諸如可變形反射鏡，液晶空間光調製器（SLM）和柔性聚焦透鏡之類的波前成形裝置在顯微成像領域被廣泛的用於(yu) 像差校正，體(ti) 積成
像和可編程神經元激發。 其中液晶空間光調製器(SLM)是高分辨率的相位調製器，能夠創建複雜的相位圖，以在三維（3D）體(ti) 積內(nei) 可
實現任意的光束偏轉，可實現三維（3D）體(ti) 積重塑。
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摘要
諸如可變形反射鏡，液晶空間光調製器（SLM）和柔性聚焦透鏡之類的波前成形裝置在顯微成像領域被廣泛的用於(yu) 像差校正，體(ti) 積成像和可編程神經元激發。 其中液晶空間光調製器(SLM)是高分辨率的相位調製器，能夠創建複雜的相位圖，以在三維（3D）體(ti) 積內(nei) 可實現任意的光束偏轉，可實現三維（3D）體(ti) 積重塑。
Meadowlark Optics（MLO）国产黄色在线观看最新的SLM將麵填充率從(cong) 83.4％提高到96％，並將分辨率從(cong) 512 x 512像素提高到1920 x 1152像素，同時在1064 nm處達到300 Hz的液晶響應時間（0-2π）和845Hz的幀頻，可覆蓋波段：850-1650nm。
本文總結了Meadowlark Optics国产黄色在线观看新的SLM的功能，以及SLM在雙光子及三光子顯微微鏡成像国产成人在线观看免费网站中的優(you) 勢。
關(guan) 鍵詞: 高響應速度，高分辨率，高效率，空間光調製器，LCOS, SLM ,液晶空間光調製器，雙光子顯微鏡，三光子顯微鏡
介紹：
在3D體(ti) 積中監控和操縱神經元回路的發射模式的需求推動了用於(yu) 神經科學的高級雙光子顯微鏡的發展。掃描雙光子顯微鏡使用諧振(resonant stages)，或使用聲光偏轉器光柵掃描建立一個(ge) 圖像。這種方式可實現50 kHz的掃描速率。然而，用這種方法難以實現同時多點刺激，因為(wei) 激光需要停留在每個(ge) 位置收集足夠的光子以產(chan) 生可用的圖像或調節活動。試圖通過增加峰值激發強度來避免這種情況是基本上受到限製的，因為(wei) 高功率激光會(hui) 引起神經元的光損傷(shang) 和熒光團的光漂白。此外，傳(chuan) 統顯微鏡僅(jin) 限於(yu) 對二維表麵進行成像，而神經回路具有三維結構。深度掃描可用於(yu) 構建3D圖像，但速度非常慢，因為(wei) 它通常通過以大約20 Hz的速率掃描物鏡來實現。這不足以監測在一毫秒的時間尺度上發生的神經活動。對於(yu) 光遺傳(chuan) 學研究，需要能夠在3D空間中動態和任意形成多個(ge) 焦點的顯微鏡以監視和操縱發射模式，並且顯微鏡必須能夠進行3D成像以捕獲神經元電路的響應。
在掃描雙光子/三光子顯微鏡的激發路徑中添加液晶空間光調製器（SLM），可以將激發源分成幾百個(ge) 獨立的焦點，並以高達300 Hz的頻率重新配置焦點的3D位置。因此，使用SLM可以傳(chuan) 遞光線，同時可激發多個(ge) 3D位點的神經元，然後將目標細胞定位在一個(ge) 體(ti) 積內(nei) 以監測神經回路對刺激的反應。這使得在大量細胞群中監測和操縱神經元活動的過程可同步進行。 Yuste首次證明了SLM在光遺傳(chuan) 學中的国产成人在线观看免费网站潛力，它開發了一種基於(yu) SLM的原型顯微鏡，可以同時激發腦切片中的多個(ge) 神經元。在那項工作中，Yuste同時在幾十個(ge) 神經元中成像並檢測動作電位，幀頻為(wei) 66 Hz。這對於(yu) 神經科學界來說是一個(ge) 重大進步，但是當時Yuste可用的SLM限製了這項工作。
