液態變焦透鏡在顯微鏡領域的国产成人在线观看免费网站

正文

液態變焦透鏡在顯微鏡領域的国产成人在线观看免费网站

（本文部分譯自Focus-Tunable Lenses Enable 3-D Microscopy（DAVID LEUENBERGER, OPTOTUNE AG, AND FABIAN F. VOIGT, UNIVERSITY OF ZURICH））

 

1.介紹

顯微鏡初學者可能會(hui) 感到困惑，當他們(men) 注意到樣本中隻有輕微失焦的部分在圖像中看起來卻模糊得多。人眼看到的景深似乎比相機看到的景深要大得多。這種令人困惑的效果之所以發生，是因為(wei) 眼睛能夠調節焦距：在使用顯微鏡觀察時，用戶會(hui) 不斷地——通常是無意識地——通過調整眼球晶狀體(ti) 的焦距來改變聚焦平麵，而不需要觸摸調焦旋鈕。因此，自顯微鏡發明以來，可調焦距的鏡頭能夠幫助研究人員對微觀物體(ti) 的三維形狀和紋理有了更直觀的感知。

 

在現代顯微鏡中實現類似裝置，用於(yu) 電子圖像采集是非常理想的。如今，科學家們(men) 越來越需要在越來越短的時間尺度上，以高空間分辨率成像活體(ti) 生物的結構和功能。現代生物顯微鏡也在逐漸從(cong) 成像夾在載玻片和蓋玻片之間的小樣本，轉向3D細胞培養(yang) 、整個(ge) 胚胎，甚至在動物體(ti) 內(nei) 成像，以便在更自然的環境下研究發育和生理學。

 

傳(chuan) 統獲取三維成像數據需要通過使用載物台或壓電驅動的物鏡Z軸掃描器來機械地移動物鏡或樣本。由於(yu) 這些設備中移動部件的機械慣性，實現數百um Z範圍內(nei) 的體(ti) 積掃描速率超過10至20 Hz是非常具有挑戰性的。

 

一種稱為(wei) “遠程聚焦”的替代解決(jue) 方案涉及改變光線進入或離開顯微鏡物鏡時的會(hui) 聚度，以分別誘導激發或發射焦點的軸向移動。各種可調光學元件可以用於(yu) 此目的：例如，空間光調製器、可變形鏡和變焦透鏡。由於(yu) 其低成本、簡單的構造和控製以及廣泛的調焦範圍，可調焦距透鏡特別適合於(yu) 要求快速體(ti) 積采樣且分辨率適中的顯微鏡国产成人在线观看免费网站。

 

在這篇国产成人在线观看免费网站文章中，我們(men) 專(zhuan) 門討論了沿光軸聚焦的液態變焦透鏡的使用。根據液態變焦透鏡的實現方式和光學性能要求，可以實現 30-700 um的軸向聚焦範圍。關(guan) 於(yu) 在顯微鏡中使用液態變焦透鏡的大多數討論的技術細節，也適用於(yu) 其他国产成人在线观看免费网站。液態變焦透鏡具有大光圈、快速響應和驅動時間以及良好的光學質量，為(wei) 顯微鏡下的多種国产成人在线观看免费网站提供了廣闊的前景。在本国产成人在线观看免费网站文章中，我們(men) 討論了在三種不同的顯微鏡方法中實現快速軸向聚焦的液態變焦透鏡的国产成人在线观看免费网站：(1) 傳(chuan) 統的寬場熒光顯微鏡，(2) 熒光共聚焦顯微鏡，以及 (3) 雙光子顯微鏡。

 

 

2.液態變焦透鏡技術

Optotune的液態變焦透鏡基於(yu) 彈性聚合物材料。透鏡的核心部分由一個(ge) 薄膜組成，它在充滿液體(ti) 的腔室和空氣之間形成一個(ge) 界麵（圖1）。為(wei) 了調節焦距，一個(ge) 音圈執行器對圍繞透鏡清晰孔徑的液體(ti) 儲(chu) 層施加壓力。液體(ti) 因此被壓入透鏡中心，改變薄膜的曲率。控製液態變焦透鏡非常簡單，隻需要一個(ge) 現成的電流控製器或透鏡驅動器，為(wei) 透鏡提供0到290 mA的電流即可。

圖1  (a, b)：Optotune液態變焦透鏡的工作原理。電流控製的電磁或機械執行器向下推動充滿液體(ti) 的鏡頭容器，迫使鏡頭液體(ti) 進入鏡頭中心並改變其形狀 (c) 對於(yu) ETL，Optotune提供了一個(ge) 軟件控製的鏡頭驅動器（d）它提供電流 (e) Optotune的ETL的典型響應時間約為(wei) 5 ms量級。實際的穩定時間會(hui) 隨著鏡頭孔徑的變化而變化。感謝Optotune提供的信息。

