纯相位空间光调制器在PSF工程中的应用
一、文献综述
201历经四年诺贝尔化学工业奖公布，英国及欧洲德国二位专业家Eric Betzig、Stefan W. Hell和William E. Moerner受奖者。受奖者请假理由是“最新发明出超甄别率荧光显微镜”，从此之后老百姓对点吸附函数公式 (PSF) 建设工程的相识也有了确实不错上升。
Moerner 展现了 PSF 公程与 Meadowlark Optics SLM 的用到案例库，用到荧光发射成功器的超辨认率激光散斑和 3D 手机定位。 PSF公程已被证明文件文件使高倍显微镜也可以用到不同激光散斑格局对样品展开激光散斑，一起以非机械装备方案在格局之中发展。这能够对拥有弱映射率的构成展开激光散斑，甚至对相位构成展开降钙素原检测量测。 已证明文件文件的激光散斑方案包涵：转鼓相位激光散斑、暗场激光散斑、相位比较激光散斑、微分约束比较激光散斑和拓张景深激光散斑。
美国的Meadowlark Optics 品牌潜心于模以寻址纯相位三维服务器光调配器的设 计、设计规划和开发，有405年的歷史，该品牌三维服务器光调配器產品多选用到自认知磁学，散射或絮状物物料中的三维显像，双激光/三激光显微三维显像，光基因遗传规律学，全息技术光镊(HOT)，脉宽整形美容医院，磁学备份，量子折算，光通信网，湍流模以等层面。其好成绩辨率、高自动刷新率、高粘贴要素的优缺点适用性于PSF过程中选用中。
图1. Meadowlark 2020年还推出 1024 x 1024 1K重置率SLM
二、空间光调制器在PSF工程中的技术介绍
在单团伙精确确定高倍体视显微镜（SMLM）中，根据从书籍视场中稀松数据分布的火箭发射点来预估单独某个团伙的具体地址，所以缓解了分辩率的衍射局限性。可构建的分辩率因为精确确定精准度和荧光标贴密度单位的局限性，在实操中概率是更多的纳米级的需求量级。有研究开发团队以及将那样技術发展到三维图精确确定。根据在激光镭雕机的激光切割光路里加入一两个柱体形透镜或操作双品面或多焦聚成相，能够 计算出团伙的载荷具体地址。亮斑的能拉长（散光）或亮斑宽度的性别差异（双品面成相）对载荷具体地址做好项目编码。将位置光幅度调制器（SLM）与4F中继模式融合到成相激光镭雕机的激光切割光路中，能够 构思更大量的点蔓延变量（PSF），为优化系统高倍体视显微镜的精确确定耐磨性展示 了概率。
采取位置光幅度调制解调器（SLM）对荧光显微镜来校对，能够组建同一个远不超过衍射级限的波前确定误差，SIEMONS管理团队就采取Meadowlark位置光幅度调制解调器进行了高计算导致的精密度的波前操作。机制证明信和实验室界面显示，在1微米换算的支承位置内，在x、y和λ的计算导致的精密度不超过10微米技术，在z的计算导致的精密度不超过20微米技术。对这篇学术论文感动手能力来说能够找话题公司核实学术论文全文《High precision wavefront control in point spread function engineering for single emitter localization 》
下文当我们来中应了解下是怎样利用的，甚至利用的效果怎样。
图2. A）SLM校准分支和通过光路的偏振传输示意图。额外的线性偏振滤波器没有被画出来，因为它们与偏振分光器对齐。B）相机上的强度响应作为λ/2-板不同方向α的SLM的相位延迟的函数。C) 光学装置的示意图。一个带有SLM的中继系统被添加到显微镜的发射路径中（红色），一个单独的SLM校准路径（绿色）被纳入发射中继系统中。这允许在实验之间进行SLM校准。BE：扩束器，DM：分色镜，L：镜头，LPF：线性偏振滤镜，M：镜子。OL：物镜，PBS：偏振分光镜，TL：管镜。
激光切割机的光路如圖2所显示，包涵1台尼康Ti-E光学体视显微镜，包含TIRF APO物镜（NA = 1.49，M = 100），个200mm的管状长焦，个包含SLM的中继平台被实现在光学体视显微镜的个进口表层。中继平台包涵3个消差色透镜，个向列型lcd显示器空间区域光解调器（LCOS）SLM（Meadowlark，XY品类，512x512相素，相素强弱=15nm，的设计光谱=532nm）和个偏振分光器，广泛用于过滤器未被SLM解调的X偏振光。di个消差色透镜在SLM上微信转发点光。
第二个中继镜头确保在EMCCD上对荧光物体进行奈奎斯特采样。显微镜配备了一套波长为405nm、488nm、561nm和642nm的合束激光器。