這項工作推動了先進的SLMs的發展，以提高分辨率以最大化可研究的大腦的體(ti) 積，改善功率處理以增加一次可照亮的神經元的數量，並且提高液晶的響應時間，使得激勵時間可以匹配神經電路動態過程。Meadowlark Optics（MLO）国产黄色在线观看最新的HSP1920型SLM分辨率從(cong) 512 x 512像素提高到1920 x 1152像素，同時在1064 nm處達到300 Hz的液晶響應時間（0-2π）和845Hz的幀頻。
橫向/軸向激發
為(wei) 了使SLM激發一定體(ti) 積內(nei) 的神經元，使用SLM作為(wei) 成像的振幅調製器是不夠的。相反，必須將SLM用作相位調製器，並且將所需激勵模式的傅立葉變換的全息圖寫(xie) 入SLM。使用過渡鏡，使SLM成像到物鏡的後焦平麵。為(wei) 了利用物鏡的全數值孔徑（NA），同時不犧牲激發的限製，物鏡處的SLM的圖像應該填充後孔。目標SLM圖像中像素間距的大小（稱為(wei) 有效像素間距）取決(jue) 於(yu) 中繼光學係統（如下圖）。
激發的橫向視場由可寫(xie) 入SLM的最小相位光柵控製。根據光柵方程sin（θ）= m *λ/ d，可以計算出光線可以偏轉的最大角度。這取決(jue) 於(yu) 設定的階數m，波長λ和光柵d的周期，其最小值為(wei) 有效像素間距的2倍。通過物鏡的焦距將測向角度轉換為(wei) 樣品的橫向位移。下圖為(wei) 用1920x1152液晶空間光調製器在1064nm實現了0度，0.2度，0.4度，0.8度，1.6度的光束偏轉。
通過將SLM的分辨率從(cong) 512 x 512提高到1920 x 1152像素，消除了激勵約束與(yu) 視場之間的限製。對於(yu) 光遺傳(chuan) 學來說，希望維持x和y中激發的點擴散函數（PSF），因此將SLM的正方形感興(xing) 趣區域成像到物鏡的後焦平麵，有效地將SLM分辨率降低到1152×1152像素。 SLM的像素間距為(wei) 9.2微米，使得SLM的短軸為(wei) 10.6毫米。為(wei) 了使SLM圖像的尺寸與(yu) 物鏡的後孔徑相匹配，中繼光學器件必須將SLM的圖像放大，從(cong) 而將有效像素間距減小到8μm。在0，π衍射圖中，最大光柵周期為(wei) 2個(ge) 像素，入射波長為(wei) 940 nm，SLM可以轉向的最大角度為(wei) 3.36°。取物鏡焦距為(wei) 7.2 mm，最大橫向位移為(wei) 零點附近±423μm，或x和y的總橫向位移為(wei) 847μm。這超出了目標可以成像的視野，同時保持目標的全部NA，因此不會(hui) 犧牲激勵約束。此外，通過傅裏葉變換，現在可以在樣本上創建1152 x 1152個(ge) 焦點，這隻能將目標可解析的焦點利用不到1.16倍。
表1總結了1920 x 1152像素SLM和512 x 512像素SLM的客觀規格，光學係統，側(ce) 向光束傳(chuan) 輸規格，其中SLM的圖像與(yu) SLM的圖像與(yu) 目標後光圈的尺寸以及客觀利用率相匹配。 可以使用概述的方程針對不同的SLM模型複製分析。
表1. SLM分辨率與(yu) 客觀規格，中繼光學係統的選擇以及波長相結合，決(jue) 定了SLM可以使光線轉向的橫向視場的規格。 該表比較了當將SLM的圖像與(yu) 物鏡的後孔徑相匹配時的512×512像素SLM，當將SLM的圖像填充到物鏡上以犧牲激勵約束以匹配轉向指向的視場時 目標，1920 x 1152 1152 x 1152像素圖像中繼到目標。 高分辨率SLM將SLM的射束導向能力與(yu) 目標視野相匹配，而不會(hui) 犧牲激勵約束。
表2總結了光學係統，1920 x 1152像素SLM和512 x 512像素SLM的光學係統，軸向光束轉向規格，其中SLM的圖像與(yu) 物鏡後孔徑的尺寸相匹配。
表2. SLM分辨率加上客觀規格，中繼光學元件的選擇和波長決(jue) 定了焦距從(cong) 客觀設計焦距的最大軸向位移的規格。 該表比較了當將SLM的圖像與(yu) 物鏡的後孔相匹配時的512×512像素SLM，當SLM在物鏡上的圖像填充不足時，以及1920×1152，其中1152×1152像素圖像是 轉達到目標。