有一係列液態變焦透鏡可供選擇，其孔徑範圍從(cong) 6 mm到16 mm不等。具有高色散和低色散鏡頭液體(ti) 的版本，其典型的焦距範圍分別為(wei) 52到120 mm，或80到200 mm。在操作過程中，控製電流可能會(hui) 加熱鏡頭，導致溫度依賴的焦點漂移。由於(yu) 液體(ti) 鏡頭的熱焦距膨脹大約是玻璃鏡頭的100倍，因此鏡頭需要集成溫度傳(chuan) 感器。結合靠近液體(ti) 的溫度傳(chuan) 感器以及鏡頭上存儲(chu) 的校準曲線，USB驅動固件可以計算出正確的電流值，以設定並保持鏡頭在給定的焦距功率。

 

液態變焦透鏡的一個(ge) 巨大優(you) 勢是其響應時間非常短，隻需幾ms。圖1e顯示了作為(wei) 時間函數的歸一化折射功率對矩形階躍脈衝(chong) 的典型響應示例。液態變焦透鏡在240至2500 nm範圍內(nei) 提供大的透射率，並具有高損傷(shang) 閾值（在1064 nm連續波操作下為(wei) 10 KW/cm2），並且它們(men) 保持光的偏振態。

 

3. 在顯微鏡中集成液態變焦透鏡

液態變焦透鏡可用於(yu) 顯微鏡的不同国产成人在线观看免费网站。這些包括專(zhuan) 門的可調照明係統以及電控變焦光學係統等。

在標準顯微鏡中，軸向聚焦通常是通過移動樣品在 z 軸上或顯微鏡物鏡上移動樣品來實現的。精確聚焦的常見替代解決(jue) 方案是使用壓電驅動的物鏡支架。然而，這些聚焦技術是基於(yu) 相對於(yu) 樣品的機械軸向移動。如果使用光學聚焦方案，可以實現無移動甚至更快的聚焦。實現光學聚焦的一個(ge) 便捷方案是在顯微鏡的光路中加入液態變焦透鏡。

現代顯微鏡使用無限遠校正物鏡，這意味著從(cong) 樣本發出的光線以平行光束的形式從(cong) 物鏡中射出。為(wei) 了創建圖像，需要一個(ge) 額外的管鏡頭（圖2）。相反，通過將準直激光束送入物鏡，激光被聚焦到樣本內(nei) 部的焦點。通過可調焦鏡頭改變光束的準直狀態可以移動焦平麵。例如，當將發散光束送入物鏡時，焦點會(hui) 從(cong) 其前透鏡移開。

圖2  （a）在無限遠校正光學係統的顯微鏡中，圖像由物鏡和管鏡頭形成。(b) 通過在物鏡和管鏡頭之間插入由兩(liang) 個(ge) 消色差透鏡組成的額外中繼係統，形成了一個(ge) 共軛瞳孔。在這個(ge) 位置放置液態變焦透鏡ETL和補償(chang) 透鏡可以實現軸向聚焦，而不會(hui) 改變數值孔徑或放大倍數。將液態變焦透鏡ETL和補償(chang) 透鏡水平放置可以避免由於(yu) 重力引起的透鏡膜變形。感謝Fabian F. Voigt提供的信息。

對於(yu) 大多數三維顯微鏡国产成人在线观看免费网站，需要能夠增加和減少物鏡的工作距離。一些液態變焦透鏡（ETL）僅(jin) 限於(yu) 在正焦距限製之間進行調節。在這種情況下，需要將它們(men) 與(yu) 固定的負偏移透鏡（OL）配對，以將光束從(cong) 收斂變為(wei) 發散。

 

當通過顯微鏡的目鏡觀察時，人類觀察者會(hui) 移動他們(men) 的頭部，直到他們(men) 的眼睛位於(yu) 顯微鏡的出瞳位置，出瞳通常可見為(wei) 似乎懸浮在目鏡上方的小亮點。當眼睛位於(yu) 出瞳位置時，它們(men) 對微觀圖像有非常好的概覽，並且作為(wei) “集成”的人類聚焦設備表現非常佳。理想情況下，ETL/OL組合也應該放置在這樣的瞳孔位置，但使用標準目鏡的出瞳通常並不有益：典型的管鏡頭和目鏡組合的高中間放大倍率嚴(yan) 重限製了可用的聚焦範圍。這是因為(wei) 調節範圍與(yu) 顯微鏡放大倍率的平方成反比。