这位选配增添新一家使用在效正SLM的第二步个激光切割机的环路。这位空降光配制器效正激光切割机的环路是为检查的入射进SLM上的X和Y偏振光内的廷迟差而设计的概念的，为了能够检查的一家SLM相素的配制，必须要将SLM地址转换进效正线路的手机上。这样地址转换是经由在SLM上加入的一家直流电压降增添的棋盘图案设计来刷快的。平均的抓取的数字画像和未加入的直流电压降时的数字画像内的差异化被重复使用屋檐下检查算法为基础（出自于Matlab - Mathworks的findcheckerboard）的搜索，以找屋檐下点。对一些点做好仿生技术放大，并使用在找各自于4个SLM相素的CMOS相素。
图3. SLM校(xiao)对(dui)小(xiao)程序。A) 单独同(tong)(tong)(tong)某个(ge)(ge)SLM清(qing)晰度的(de)(de)测试(shi)承(cheng)载(zai)力(li)回复用(yong)作(zuo)适用(yong)电(dian)流(liu)值(zhi)的(de)(de)涵(han)数(shu)。每个(ge)(ge)人个(ge)(ge)极值(zhi)都对(dui)照于(yu)(yu)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)等π的(de)(de)整数(shu)倍(bei)的(de)(de)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)位(wei)(wei)改(gai)变，并曲线拟合同(tong)(tong)(tong)某个(ge)(ge)二阶单项式以(yi)延长探寻(xun)极值(zhi)的(de)(de)导致(zhi)精度。承(cheng)载(zai)力(li)被(bei)分配(pei)成4个(ge)(ge)位(wei)(wei)置，同(tong)(tong)(tong)旁内角被(bei)图片缩放为[0 1]。这(zhei)位(wei)(wei)归一化的(de)(de)承(cheng)载(zai)力(li)（B）被(bei)改(gai)变为相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)位(wei)(wei)（C），并换向以(yi)创造该某个(ge)(ge)电(dian)流(liu)值(zhi)段和(he)清(qing)晰度的(de)(de)LUT（D）。E）20个(ge)(ge)随意食(shi)用(yong)的(de)(de)SLM清(qing)晰度的(de)(de)归一化承(cheng)载(zai)力(li)回复，提(ti)(ti)示 清(qing)晰度间的(de)(de)改(gai)变。F) 测试(shi)的(de)(de)波前均方根(gen)出现(xian)偏差(cha)的(de)(de)原因是校(xiao)对(dui)后尽(jin)快食(shi)用(yong)校(xiao)对(dui)LUT的(de)(de)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)位(wei)(wei)的(de)(de)涵(han)数(shu)，44小(xiao)时后，并且 创造商提(ti)(ti)供了的(de)(de)LUT。G) 在不同(tong)(tong)(tong)于(yu)(yu)的(de)(de)平衡稳定相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)位(wei)(wei)下(xia)，使用(yong)激(ji)光散斑激(ji)光镭(lei)雕(diao)机的(de)(de)光路的(de)(de)SLM位(wei)(wei)置的(de)(de)LUTs。暗点说(shuo)无3个(ge)(ge)蕞大(da)值(zhi)的(de)(de)清(qing)晰度。H) 测试(shi)的(de)(de)最低值(zhi)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)位(wei)(wei)和(he)既定相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)位(wei)(wei)直接的(de)(de)性(xing)别差(cha)异(yi)用(yong)作(zuo)既定相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)位(wei)(wei)的(de)(de)涵(han)数(shu)。
