专利名称：三维光刺激系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种新型的三维光刺激系统，可以结合显微成像方法和电生理方法，应用于神经生物学等学科的研究。
背景技术：
用光刺激神经细胞是研究神经细胞活动规律的常用方法。由于光刺激的空间位置和时间序列可以通过光学器件控制，从而可以模拟神经细胞复杂的生理活动，为理解神经细胞活动规律提供了基本的实验手段。随着新的光学器件的发展，光刺激的方式变得多样化，这为研究神经细胞活动规律提供了更为丰富的实验技术。发展新的光刺激方法是神经生物学研究的迫切需求。
在S. Wang的文章"Rapid neurotransmitter uncaging in spatiallydefined patterns" ( Nature Methods, 05)中用二维声光偏转器扫描刺激光，可以在样品平面形成自定义的刺激花样。用这种方法可以刺激神经细胞任意位置，而且刺激两个位置点的时间间隔也是可以控制的。但是这种方法有两个缺点(1)声光偏转器扫描刺激光从一个位置到另一个位置的时间间隔为10s,尽管这个扫描速度很快，但是不可能实现真正的多点同时刺激。(2) 二维声光偏转器只能在二维平面实现多点光刺激，还不能刺激位于不同轴向深度的位置。
V. Emiliani 在文章 "Holographic photolysis of cagedneurotransmitters" (Nature Methods, 08)中，4是出基于二维位相空间光调制器产生刺激花样的方法。由于空间光调制器可以调制刺激光的位相形成多点衍射花样，这种方法可能实现真正的多点刺激。不仅可以形成点刺激，空间光调制器还可以形成圆斑以及其它更为丰富的刺激花样。但是现有的基于空间光调制器的光刺激方法还局限于二维平面，不能实现三维同时刺激。
发明内容
本发明针对现有的光刺激方法不能实现三维刺激的局限，提供了 一种三维光刺激系统，本发明使用的核心光学器件是位相型二维空间光调制器，形成不同的光刺激花样可以通过向空间光调制器中写入不同的位相全息图实现。实际应用中，我们是自定义需要的三维光刺激花样，比如形成五个位于不同三维空间位置的刺激点，然后计算机根据相应的算法生成对应的
3位相全息图，最后把这个位相全息图写入空间光调制器中，这样，空间光 调制器就可以调制刺激光的位相，产生我们想要的刺激花样。
本发明的技术方案为
三维光刺激系统，包括激光器、中性滤光片、偏振片、平面镜、四个 透镜、空间光调制器、计算机、二色镜和物镜，其特征在于激光器的发 射的刺激光依次经过中性滤光片、偏振片、平面镜、二个透镜入射到空间 光调制器，计算机与空间光调制器相连，并控制空间光调制器入射的刺激 光产生位相调制成衍射花样的刺激光，衍射花样的刺激光再经另二个透镜、 二色镜和物镜后照射到样品附近的区域形成三维空间分布的刺激花样。
还包括成像系统和/或电生理系统，成像系统与二色镜相连，电生理系 统直接与样品接触。
本发明使用位相型二维空间光调制器调制刺激光的位相，使之形成需 要的衍射花样，在样品平面附近形成三维光刺激花样。
本发明提供的三维光刺激系统的优点是(1)、可以同时形成多个刺激 点，它们分布在三维空间的不同位置，并且它们的位置可以任意改变。(2)、 可以刺激任意形状的三维区域。本发明可以研究动物对刺激响应，也可以 与生物医学观测系统如显微成像方法、电记录等相结合，为生物与医学研 究提供手段，还可以广泛应用于化学、物理等多个学科的研究。
图1为三维多点光刺激示意图。
图2为刺激任意形状的三维区域示意图。
图3为三维光刺激的原理示意图。
图4为当形成位于(100， 100, 50)和(-100, -100, -50)隱的两个 光刺激点时，输入到空间光调制器的位相全息图。
图5为当形成位于(O. 1， 0， 0)， (0.2， 0, 0)， (0, 0， 50)和(0, 0， 70)腿的四个光刺激点时，输入到空间光调制器的位相全息图。
图6为三维刺激系统框图。