損傷(shang) 閾值
隨著激勵視野的增加，可以研究更多的神經元和更大的神經回路。為(wei) 了照亮視野中的多個(ge) 物體(ti) ，SLM將入射照明分為(wei) 多個(ge) 焦點。隨著焦點數量的增加，每個(ge) 焦點的功率下降。為(wei) 了增加激發目標的數量，同時保持每個(ge) 目標足夠的功率以激發熒光，SLM的功率處理變得至關(guan) 重要。多個(ge) 因素影響功率處理。增加SLM的尺寸允許照明分布在更大的區域，塗層可以被優(you) 化以限製吸收，並且主動和被動冷卻係統可以用於(yu) 緩解熱效應。
對於(yu) 光遺傳(chuan) 學，許多研究人員正在使用飛秒脈衝(chong) 激光器。 Coherent Monaco是一款1035 nm脈衝(chong) 激光器，可編程脈衝(chong) 寬度範圍從(cong) 300飛秒（FWHM，sech2 fit）到10皮秒。它具有40 uJ的最大脈衝(chong) 能量，並且在1 MHz的脈衝(chong) 重複頻率下，激光器可輸出40 W的平均功率。通過將入射光功率從(cong) 101 MW / cm2增加到729 MW / cm2對1920 x 1152 SLM（型號：HSP1920-1064-HSP8）的損傷(shang) 閾值進行測試，同時在向SLM寫(xie) 入一係列衍射圖時測量背板溫度和一階衍射效率。當使用被動冷卻係統時，由於(yu) 隨著入射功率增加，背板溫度增加22°C，觀察到調製深度的變化。然而，在最大入射功率下，調製深度仍然大於(yu) 一個(ge) 波，允許基於(yu) 溫度表征光學響應的能力，並且使用片上傳(chuan) 感器作為(wei) 閉環係統來保持與(yu) 入射功率無關(guan) 的一階衍射效率。或者，可以將有源冷卻塊添加到SLM，以維持低於(yu) 40°C的工作溫度，從(cong) 而保持一致的調製深度而與(yu) 入射功率無關(guan) 。
激光參數：1MHz重複頻率，280 fs脈衝(chong) 寬度，6.7mm光束尺寸（1 / e2）。 最大輸出功率36uJ，平均功率36W，平均功率密度= 204W / cm2，峰值功率= 128MW，峰值功率密度= 729MW / cm2。 （左）由於(yu) 被動冷卻係統的熱效應，入射功率增加時調製深度減小（右）增加主動冷卻係統允許在峰值功率密度高達729MW / cm2的情況下保持一致的調製深度。
響應時間
液晶響應時間取決(jue) 於(yu) 多個(ge) 因素，包括液晶層的厚度，其被優(you) 化後在最長工作波長處提供一個(ge) 相位行程波，驅動器的電壓和液晶材料特性。 對於(yu) 光遺傳(chuan) 學，大多數研究人員將SLM與(yu) 雙光子、三光子顯微鏡結合，並且工作在900 nm至1300 nm的波長範圍內(nei) 。 MLO是唯一提供高速SLM的供應商，HSP1920-1064型液晶空間光調製器在1064 nm，能夠達到300 Hz的液晶響應速度(從(cong) 0 - 2pi轉換)和845Hz的幀頻（灰度圖片同電腦傳(chuan) 輸到SLM速度）。
在1064 nm處，液晶從(cong) 10%到90%範圍內(nei) 上升和下降時間小於(yu) 3 ms。將焦點通過觸發打開和觸發關(guan) 閉進行檢測。 （左）由軟件定時驅動的液晶開關(guan) 。 焦點被打開和關(guan) 閉探測器（顯示為(wei) 黃色）。 當SLM上的圖像發生變化時，硬件會(hui) 產(chan) 生一個(ge) 輸出脈衝(chong) （以紫色顯示），表示新圖像將在1.18 ms內(nei) 開始在SLM上加載。 （右）由外部硬件觸發驅動的液晶開關(guan) 。 當外部觸發器的下降沿到達（以藍色顯示）時，硬件將啟動SLM上的圖像更新。 產(chan) 生輸出脈衝(chong) 以確認接收到觸發（以紫色顯示）。 在產(chan) 生輸出脈衝(chong) 後的1.18麵試內(nei) ，圖像將在SLM上更新（以黃色顯示，焦點移入和移出檢測器）。
