任意位置多点光聚焦及光斑优化的方法与系统技术方案

本发明专利技术公开了一种任意位置多点光聚焦及光斑优化的方法与系统。不加载样品下光束经梯度分布相位调制聚焦得到理想聚焦光斑，加载样品后，光束聚焦到散射介质得到畸变散射光斑，将空间光调制器的图像进行分区，每个分区分别加载相位光聚焦得到校正散射光斑，一次校正循环后得到新的调制相位分布并加载到空间光调制器调制，再次光聚焦得到校正循环后的校正光斑，与理想聚焦光斑互相关计算得到互相关系数，迭代进行多次循环校正，直到校正循环后的互相关系数大于预设系数阈值。本发明专利技术优化散射光斑分布，突破了现有光遗传学光刺激与显微成像方案只能对单一区域进行刺激的局限，使得在大脑内部更大深度下同时进行多区域光刺激和显微成像。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于光遗传技术光刺激和显微成像领域，特别涉及任意位置多点光聚焦及光斑优化的方法与系统，并应用于显微成像。
技术介绍
光遗传学(optogenetics)技术——将激活信号通路的光敏蛋白基因编码，用自定义的动作电位激励模式代替内源的电活动——是一种将光学方法和遗传学方法相结合从而精确控制细胞活动的方法。光遗传学技术带来的神经学上的革命转变了我们研究神经回路的方法，神经科学研究者能够通过对神经元地直接操纵来来直观地研究各个神经元、多个核团之间的关系与内在的相互作用，从而进一步直观地阐明大脑神经环路的结构、功能和行为。利用光遗传学技术对大脑神经环路地研究，神经科学研究者能够结合动物模型探究如帕金森综合症、阿尔茨海默病、抑郁症等神经性疾病，研究其病理与治疗方法。自适应光学技术最早被用于天体物理，利用波前传感器实时测量并补偿各种干扰引起的光学系统的波前畸变，然后通过波前校正器如变形镜、空间光调制器等对畸变进行补偿。本世纪初随着其它领域对自适应光学的逐渐增长的兴趣，其应用范围开始扩展，并逐步应用于生物医学成像中，以校正生物样品深层成像时样品散射特性带来的光学畸变，以增加光学成像技术在生物样品中的成像深度。双光子钙离子成像技术被用来测量活体小鼠神经元单细胞层面的兴奋及其与行为相关的活动，但传统的商用双光子成像系统只能对单一区域进行刺激与显微成像。然而，用于感觉和运动的神经元通常分布在脑区的多个区域之中，这极大地限制了神经环路尤其是多脑区间相互作用的研究。
技术实现思路
本专利技术目的在于利用针对现有光遗传学刺激方案只能对单一区域进行刺激的局限，通过将空间光调制器和自适应光学技术相结合，提供了一种任意位置多点光聚焦及光斑优化的方法与系统。本专利技术采用技术方案是：一、一种任意位置多点光聚焦及光斑优化的方法：1)不加载样品，激光器发射出光束，经过准直扩束后，再经过带有初始分区的梯度分布的基底相位的空间光调制器调制，然后经过聚焦透镜聚焦，在焦平面处得到多个理想聚焦光斑，并用成像透镜在工业相机上记录其光斑分布；2)加载样品，激光器发射出光束，经过准直扩束后，再经过带有梯度分布的基底相位的空间光调制器调制，然后经过聚焦透镜聚焦到散射介质，在位于散射介质内部的焦平面处得到多个畸变散射光斑，并用成像透镜在工业相机上记录其光斑分布；3)将空间光调制器的图像进行分区，对每个分区依次分别加载相位，激光器多次发射出光束经过准直扩束后，再经过相位校正后的空间光调制器调制，然后经过聚焦透镜聚焦到散射介质，在位于散射介质内部的焦平面处得到一系列多个校正散射光斑，用成像透镜在工业相机上记录并处理其光斑分布，完成一次校正循环，得到新的调制相位分布；4)激光器多次发射出光束经过准直扩束后，经过加载有步骤3)获得的新的调制相位分布的空间光调制器调制，然后经过聚焦透镜聚焦，聚焦光束进入散射介质，在散射介质内部的焦平面处得到校正循环后的多个校正光斑并用成像透镜在工业相机上记录，然后将得到的校正循环后的多个校正光斑与步骤1)中所得到的多个理想聚焦光斑进行互相关计算，得到校正循环后的互相关系数并记录；5)重复步骤3)到4)，迭代进行多次循环校正，直到校正循环后的互相关系数大于预设系数阈值，则停止处理，最后一次得到的空间光调制器中各分区的相位作为最终成像系统的相位，最后一次得到的校正循环后的多个校正光斑作为最终光斑，并用成像透镜在工业相机上记录。