 

一個(ge) 更好的選擇是使用定製的中繼係統（圖2）創建一個(ge) 與(yu) 顯微鏡物鏡共軛的瞳孔位置。需要小心地將ETL/OL組件放置在光路的垂直部分（圖2b）。否則，由於(yu) 透鏡膜因重力引起的變形，圖像可能會(hui) 表現出不需要的像差（特別是彗差）。在具有非常模塊化設計的新一代研究顯微鏡中，集成這樣的中繼係統通常很簡便。

国产成人在线观看免费网站示例：寬場顯微鏡

對於(yu) 視覺使用來說，在聚焦時視場（FOV）或放大倍數的變化可能會(hui) 造成混淆（因為(wei) 它的視覺外觀對應於(yu) 變焦效果）。對於(yu) 小的聚焦增量（幾um），這是可以容忍的，否則，這種效果會(hui) 變得令人煩惱。在這種情況下，將 ETL/OL 組合放置在共軛瞳孔位置是必要的。在大多數顯微鏡中，必須插入一個(ge) 包含中繼光學元件和 ETL/OL 組合的定製模塊到光路中。在典型的立式顯微鏡中，停止位置位於(yu) 物鏡內(nei) 部，無法訪問，因此需要一個(ge) 中繼係統。然而，在倒置顯微鏡中，共軛瞳孔通常由顯微鏡體(ti) 內(nei) 的光學元件形成，在某些類型的顯微鏡中，這個(ge) 瞳孔是可以訪問的，並且位於(yu) 光路的垂直部分，這使得它非常適合插入基於(yu) 液態變焦透鏡的聚焦係統。圖 3 所示即為(wei) 這樣的顯微鏡，即 1980 年代的蔡司 Axiovert 35。

圖3  Axiovert 35顯微鏡的光路。ETL/OL組件可以放置在瞳孔，而無需插入額外的中繼係統。TL:管鏡頭

圖4  帶有移除側(ce) 蓋以訪問瞳孔的 Axiovert 35 顯微鏡。圖3中突出顯示了一些光學組件

圖5  在共軛瞳孔位置插入ETL/OL組件。液態變焦透鏡ETL和OL安裝在連接到光軌上的柱子上。插圖:通過尋找相位環的清晰圖像可以找到共軛瞳孔的位置。

結論

結合使用 40x NA 0.6 物鏡（Zeiss LD Achroplan 40x / 0.6 Korr Ph2），可以實現高達 120 um的離焦範圍（校正環被設置在固定位置）。圖 6 顯示了使用液態變焦透鏡聚焦拍攝的一組花粉粒（上皮熒光模式）的 z-stack 樣例圖像。

圖6 通過一組花粉粒進行基於(yu) 液態變焦透鏡的聚焦。圖像範圍從(cong) 名義(yi) 成像平麵的 -30 um到 +25 um 。由於(yu) 液態變焦透鏡位於(yu) 共軛瞳孔的位置，因此沒有放大倍數的變化。比例尺：100 um

国产成人在线观看免费网站實例:共聚焦顯微鏡

共聚焦顯微鏡是重要的顯微鏡技術之一，在細胞生物學、單分子物理學等領域有著廣泛的国产成人在线观看免费网站。

 

標準的共聚焦顯微鏡是高度集成的係統，無法在大部分光學路徑中訪問或插入光學元件。根據具體(ti) 的顯微鏡型號，插入ETL/OL組件有多種解決(jue) 方案。一種可能性是在顯微鏡台的濾光輪中安裝一個(ge) 定製的濾光立方體(ti) ，如果濾光立方體(ti) 對共聚焦成像不是必需的，可以將ETL/OL組件安裝在這個(ge) 濾光立方體(ti) 中。或者，液態變焦透鏡可以安裝在一個(ge) 中繼係統中（圖7）

 

我們(men) 使用的顯微鏡（圖8）是帶有共聚焦單元（Yokogawa CSU X1）和ccd相機的轉盤共聚焦顯微鏡，這些設備安裝在奧林巴斯IX-71的側(ce) 麵端口上。這種顯微鏡配置允許插入一個(ge) 包含液態變焦透鏡ETL和OL的改裝原始濾光立方體(ti) 到濾光輪中，而無需對顯微鏡進行大量修改。在操作過程中，隻需將濾光輪旋轉到一個(ge) 空位置，就可以簡單地將液態變焦透鏡ETL從(cong) 光學路徑中移除。

