 在文章 "Holographic photolysis of cagedneurotransmitters" (Nature Methods, 08)中，4是出基於二維位相空間光調製器產生刺激花樣的方法。由於空間光調製器可以調製刺雷射的位相形成多點衍射花樣，這種方法可能實現真正的多點刺激。不僅可以形成點刺激，空間光調製器還可以形成圓斑以及其它更為豐富的刺激花樣。但是現有的基於空間光調製器的光刺激方法還局限於二維平面，不能實現三維同時刺激。

發明內容
本發明針對現有的光刺激方法不能實現三維刺激的局限，提供了 一種三維光刺激系統，本發明使用的核心光學器件是位相型二維空間光調製器，形成不同的光刺激花樣可以通過向空間光調製器中寫入不同的位相全息圖實現。實際應用中，我們是自定義需要的三維光刺激花樣，比如形成五個位於不同三維空間位置的刺激點，然後計算機根據相應的算法生成對應的
3位相全息圖，最後把這個位相全息圖寫入空間光調製器中，這樣，空間光 調製器就可以調製刺雷射的位相，產生我們想要的刺激花樣。
本發明的技術方案為
三維光刺激系統，包括雷射器、中性濾光片、偏振片、平面鏡、四個 透鏡、空間光調製器、計算機、二色鏡和物鏡，其特徵在於雷射器的發 射的刺雷射依次經過中性濾光片、偏振片、平面鏡、二個透鏡入射到空間 光調製器，計算機與空間光調製器相連，並控制空間光調製器入射的刺激 光產生位相調製成衍射花樣的刺雷射，衍射花樣的刺雷射再經另二個透鏡、 二色鏡和物鏡後照射到樣品附近的區域形成三維空間分布的刺激花樣。
還包括成像系統和/或電生理系統，成像系統與二色鏡相連，電生理系 統直接與樣品接觸。
本發明使用位相型二維空間光調製器調製刺雷射的位相，使之形成需 要的衍射花樣，在樣品平面附近形成三維光刺激花樣。
本發明提供的三維光刺激系統的優點是(1)、可以同時形成多個刺激 點，它們分布在三維空間的不同位置，並且它們的位置可以任意改變。(2)、 可以刺激任意形狀的三維區域。本發明可以研究動物對刺激響應，也可以 與生物醫學觀測系統如顯微成像方法、電記錄等相結合，為生物與醫學研 究提供手段，還可以廣泛應用於化學、物理等多個學科的研究。


圖1為三維多點光刺激示意圖。
圖2為刺激任意形狀的三維區域示意圖。
圖3為三維光刺激的原理示意圖。
圖4為當形成位於(100， 100, 50)和(-100, -100, -50)隱的兩個 光刺激點時，輸入到空間光調製器的位相全息圖。
圖5為當形成位於(O. 1， 0， 0)， (0.2， 0, 0)， (0, 0， 50)和(0, 0， 70)腿的四個光刺激點時，輸入到空間光調製器的位相全息圖。
圖6為三維刺激系統框圖。
具體實施例方式
結合附圖對本發明作進一步的描述。
如圖6所示，本發明包括雷射器6、中性濾光片7、偏振片8、平面鏡 9、四個透鏡(IO， 11, 14, 15)、空間光調製器12、計算機13、 二色鏡 16和物鏡17,雷射器6的發射的刺雷射依次經過中性濾光片7、偏振片8、 平面鏡9、 二個透鏡(IO， 11)入射到空間光調製器12，計算機13與空間 光調製器12相連，並控制空間光調製器12入射的刺雷射產生位相調製成衍射花樣的刺雷射，衍射花樣的刺雷射再經另二個透鏡(14， 15)、 二色鏡 16和物鏡17後照射到樣品18附近的區域形成三維空間分布的刺激花樣。
還包括成像系統和/或電生理系統，成像系統與二色鏡相連，電生理系 統直接與樣品接觸。
下面結合附圖和實例對本發明做進一步說明。