所述步骤3)具体是指：3.1)将空间光调制器的图像像素点以n×n方式均匀分区，激光器多次发射出光束经过准直扩束后，再经过相位校正后的空间光调制器调制，然后经过聚焦透镜聚焦到散射介质，在位于散射介质内部的焦平面处得到多个校正散射光斑；3.2)将得到的校正散射光斑与理想聚焦光斑进行互相关计算，得到m个相关系数；3.3)记录相关系数最大时分区的相位值，并以该相位值固定赋予添加到所对应分区的基底相位上；3.4)空间光调制器从第一个分区开始到最后一个分区重复上述步骤，每个分区依次进行相位变化，完成所有分区后获得最终一次校正循环后的相位分布，作为新的调制相位分布。所述步骤3.1)中空间光调制器是采用以下方式调制：将一分区内所有像素点从2π/m到2π进行相位值的依次间隔扫描，扫描间隔为2π/m，m表示相关系数的总数，可由用户自定义，其他分区的相位保持不变，每个相位值下进行一次，从而获得一组需校正损耗光斑。所述的散射介质采用活体生物组织、离体生物组织、毛玻璃和带非荧光小球的琼脂等其中的一种。所述步骤1)中空间光调制器带有梯度分布的基底相位，空间光调制器分区，每个分区的相位不相同形成梯度的相位分布，其分区与步骤3)的分区可相同也可不相同，根据所需聚焦点数量进行合理分区。优选地，所述步骤1)中的空间光调制器初始的分区的梯度分布的基底相位的分区是将空间光调制器的图像进行分区，对每个分区依次分别加载相位，以边相邻的两个分区的相位值不同，以角相邻的两个分区的相位值可不同可相同。所述步骤1)中的空间光调制器各个分区的相位分布是：比如以对角连接的所有分区相位值相同(如国际象棋棋盘的黑白分隔方式)，由此形成两种不同的相位分布，从而产生两个聚焦光斑。例如若所需为两个聚焦点，可将空间光调制以2×2分区，左上和右下区负责第一个聚焦点，左下和右上负责第二个聚焦点。抑或可将空间光调制器以1×2或2×1分区，左右或上下各负责一个聚焦点。抑或可将空间光调制以N×N交错式分区(N为若干值)，其中每间隔一个分区的所有子区负责其中一个聚焦点，其余的所有子区负责另一个聚焦点乃至更多聚焦点(依据用户要求，可参考国际象棋棋盘的黑白分隔方式)，基底相位梯度分布分区应包括类似或相仿的所有分区方式。棋盘式的初始分区和n×n校正时的分区是独立的不同分区方法，并只在步骤1)中作为初始值给予空间光调制器，用于产生多个聚焦光斑；棋盘式初始分区的每个子区不是一个统一值而是分布，比如由左到右增大的这样。二、一种任意位置多点光聚焦及光斑优化的系统：系统包括激光器、扩束模块、空间光调制器和聚焦透镜，扩束模块布置在激光器出射端的前方，激光器发射出光束经扩束模块平行扩束后入射到空间光调制器，空间光调制器出射端的前方依次置有聚焦透镜，聚焦透镜前方设有散射介质，散射介质位于聚焦透镜的焦平面上；激光器发射出光束依次经第一光束准直扩束模块透镜、第一光束准直扩束模块透镜平行扩束后入射到空间光调制器，空间光调制器反射光经聚焦透镜聚焦到散射介质内部的焦平面上。所述的扩束模块包括第一光束准直扩束模块透镜和第一光束准直扩束模块透镜，第一光束准直扩束模块透镜和第一光束准直扩束模块透镜平行依次布置在激光器出射端的前方，激光器发射出光束依次经第一光束准直扩束模块透镜、第一光束准直扩束模块透镜平行扩束后入射到空间光调制器。还包括依次置于聚焦透镜前方的成像透镜和CMOS相机，散射介质置于聚焦透镜和成像透镜之间，聚焦到散射介质内部的焦平面的光斑经成像透镜入射到CMOS相机接收。本专利技术的有益效果是：本专利技术利用空间光调制器实现了多聚焦点的光刺激，突破了现有光遗传学光刺激系统的局限，为相关领域研究人员探究大脑神经环路多区域间的关联与整体性研究提供了技术支持，摆脱了以往同一时刻只能在单一区域中研究大脑神经环路的困境。