傅里葉光場顯微成像技術—2D顯微鏡實現3D成像

傅里葉光場顯微三維顯像技術應用—2D顯微鏡觀察改變3D三維顯像

英文論文：近些年前來，光場顯微技巧的利用越變越大面積，涉及光場體視光學電子高倍顯微鏡的完善和網站整合并不斷現身。現階段市面的2D體視光學電子高倍顯微鏡比比皆是，是怎么在其基礎框架上達到三維圖像成相持續是成相這個領域行業的最火火熱，該項注意座談會3D成相金額成相手機的調查，即3D光場體視光學電子高倍顯微鏡成相技巧，隨之內部外學習者利用調查提出了了多種多樣光場體視光學電子高倍顯微鏡的完善對模型，將簽別率、變成因數等首要物理量對其進行了強勢網站整合，很大程度優化了光場顯微技巧的利用這個領域行業。也，因近些年前來袖珍型化集成化技巧的未來發展，袖珍型化光場顯微技巧也不斷為內部外學習者調查的火熱。 

1. 傅里葉光場顯微成相方法在國外外的發展

2014年，Rober等人在核熒光顯微鏡的像平面上放置了一個微透鏡陣列，構建了一個光場反卷積顯微鏡(LFDM)裝置，如圖1所示。為了克服LFM中軸向和橫向空間分辨率之間的權衡，研究團隊通過利用記錄數據的混疊并使用適用于LFM的3D反卷積算法，有效地獲得了改進的橫向和軸向分辨率，蕞終在生物樣品內部的橫向和軸向維度上，分別實現了高達約1.4μm和2.6μm的有效分辨率。

圖1

2019年，我國的學者團隊通過改變微透鏡陣列與透鏡和圖像傳感器之間的相對位置，使微透鏡陣列遠離了光學系統的本征像面，第1次入憲了高分數辨率光場光學顯微鏡觀察（HR-LFM）凡路，有效地規避了過去光場光學顯微鏡觀察所產生的再建偽影。也考慮到微透鏡陣列的位移，形象感測器器已經不再見證原始像垂直面處的畫像混疊，極大程度上挺高了激光散斑分辯率，如圖已知2下圖。

圖2

這一裝置廣泛應用于活體細胞成像，三維分辨率為300nm-700nm，成像深度為幾微米，體積采集時間為毫秒級。該方法可以將線性調頻作為一種特別有用的工具，在多個時空水平上理解生物系統。此后隨著光場顯微技術的快速發展，光場顯微鏡產生了更多類型的演變，如圖1-7所示。研究人員通過在微型顯微鏡平臺上引入光場顯微鏡（LFM），構建了微型化光場顯微鏡（MiniLFM），證明了單次掃描體積重建，如圖3所示。這是通過將微透鏡陣列（MLA）與光場反褶積算法相結合，將微透鏡陣列（MLA）引入到現有的微型鏡平臺上。然而，這種設計在多個深度上存在橫向分辨率不均勻的問題。

圖3

2. 徽型化集成系統技巧的不斷發展

光電器件體視體視顯微鏡就有的是種在不小階段上聲討ibms的高系統，它一般還是會就有的是種質量分數國戎、價錢最貴的卓面醫療儀器。在神經末梢小學科學中，顯微高系統在活體哺乳動物大家受到了大量的運用，雖然傳統性體視體視顯微鏡的有限性性阻攔了腦三維成像檢測的條件和人數。201一年，KunalKGhosh等第1次給出了光場熒光顯微鏡的小型化集成式，如同4右圖。

這是一種微型集成熒光顯微鏡，由大量可生產部件制成，包括半導體光源和傳感器。該設備能夠在活躍的老鼠身上進行0.5mm3的高速細胞成像。與高分辨率光纖顯微鏡相比，這一設備在光學靈敏度、視野、分辨率、成本和便攜性方面具有優勢。

圖4

傳統的光場顯微鏡（LFM）同時捕獲入射光的二維空間和二維角度信息，能夠通過單個相機計算重建樣本的完整三維體積信息，如圖5所示。對于傳統的線性調頻，將微透鏡陣列（MLA）放置在寬視場顯微鏡的本征像面（NIP）上，并且光學信號以混疊方式記錄在MLA后焦平面的微透鏡上，但線性調頻的空間信息采樣模式是不均勻的，導致了重建偽影的出現。除此之外，體積重建采用波光學模型的PSF反褶積。傳統線性調頻的PSF在橫向和軸向尺寸上都是空間變化的，這增加了計算成本，使得重建相當慢，不利于快速觀察動態或功能數據。

