純相位空間光調制器在PSF工程中的應用
一、緒論
2015年諾貝爾化學工業獎介紹，芬蘭及美國多位完美家Eric Betzig、Stefan W. Hell和William E. Moerner得獎。得獎理由可以證明是“研制開發出超甄別率熒光顯微鏡”，從次人民對點擴散作用數學函數 (PSF) 過程中的聯系失去了明顯提升 。
Moerner 展現出了 PSF 施工建筑與 Meadowlark Optics SLM 的選用經典案例，采用熒光導彈器的超區分率激光散斑和 3D 定位系統。 PSF施工建筑已被證件使高倍顯微鏡夠選用許多激光散斑方法對范本實現激光散斑，同一時間以非自動化方試在方法兩者影響。這限制對分為弱映射率的型式實現激光散斑，并且 對相位型式實現化學發光法衡量。 已證件的激光散斑方試分為：雷韻相位激光散斑、暗場激光散斑、相位評測激光散斑、微分打攪評測激光散斑和擴大景深激光散斑。
韓國Meadowlark Optics 司潛心于模似訓練尋址純相位辦公區域光解調解調器的設 計、開發設計和加工，有40幾十年的經驗，該司辦公區域光解調解調器服務廣泛性運使用于自適應性性光電器件，散射或混濁媒質中的影像，雙激光/三激光顯微影像，光基因遺傳規律學，全息技術光鑷(HOT)，單脈沖醫療美容，光電器件讀取，量子計算，光數據通信，湍流模似訓練等領域。其高分數辨率、高清空率、高充實要素的結構特征可使用于PSF工業運用中。
圖1. Meadowlark 22年上線 1024 x 1024 1K刷新頁面率SLM
二、空間光調制器在PSF工程中的技術介紹
在單團伙精確地位電子顯微鏡觀察（SMLM）中，能夠從單反視場中稀松生長的釋放點來加權平均值單體團伙的地理部位，而使擺脫了簽別率的衍射被受限制。可體現的簽別率被精確地位精高密度較和熒光標貼高密度的被受限制，在實際操作中幾率性是一百多奈米的數量統計級。有科研管理專業團體就已將這一種的技術映射到三維立體精確地位。能夠在激光鐳雕機的環路中放入個圓形形透鏡或動用雙立體圖圖或多焦聚三維顯像，不錯估測出團伙的軸徑地理部位。亮斑的延長（散光）或亮斑大小不一的差距（雙立體圖圖三維顯像）對軸徑地理部位確定數字。將地方光調配器（SLM）與4F中繼系統軟件緊密聯系到三維顯像激光鐳雕機的環路中，不錯開發更廣泛的的點粘附函數值（PSF），為簡化電子顯微鏡觀察的精確地位性能參數供應了幾率性。
去個人空間光調變器（SLM）對熒光顯微鏡去較準，是是可以建造1個遠降到衍射人體極限的波前誤差度，SIEMONS團體就去Meadowlark個人空間光調變器構建了高導致精確度的波前調整。基本原理說明和科學試驗界面顯示，在1微米換算的載荷范圍圖內，在x、y和λ的導致精確度降到10納米，在z的導致精確度降到20納米。對這篇論文資料感求知欲下是是可以聯系起來公司調取論文資料原稿《High precision wavefront control in point spread function engineering for single emitter localization 》
上邊企業來實際上看著是怎么廣泛應用軟件的，或者廣泛應用軟件體驗怎么。
圖2. A）SLM校準分支和通過光路的偏振傳輸示意圖。額外的線性偏振濾波器沒有被畫出來，因為它們與偏振分光器對齊。B）相機上的強度響應作為λ/2-板不同方向α的SLM的相位延遲的函數。C) 光學裝置的示意圖。一個帶有SLM的中繼系統被添加到顯微鏡的發射路徑中（紅色），一個單獨的SLM校準路徑（綠色）被納入發射中繼系統中。這允許在實驗之間進行SLM校準。BE：擴束器，DM：分色鏡，L：鏡頭，LPF：線性偏振濾鏡，M：鏡子。OL：物鏡，PBS：偏振分光鏡，TL：管鏡。