本专利技术同本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种任意位置多点光聚焦及光斑优化的方法，其特征在于包括以下步骤：1)不加载样品，激光器发射出光束，经过准直扩束后，再经过带有初始分区的梯度分布的基底相位的空间光调制器调制，然后经过聚焦透镜聚焦，在焦平面处得到多个理想聚焦光斑，并用成像透镜在工业相机上记录；2)加载样品，激光器发射出光束，经过准直扩束后，再经过带有梯度分布的基底相位的空间光调制器调制，然后经过聚焦透镜聚焦到散射介质，在位于散射介质内部的焦平面处得到多个畸变散射光斑，并用成像透镜在工业相机上记录；3)将空间光调制器的图像进行分区，对每个分区依次分别加载相位，激光器多次发射出光束经过准直扩束后，再经过相位校正后的空间光调制器调制，然后经过聚焦透镜聚焦到散射介质，在位于散射介质内部的焦平面处得到一系列的多个校正散射光斑，用成像透镜在工业相机上记录并处理，完成一次校正循环，得到新的调制相位分布；4)激光器多次发射出光束经过准直扩束后，经过加载有步骤3)获得的新的调制相位分布的空间光调制器调制，然后经过聚焦透镜聚焦，聚焦光束进入散射介质，在散射介质内部的焦平面处得到校正循环后的多个校正光斑并用成像透镜在工业相机上记录，然后将得到的校正循环后的多个校正光斑与步骤1)中所得到的多个理想聚焦光斑进行互相关计算，得到校正循环后的互相关系数并记录；5)重复步骤3)到4)，迭代进行多次循环校正，直到校正循环后的互相关系数大于预设系数阈值，则停止处理，最后一次得到的空间光调制器中各分区的相位作为最终成像系统的相位，最后一次得到的校正循环后的多个校正光斑作为最终光斑。...

【技术特征摘要】
1.一种任意位置多点光聚焦及光斑优化的方法，其特征在于包括以下步骤：1)不加载样品，激光器发射出光束，经过准直扩束后，再经过带有初始分区的梯度分布的基底相位的空间光调制器调制，然后经过聚焦透镜聚焦，在焦平面处得到多个理想聚焦光斑，并用成像透镜在工业相机上记录；2)加载样品，激光器发射出光束，经过准直扩束后，再经过带有梯度分布的基底相位的空间光调制器调制，然后经过聚焦透镜聚焦到散射介质，在位于散射介质内部的焦平面处得到多个畸变散射光斑，并用成像透镜在工业相机上记录；3)将空间光调制器的图像进行分区，对每个分区依次分别加载相位，激光器多次发射出光束经过准直扩束后，再经过相位校正后的空间光调制器调制，然后经过聚焦透镜聚焦到散射介质，在位于散射介质内部的焦平面处得到一系列的多个校正散射光斑，用成像透镜在工业相机上记录并处理，完成一次校正循环，得到新的调制相位分布；4)激光器多次发射出光束经过准直扩束后，经过加载有步骤3)获得的新的调制相位分布的空间光调制器调制，然后经过聚焦透镜聚焦，聚焦光束进入散射介质，在散射介质内部的焦平面处得到校正循环后的多个校正光斑并用成像透镜在工业相机上记录，然后将得到的校正循环后的多个校正光斑与步骤1)中所得到的多个理想聚焦光斑进行互相关计算，得到校正循环后的互相关系数并记录；5)重复步骤3)到4)，迭代进行多次循环校正，直到校正循环后的互相关系数大于预设系数阈值，则停止处理，最后一次得到的空间光调制器中各分区的相位作为最终成像系统的相位，最后一次得到的校正循环后的多个校正光斑作为最终光斑。2.根据权利要求1所述的一种任意位置多点光聚焦及光斑优化的方法，其特征在于：所述步骤3)具体是指：3.1)将空间光调制器的图像像素点以n×n方式均匀分区，激光器多次发射出光束经过准直扩束后，再经过相位校正后的空间光调制器调制，然后经过聚焦透镜聚焦到散射介质，在位于散射介质内部的焦平面处得到多个校正散射光斑；3.2)将得到的校正散射光斑与理想聚焦光斑进行互相关计算，得到m个相关系数；3.3)记录相关系数最大时分区的相位值，并以该相位值固定赋予添加到所对应分区的基底相位上；3.4)空间光调制器从第一个分区开始到最后一个分区重复上述步骤，每个分区依次进行相位变化，完成所有分区后获得最终一次校正循环后的相位分布。3.根据权利要求2所述的一种任意位置多点光聚焦及光斑优化的方法，其特征在于：所述步骤3.1)中空间光调制器是采用以下方式调制：...

【专利技术属性】
技术研发人员：龚薇，斯科，唐恒杰，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33