挑選合適的自聚焦透鏡（Grin Lens）介紹及注意事項(xiàng)

我們?cè)谶M(jìn)行動(dòng)物腦部神經(jīng)環(huán)路相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究時(shí)必不可免的會(huì)使用到自聚焦透鏡（Grin Lens），那么如何挑選適合你實(shí)驗(yàn)的透鏡便是實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵之一。本期文章帶大家來(lái)了解什么是自聚焦透鏡以及如何挑選自聚焦透鏡。
 

• 什么是自聚焦透鏡

自聚焦透鏡（Grin Lens）又稱為梯度變折射率透鏡，是指其折射率分布是沿徑向漸變的柱狀光學(xué)透鏡。具有聚焦和成像功能。
 
自聚焦透鏡和普通聚焦透鏡有何不同呢？
光線在空氣中傳播遇到不同介質(zhì)時(shí)，由于介質(zhì)的折射率不同會(huì)改變其傳播方向。傳統(tǒng)的透鏡是通過(guò)控制透鏡表面的曲率，利用產(chǎn)生的光程差使光線匯聚成一點(diǎn)(圖1）。自聚焦透鏡與普通透鏡的區(qū)別在于，自聚焦透鏡利用了梯度變折射率分布沿徑向逐漸減小的變化特征，能夠使沿軸向傳輸?shù)墓猱a(chǎn)生連續(xù)折射，從而實(shí)現(xiàn)出射光線平滑且連續(xù)的匯聚到一點(diǎn)。(圖2）
由于自聚焦透鏡具有端面聚焦、準(zhǔn)直及成像特性，以及其圓柱狀的外形特點(diǎn)，因而可以應(yīng)用在多種不同的微型光學(xué)系統(tǒng)中。在我們的自由活動(dòng)動(dòng)物的腦部神經(jīng)元成像實(shí)驗(yàn)中我們通常會(huì)選擇輕便且成像分辨率高的微型顯微鏡，根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)X區(qū)的需求搭載合適長(zhǎng)度的自聚焦透鏡。與市場(chǎng)上的其他自聚焦透鏡相比，Inscopix提供的GRIN Lens在鏡體上進(jìn)行了特殊的光學(xué)優(yōu)化，賦予了更好的成像效果和生物相容性，GRIN Lens的選擇對(duì)成像實(shí)驗(yàn)的成功至關(guān)重要。

目前國(guó)內(nèi)也有較多院校已配備美國(guó)Inscopix的幾款超微型鈣成像顯微鏡，成像分辨率高且體積小巧，并且廠家在中國(guó)地區(qū)配備了專業(yè)團(tuán)隊(duì)會(huì)根據(jù)你的實(shí)驗(yàn)需求給你搭配合適的自聚焦透鏡，提供你實(shí)驗(yàn)的一站式技術(shù)支持服務(wù)。
 

• Grin lens的種類介紹

 ● Naked Lens
● Cuff Lens 優(yōu)勢(shì)：可以用夾持器夾持精確定位，并在植入Lens的時(shí)候可以連接miniscope進(jìn)行成像觀察。
 
● Integrated Lens 優(yōu)勢(shì)：一體化設(shè)計(jì)方式，最大化Lens的成像工作距離。在優(yōu)化病毒后，僅需要一次手術(shù)，就可以進(jìn)行成像的觀察，簡(jiǎn)化了成像焦平面調(diào)節(jié)的程序，提高手術(shù)成功率。
 
● Prism lens 優(yōu)勢(shì)：通過(guò)前端的Prism棱鏡改變了光的傳播方向，實(shí)現(xiàn)了對(duì)豎直面的細(xì)胞的成像觀察。
 
● Coated Lens 優(yōu)勢(shì)：一體化設(shè)計(jì)方式，Lens的前端表面帶有優(yōu)化好的病毒涂層，植入Lens后，可在目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行特異性的細(xì)胞標(biāo)記，提高GCaMP細(xì)胞的總表達(dá)和成像效果。僅需要一次手術(shù)，就完成了病毒表達(dá)到成像觀察的所有流程，提高手術(shù)成功率。
 