如圖3,刺雷射1經過位相型二維空間光調製器2和透鏡3後，聚焦 點在聚焦平面5的位置坐標為(xn, 0， zn)，定義透鏡後焦面4和光軸的交 點位置為坐標原點，這時對應空間光調製器的位相調製函數是
" (wJ = exP(''%d"(X,:^)) (1)
其中
l (A,兀.)=，,丄、(A2 +少,2) + , ，" "2 x, (2)
k是波數，f是透鏡3的焦距，Xs和ys是空間光調製器2的平面坐標。 把上述結論拓展到三維，即當一個聚焦點的位置坐標為(xn, yn, Zn)時， 對應空間光調製器的位相調製函數是
(X, y.、. ) = exP (X,凡)) (3)
其中
~ = ~丄 、(A2 + x、2) + &
(4)
當聚焦的數目為N，它們的位置坐標分別為Uxn, yn, zn)} (n = 1,2......N)的時，空間光調製器的位相調製函數為
""，凡)是一個複數，為了得到空間光調製器上位相隨位置的分布，只
需求""，"的復角主值，即
%d (A.,凡)=arg("(X, )) (6)
所以輸入到空間光調製器的位相全息圖為
<^0^) = 5^0,,乂 ) (7)
係數S是常數，它把位相轉化成全息圖的灰度值；px, Py是空間光調
制器上像素的編號，與空間位置相對應。
綜合(3)到(7 )式，計算機只要把(7 )式得到的位相全息圖輸入到
5空間光調製器中，入射刺雷射1經過空間光調製器2和透鏡3後，就可以 在三維空間形成N個刺激點，它們的位置坐標分別為{(xn， yn, zn)}， n = 1，2......N, N為不零的自然數。
把這種三維刺激方法整合到系統中去，構成的三維光刺激系統框圖如 圖6。飛秒雷射器6發射波長800 重複頻率80 MHz，脈衝寬度100 f s 的脈衝雷射。刺雷射依次經過中性濾光片7、偏振片8、平面鏡9、透鏡IO 和透鏡11後，入射到空間光調製器12上，中性濾光片7的作用是調整光 強，偏振片8的作用是調製刺雷射的偏振態以滿足空間光調製器12對入射 光偏振態的要求，透鏡10和透鏡11組成擴束器，使光斑儘量充滿空間光 調製器12的工作區域，計算機13生成位相全息圖，控制空間光調製器12 對刺雷射產生位相調製，使刺雷射經過空間光調製器12後形成需要的衍射 花樣。具有一定衍射花樣的刺雷射再經過透鏡14、透4tl5、 二色鏡16和 物鏡17後，在樣品18附近的區域形成了三維空間分布的刺激花樣。本三 維刺激系統很容易與成像系統19以及電生理系統20相結合。
實例1:
如圖3,刺雷射源是632. 8 nm的He-Ne雷射，空間光調製器是512x512 的，像素尺寸為10 )Lim，透鏡的焦距為250 mffl。當需要形成兩個位置坐標 分別為(0. 1, 0. 1, 50) mm和(-0.1， -0.1， -50),的刺激點時，根據(3) 到(7)式，計算機13可以得到輸入到空間光調製器的位相全息圖如圖4, 然後把如圖4的位相全息圖輸入到空間光調製器中，刺雷射經過空間光調 制器和透鏡後，就可以形成位置坐標分別為(0.1,0. 1,50)和(0.1,0.1, -50) mm的刺激點。這兩個刺激點不僅橫向坐標不同，而且軸向坐標也不 相同。
實例2:
如圖3，刺雷射源是632. 8 nm的He-Ne雷射，空間光調製器是512x512 的，像素尺寸為10 ,，透鏡的焦距為250 mm。當需要形成四個位置坐標 分別為(O. 1, 0, 0), (0.2， 0， 0)， (0， 0， 50)和(0， 0， 70) mm的刺 激點時，根據(3)到(7)式，計算機13可以得到輸入到空間光調製器的 位相全息圖如圖5，然後把如圖5的位相全息圖輸入到空間光調製器中， 刺雷射經過空間光調製器和透鏡後，就可以形成位置坐標分別(O. 1， 0， 0), (0.2, 0， 0), (0, 0， 50)和(0, 0， 70) mm的刺激點。這四個點分布在 三維空間的不同位置。
