激光成像中快速深度扫描的方法和设备与流程

背景技术：

1、荧光显微镜是用于在生物学和医学研究中的一种主要方法。已经开发了多种方法来将这种方法应用于大量的样本和配置。荧光显微镜的一个主要缺点是光学散射。生物组织强烈地散射光，这限制了可以获取的显微镜图像的深度。因此，传统的光学显微镜通常需要样本的薄片才能正确成像。解决这个问题的最早发明是共焦显微镜(美国专利号3,013,467)，它通过使用一种光学配置来解决散射问题，在所述光学配置中，只有来自感兴趣平面的聚焦光通过针孔并在检测器处被收集，而离焦的荧光被阻挡。自发明以来，共焦显微镜得到了广泛的应用。更新的替代方法是从组织内部成像的非线性显微镜(w.denk等人，“two-photon laser scanning fluorescence microscopy,”science,vol.248,no.4951,pp.73-76,apr.1990)，其中短脉冲、较长波长的激光仅在焦点体积的最强区域内生成荧光信号。这两种方法都可以通过逐点扫描的方式，从组织内部生成平面图像。因此，收集完整图像所需的时间高度依赖于设备中几个组件的速度。

2、在典型的点扫描显微镜中，使用振镜控制的反射镜进行横向扫描(图1a中的x-y平面)。共振振镜的扫描速度可以超过10khz，使其成为快速扫描的首选方式。轴向扫描(图1a和图1b中的z轴)通常需要其自身的方法，并且传统上一直是三维扫描的瓶颈。最简单的轴向扫描方式是机械平移显微镜物镜，通常使用压电载物台进行平移。由于显微镜物镜相对较大的惯性，这种扫描速度相当慢。已经开发了多种光学方法来提高深度扫描的速度。例如，电动可调焦透镜可以在物镜之前引起激光束的会聚和/或发散，从而扩散/收缩z方向上的焦点位置(b.f.grewe等人，“fast two-layer two-photon imaging of neuronal cellpopulations using an electrically tunable lens,”biomed.opt.express,vol.2,no.7,pp.2035-2046,jul.2011)。电动可调焦透镜的响应时间为数毫秒，相应的扫描速率(完整图像)约为20-30hz。另一种不仅允许访问不同深度，还允许在三维可访问体积中访问任何点的方法，是使用声光透镜(p.a.kirkby等人，“a compact acousto-optic lens for2d and 3d femtosecond based 2-photon microscopy,”opt.express,vol.18,no.13,pp.13720-13744,jun.2010)。这种随机访问序列的速度可以达到几十khz。这种方法的主要缺点是成本高和实验复杂。也可以在成像物镜之前使用互补显微镜物镜来生成远程聚焦机制；将聚焦光束回射到自身上，并快速扫描反射镜以控制成像物镜的焦平面(n.j.sofroniew等人，“alarge field of view two-photon mesoscope withsubcellular resolution for in vivo imaging,”elife,vol.5,p.el4472,jun.2016)。

3、由于需要访问大量的点，采用点扫描方法进行的三维成像本质上是速度受限的。此外，虽然振镜可以以千赫频率扫描，但惯性深度扫描方法(例如可调焦透镜和振镜)要慢得多。快速成像在神经科学等应用中至关重要，在这些应用中，细胞通信在毫秒或更短的时间尺度内进行。

4、最近的一种提高速度的扫描方法是“体积成像”(g.theriault等人，“extendeddepth of field microscopy for rapid volumetric two-photon imaging,”opt.express,vol.21,no.8,pp.10095-10104,apr.2013；j.l.fan等人，“high-speedvolumetric two-photon fluorescence imaging of neurovascular dynamics”，nat.commun.,vol.11,no.1,art.no.1,nov.2020；r.lu等人，“video-rate volumetricfunctional imaging of the brain at synaptic resolution,”nat.neurosci.,vol.20,no.4,art.no.4,apr.2017)，在这些方法中，激光束被成形为沿着光轴的线状焦点而不是点(图1b)。这些特殊光束被称为无衍射光束或贝塞尔光束(bessel beams)(j.durnin等人，“diffraction-free beams,”phys rev lett,vol.58,no.15,pp.1499-1501,1987；j.durnin,“exact solutions for nondiffracting beams.i.the scalar theory,”j optsocama,vol.4,no.4,pp.651-654,1987)。