相位穩定性
為(wei) 了確保激勵源在許多神經元之間分配時的一致激勵，SLM的時間特性變得重要。 MLO SLM使用兩(liang) 種策略來最大化相位穩定性。第一種策略是使用直接模擬尋址，而不是模擬使用二進製尋址與(yu) 時序抖動相結合的模擬調製。第二種策略是使用能夠以844Hz的速率刷新的定製背板。高速背板刷新對於(yu) 減輕像素電容的電壓損失是必要的。如果背板刷新較慢，則像素處的電壓下降使液晶分子鬆弛，從(cong) 而改變LC的折射率。如果背板電壓的刷新速度明顯快於(yu) LC弛豫時間，那麽(me) SLM將具有較高的相位穩定性。
通過向SLM寫(xie) 入重複相位斜坡並測量一階強度來量化相穩定性。 LC分子鬆弛的不穩定性會(hui) 導致一階焦點的強度隨時間而變化。相穩定性被定義(yi) 為(wei) 峰到一階焦點強度的峰值與(yu) 平均焦點強度的比值。對於(yu) 具有ODP的512 x 512像素SLM，相位紋波為(wei) 3％ - 5％，對於(yu) 高速1920 x 1152像素SLM，相位紋波為(wei) 2％ - 4％（圖6）。對於(yu) 需要更高相位穩定性和高分辨率的研究，標準的1920 x 1152像素SLM可提供低至0.20％的相位紋波。
波前質量（波前畸變）
單光子激發相比，雙光子激發具有更好的限製，因為(wei) 由兩(liang) 個(ge) 光子同時激發的可能性與(yu) 光強度的平方成正比。因此，雙光子激發以焦點距離的四次冪衰減[8]。然而，這種低激發的可能性使得操作模式對改變焦點的PSF的像差敏感。為(wei) 了確保在大體(ti) 積上的一致激發，校正顯微鏡中SLM和其餘(yu) 光學元件的像差是很重要的。
許多用於(yu) 表征和校正像差的算法都基於(yu) Zernike多項式。然而，對圓形孔徑的依賴不適用於(yu) 描述正方形或矩形陣列的像差。已經開發了基於(yu) SLM的幹涉子孔徑的替代策略[9]，以確保SLM的有效區域上的像差可以被校正到λ/ 40或更好。如圖7所示，由於(yu) 使用了製造工藝，MLO SLM的本地波前像差很低。殘留誤差被去除以確保神經元激發的衍射受限焦點。
（a）原始的1920 x 1152像素SLM波前（λ/ 7 RMS）（b）国产成人在线观看免费网站了像差校正的波前（λ/ 20 RMS）
（c）未国产成人在线观看免费网站校正的像差曲麵圖。 （c）国产成人在线观看免费网站校正後的像差曲麵圖。
神經元激發效率
光遺傳(chuan) 學的目標是了解神經回路的功能，以及發射模式和行為(wei) 之間的關(guan) 係。為(wei) 了獲得成功，科學家需要能夠監測和操縱盡可能多的神經元，並以與(yu) 自然發生的電路動力學相匹配的速率複製發射模式。有許多因素決(jue) 定每秒可處理多少神經元，其中一些取決(jue) 於(yu) 實驗，另一些取決(jue) 於(yu) 光學係統的極限。例如，當針對皮質深處的神經元時，由於(yu) 散射造成的損失是顯著的。由於(yu) 存在激光功率會(hui) 導致熱損傷(shang) 的閾值，因此不能簡單地增加入射功率以適應散射損失。在這種情況下，皮層所需層的有限功率將決(jue) 定可被激發的神經元的數量。然而，假設一位研究人員試圖將神經元定位在皮層的相同位置，SLM的規格也將決(jue) 定每秒可以定位的神經元的數量。HSP1920-1064空間光調製器較原來的ODP512SLM在神經元激活的速度方麵提高了將近一倍。
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