具体实施例方式
结合附图对本发明作进一步的描述。
如图6所示，本发明包括激光器6、中性滤光片7、偏振片8、平面镜 9、四个透镜(IO， 11, 14, 15)、空间光调制器12、计算机13、 二色镜 16和物镜17,激光器6的发射的刺激光依次经过中性滤光片7、偏振片8、 平面镜9、 二个透镜(IO， 11)入射到空间光调制器12，计算机13与空间 光调制器12相连，并控制空间光调制器12入射的刺激光产生位相调制成衍射花样的刺激光，衍射花样的刺激光再经另二个透镜(14， 15)、 二色镜 16和物镜17后照射到样品18附近的区域形成三维空间分布的刺激花样。
还包括成像系统和/或电生理系统，成像系统与二色镜相连，电生理系 统直接与样品接触。
下面结合附图和实例对本发明做进一步说明。
如图3,刺激光1经过位相型二维空间光调制器2和透镜3后，聚焦 点在聚焦平面5的位置坐标为(xn, 0， zn)，定义透镜后焦面4和光轴的交 点位置为坐标原点，这时对应空间光调制器的位相调制函数是
" (wJ = exP(''%d"(X,:^)) (1)
其中
l (A,兀.)=，,丄、(A2 +少,2) + , ，" "2 x, (2)
k是波数，f是透镜3的焦距，Xs和ys是空间光调制器2的平面坐标。 把上述结论拓展到三维，即当一个聚焦点的位置坐标为(xn, yn, Zn)时， 对应空间光调制器的位相调制函数是
(X, y.、. ) = exP (X,凡)) (3)
其中
~ = ~丄 、(A2 + x、2) + &
(4)
当聚焦的数目为N，它们的位置坐标分别为Uxn, yn, zn)} (n = 1,2......N)的时，空间光调制器的位相调制函数为
""，凡)是一个复数，为了得到空间光调制器上位相随位置的分布，只
需求""，"的复角主值，即
%d (A.,凡)=arg("(X, )) (6)
所以输入到空间光调制器的位相全息图为
<^0^) = 5^0,,乂 ) (7)
系数S是常数，它把位相转化成全息图的灰度值；px, Py是空间光调
制器上像素的编号，与空间位置相对应。
综合(3)到(7 )式，计算机只要把(7 )式得到的位相全息图输入到
5空间光调制器中，入射刺激光1经过空间光调制器2和透镜3后，就可以 在三维空间形成N个刺激点，它们的位置坐标分别为{(xn， yn, zn)}， n = 1，2......N, N为不零的自然数。
把这种三维刺激方法整合到系统中去，构成的三维光刺激系统框图如 图6。飞秒激光器6发射波长800 重复频率80 MHz，脉冲宽度100 f s 的脉冲激光。刺激光依次经过中性滤光片7、偏振片8、平面镜9、透镜IO 和透镜11后，入射到空间光调制器12上，中性滤光片7的作用是调整光 强，偏振片8的作用是调制刺激光的偏振态以满足空间光调制器12对入射 光偏振态的要求，透镜10和透镜11组成扩束器，使光斑尽量充满空间光 调制器12的工作区域，计算机13生成位相全息图，控制空间光调制器12 对刺激光产生位相调制，使刺激光经过空间光调制器12后形成需要的衍射 花样。具有一定衍射花样的刺激光再经过透镜14、透4tl5、 二色镜16和 物镜17后，在样品18附近的区域形成了三维空间分布的刺激花样。本三 维刺激系统很容易与成像系统19以及电生理系统20相结合。
实例1:
如图3,刺激光源是632. 8 nm的He-Ne激光，空间光调制器是512x512 的，像素尺寸为10 )Lim，透镜的焦距为250 mffl。当需要形成两个位置坐标 分别为(0. 1, 0. 1, 50) mm和(-0.1， -0.1， -50),的刺激点时，根据(3) 到(7)式，计算机13可以得到输入到空间光调制器的位相全息图如图4, 然后把如图4的位相全息图输入到空间光调制器中，刺激光经过空间光调 制器和透镜后，就可以形成位置坐标分别为(0.1,0. 1,50)和(0.1,0.1, -50) mm的刺激点。这两个刺激点不仅横向坐标不同，而且轴向坐标也不 相同。
实例2:
如图3，刺激光源是632. 8 nm的He-Ne激光，空间光调制器是512x512 的，像素尺寸为10 ,，透镜的焦距为250 mm。当需要形成四个位置坐标 分别为(O. 1, 0, 0), (0.2， 0， 0)， (0， 0， 50)和(0， 0， 70) mm的刺 激点时，根据(3)到(7)式，计算机13可以得到输入到空间光调制器的 位相全息图如图5，然后把如图5的位相全息图输入到空间光调制器中， 刺激光经过空间光调制器和透镜后，就可以形成位置坐标分别(O. 1， 0， 0), (0.2, 0， 0), (0, 0， 50)和(0, 0， 70) mm的刺激点。这四个点分布在 三维空间的不同位置。
权利要求
1、三维光刺激系统，包括激光器、中性滤光片、偏振片、平面镜、四个透镜、空间光调制器、计算机、二色镜和物镜，其特征在于激光器的发射的刺激光依次经过中性滤光片、偏振片、平面镜、二个透镜入射到空间光调制器，计算机与空间光调制器相连，并控制空间光调制器入射的刺激光产生位相调制成衍射花样的刺激光，衍射花样的刺激光再经另二个透镜、二色镜和物镜后照射到样品附近的区域形成三维空间分布的刺激花样。
2、 根据权利要求1所述的三维光刺激系统，其特征在于还包括成像系统和/或电生理系统，成像系统与二色镜相连，电生理系统直接与样品接触。
3、 根据权利要求1或2所述的三维光刺激系统中的控制空间光调制器入射的刺激 光产生位相调制成衍射花样的方法，其特征在于按以下步骤进行刺激光经过位相型 二维空间光调制器和透镜后，聚焦点在聚焦平面的位置坐标为(x , 0， z ),定义透镜 后焦面和光轴的交点位置为坐标原点，这时对应空间光调制器的位相调制函数是= expd(x"乂、)) (丄)，其中UW,.):^^ x/化2 +7"乂,…(2), k是波数'f是透镜的焦 2(/ /z") Vx +/距，xs和ys是空间光调制器的平面坐标；当一个聚焦点的位置坐标为(x , y , z )时， 对应空间光调制器的位相调制函数是" 0,,乂、.) = exp(*3D (x,,Xv))…(3 ),其中I =，丄、(x、2 + 乂、.2) + * 2(/ /z )、...(4),当聚焦的数目为N,A2 + /2 '、它们的位置坐标分别为{(x , yn， zn)} (n = 1,2……N)的时，空间光调制器的位相调制函数为"(x,j,) = |^ (x,,_y,)... (5), ""，乂')是一个复数，只需求""，凡)的复角主值，即％D(X,:O = arg("(x,,j0)…(6),输入到空间光调制器的位相全息图为G3D<X,/g = ^3D(x,,^)— (7),系数S是常数，是位相转化成全息图的灰度值；P" py是空间光调制器上像素的编号，与空间位置相对应，综合(3) - n)式，计算机把n) 式得到的位相全息图输入到空间光调制器中，入射刺激光经过空间光调制器和透镜后， 就在三维空间形成N个刺激点，它们的位置坐标分别为{(x , yn, zn)}， n=l,2……N, N为不零的自然数。
全文摘要
本发明涉及三维光刺激系统，包括激光器、中性滤光片、偏振片、平面镜、四个透镜、空间光调制器、计算机、二色镜和物镜，激光器的发射的刺激光依次经过中性滤光片、偏振片、平面镜、二个透镜入射到空间光调制器，计算机与空间光调制器相连，并控制空间光调制器入射的刺激光产生位相调制成衍射花样的刺激光，衍射花样的刺激光再经另二个透镜、二色镜和物镜后照射到样品附近的区域形成三维空间分布的刺激花样。本发明的优点是可同时形成分布在三维空间的多个刺激点，且位置任意改变；可刺激任意形状的三维区域。本发明应用于动物对刺激响应的研究，与生物医学观测系统相结合，为生物与医学研究提供手段，可广泛应用于化学、物理等多个学科的研究。
文档编号G02F1/35GK101482683SQ200910060709
公开日2009年7月15日 申请日期2009年2月10日 优先权日2009年2月10日
发明者曾绍群, 睿 杜, 骆清铭 申请人:华中科技大学