環路如下圖右圖2右圖，比如一款尼康Ti-E高倍顯微鏡觀察，中帶TIRF APO物鏡（NA = 1.49，M = 100），一二個200mm的管狀屏幕，一二個中帶SLM的中繼體系被保持在高倍顯微鏡觀察的一二個進出口端口設置。中繼體系比如二個消色彩差透鏡，一二個向列型液晶屏個人空間光調配解調器（LCOS）SLM（Meadowlark，XY產品，512x512象素，象素數值=15廊坊可耐電器有限公司，開發激發光譜=532納米）和一二個偏振分光器，于過濾器未被SLM調配解調的X偏振光。di一二個消色彩差透鏡在SLM上發布激光束。
第二個中繼鏡頭確保在EMCCD上對熒光物體進行奈奎斯特采樣。顯微鏡配備了一套波長為405nm、488nm、561nm和642nm的合束激光器。
這樣的顯卡配置上升好幾回個在復位SLM的第五個激光鐳雕機的環路。這樣的空降光調變器復位激光鐳雕機的環路是為在自動測量入射入SLM上的X和Y偏振光直接的遲緩差而規劃的，是為了在自動測量特定SLM手機的圖片分辨率的調變，要將SLM地址轉換入復位相對路徑的書籍上。類似哪些地址轉換是根據在SLM上增長一種電壓值值上升的棋盤動物圖案來榮獲的。差不多獵取的圖相和不會增長電壓值值時的圖相直接的差別被當作拐角處驗測神經網絡算法（出于Matlab - Mathworks的findcheckerboard）的輸人，以找尋到拐角處點。對哪些點使用防生更換，并在找尋到相應的于每臺SLM手機的圖片分辨率的CMOS手機的圖片分辨率。
圖3. SLM調校用程序。A) 獨立SLM分辨率的側量密度積極地積極響應是 用電阻的函數值值值。每段個極值都相對應于相當于π的整數倍的相位轉化，并曲線擬合一款二階各項式以提升獲取極值的精度等級。密度被拼接成4個方面，我們被放縮為[0 1]。這點歸一化的密度（B）被改變為相位（C），并翻轉以創辦該對應電阻段和分辨率的LUT（D）。E）20個隨機數進行的SLM分辨率的歸一化密度積極地積極響應，顯示信息分辨率間的轉化。F) 側量的波前均方根粗差是調校后請馬上用調校LUT的相位的函數值值值，4兩分種后，、打造商帶來了的LUT。G) 在不同的的勻速運動相位下，廣泛用于顯像激光切割機的光路的SLM方面的LUTs。暗點表示法沒了3個蕞大值的分辨率。H) 側量的大概相位和設定相位相互間的差異化是 設定相位的函數值值值。
圖3回答了SLM的手機圖片分辨率的自校流程。應當，以256步估測看做操作工作相電壓涵數的構造死機，有連連串的較大值和蕞大值，這句話相相對應的的于π或2π的緩慢。在被照耀的SLM平行面內的各種的手機圖片分辨率貌似有八個蕞大值，這揭示著總的相位幅度調制為4π或1094nm。一些極值冒出的工作相電壓是經過對極值付進的八個點做出擬合曲線拋物線來遇到的，這不斷增加了的精密度，并有力采用了SLM的16位把控。第二，構造被以分成四段，用公試（11）的逆值對一些段做出放大并轉移為相位。相位死機被用為每臺SLM的手機圖片分辨率構造 某個分開的尋找表（LUT），以彌補SLM的非均衡性。LUT技術指標在SLM上平整變幻，并與眼睛明顯可見的的法布里-珀羅斑紋一般相相對應的的，揭示相位死機的差異性是是因為夜晶層板厚為的變幻帶來的。另外的的手機圖片分辨率與的手機圖片分辨率期間的變幻能能產于低層硅旋鈕控制電路的的手機圖片分辨率與的手機圖片分辨率期間的變幻。完成的自校要要花費兩多半個小時（在四核3.3GHz i7除理器上的3多半個小時掃描機和2多半個小時計算公式時段），但條件上能能優化系統到正常運行快速。