● 雙光子專用Lens 優(yōu)勢(shì)：專為雙光子及多光子成像設(shè)計(jì)，充分考慮了長(zhǎng)波長(zhǎng)光的傳遞效率和成像的軸上像差，提高了雙光子及多光子的深部腦區(qū)的成像質(zhì)量，以高分辨率解析在體動(dòng)物的深部腦區(qū)的亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)。
 

• 如何選擇合適的自聚焦透鏡（GRIN Lens）

A.目前開展自由活動(dòng)動(dòng)物的腦部神經(jīng)元成像實(shí)驗(yàn)時(shí)經(jīng)常使用的的兩種 GRIN Lens為：Stright GRIN Lens（圖3）和 Prism GRIN Lens（圖4）。  
Stright GRIN Lens
如果您想在透鏡下方成像，請(qǐng)使用平頭的自聚焦透鏡（Stright GRIN Lens）。
Prism GRIN Lens
如果要垂直于插入的透鏡進(jìn)行成像，請(qǐng)使用棱鏡自聚焦透鏡（Prism GRIN Lens）。
選擇您的透鏡長(zhǎng)度

• 確定感興趣區(qū)域 （ROI） 的 DV 立體定向坐標(biāo)。
• 計(jì)算從顱骨頂部到 ROI 的距離（為棱鏡透鏡添加 0.5 毫米，使 ROI 位于棱鏡透鏡成像表面的中間）。
• 添加 ~1.3 mm 以考慮 ProView cuff占用的透鏡量。

①　~1.26 mm 透鏡被cuff占用，適用于所有 ProView 集成透鏡（包括 DC 集成透鏡和 M 集成透鏡）
②　~1.30 mm 透鏡由cuff占用，用于非集成 ProView 透鏡

• 添加 1 毫米，使有足夠的透鏡長(zhǎng)度用于粘合劑固定在頭骨上。
• 由第2）到4)步計(jì)算出合適的透鏡長(zhǎng)度，在規(guī)格表中選擇大于或等于這個(gè)長(zhǎng)度的透鏡。

 
注意：

• 要確定任何給定 GRIN 透鏡的可用視場(chǎng) （FOV），一般經(jīng)驗(yàn)法則是透鏡半徑的 50% 到 80% 將產(chǎn)生有用的視場(chǎng)。
• 透鏡位置太遠(yuǎn)可能會(huì)導(dǎo)致微型望遠(yuǎn)鏡坐在動(dòng)物的頭上失去平衡，這可能會(huì)讓動(dòng)物感到不舒服并影響其自然行為。

 
B.如何根據(jù)實(shí)驗(yàn)來(lái)定制自聚焦透鏡
案例 1:在透鏡焦距已經(jīng)固定的情況下，確定最佳輸入光束直徑
出于系統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)的考慮因素，往往會(huì)對(duì)透鏡的焦距造成限制。例如，根據(jù)限制，聚焦透鏡與工件之間的距離會(huì)有一個(gè)最小限度。在這種情況下，最實(shí)際的做法是，選擇焦距符合系統(tǒng)機(jī)械部分限制條件的透鏡，然后根據(jù)該透鏡改變輸入光束的直徑，以盡可能地減小焦點(diǎn)尺寸。
為了確定采用多大的輸入光束直徑才能將光斑尺寸減到最小，我們根據(jù)計(jì)算光斑大小的方程式，先對(duì)光束直徑求導(dǎo)數(shù)，然后將導(dǎo)數(shù)設(shè)為0，求出光斑的最小值。這將得到下列方程:
回到我們的上一個(gè)例子，如果使用硒化鋅制作凹凸透鏡，則其焦距限值為5.00"，即 127mm，我們可以計(jì)算出，最佳輸入光束直徑為26mm。將這個(gè)值代入計(jì)算光斑大小的方程式，得出光大小為86um，這和我們?cè)?quot;確定光斑大小"部分中看到的數(shù)字相同。如果我們對(duì)焦距為 5.00”的硒化硫平凸透鏡進(jìn)行計(jì)算，可以得出最佳輸入光束直徑為24mm，它提供的焦點(diǎn)直徑為96um。
 