權利要求
1、三維光刺激系統，包括雷射器、中性濾光片、偏振片、平面鏡、四個透鏡、空間光調製器、計算機、二色鏡和物鏡，其特徵在於雷射器的發射的刺雷射依次經過中性濾光片、偏振片、平面鏡、二個透鏡入射到空間光調製器，計算機與空間光調製器相連，並控制空間光調製器入射的刺雷射產生位相調製成衍射花樣的刺雷射，衍射花樣的刺雷射再經另二個透鏡、二色鏡和物鏡後照射到樣品附近的區域形成三維空間分布的刺激花樣。
2、 根據權利要求1所述的三維光刺激系統，其特徵在於還包括成像系統和/或電生理系統，成像系統與二色鏡相連，電生理系統直接與樣品接觸。
3、 根據權利要求1或2所述的三維光刺激系統中的控制空間光調製器入射的刺激 光產生位相調製成衍射花樣的方法，其特徵在於按以下步驟進行刺雷射經過位相型 二維空間光調製器和透鏡後，聚焦點在聚焦平面的位置坐標為(x , 0， z ),定義透鏡 後焦面和光軸的交點位置為坐標原點，這時對應空間光調製器的位相調製函數是= expd(x"乂、)) (丄)，其中UW,.):^^ x/化2 +7"乂,…(2), k是波數'f是透鏡的焦 2(/ /z") Vx +/距，xs和ys是空間光調製器的平面坐標；當一個聚焦點的位置坐標為(x , y , z )時， 對應空間光調製器的位相調製函數是" 0,,乂、.) = exp(*3D (x,,Xv))…(3 ),其中I =，丄、(x、2 + 乂、.2) + * 2(/ /z )、...(4),當聚焦的數目為N,A2 + /2 '、它們的位置坐標分別為{(x , yn， zn)} (n = 1,2……N)的時，空間光調製器的位相調製函數為"(x,j,) = |^ (x,,_y,)... (5), ""，乂')是一個複數，只需求""，凡)的復角主值，即％D(X,:O = arg("(x,,j0)…(6),輸入到空間光調製器的位相全息圖為G3D<X,/g = ^3D(x,,^)— (7),係數S是常數，是位相轉化成全息圖的灰度值；P" py是空間光調製器上像素的編號，與空間位置相對應，綜合(3) - n)式，計算機把n) 式得到的位相全息圖輸入到空間光調製器中，入射刺雷射經過空間光調製器和透鏡後， 就在三維空間形成N個刺激點，它們的位置坐標分別為{(x , yn, zn)}， n=l,2……N, N為不零的自然數。
全文摘要
本發明涉及三維光刺激系統，包括雷射器、中性濾光片、偏振片、平面鏡、四個透鏡、空間光調製器、計算機、二色鏡和物鏡，雷射器的發射的刺雷射依次經過中性濾光片、偏振片、平面鏡、二個透鏡入射到空間光調製器，計算機與空間光調製器相連，並控制空間光調製器入射的刺雷射產生位相調製成衍射花樣的刺雷射，衍射花樣的刺雷射再經另二個透鏡、二色鏡和物鏡後照射到樣品附近的區域形成三維空間分布的刺激花樣。本發明的優點是可同時形成分布在三維空間的多個刺激點，且位置任意改變；可刺激任意形狀的三維區域。本發明應用於動物對刺激響應的研究，與生物醫學觀測系統相結合，為生物與醫學研究提供手段，可廣泛應用於化學、物理等多個學科的研究。
文檔編號G02F1/35GK101482683SQ200910060709
公開日2009年7月15日 申請日期2009年2月10日 優先權日2009年2月10日
發明者曾紹群, 睿 杜, 駱清銘 申請人:華中科技大學