如何挑选合适的自聚焦透镜（Grin Lens）?

如何挑选合适的自聚焦透镜（Grin Lens）?

我们在进行动物脑部神经环路相关实验研究时必不可免的会使用到自聚焦透镜（Grin Lens），那么如何挑选适合你实验的透镜便是实验成功的关键之一。本期文章带大家来了解什么是自聚焦透镜以及如何挑选自聚焦透镜。

1. 什么是自聚焦透镜

自聚焦透镜（Grin Lens）又称为梯度变折射率透镜，是指其折射率分布是沿径向渐变的柱状光学透镜。具有聚焦和成像功能。

自聚焦透镜和普通聚焦透镜有何不同呢？

光线在空气中传播遇到不同介质时，由于介质的折射率不同会改变其传播方向。传统的透镜是通过控制透镜表面的曲率，利用产生的光程差使光线汇聚成一点(图1）。自聚焦透镜与普通透镜的区别在于，自聚焦透镜利用了梯度变折射率分布沿径向逐渐减小的变化特征，能够使沿轴向传输的光产生连续折射，从而实现出射光线平滑且连续的汇聚到一点。(图2）

由于自聚焦透镜具有端面聚焦、准直及成像特性，以及其圆柱状的外形特点，因而可以应用在多种不同的微型光学系统中。在我们的自由活动动物的脑部神经元成像实验中我们通常会选择轻便且成像分辨率高的微型显微镜，根据实验脑区的需求搭载合适长度的自聚焦透镜。与市场上的其他自聚焦透镜相比，Inscopix提供的GRIN Lens在镜体上进行了特殊的光学优化，赋予了更好的成像效果和生物相容性，GRIN Lens的选择对成像实验的成功至关重要。

目前国内也有较多院校已配备美国Inscopix的几款超微型钙成像显微镜，成像分辨率高且体积小巧，并且厂家在中国地区配备了专业团队会根据你的实验需求给你搭配合适的自聚焦透镜，提供你实验的一站式技术支持服务。

2. Grin lens的种类介绍

 ● Naked Lens

● Cuff Lens

优势：可以用夹持器夹持精确定位，并在植入Lens的时候可以连接miniscope进行成像观察。

● Integrated Lens

优势：一体化设计方式，最大化Lens的成像工作距离。在优化病毒后，仅需要一次手术，就可以进行成像的观察，简化了成像焦平面调节的程序，提高手术成功率。

● Prism lens

优势：通过前端的Prism棱镜改变了光的传播方向，实现了对竖直面的细胞的成像观察。

● Coated Lens

优势：一体化设计方式，Lens的前端表面带有优化好的病毒涂层，植入Lens后，可在目标区域进行特异性的细胞标记，提高GCaMP细胞的总表达和成像效果。仅需要一次手术，就完成了病毒表达到成像观察的所有流程，提高手术成功率。

● 双光子专用Lens

优势：专为双光子及多光子成像设计，充分考虑了长波长光的传递效率和成像的轴上像差，提高了双光子及多光子的深部脑区的成像质量，以高分辨率解析在体动物的深部脑区的亚细胞结构。

3. 如何选择合适的自聚焦透镜（GRIN Lens）

A.目前开展自由活动动物的脑部神经元成像实验时经常使用的的两种 GRIN Lens为：Stright GRIN Lens（图3）和 Prism GRIN Lens（图4）。