圖7  在典型的倒置激光掃描顯微鏡中實現基於(yu) 液態變焦透鏡的聚焦有三種不同的選項。

（1） ETL/OL可以像壓電驅動的聚焦裝置一樣，放置在顯微鏡物鏡和物鏡轉盤之間。

（2） 如果可能的話，液態變焦透鏡ETL和OL可以安裝在一個(ge) 定製的濾光立方體(ti) 中。這兩(liang) 個(ge) 選項都有一個(ge) 共同的缺點，那就是在聚焦過程中可能會(hui) 有顯著的放大倍數變化。

（3） 為(wei) 了避免這種情況，可以在共聚焦掃描單元和顯微鏡台之間插入一個(ge) 中繼係統。為(wei) 了獲得非常佳的係統性能，液態變焦透鏡ETL應該位於(yu) 光學路徑的垂直部分——否則，由於(yu) 重力引起的不對稱變形可能會(hui) 導致可調膜的圖像質量下降。

圖8  在共聚焦顯微鏡中實現液態變焦透鏡ETL和OL的實施。(a) 旋轉圓盤單元安裝在顯微鏡架的左側(ce) 端口。藍色CCD相機用於(yu) 成像。控製液態變焦透鏡ETL的電流轉換器由函數發生器控製。ETL/OL組件安裝在定製的濾光片轉盤(b)中，並插入濾光片轉盤(c)。濾光片轉盤重新插入到顯微鏡架的目標轉盤正下方的位置。

結論

結合使用40倍NA 1.3物鏡（奧林巴斯UPLFLN 40XO），可以實現60 um的Z軸範圍。 圖9顯示了一個(ge) 花粉粒（100 um直徑）的Z軸堆疊的單個(ge) 切片。

圖 9 花粉粒的Z軸堆疊（100 um直徑），覆蓋範圍為(wei) 60um。相對於(yu) 第1張圖像的Z軸位置已標示。比例尺：50um

圖 10   圖6所示數據的Max強度投影。

国产成人在线观看免费网站實例:雙光子顯微鏡

由於(yu) 在散射介質中具有優(you) 異的成像能力，雙光子激發是一種非常適合於(yu) 組織深層熒光成像的技術。結合神經活動的功能性指標和活體(ti) 成像協議，雙光子顯微鏡是一種標準方法，用於(yu) 記錄活體(ti) 小鼠大腦深處數十至數百個(ge) 神經元群體(ti) 的活動。神經元分布在一個(ge) 體(ti) 積中，采樣單一焦平麵隻能提供局部網絡中發生的整體(ti) 活動的線索。因此，需要快速且簡單的3D顯微鏡技術——使用液態變焦透鏡提供了一種非常簡單直接的方法。實際上，液態變焦透鏡和雙光子顯微鏡是理想的組合，原因如下：

（1） 在大多數雙光子顯微鏡中，可以通過僅(jin) 在激發路徑中實現光學聚焦方案來實現軸向掃描。這是因為(wei) 雙光子顯微鏡中使用的非線性激發過程，隻能在焦點處激發熒光團。通過改變激發光束來軸向和橫向移動焦點，對於(yu) 3D雙光子激光掃描顯微鏡來說是足夠的。

（2） 激發激光器在近紅外波長下工作，在我們(men) 的顯微鏡中為(wei) 850 nm。長波長允許容忍波前畸變，這些畸變在可見光波長下會(hui) 嚴(yan) 重降低圖像質量。

（3） 激發激光的小光譜帶寬（10 nm FWHM）限製了非色散ETL/OL組合可能引入的色差影響。

（4） 對於(yu) 大多數測量功能性細胞活動的生物學国产成人在线观看免费网站來說，安裝在物鏡附近的ETL/OL組件引入的視場大小變化不會(hui) 幹擾測量。為(wei) 了記錄功能數據，激光必須在一段時間內(nei) 反複指向同一組細胞。如果由於(yu) 放大倍數的變化導致細胞間隔變遠，可以選擇相應的點進行掃描。

裝置

與(yu) 定製雙光子顯微鏡結合使用的裝置如圖11所示。

圖 11  在雙光子顯微鏡中實現ETL/OL組件的安裝。液態變焦透鏡ETL和OL安裝在與(yu) 顯微鏡檢測係統相連的定製物鏡支架上。使用可移動的二色分光片DC，發射的熒光可直接被導向背景中的檢測係統。RMS螺紋位於(yu) 支架底部，允許奧林巴斯LUMPlanFl/IR 40x NA 0.8水浸物鏡連接。(b) 液態變焦透鏡ETL和OL安裝在定製架內(nei) 的剖麵圖。(c)熒光素溶液中雙光子激發焦點的直接可視化。焦點（綠色長形斑點）可以在與(yu) 40x物鏡結合使用時在高達700 um的範圍內(nei) 移動。