5、贝塞尔光束在比传统的聚焦高斯光束大得多的距离(典型的10-100倍)上保持强度。使用贝塞尔光束进行体积成像大大减少了采集时间，因为整个样品深度同时被照亮。然而，这种图像采集速度的提高是以牺牲轴向分辨率为代价的。在给定横向点(x，y)处沿线状焦点的所有特征在z方向上被整合到单一数据点中，因此深度信息丢失。因此，体积成像的现有技术方法局限于低密度样本的成像，以至于平均而言，沿着给定的线大致只有一个细胞。为了解决这个关键问题，本文公开了一种允许在体积成像中恢复轴向信息的方法和设备。

技术实现思路

1、本文公开了一种用于激光成像或光刺激中的快速深度扫描的设备。所述方法包括：

2、激光源，所述激光源被构造和配置为生成输入激光束；

3、掩模装置，所述掩模装置被构造和配置为对输入激光束上的期望图案进行掩蔽，以生成掩蔽的激光束；

4、光束整形元件，所述光束整形元件用于将掩蔽的激光束转换成具有受控位置和线状聚焦长度的光束；以及

5、扫描显微镜，所述扫描显微镜被构造和配置为将光束整形元件生成的光束转移到显微镜物镜的焦平面。

6、所述设备进一步包括激光束功率控制器和激光束尺寸控制器，所述激光束功率控制器和激光束尺寸控制器能够操作地连接到激光源。

7、所述设备进一步包括散光控制器，所述散光控制器被构造、配置和定位为用于校正输入激光束的光束椭圆度。

8、所述设备进一步包括衍射元件，所述衍射元件被构造和配置为校正角色散，所述衍射元件放置在掩模装置之前或之后。

9、在某些实施例中，掩模装置生成具有多个同步环的掩模，使得每个环在样本平面中生成不同的聚焦区域，从而允许从多个平面进行同时成像。

10、在某些实施例中，掩模装置在两个环形状之间切换，使得每个环在样本平面中生成不同的聚焦区域，从而允许在两个平面之间进行交错成像。

11、优选地，掩模装置是数字微镜装置(“dmd”)。dmd使用闪耀光栅以最大化dmd的衍射效率。

12、所述光束整形元件生成的光束是贝塞尔光束。在某些实施例中，所述光束整形元件是锥透镜、空间光调制器或衍射锥透镜。

13、所述设备进一步包括光学中继系统，所述光学中继系统被构造和配置为将掩蔽的激光束的图像投影到光束整形元件的入射槽面上。

14、所述设备的扫描显微镜进一步包括：

15、转移透镜，所述转移透镜用于将光束整形元件生成的光束中继到成像区域；

16、共振振镜扫描器；

17、光学中继系统，所述光学中继系统用于将共振振镜平面中继到振镜对；以及

18、点扫描系统，所述点扫描系统包括振镜对、扫描透镜、管透镜和物镜。

19、所述设备进一步包括检测系统，所述检测系统包括至少一个光电倍增管。

20、所述设备进一步包括集控单元，所述集控单元被构造和配置为：控制激光源的功率，将期望图案投影到掩模装置上，控制振镜扫描器，从至少一个检测器收集荧光信号，从样本中的至少一个点收集荧光信号，以及将收集的数据显示为二维图像或三维图像。

21、本文进一步公开了一种用于激光成像或光刺激中的快速深度扫描的方法。所述方法包括：

22、(a)生成输入激光束；

23、(b)掩蔽输入激光束上的期望图案，以生成掩蔽的激光束；

24、(c)将掩蔽的激光束转换成具有受控位置和线状聚焦长度的光束；

25、(d)将步骤(c)的光束转移到显微镜物镜的焦平面上；并且

26、(e)从用步骤(d)的光束照射的样本中收集荧光信号。

27、所述方法进一步包括在步骤(a)之后调整输入激光束的激光功率和/或激光束尺寸。

28、所述方法进一步包括在步骤(b)之前或之后校正光束椭圆度。

29、所述方法进一步包括在步骤(b)之前或之后校正角色散。

30、所述方法进一步包括投影在步骤(b)中生成的掩蔽的激光束的图像，以在步骤(c)中转换掩蔽的激光束。

31、步骤(c)生成的光束是贝塞尔光束。

32、从下面结合附图对本发明的优选实施例的详细描述中，本发明的目的和优点将变得更加清楚。