图3释意了SLM图片手机分辨率的复位执行程序。第另一个，以256步量测充当采用输出功率方程的抗拉抗压强度卡死，引起连下串的比较小值和蕞大值，植物的根分别于π或2π的滞后。在被看得见的SLM三视图内的因此图片手机分辨率或许有这以下三个蕞大值，这也就是说着总的相位调制解调为4π或1094奈米。这么多极值发现的输出功率是用对极值附近小区的这以下三个点来采取曲线拟合抛物线来找到了的，这上升了要求，并有效充分的用了SLM的16位抑制。接着，抗拉抗压强度被划分为四段，用公试（11）的逆值对这么多段来采取图片缩放并换算为相位。相位卡死被来用作为没个SLM图片手机分辨率营造另一个用单独的检查表（LUT），以来补偿SLM的非不均性。LUT性能参数在SLM上光滑变，并与人眼不难发现的法布里-珀罗竖条具体分别，呈现相位卡死的不同之处是鉴于液晶显示器层体积尺寸的变产生的。额外的的图片手机分辨率与图片手机分辨率相互间的变应该根据下层社会硅电开关电路原理的图片手机分辨率与图片手机分辨率相互间的变。完整性的复位要有要花费420小时（在四核3.3GHz i7处置器上的320小时扫码和220小时算耗时），但基本准则上能否提升到开机运行更好。
实验结果：
图(tu)4 在(zai)(zai)(zai)(zai)线在(zai)(zai)(zai)(zai)线测量(liang)(liang)的(de)PSF与矢量(liang)(liang)图(tu)PSF仿真模型曲线拟合相互间的(de)PSF有点(dian)。G-I）平均值(zhi)在(zai)(zai)(zai)(zai)线在(zai)(zai)(zai)(zai)线测量(liang)(liang)的(de)PSF是由一(yi)般在(zai)(zai)(zai)(zai)106个光(guang)波随带(dai)的(de)讯号可(ke)以通过上取(qu)样（3×）和盖住任何兑换的(de)白点(dian)编(bian)制(zhi)程(cheng)序而成。身(shen)材(cai)比例尺表述1μm。
图4显示PSF模型的预测结果。通过这种方式，实验的PSF是由∼108个光子的累积信号建立起来的。实验和理论上的矢量PSF之间的一致性通常是非常好的，甚至在蕞大的离焦值的边缘结构也是非常匹配的。剩下的差异，主要是光斑的轻微变宽，是由于入射到相机上的光的非零光谱宽度，由于发射光谱的宽度和四带分色器的带通区域的宽度。边缘结构中也有一个小的不对称性，这可能是由光学系统中残留的高阶球差造成的。
大多数建设过程中PSF的1个相互之间特色是，与简易的二维聚交黑斑相较，植物的根的细化性有必要在PSF三维图像模板中能够集中体现，该三维图像模板被食用预测三维图像定位（也许 还是发色彩或大分子方问）的参数指标曲线拟合曲线算法流程图。细化的PSF三维图像模板，如高斯三维图像模板、应代替标量衍射的Airy三维图像模板、Gibson-Lanni三维图像模板，或应代替Hermite函数值的行之有效三维图像模板都不能够满足了此的标准。1个解决处理策划方案是食用调查对比PSF，或用造型曲线拟合曲线这样一来的PSF算作三维图像模板PSF，还是食用1个或二个找到表（LUTs）来预测Z-定位。矢量素材PSF三维图像模板也不错食用细化的3D和3D+λ建设过程中PSF。矢量PSF模型是高NA荧光成像系统中图像形成的物理正确模型。复杂的工程PSF的另一个共同特点是对扰乱设计的PSF形状的像差的敏感性，并以这种方式对精度和准确性产生负面影响。为了实现jing确到Cramér-Rao下限（CRLB），即无偏估计器的蕞佳精度，光学系统的像差水平应该被控制在衍射极限（0.072λ均方根波前像差），这个条件在实践中往往无法满足。因此，需要使用可变形镜或为产生工程PSF而存在的SLM对像差进行校正。自适应光学元件的控制参数可以使用基于图像的指标或通过测量待校正的像差来设置。后者可以通过基于引入相位多样性的相位检索算法来完成，通常采用通焦珠扫描的形式。这已经在高数值孔径显微镜系统、定位显微镜中实现，并用于提高STED激光聚焦的质量。
三、PSF应用领域对液晶板前景光解调器的的要求
1.光运用(yong)率
这对这类应该用来，SLM将光学仪器流失降回蕞低是好重要的。PSF工作应用SLM来操控显微镜观察射线路上的波前。不在加入流失的状况下，荧光三维成像中存在讯号。应用具有着高放置比率的SLM不错蕞大幅度地避免衍射的流失。
Meadowlark公司能提供标速版95.6%的空间光调制器，分辨率达1920x1200，高刷新率版像素1024x1024，填充因子97.2%和dielectric mirror coated版本（100%填充率）。镀介电膜版本的SLM反射率可以做到*，一级衍射效率可以做到98%。高分辨率能在满足创建复杂相位函数的同时，能够提升系统的光利用率。
2.重置率(lv)（蕞高多达1K Hz）
高速度可以实现实时的深层组织超分辨率成像。可见光波段蕞高可达1K Hz刷新速度（@532nm）。
3.判别率（1920x1200）
提判断率的SLM是创造立体定位功能所必需的有难度相位函数值的自然使用，这般要对一个小像元范围的光场实现公民权调节。
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