图3 Stright GRIN Lens           图4 Prism GRIN Lens

Stright GRIN Lens

如果您想在透镜下方成像，请使用平头的自聚焦透镜（Stright GRIN Lens）。

Prism GRIN Lens

如果要垂直于插入的透镜进行成像，请使用棱镜自聚焦透镜（Prism GRIN Lens）。

选择您的透镜长度

1) 确定感兴趣区域 （ROI） 的 DV 立体定向坐标。

2) 计算从颅骨顶部到 ROI 的距离（为棱镜透镜添加 0.5 毫米，使 ROI 位于棱镜透镜成像表面的中间）。

3) 添加 ~1.3 mm 以考虑 ProView cuff占用的透镜量。

①　~1.26 mm 透镜被cuff占用，适用于所有 ProView 集成透镜（包括 DC 集成透镜和 M 集成透镜）

②　~1.30 mm 透镜由cuff占用，用于非集成 ProView 透镜

4) 添加 1 毫米，使有足够的透镜长度用于粘合剂固定在头骨上。

5) 由第2）到4)步计算出合适的透镜长度，在规格表中选择大于或等于这个长度的透镜。

注意：

l 要确定任何给定 GRIN 透镜的可用视场 （FOV），一般经验法则是透镜半径的 50% 到 80% 将产生有用的视场。

l 透镜位置太远可能会导致微型望远镜坐在动物的头上失去平衡，这可能会让动物感到不舒服并影响其自然行为。

B.如何根据实验来定制自聚焦透镜

案例 1:在透镜焦距已经固定的情况下，确定最佳输入光束直径

出于系统机械设计的考虑因素，往往会对透镜的焦距造成限制。例如，根据限制，聚焦透镜与工件之间的距离会有一个最小限度。在这种情况下，最实际的做法是，选择焦距符合系统机械部分限制条件的透镜，然后根据该透镜改变输入光束的直径，以尽可能地减小焦点尺寸。

为了确定采用多大的输入光束直径才能将光斑尺寸减到最小，我们根据计算光斑大小的方程式，先对光束直径求导数，然后将导数设为0，求出光斑的最小值。这将得到下列方程:

回到我们的上一个例子，如果使用硒化锌制作凹凸透镜，则其焦距限值为5.00"，即 127mm，我们可以计算出，最佳输入光束直径为26mm。将这个值代入计算光斑大小的方程式，得出光大小为86um，这和我们在"确定光斑大小"部分中看到的数字相同。如果我们对焦距为 5.00”的硒化硫平凸透镜进行计算，可以得出最佳输入光束直径为24mm，它提供的焦点直径为96um。

如果系统中现有的激光光東直径与计算出的输入光束直径相去其远，请扩大或缩小激光光束直径，使它等于这一尺寸。要扩大或缩小光束的直径，您可以使用扩束镜或聚光器，也可以用多个透镜自制扩束镜或聚光镜。

案例2:

在输入光束直径已经固定的情况下，确定最佳透镜焦距

如果不可能或不愿改变系统的光束直径大小，您最好知道使用何种焦距才能使光斑尺寸减到最小。

为了确定采用多大的焦距才能将光斑尺寸减到最小，我们根据计算光斑大小的方程式，求出关于焦距的导数，然后将导数设为0，求出光斑的最小值。这将得到下列方程:

在求出最佳焦距后，您可以在我们产品目录中找出焦距与最佳值最相近的透镜。

正如在先前的讨论中看到的那样，当焦距或输入光束直径存在限制情况下，能够得到的焦点大小有一个限值。如果计算出的最小光斑大于当前应用中所需的尺寸，那么您别无选择，只能寄希望于改变某些光学系统参数了。

注意

对于大功率 CO2激光器，般不建议使用的透镜的直径大于光束直径(1/e)的 1.5倍以上。如果大于此倍数，发生热形变的可能性会相应增加。之所以会如此，是因为透镜中火被光求照射而受热的区域与边缘较冷的区域的距离增人，导致整个光学元件的热梯度过人。

4. 自聚焦透镜使用过程中的注意事项

储存：透镜在打开原包装较长时间不使用时，应储存在一个干燥的环境里。可以使用加干燥剂并抽真空的方式或放入干燥箱中保存，以防止透镜材料受潮。未镀膜产品在未打开包装时应在24℃±2℃，RH＜40%湿度条件下保存，保存期限为90天。打开包装后，应及时镀膜。临时存放时间应不超过3天。

取放：因为自聚焦透镜在运输途中，有可能会脱离包装槽而附着在盒盖上。所以在打开透镜的包装盒时，应当特别小心地打开盒盖，避免再打开盒盖时丢失透镜。取放透镜时需用镊子夹取，并且应当夹住透镜的侧面从各自的槽体内取出。

（注意：不要用手触摸透镜端面，避免污染透镜）

清洁：当透镜表面存在污迹时，会影响正常使用，这时需对透镜表面进行清洁。建议使用纯度为95%以上的乙醇或乙醇与乙醚的混合溶液作为清洁剂。以确保透镜表面不留残渣。

5. lens的植入与固定

A.将夹持器固定到立体定位仪的操作臂上，并将Lens安装到夹持器上

B.磁吸上miniscope，调节立体定位仪的操作臂，控制Lens植入到目标区域

C.然后通过生物硅胶、Metabond骨胶对Lens进行密封和固定。

注：Metabond是一款自固化胶粘剂树脂胶水，设计用于提供超高的粘结强度。它用来将Lens粘合固定在颅骨上。

以上便是本期科普的全部内容啦，希望好学的你们能有所收获~

如果还有疑问也可以私聊小编哦。