如果系統(tǒng)中現(xiàn)有的激光光東直徑與計(jì)算出的輸入光束直徑相去其遠(yuǎn)，請(qǐng)擴(kuò)大或縮小激光光束直徑，使它等于這一尺寸。要擴(kuò)大或縮小光束的直徑，您可以使用擴(kuò)束鏡或聚光器，也可以用多個(gè)透鏡自制擴(kuò)束鏡或聚光鏡。
 
案例2:
在輸入光束直徑已經(jīng)固定的情況下，確定最佳透鏡焦距
 
如果不可能或不愿改變系統(tǒng)的光束直徑大小，您最好知道使用何種焦距才能使光斑尺寸減到最小。
 
為了確定采用多大的焦距才能將光斑尺寸減到最小，我們根據(jù)計(jì)算光斑大小的方程式，求出關(guān)于焦距的導(dǎo)數(shù)，然后將導(dǎo)數(shù)設(shè)為0，求出光斑的最小值。這將得到下列方程:
在求出最佳焦距后，您可以在我們產(chǎn)品目錄中找出焦距與最佳值最相近的透鏡。
 
正如在先前的討論中看到的那樣，當(dāng)焦距或輸入光束直徑存在限制情況下，能夠得到的焦點(diǎn)大小有一個(gè)限值。如果計(jì)算出的最小光斑大于當(dāng)前應(yīng)用中所需的尺寸，那么您別無(wú)選擇，只能寄希望于改變某些光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)了。
 
注意
對(duì)于大功率 CO2激光器，般不建議使用的透鏡的直徑大于光束直徑(1/e)的 1.5倍以上。如果大于此倍數(shù)，發(fā)生熱形變的可能性會(huì)相應(yīng)增加。之所以會(huì)如此，是因?yàn)橥哥R中火被光求照射而受熱的區(qū)域與邊緣較冷的區(qū)域的距離增人，導(dǎo)致整個(gè)光學(xué)元件的熱梯度過(guò)人。
 

• 自聚焦透鏡使用過(guò)程中的注意事項(xiàng)

儲(chǔ)存：透鏡在打開原包裝較長(zhǎng)時(shí)間不使用時(shí)，應(yīng)儲(chǔ)存在一個(gè)干燥的環(huán)境里�？梢允褂眉痈稍飫┎⒊檎婵盏姆绞交蚍湃敫稍锵渲斜４�，以防止透鏡材料受潮。未鍍膜產(chǎn)品在未打開包裝時(shí)應(yīng)在24℃±2℃，RH＜40%濕度條件下保存，保存期限為90天。打開包裝后，應(yīng)及時(shí)鍍膜。臨時(shí)存放時(shí)間應(yīng)不超過(guò)3天。
 
取放：因?yàn)樽跃劢雇哥R在運(yùn)輸途中，有可能會(huì)脫離包裝槽而附著在盒蓋上。所以在打開透鏡的包裝盒時(shí)，應(yīng)當(dāng)特別小心地打開盒蓋，避免再打開盒蓋時(shí)丟失透鏡。取放透鏡時(shí)需用鑷子夾取，并且應(yīng)當(dāng)夾住透鏡的側(cè)面從各自的槽體內(nèi)取出。
（注意：不要用手觸摸透鏡端面，避免污染透鏡）
 
清潔：當(dāng)透鏡表面存在污跡時(shí)，會(huì)影響正常使用，這時(shí)需對(duì)透鏡表面進(jìn)行清潔。建議使用純度為95%以上的乙醇或乙醇與乙醚的混合溶液作為清潔劑。以確保透鏡表面不留殘?jiān)��?br />  

• lens的植入與固定

A.將夾持器固定到立體定位儀的操作臂上，并將Lens安裝到夾持器上
B.磁吸上miniscope，調(diào)節(jié)立體定位儀的操作臂，控制Lens植入到目標(biāo)區(qū)域
 
C.然后通過(guò)生物硅膠、Metabond骨膠對(duì)Lens進(jìn)行密封和固定。  
注：Metabond是一款自固化膠粘劑樹脂膠水，設(shè)計(jì)用于提供超高的粘結(jié)強(qiáng)度。它用來(lái)將Lens粘合固定在顱骨上。  
以上便是本期科普的全部?jī)?nèi)容啦，希望好學(xué)的你們能有所收獲~
如果還有疑問(wèn)也可以私聊小編哦。