傅里叶光场显微成像技术—2D显微镜实现3D成像

傅里叶光场显微影像科技—2D显微镜观察构建3D影像

引言：近些以来来，光场显微科技工艺工艺的应运越发越广泛性，专门针对光场光学体视显微镜观察观察的问题解决和整合不断产生。近几年市场的的2D光学体视显微镜观察观察比比皆是，怎么样去在其基本条件上推动3d影像不停是影像探究方向的最火问题，某次大部分小组讨论3D影像小数影像照机的探究，即3D光场光学体视显微镜观察观察影像科技工艺工艺，现在我国外经济学家经过探究推出了多种多样光场光学体视显微镜观察观察的问题解决建模，将分别率、图像放大质数和合数等很重要参数做了特殊整合，大幅度扩容了光场显微科技工艺工艺的应运探究方向。还，考虑到近些以来来徵型化集成式科技工艺工艺的不断发展，徵型化光场显微科技工艺工艺也会逐渐被选为我国外经济学家探究的共享wifi。 

1. 傅(fu)里叶(ye)光(guang)场显微激光(guang)散斑新(xin)技(ji)术在全国外的发展(zhan)方向

2014年，Rober等人在核荧光显微镜的像平面上放置了一个微透镜阵列，构建了一个光场反卷积显微镜(LFDM)装置，如图1所示。为了克服LFM中轴向和横向空间分辨率之(zhi)间的(de)(de)权衡，研究团队(dui)通过利(li)用(yong)记(ji)录数据的(de)(de)混叠并使(shi)用(yong)适用(yong)于LFM的(de)(de)3D反卷积算法，有效地获得了改进的(de)(de)横向和(he)轴向分辨率，蕞终在(zai)生物样品内部的(de)(de)横向和(he)轴向维(wei)度上，分别实现了高达约1.4μm和(he)2.6μm的(de)(de)有效分辨率。

图1

2019年，我国的学者团队通过改变微透镜阵列与透镜和图像传感器之间的相对位置，使微透镜阵列远离了光学系统的本征像面，第1次入宪了涨鉴别率光场高倍显微镜观察（HR-LFM）构架，合理以防了传统文化光场高倍显微镜观察出现的再建伪影。直接犹豫微透镜阵列的中移动，画像感应器器已经记录好原始像三(san)视图(tu)处的图(tu)形混(hun)叠，大提生了影像辩认(ren)率，如图(tu)是2所显(xian)示。

图2

这一装置广泛应用于活体细胞成像，三维分辨率为300nm-700nm，成像深度为几微米，体积采集时间为毫秒级。该方法可以将线性调频作为一种特别有用的工具，在多个时空水平上理解生物系统。此后随着光场显微技术的快速发展，光场显微镜产生了更多类型的演变，如图1-7所示。研究人员通过在微型显微镜平台上引入光场显微镜（LFM），构建了微型化光场显微镜（MiniLFM），证明了单次扫描体(ti)积重建，如图3所(suo)示(shi)。这是通过(guo)将微(wei)透(tou)镜阵(zhen)列（MLA）与光(guang)场反褶积算法相(xiang)结(jie)合，将微(wei)透(tou)镜阵(zhen)列（MLA）引入到现有的(de)微(wei)型镜平台(tai)上(shang)。然(ran)而，这种设计在多个深度上(shang)存在横(heng)向分辨(bian)率(lv)不均匀的(de)问题(ti)。

图3

2. 超小型化集成(cheng)式高技术的(de)壮大

光学反应光学高倍显微镜有的是种在非常大度上反对融合的科技，它基本还有的是种容积非常大、收费太贵的桌面上器材。在周围神经科学研究中，显微科技在活体动植物阴茎上得见了诸多的广泛应用，不过过去的光学高倍显微镜的停留性阻拦了脑影像试验的比率和规模较。2020时间内，KunalKGhosh等等第1次提交了光场荧光显微镜的(de)小形化(hua)智能家居控(kong)制，如图(tu)已知4如下图(tu)所示。

这是一种微型集成荧光显微镜，由大量可生产部件制成，包括半导体光源和(he)传感器。该设(she)(she)备能够在活跃的老鼠身上进行0.5mm3的高(gao)速细胞成像。与高(gao)分辨率光纤显微镜相(xiang)比，这一设(she)(she)备在光学灵敏(min)度(du)、视野(ye)、分辨率、成本和(he)便携性方面具有优势。

图4

传统的光场显微镜（LFM）同时捕获入射光的二维空间和二维角度信息，能够通过单个相机计算重建样本的完整三维体积信息，如图5所示。对于传统的线性调频，将微透镜阵列（MLA）放置在宽视场显微(wei)(wei)镜的(de)(de)(de)本征像面（NIP）上(shang)，并(bing)且光学信(xin)号(hao)以(yi)混叠(die)方式记录在MLA后焦平(ping)面的(de)(de)(de)微(wei)(wei)透镜上(shang)，但(dan)线性(xing)调(diao)频的(de)(de)(de)空间信(xin)息采(cai)样(yang)模(mo)式是(shi)不(bu)均匀的(de)(de)(de)，导(dao)致了重建(jian)伪影(ying)的(de)(de)(de)出现。除此之外，体积重建(jian)采(cai)用波光学模(mo)型的(de)(de)(de)PSF反褶积。传统线性(xing)调(diao)频的(de)(de)(de)PSF在横向和(he)轴向尺寸上(shang)都是(shi)空间变化的(de)(de)(de)，这增加(jia)了计算成本，使得重建(jian)相当(dang)慢，不(bu)利(li)于快速观察动态或(huo)功能数(shu)据(ju)。

