双光子荧光显微成像的色散补偿方法研究及物镜设计

摘要

双光子荧光扫描显微成像技术已经成为研究生命科学的重要工具之一，它具有高组织穿透能力、成像深度大、低光漂白和低光损伤等优势。在神经科学研究中，为了观察神经元活动的规律，可以通过标记与观察神经元中的钙离子获取有用信息。但是神经元中的钙离子信号变化速度很快，不易捕获，为了获取钙离子信息，需要扫描成像系统的成像速度达到毫秒级以上。声光偏转器的扫描速度可以达到微秒量级，使用声光偏转器的随机扫描方式可以满足成像速度的要求，但是其扫描的光束为超短脉冲激光，会在双光子荧光显微成像系统中引入色散，从而影响成像质量。双光子荧光显微成像系统的色散主要为声光偏转器引入的色散，由于空间色散分布不均匀，目前许多色散补偿方法只能补偿部分色散，成像系统只能对小范围的神经元网络扫描成像。为了对更大神经元网络进行扫描成像，本文提出了新的色散补偿方法：先使用棱镜预补偿二维声光偏转器的色散，然后使用衍射透镜组成的中继光路补偿剩余空间色散，最终实现完全补偿成像系统色散的目的。成像系统在大视场扫描成像时，需要使用大视场的物镜。在成像系统中，物镜不仅要对扫描光束聚焦，还要对荧光成像，要求物镜具有大视场和宽工作波长范围，为此本文对物镜进行了设计。具体研究内容如下： （1）本文研究了双光子扫描显微成像系统的工作原理。首先，介绍了双光子荧光的原理和各种快速扫描技术与扫描方式。然后，对双光子扫描显微成像系统的主要结构和声光偏转器的工作原理与主要参数进行了介绍。最后，计算分析了声光偏转器的色散，得到了色散分布规律。在大视场扫描成像时，视场边缘角色散为0.21 mrad/nm，成像光斑的畸变量为7.9?μm。 （2）本文提出了二维声光偏转器的色散补偿方法并进行了仿真实验验证。首先，使用棱镜补偿二维声光偏转器的色散，计算分析了棱镜补偿后的剩余空间色散，得到了剩余角色散关于视场中心对称分布的结论。在大视场扫描成像时，视场边缘的剩余角色散仍有0.0627?mrad/nm，成像光斑的畸变量为2.3?μm。然后，使用衍射透镜组成的中继光路补偿剩余空间色散，理论上验证了色散可以得到完全补偿。最后，使用Zemax仿真补偿光路，色散补偿后的全视场成像光斑直径小于1.13μm，光斑的畸变得到了改善，色散得到补偿。 （3）本文设计了用于双光子扫描显微成像系统的显微物镜。根据系统的需求，设计了成像系统的物镜。物镜的工作波长为400?nm~1100?nm，视场半径为0.3?mm，整个视场的光斑直径小于1.1?μm，比成像系统的光斑直径1.13?μm小，满足成像系统的需求。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 课题研究背景和意义

1.2 双光子荧光扫描显微成像的发展和研究现状

1.3 声光偏转器色散补偿方法的发展与研究现状

1.4 本文的主要研究内容

第2章 双光子荧光显微成像系统的工作原理

2.1 双光子荧光显微成像的理论分析

2.2 快速扫描技术与扫描方式

2.3 双光子荧光扫描显微成像系统的光路介绍

2.4 声光偏转器

2.5 本章小结

第3章 声光偏转器的色散补偿方法

3.1 棱镜补偿色散

3.2 剩余色散的计算与分析

3.3 剩余色散的补偿方法

3.4 仿真实验

3.5 本章小结

第4章 双光子荧光显微成像系统的物镜设计

4.1 物镜参数

4.2 物镜的设计方法

4.3 显微物镜的设计

4.4 本章小结

第5章 总结与展望

5.1 全文总结

5.2 工作展望

致谢

参考文献

攻读学位期间获得与学位相关的科研成果目录