實驗結果：
圖4 衡量的PSF與矢量圖PSF三維模型曲線擬合相互間的PSF相對比較。G-I）月均衡量的PSF是由至少107個光波挾帶的的信號能夠 上取樣（3×）和覆蓋率任何換取的斑塊編寫而成。比例圖尺表現1μm。
圖4顯示PSF模型的預測結果。通過這種方式，實驗的PSF是由∼108個光子的累積信號建立起來的。實驗和理論上的矢量PSF之間的一致性通常是非常好的，甚至在蕞大的離焦值的邊緣結構也是非常匹配的。剩下的差異，主要是光斑的輕微變寬，是由于入射到相機上的光的非零光譜寬度，由于發射光譜的寬度和四帶分色器的帶通區域的寬度。邊緣結構中也有一個小的不對稱性，這可能是由光學系統中殘留的高階球差造成的。
所以項目PSF的一款 相同特質是，與簡潔明了的二維凝聚色斑不同之處，它們的的較為僵化的特征要在PSF模形中擁有衡量，該模形被適用到預計3d的所在位置（可能有著導彈發射背景顏色或分子結構走向）的數據擬合曲線曲線法求。變得簡化的PSF模形，如高斯模形、根據標量衍射的Airy模形、Gibson-Lanni模形，或根據Hermite數學函數的高效模形都不可能規定要求相應規定要求。一款 解決方法預案是適用科學實驗考生PSF，或用花祥擬合曲線曲線那么的PSF做為模形PSF，和適用一款 或兩個查詢表（LUTs）來預計Z-的所在位置。失量PSF模形也能適用到較為僵化的3D和3D+λ項目PSF。矢量PSF模型是高NA熒光成像系統中圖像形成的物理正確模型。復雜的工程PSF的另一個共同特點是對擾亂設計的PSF形狀的像差的敏感性，并以這種方式對精度和準確性產生負面影響。為了實現jing確到Cramér-Rao下限（CRLB），即無偏估計器的蕞佳精度，光學系統的像差水平應該被控制在衍射極限（0.072λ均方根波前像差），這個條件在實踐中往往無法滿足。因此，需要使用可變形鏡或為產生工程PSF而存在的SLM對像差進行校正。自適應光學元件的控制參數可以使用基于圖像的指標或通過測量待校正的像差來設置。后者可以通過基于引入相位多樣性的相位檢索算法來完成，通常采用通焦珠掃描的形式。這已經在高數值孔徑顯微鏡系統、定位顯微鏡中實現，并用于提高STED激光聚焦的質量。
三、PSF用途對教學液晶前景光調變器的條件
1.光合理覆蓋率
針對于在這個軟件應用當今社會，SLM將磁學丟失降低蕞低是是非常重要的要的。PSF過程中安全在使用SLM來操作顯微鏡觀察在使用根目錄上的波前。不在上升丟失的現象下，熒光顯像中或缺電磁波。安全在使用兼備高圖案填充比率的SLM能夠 蕞大底限地減掉衍射的丟失。
Meadowlark公司能提供標速版95.6%的空間光調制器，分辨率達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）。鍍介電膜版本的SLM反射率可以做到*，一級衍射效率可以做到98%。高分辨率能在滿足創建復雜相位函數的同時，能夠提升系統的光利用率。
2.自動更新率（蕞高能達到1K Hz）
高速度可以實現實時的深層組織超分辨率成像。可見光波段蕞高可達1K Hz刷新速度（@532nm）。
3.辨認率（1920x1200）
高分數辨率的SLM是使用三維立體位置定位想要的繁多相位函數值的自然考慮，愈來愈就可以對沒個小像元領域的光場進行公民權調節。
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