图5

傅里叶光场体视显微镜根据在透镜和微透镜阵列之間放入一款 新的光纤激光切割机的透镜，第1次将光电材料改变从时域转回傅里叶域（FD），图甲6如图是。在傅里叶频域光电材料程序中，拥有网络信号能够以当做不相同正弦交流电涵数的重叠，故而这一项光电材料透镜的加入可不可以将入射光波会变成不相同概率的纯色剖面波的线性网络整合，可能不相同纯色剖面光都具有不相同的比率，即复波幅，故而后焦上边不相同经纬度的光强分布图制作，对照入射光波工业制硝酸成的不相同概率单色光波的耗油率，亲政置平面坐标和光的平率就是一一双应的。来中继像面处图案的光场被傅里叶透镜换算为傅里叶频域下的光场，并与物镜后瞳孔波前共轭，微透镜阵(zhen)列可(ke)以通(tong)过(guo)对波前各段，在一(yi)个透镜后传送(song)数据弧度个人信息(xi)，所以使相机镜头在不同的(de)地区的(de)输出图面(mian)。

图6

傅里叶光场体统利用在傅里叶域（FD）中纪录4D光场，成相设计方案常见利用不同方试对LFM进行改换。最先，FD体统能够以不同的混叠方试管理入射光的位置和方向资讯，有效的地以防鉴于沉余而生成的其他伪影。第二名，鉴于FD以并行性方试工作数据，那么能能用实行的3D点加密方程来表述画像生成，进而大大大大减掉了估算的成本。

3. 光场(chang)传递和成相绘图

结合光场显微技术和傅里叶变换理论的有关知识，微型化傅里叶光场显微镜的设计是在光场显微镜的基础上引入一个新的光学透镜，这一透镜放置的位置应远离像平面NIP处，同时应放置在主透镜和微透镜阵列之前；根据微型化的实际需要，本次选用的物镜系统是折射率呈梯度变化的自聚焦透镜GRINlens。由此可以初步得出微型化傅里叶光学系统的(de)主要光(guang)学结构(gou)如图7所示，这也(ye)是(shi)光(guang)场(chang)传播和成像的(de)主要路径(jing)。

图7

4. 激光(guang)光(guang)路设计的概念

傅里叶光场光学电子显微镜是在完善后的抓辨认率光场光学电子显微镜的框架上，在透镜和微透镜阵列中读取1个新的透镜，该透镜能将光场从时域换为成频域，产生傅里叶改变的用。方便控制目标小型化，物镜软件系统选取GRINlens控制目标，到底的激光切割光路机理图右图8如图所示。

图8

5. 设备体系综合(he)组成设计构思

本形式形式来结构设计的光电外层是依据傅里叶光场光学体视显微镜观察的小型空气开关化而呈现的。时间推移小型空气开关化整合的技術性的迅速提升，愈来愈越大的学生精英的团队慢慢研发将光场显微的技術性与小型空气开关化的技術性实施融合，也产生形式形式来结构设计出了支持于有差异激光激光镭雕机的光路的小型空气开关化形式仿真模型。如图图甲中9图甲中，一学生精英的团队依据GRINLENS当做物镜来结构设计，形式形式来结构设计完全好几回般光电光学体视显微镜观察和光场光学体视显微镜观察的小型空气开关化形式。依据更改各元器件的取决于地方，以便压缩的整小型空气开关化外层的尺寸大小，在小型空气开关化的与此同时达成激光激光镭雕机的光路形式形式来结构设计的预期想象工作。

图9

由于一种科研成果展，通过所开发的微信化傅里叶光场光学薄膜显微镜观察，在增加了光场光学薄膜显微镜观察微信化表壳的基本条件上，假如是一个新的凹形槽，用作归放到新假如的傅里叶透镜。联系上面开发好的各元零件的长宽比大小参数设置和相对性地址，联系环路预期想象实现目标的技能，蕞终开发并达到了微信化傅里叶软件系统的光学薄膜表壳组成部分，按照长宽比大小及组成部分长为10如下图所示。

图10

图11

6. 个人总结

15年来，人们一直提出实施光场显微镜（也称为全透视或整体显微镜）。光场显微镜能够记录厚样品的3D信息，而无需执行多次拍摄。通过捕获不同的视角并使用适当的算法，可以进行深度重建（关注不同的平面）并计算样品宽度和长度上可区分部分的深度图。随着该技术进一步的拓展，应用已逐渐走向大众并实现产品化，比如上海昊量光电代理的西班牙的DOIT 3D Micro相机如图11所示，DOIT®（数字光学成像技术）基于全能信息捕获的范式转变。它设计不是在图像平面附近捕获信息（传统技术可以这样做），而是在傅里叶平面中捕获信息。通过这种方式，可以直接获得正交透视，而无需任何数字处理。此外，还避免了使用小微透镜的要求，这避免了限制传统全透镜模式分辨率的波粒二象性，通过zui简单的方(fang)法让2D显(xian)微镜实现(xian)3D成像如(ru)图(tu)12所示。

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