結論

通過將液態變焦透鏡的焦距調節在50至200 mm之間，實現了高達700 um的軸向聚焦。物鏡的工作距離(標稱為(wei) 3.3 mm) 相應變化為(wei) 2.8 ~ 3.41 mm。對於(yu) 大多數成像国产成人在线观看免费网站來說，一個(ge) 更小的範圍就足夠了。

圖 12 軸向焦點偏移（40x物鏡，-100 mm偏移透鏡）對施加於(yu) 液態變焦透鏡的控製電流的依賴性。這組校準值被用作查找表，以聚焦到期望的位置。

圖13 在不同軸向焦點位移下，無ETL (左圖)和有ETL的重新聚焦的花粉顆粒圖像，用顯微鏡的電動z級進行測量。請注意放大倍數/視場（FOV）大小的變化。比例尺：5 um

上海昊量光電作為(wei) 液態變焦透鏡的中國代理，為(wei) 您提供專(zhuan) 業(ye) 的選型以及技術服務。對於(yu) 液態變焦透鏡有興(xing) 趣或者任何問題，都歡迎通過電話、電子郵件或者微信與(yu) 我們(men) 聯係。

 

如果您對液態變焦透鏡有興(xing) 趣，請訪問上海昊量光電的官方網頁：

https://www.weilancj.com/three-level-124.html

歡迎繼續關(guan) 注上海昊量光電的各大媒體(ti) 平台，我們(men) 將不定期推出各種国产欧美在线介紹與(yu) 技術新聞。

更多詳情請聯係昊量光電/歡迎直接聯係昊量光電

關(guan) 於(yu) 昊量光電：

上海昊量光電設備有限国产黄色在线观看是光電国产欧美在线專(zhuan) 業(ye) 代理商，国产欧美在线包括各類激光器、光電調製器、光學測量設備、光學元件等，涉及国产成人在线观看免费网站涵蓋了材料加工、光通訊、生物醫療、科學研究、國防、量子光學、生物顯微、物聯傳(chuan) 感、激光製造等；可為(wei) 客戶提供完整的設備安裝，培訓，硬件開發，軟件開發，係統集成等服務。

您可以通過我們(men) 昊量光電的官方網站www.weilancj.com了解更多的国产欧美在线信息，或直接來電谘詢4006-888-532。

使用Optotune液態變焦透鏡的出版文獻

1.· B. F. Grewe, F. F. Voigt, M. van’t Hoff, and F. Helmchen, “Fast two-layer two-photon imaging of neuronal cell populations using an electrically tunable lens,” in Biomedical Optics Express 2, 7, 2035- 2046 (2011).

(http://www.opticsinfobase.org/boe/abstract.cfm?uri=boe-2-7-2035)

2.· B. Kemper, R. Schubert, S. Dartmann, A. Vollmer, S. Ketelhut, and G. von Bally, “Improved quantitative phase contrast in self-interference digital holographic microscopy and sensing dynamic refractive index changes of the cytoplasm using internalized microspheres as probes,” in SPIE Three Dimensional and Multidimensional Microscopy: Image acquisition and Processing XX, Proceedings Vol. 8589 (2013).

http://proceedings.spiedigitallibrary.org/proceeding.aspx?articleid=1656293

3.· F. O. Fahrbach, F. F. Voigt, B. Schmid, F. Helmchen, and J. Huisken, “Rapid 3D light-sheet microscopy with a tunable lens,” in Optics Express 21, 18, 21010-21026 (2013).

(http://www.opticsinfobase.org/oe/abstract.cfm?uri=oe-21-18-21010)

4.· J. L. Chen, O. A. PfäFFLi, F. F. Voigt, D. J. Margolis, and F. Helmchen, “Online correction of licking-induced brain motion during two-photon imaging with a tunable lens,” in Journal of Physiology 00.00, 1-10 (2013).

(http://jp.physoc.org/content/early/2013/08/29/jphysiol.2013.259804.abstract?sid=52004717-fd2e- 4c39-8c6a-24cc2df0645a)

5.· J. M. Jabbour, B. H. Malik, C. Olsovsky, R. Cuenca, S. Cheng, J. A. Jo, Y.-S. L. Cheng, J. M. Wright, and K. C. Maitland, “Optical axial scanning in confocal microscopy using an electrically tunable lens”, Biomedical Optics Express 5, 2, 645-652 (2014). http://dx.doi.org/10.1364/BOE.5.000645