圖5

傅里葉光場磁學顯微鏡進行在透鏡和微透鏡陣列間插入圖的新的磁學透鏡，第1次將光電反應薄膜調節從時域轉移傅里葉域（FD），如圖甲如圖是6如圖是。在傅里葉頻域光電反應薄膜系統化中，每個警報都能夠以比做不一余弦數學函數的放大，所以這樣光電反應薄膜透鏡的轉化都可將入射光波變身成為不一規律的純色單面波的線型整合，致使不一純色單面光有不一的常數，即復波幅，所以后焦表面不一地圖坐標的光強占比，相對應入射光波被分解轉換成成的不一規律單色光波的額定功率，繼位置坐標值和光的平率就是兩個應的。發源中繼像面處圖面的光場被傅里葉透鏡轉移為傅里葉頻域下的光場，并與物鏡后瞳孔波前共軛，微透鏡陣列進行對波前按段，在每個透鏡后傳送數據弧度個人信息，才能使手機拍照在各種不同位置輸出的圖案。

圖6

傅里葉光場模式在在傅里葉域（FD）中登記4D光場，影像具體方法關鍵在兩大類具體方法對LFM做變幻。第一步，FD模式能夠以同步的混疊具體方法合理安排入射光的區域和偏角相關信息，合理有效地防范致使冗余備份而會產生的所有的偽影。2，致使FD以并行算出具體方法清理預警，由此不錯用按照的三維空間點延伸指數函數來分析彩色圖像組成，才能很大減輕了算出投入。

3. 光場傳遞和三維成像型號

結合光場顯微技術和傅里葉變換理論的有關知識，微型化傅里葉光場顯微鏡的設計是在光場顯微鏡的基礎上引入一個新的光學透鏡，這一透鏡放置的位置應遠離像平面NIP處，同時應放置在主透鏡和微透鏡陣列之前；根據微型化的實際需要，本次選用的物鏡系統是折射率呈梯度變化的自聚焦透鏡GRINlens。由此可以初步得出微型化傅里葉光學系統的主要光學結構如圖7所示，這也是光場傳播和成像的主要路徑。

圖7

4. 激光鐳雕機的光路設計方案

傅里葉光場體視高倍顯微鏡是在改變后的好的成績辨率光場體視高倍顯微鏡的前提上，在透鏡和微透鏡陣列期間進到這一領域一家新的透鏡，該透鏡能將光場從時域變為成頻域，具備傅里葉改變的做用。為著進行微形化，物鏡模式運用GRINlens進行，到底的激光鐳雕機的光路機制圖圖甲8圖示。

圖8

5. 設備大體大體格局設定

本定制制作的磁學塑料殼子是針對傅里葉光場光電體視顯微鏡觀察的微化而產生了的。跟著微化融合枝術的不斷地發展壯大，變得越發更多的教授公司準備的研究將光場顯微枝術與微化枝術確定綜合，也以此定制制作出了使適用于各種激光切割激光切割機的光路的微化機構模型工具。如圖甲隨時9隨時，一教授公司進行GRINLENS充當物鏡系統，定制制作完整一般磁學光電體視顯微鏡觀察和光場光電體視顯微鏡觀察的微化機構。進行優化各元元件的比較地點，盡應該減少全部整個微化塑料殼子的面積，在微化的的同時實行激光切割激光切割機的光路定制制作的估計的功能。

圖9

分析背景這樣分析成績，搭配實際所設定的小型化傅里葉光場體視顯微鏡觀察，在原本光場體視顯微鏡觀察小型化表殼的知識基礎上，參與同一個新的凹型，常做置放新參與的傅里葉透鏡。搭配實際之前設定好的各元元器的尺碼性能參數和相比較部位，搭配實際環路期望建立的性能，蕞終設定并完畢了小型化傅里葉模式的光電器件表殼空間結構設計，到底尺碼及空間結構設計圖甲10如圖。

圖10

圖11

6. 歸納

15年來，人們一直提出實施光場顯微鏡（也稱為全透視或整體顯微鏡）。光場顯微鏡能夠記錄厚樣品的3D信息，而無需執行多次拍攝。通過捕獲不同的視角并使用適當的算法，可以進行深度重建（關注不同的平面）并計算樣品寬度和長度上可區分部分的深度圖。隨著該技術進一步的拓展，應用已逐漸走向大眾并實現產品化，比如上海昊量光電代理的西班牙的DOIT 3D Micro相機如圖11所示，DOIT®（數字光學成像技術）基于全能信息捕獲的范式轉變。它設計不是在圖像平面附近捕獲信息（傳統技術可以這樣做），而是在傅里葉平面中捕獲信息。通過這種方式，可以直接獲得正交透視，而無需任何數字處理。此外，還避免了使用小微透鏡的要求，這避免了限制傳統全透鏡模式分辨率的波粒二象性，通過zui簡單的方法讓2D顯微鏡實現3D成像如圖12所示。

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